Лазерная резка обеспечивает высокую точность раскроя и позволяет изготавливать детали со сложными контурами. Однако даже на современном оборудовании кромка может получиться неровной, на обратной стороне листа появляются металлические наплывы, а сама заготовка после обработки иногда теряет первоначальную форму.
Такие недостатки возникают по разным причинам. Одни связаны с неправильной настройкой станка, другие – со свойствами материала или особенностями расположения деталей на листе. При этом небольшой заусенец обычно можно удалить механической обработкой, а серьезное коробление или отклонение размеров нередко становится причиной выбраковки всей детали.
Разберем, как выглядят основные дефекты, почему они возникают, чем опасны и какие технологические решения помогают сохранить качество металлообработки.
Почему при лазерной резке возникают дефекты
Лазерный луч концентрирует энергию на небольшом участке металлической поверхности. Материал в зоне воздействия нагревается и плавится, а струя вспомогательного газа удаляет расплав из формирующегося канала реза. Режущая головка перемещается по заданной траектории, постепенно разделяя лист на отдельные заготовки.
Качество полученной поверхности зависит от согласованности нескольких параметров:
Мощности излучения и положения фокуса относительно поверхности листа
Скорости перемещения режущей головки
Вида, чистоты и давления вспомогательного газа
Диаметра сопла, его центровки и расстояния до заготовки
Толщины, марки и состояния поверхности металла
Последовательности раскроя и расположения деталей на рабочем столе
Например, при недостаточной энергии металл может не прорезаться на всю толщину. Если расплав образуется, но плохо удаляется газовой струей, на нижней кромке остаются затвердевшие капли. Чрезмерное тепловложение, напротив, приводит к оплавлению углов, расширению пропила и деформации тонких элементов.
Даже при правильно подобранных параметрах результат зависит от состояния материала. Ржавчина, прокатная окалина, неоднородность покрытия или отклонения фактической толщины листа способны нарушить стабильность процесса.
При оценке качества важно учитывать назначение детали. Незначительная шероховатость может быть допустима для заготовки, которая впоследствии пройдет механическую обработку. Для декоративной панели, сварного соединения или элемента точного механизма требования к состоянию кромок будут существенно строже.
Грат и заусенцы на кромках металла
Грат представляет собой выступающие наплывы затвердевшего материала, образующиеся преимущественно на нижней стороне детали. Он появляется, когда часть расплава не выходит из канала реза и застывает на его выходе.
Внешний вид такого дефекта бывает разным. Иногда вдоль кромки тянется тонкая металлическая бахрома, иногда образуются отдельные капли или массивные наросты, прочно соединенные с основным металлом.
Заусенцем обычно называют небольшой острый выступ на краю детали. В производственной терминологии эти понятия часто пересекаются, хотя крупный наплыв затвердевшего расплава и тонкая острая кромка могут требовать разных способов обработки.
Почему образуются металлические наплывы
Одна из распространенных причин – нарушение баланса между скоростью резки, количеством образующегося расплава и эффективностью его удаления.
При чрезмерной скорости лазер не успевает сформировать устойчивый канал на всю толщину листа. Расплав движется с отставанием от режущей головки, а на выходе из пропила могут возникать неровности и застывшие капли.
Слишком медленное перемещение тоже не всегда улучшает результат. Избыточный нагрев увеличивает объем расплава, вызывает оплавление кромок и при определенных режимах способствует образованию массивного грата.
Существенную роль играет фокусировка. При неправильно выбранном положении фокальной плоскости распределение энергии по толщине материала меняется. Нижняя часть реза может оказаться недостаточно прогретой, а газовый поток не справится с удалением металла.
Отдельного внимания заслуживает состояние сопла. Поврежденное отверстие или смещение относительно оси лазерного луча нарушает симметрию газовой струи. Характерный признак такой неисправности – неравномерное образование грата с одной стороны контура.
Положение фокуса, скорость перемещения и параметры режущего газа относятся к основным факторам, определяющим шероховатость кромки и образование заусенцев.
Чем опасны заусенцы
Даже небольшие выступы способны помешать дальнейшему изготовлению изделия. При сборке они препятствуют плотному прилеганию деталей, создают зазоры и мешают правильной установке крепежа.
Особенно заметны последствия при гибке листового металла. Наплывы на опорной поверхности ухудшают позиционирование заготовки относительно инструмента. В результате возможно смещение линии гиба или появление следов на поверхности детали.
Острые края также опасны при ручной сборке и обслуживании оборудования. Они могут повреждать изоляцию проводов, уплотнения и другие элементы, контактирующие с металлической поверхностью.
Если деталь предназначена для сварки, крупные наплывы и налипший шлак затрудняют подготовку соединения. Перед выполнением шва такие участки приходится зачищать.
