Шапарев А.В. - Обзор лазерной резки металлов. Шапарев - Обзор лазерной резки от 23.09.2016. Содержание анализ и систематизация поставленной задачи
 Скачать 2.11 Mb.
|
1.1.2 Систематизация теоретической информации по лазерным технологиям1.1.2.1 Экономическое сравнение лазерной и плазменной резкиРассмотрим сравнение лазерной и плазменной резки на основе работы [3]. Технологии лазерной и плазменной резки материалов имеют одну область применения и являются конкурирующими технологиями. В качестве инструмента при лазерной резке очень упрощенно используется сфокусированный лазерный луч. При непрерывном режиме работы лазерный луч нагревает обрабатываемый материал до температуры плавления, полученный расплав удаляется струей газа под высоким давлением. При сублимационной лазерной резке металла материал под воздействием лазерного импульса испаряется в зоне резки. Плазменная резка заключается в проплавлении разрезаемого металла за счет теплоты, генерируемой сжатой плазменной дугой, и интенсивном удалении расплава плазменной струей. Плазменная дуга получается из обычной в специальном устройстве – плазмотроне – в результате ее сжатия и вдувания в нее плазмообразующего газа. Лазерная резка, в отличие от плазменной, обеспечивает получение более точных по перпендикулярности кромок и более узких прорезей применительно к характерному для процесса диапазону толщин. Сфокусированное лазерное излучение позволяет нагревать достаточно узкую зону обрабатываемого материала, что уменьшает деформации при резке. При этом получаются качественные и узкие резы со сравнительной небольшой зоной термического воздействия. Дополнительным преимуществом лазерной резки является точность получаемых деталей, особенно при образовании вырезов, небольших фигур сложной конфигурации и четко очерченных углов. Одним из главных достоинств данного вида обработки является её высокая производительность. Лазерная резка особенно эффективна для стали толщиной до 6 мм, так как обеспечивает высокое качество и точность при сравнительно большой скорости резки. При лазерной обработке на тонколистовом материале не остается окалины, что позволяет сразу передавать детали на следующую технологическую операцию. Кромки реза у листов толщиной до 4 мм и меньше остаются гладкими и прямолинейными, а у листов большей толщины кромки имеют некоторые отклонения со скосом примерно 0,5°. Диаметры отверстий, вырезанных лазером, имеют в нижней части несколько больший диаметр, чем в верхней, но остаются круглыми и хорошего качества. Для металла толщиной 20–40 мм лазерная резка применяется значительно реже плазменной, а для металла толщиной свыше 40 мм – практически не используется. Плазменная резка, по сравнению с лазерной, эффективна при обработке значительно более широкого по толщине диапазона листов при относительно хорошем качестве реза. Данный вид обработки экономически целесообразен для резки алюминия и сплавов на его основе толщиной до 120 мм; меди толщиной до 80 мм; легированных и углеродистых сталей толщиной до 150 мм; чугуна толщиной до 90 мм. На материалах толщиной 0,8 мм и меньше использование плазменной резки находит ограниченное применение. Для плазменной резки характерна некоторая конусность поверхности реза от 3° до 10° . При вырезании отверстий, особенно на больших толщинах, наличие конусности уменьшает диаметр нижней кромки отверстия, на детали толщиной 20 мм разница диаметра входного и выходного отверстия может составить 1 мм. Следует учитывать, что плазменная резка металла имеет ограничения по минимальному размеру отверстия. Отверстия хорошего качества получаются при диаметре не меньше толщины разрезаемого плазмой листа. При данном способе реза присутствует кратковременный термический обжиг кромки разрезаемого металла. Все это приводит к ухудшению качества деталей. Чаще всего на этих деталях присутствует небольшая окалина, которая легко удаляется. Сравнивая два описанных выше способа, можно прийти к выводу, что результаты лазерной и плазменной резки примерно одинаковы при обработке металлов малой толщины. Если говорить об обработке металлов, толщина которых превышает 6 мм, то здесь лидирующие позиции занимает плазменная технология, которая превосходит лазерную и по скорости выполнения операций, и по уровню энергетических затрат. Но следует учитывать, что качество деталей, полученных при лазерной резке на малых толщинах, значительно выше, чем при использовании плазмы, и целесообразным является использование этой технологии при получении изделий сложной формы, для которых особое значение играет высокая точность и максимальное соответствие проекту. Следует отметить, что лазерное излучение, в отличие от плазмы, является широкоуниверсальным инструментом (кроме резки оно применяется также для маркировки, упрочнения, разметки и т.п.). Также сроки службы расходных материалов при лазерной резке несравнимо более длительные, чем при плазменной. Немаловажной характеристикой является стоимость установок. Станки плазменной резки дешевле лазерных, но при сравнении стоимости эксплуатации установок следует учитывать ряд одинаковых или аналогичных параметров, существующих при работе этих установок и влияющих на эксплуатационные расходы. Это относится, в первую очередь, к стоимости расходных материалов, а также электроэнергии и вспомогательных газов. К числу основных газов, используемых при лазерной резке, относятся воздух и кислород (при резке углеродистой стали) или азот (при резке коррозионно-стойкой стали и алюминия). Энергетические расходы включают расходы на электроэнергию, потребляемую самой установкой, электроэнергию для лазера и охлаждающего устройства, а к числу расходуемых компонентов относятся внутренняя и внешняя оптика, линзы, сопла, фильтры. Периодичность замены расходных компонентов, используемых в установке лазерной реки, составляет от нескольких недель до нескольких лет, в зависимости от многих параметров. При осуществлении плазменной резки в основном используют воздух и кислород. К энергетическим расходам здесь относят расходы на электроэнергию для создания плазмы и для питания самой установки плазменной резки. В числе расходуемых компонентов – сопло, электрод, рассекающее кольцо, крышки, керамическая направляющая и экран. Как вариант можно использовать слаботочные электроды и сопла, что ведет к повышению качества резки, но при этом снижается ее производительность. Другие параметры, например, количество вырезаемых отверстий на одну деталь, оказывают влияние на часовую стоимость эксплуатации плазменной установки в большей степени, чем на тот же показатель для лазерной, поскольку расходуемые компоненты, например, сопла и электроды рассчитаны на определенное количество стартов или прошивок. Чем больше отверстий требуется прошивать в детали для ее резки, тем выше стоимость часа работы плазменной установки. Таким образом, сравнивая качество получаемых деталей и исходя из стоимости затрат на расходные материалы, можно прийти к выводу, что лазерная резка эффективнее плазменной для более тонких листовых материалов, а плазменная — для более толстых. Следует учитывать, что эксплуатационные расходы для обоих типов резки имеют широкий разброс и во многом определяются геометрическими параметрами заготовки, числом отверстий в ней, видом и толщиной разрезаемого материала (таблица 3). Таблица 3. Таблица сравнения лазерной и плазменной резки [3]
1.1.3.2 Экономическая оценка применения волоконных лазеровРассмотрим экономические вопросы, закономерно возникающие при оценке проектов технического перевооружения на основе мощных волоконных лазеров [4,5]. У волоконных лазеров имеется целый ряд технических особенностей и свойств, из-за которых переносить опыт применения классических лазеров на новую технику не совсем корректно. Поэтому целесообразно начать с изложения этих отличий и особенностей. Уникальный ресурс новых излучателей (более 100 тысяч часов с возможностью продления ресурса при сравнительно небольших затратах) и почти нулевые эксплуатационные затраты. С учетом фактического изъятия части амортизации через НДС и ЕСН в существующей налоговой системе это может быть весьма важным экономическим фактором (часть амортизации не используется и остается в вашем распоряжении). Минимальные время и затраты на подготовку помещений и пусконаладку. Производитель волоконных лазеров даже называет процесс пусконаладки термином «инсталляция», поскольку процесс запуска оборудования с момента распаковки транспортной тары занимает всего несколько часов. Универсальность лазерного источника. Волоконный лазер является образцом источника «чистой лучевой» энергии, и в нем самом почти нет технологической специфики — т. е. он может быть переориентирован с выполнения одного технологического процесса на другой при диверсификации или иной перестройке производства. С оговорками можно даже назвать такой источник ликвидным, в том смысле, что он сам по себе сохраняет стоимость и ценность. Отсюда начинают