Как удалить грат
Способ обработки зависит от размеров и прочности наплывов, материала детали и требований к ее геометрии.
Тонкие заусенцы удаляются абразивными щетками, шлифовальными кругами или специальными станками для снятия заусенцев. При серийном производстве применяется проходная обработка, при которой деталь последовательно проходит через абразивные и щеточные узлы.
Плотно налипший шлак иногда требует предварительного механического отделения. После удаления крупных включений поверхность подвергается зачистке.
При обработке тонколистовых деталей важно не снять лишний металл. Чрезмерное шлифование изменяет размеры отверстий, нарушает прямолинейность кромки и может повредить небольшие перемычки.
Если грат появляется на каждой детали, постоянная зачистка не решает производственную проблему. В таком случае целесообразнее проверить технологический режим и устранить причину образования наплывов.
Окалина и шлак после резки
Темный налет на поверхности металла часто называют окалиной, хотя внешне похожие загрязнения могут иметь разное происхождение.
Окалина – это слой оксидов, образующийся при взаимодействии нагретого металла с кислородом. Она может выглядеть как темная пленка, шероховатая корка или отдельные участки окисленной поверхности.
При лазерной обработке углеродистой стали кислород нередко используется в качестве режущего газа. Он участвует в окислении металла, а выделяющееся тепло поддерживает процесс резки. Поэтому образование оксидного слоя на кромке при таком способе обработки закономерно.
Само наличие окисленной поверхности еще не свидетельствует о нарушении технологии. Значение имеют толщина и прочность слоя, требования к внешнему виду и последующие производственные операции.
С окалиной не следует путать шлак. Это затвердевшие продукты плавления и окисления, которые могут прочно налипать на поверхность реза, преимущественно в его нижней части. Такое разграничение используется и в ГОСТ Р ИСО 17658-2022, посвященном терминологии дефектов термической резки.
Откуда берется оксидный налет
Количество оксидов зависит прежде всего от состава газовой среды и температурного режима.
При кислородной резке конструкционной стали на боковой поверхности пропила обычно формируется темный оксидный слой. Если металл перегревается или газовая струя плохо удаляет продукты реакции, загрязнения могут накапливаться на нижней кромке.
Другой источник проблем – исходное состояние листа. Горячекатаный прокат часто имеет собственную прокатную окалину, возникшую еще при изготовлении металла. Ржавчина и неоднородные поверхностные покрытия тоже влияют на поглощение излучения и стабильность процесса.
При раскрое материала с загрязненной поверхностью возможны локальные нарушения прореза, борозды и дополнительные шлаковые включения.
Для получения кромки без выраженного оксидного слоя применяется резка с азотом. Газ вытесняет воздух из зоны обработки и удаляет расплав без дополнительного окисления стали. При этом режим требует соответствующей мощности лазера и достаточного давления газа.
Почему окалину нельзя оставлять перед окрашиванием
На первый взгляд тонкая темная пленка может казаться безобидной. Однако при нанесении лакокрасочных и порошковых покрытий она становится промежуточным слоем между основным металлом и защитным материалом.
Если оксидная пленка плохо связана со сталью, покрытие может отслаиваться вместе с ней. Оголенные участки теряют антикоррозионную защиту, а в условиях повышенной влажности становятся очагами коррозии.
Производители порошковых покрытий относят остатки оксидов на лазерных кромках к причинам нарушения адгезии и рекомендуют удалять их механическим способом перед окрашиванием.
Для очистки подходят абразивные щетки, шлифование и дробеструйная обработка. Выбор технологии зависит от геометрии детали и требований к шероховатости поверхности.
Если изделие изначально предназначено под порошковую окраску, вопрос подготовки кромок желательно решить еще до раскроя. В отдельных случаях резка с азотом сокращает объем последующей очистки.
Пыль при обработке черных металлов
Во время резки образуются не только крупные частицы шлака, но и мелкодисперсные загрязнения. Часть металла испаряется под воздействием лазерного излучения, а затем конденсируется в виде мельчайших частиц. При кислородной обработке углеродистой стали в составе пыли присутствуют оксиды железа.
Такие частицы оседают на элементах рабочего стола, внутренних поверхностях оборудования и в системе удаления продуктов резки.
Пыль нельзя считать исключительно косметической проблемой. Загрязнение защитного стекла режущей головки ухудшает прохождение излучения, а скопление частиц в рабочей зоне затрудняет обслуживание станка.
Кроме того, аэрозоли, образующиеся при лазерной резке металла, требуют контроля воздействия на персонал. Для их удаления применяется местная вытяжная вентиляция с соответствующей фильтрацией. Сдувание осевшей пыли сжатым воздухом без организованного удаления загрязнений может привести к ее повторному распространению в помещении.