развиваться сервисы лизинга и обмена лазеров (по этим вопросам лучше контактировать прямо с производителем). Возможность наращивания мощности. Вы можете приобрести лазер с конструктивным запасом, скажем, на мощность 700 Вт при поставке и потом просто докупить блоки накачки и увеличить мощность до 2400 Вт, практически ничего не меняя в вашей производственной системе (операция установки дополнительных блоков длится не более 2-3 часов). Это позволяет существенно уменьшить начальные капитальные вложения и нарастить производительность точно в тот момент, когда это нужно вашему производству. Транспортировка излучения по оптическому кабелю длиной от 10 до 100 м существенно упрощает проектирование и компоновку технологических систем. Можно использовать огромный ассортимент серийной промышленной робототехники. Для некоторых задач требуется только три компонента: лазер, технологическая головка и промышленный робот. Естественно, при отсутствии опыта услуги фирмы-интегратора все равно потребуются, но суммарные затраты на создание специфической производственной системы будут существенно меньше. Возможность организации на базе волоконных лазеровмногоцелевых и многофункциональных технологических участков для максимизации загрузки лазерного источника. Это не совсем просто, но вполне реально, и ввиду важности этой возможности мы ее специально обсудим далее. И наконец, вопрос кадров и специалистов. Волоконные лазеры избавляют вас от необходимости содержать штат специалистов с довольно специальными знаниями в области оптики, электрических разрядов и вакуумных систем. Ничего этого не требуется для эксплуатации, обучение специалиста оператора занимает время не более недели. Естественно, это не избавит вас от необходимости иметь грамотных технологов, но это уже иной вопрос, не имеющий отношения к самому лазеру. Вполне возможно задействовать имеющийся персонал и заодно получить другой, более качественный уровень производительности. В настоящее время волоконные лазеры сейчас несколько дороже классических CO2-лазеров и поэтому стоимость самого лазера составляет существенную часть технологической системы. Ориентировочная цена лазера за 1000 Вт мощности составляет 3,5 млн.руб. с НДС. В минимальный «рабочий» набор оборудования для выполнения лазерной технологической операции входят: Волоконный лазер с указанной выше базовой стоимостью 3,5 млн. руб./кВт; Лазерная технологическая головка — 0,4…0, 8 млн.руб. Она непосредственно формирует поток излучения и потоки других веществ в зоне обработки; Роботизированный манипулятор для перемещения лазерной головки или изделия, а также для общего управления процессом. Если применить готовый универсальный промышленный робот, то затраты составят 1-2 млн. руб. в зависимости от бренда и комплектации. Таким образом, базовая сумма капитальных затрат на технологическую систему мощностью 1000 кВт составит около 6 млн.руб. На самом деле ещё будут необходимы затраты на интеграцию, программное обеспечение, подготовку помещений и производства. Поэтому будет разумным для простоты расчетов предположить, что стоимость вложений составит примерно две цены волоконного лазера. В частности, такая пропорция наблюдается по лазерным станкам для раскроя металла — цены на станки с волоконным лазером мощностью 2000 Вт находятся в интервале 12-14 млн. руб. При этом лазерные раскройные системы представляют собой большой комплекс оборудования и имеют большие габариты, но цена снижается благодаря серийности и типовой, хорошо обкатанной технологии. В других технологических процессах (сварка, закалка) комплекс оборудования может быть проще, но зато на данном этапе эти технологии не пакетированы в серийные комплексы, т.е. здесь возникнут существенные затраты на инжиниринг и технологию. Поэтому двухкратный коэффициент может быть оправданным для широкого класса применений при среднем уровне автоматизации (процесс обработки автоматический, загрузка-выгрузка ручная или полуавтоматическая). ЛИТЕРАТУРА1. Григорьянц А.Г., Соколов А.А. Лазерная резка металлов. – М.: Высшая школа, 1988. – 127 с. 2. Может ли плазменная резка конкурировать с лазерной. – http://www.gigamech.com/info-mmi/articles-mmi/92-lazer-vs-plasma 3. Лазер или плазма? – http://unimach.ru/articles/67 4. Волоконные лазеры. Экономическая оценка. – http://www.ntoire-polus.ru/ritm37_pp43-45.pdf 5. Скрипченко А.И., Медвецкий В.М. Волоконные лазеры. Экономическая оценка. НТЦ ООО «Электроресурс» – http://unimach.ru/articles/84 |