Деформация металла после лазерной резки
Лазер воздействует на сравнительно узкую область заготовки, поэтому тепловое влияние на окружающий материал обычно значительно меньше, чем при многих других способах термического раскроя. Тем не менее полностью исключить температурные напряжения невозможно.
Участок рядом с пропилом нагревается и стремится расшириться, тогда как окружающий холодный металл ограничивает его перемещение. После охлаждения возникают усадочные деформации и остаточные напряжения.
Их результатом становятся изгиб, волнистость, скручивание или изменение размеров готовой детали.
Особенно чувствительны к такому воздействию тонкие листы, длинные узкие элементы, перфорированные панели и детали с большим количеством близко расположенных отверстий.
Почему лист коробится
Иногда деформация становится заметна еще во время обработки. Край листа приподнимается над рабочим столом, а вырезанная деталь теряет плоскостность.
Причиной может быть избыточное тепловложение. Если режущая головка последовательно проходит по нескольким соседним контурам, металл между ними не успевает остыть. Температурные напряжения накапливаются, и тонкая перемычка начинает изгибаться.
Другая ситуация связана с внутренними напряжениями самого проката. После отделения детали от листа напряжения перераспределяются, и заготовка изменяет форму даже при относительно небольшом нагреве.
Поэтому коробление не всегда означает неправильную настройку лазера. Важны состояние исходного материала, его толщина, форма детали и последовательность раскроя.
Как уменьшить деформацию
Основная задача технолога – ограничить избыточный нагрев и обеспечить устойчивое положение заготовки на протяжении всего процесса.
При составлении программы раскроя учитывается расположение соседних контуров. Обработка удаленных участков листа вместо последовательного вырезания близлежащих деталей помогает избежать концентрации тепла в одной области.
Внутренние отверстия и пазы обычно выполняются до отделения наружного контура. Пока деталь остается частью листа, ее положение относительно рабочего стола устойчивее.
Для небольших и тонких элементов могут предусматриваться микроперемычки. Они временно соединяют вырезаемую деталь с окружающим металлом и препятствуют ее смещению или опрокидыванию. После раскроя перемычки удаляются.
Подобные приемы особенно важны при обработке деталей, которые после отделения способны приподняться над опорами и попасть на траекторию режущей головки.
Если деформация уже возникла, возможность исправления зависит от требований к изделию. Простые плоские заготовки иногда поддаются правке, но для деталей с точными отверстиями и сложным контуром дополнительное механическое воздействие может оказаться недопустимым.
Другие нарушения качества реза
Грат, окалина и коробление – распространенные, но далеко не единственные проблемы лазерной обработки. Некоторые недостатки заметны сразу после раскроя, а другие обнаруживаются только при измерении детали или подготовке к сборке.
Неполный прорез. Часть металла остается неразделенной, и заготовка не отделяется от листа. Причиной бывает недостаточная плотность энергии в нижней части пропила, завышенная скорость, нарушение фокусировки или неэффективное удаление расплава. Продолжать резку в таком режиме опасно для оборудования: приподнявшийся участок материала может столкнуться с режущей головкой.
Шероховатость и глубокие борозды. На боковой поверхности реза обычно присутствуют характерные линии, возникающие при движении фронта плавления. Однако чрезмерно выраженная ребристость, глубокие борозды и местные выхваты металла указывают на нарушение стабильности процесса. Возможные причины – неправильная скорость, колебания газового потока, смещение фокуса или загрязнение оптики. Особенно внимательно такие поверхности следует оценивать на деталях, предназначенных для сварки или точной сборки.
Оплавленные углы и расширенный пропил. При прохождении острых углов и небольших радиусов режущая головка замедляется. Если мощность лазера остается прежней, на ограниченный участок поступает избыточная энергия. Угол скругляется, ширина реза увеличивается, а небольшие отверстия теряют правильную форму. Для сложных контуров важна согласованная регулировка скорости и мощности.
Конусность кромки. Верхняя и нижняя части пропила могут иметь разную ширину. При выраженном отклонении боковая поверхность оказывается наклонной относительно плоскости листа. Проблема особенно существенна для деталей, которые должны плотно сопрягаться по всей толщине металла. Причины связаны с формированием лазерного пучка, положением фокуса и условиями удаления расплава.
Дефекты в точке пробивки. В месте первоначального проникновения лазера иногда остаются кратер, капли металла или локальное расширение реза. Если точка входа расположена непосредственно на ответственном контуре, такой след ухудшает геометрию детали. Для его предотвращения применяется предварительная пробивка с последующим заходом на контур из технологической области.
Как определить причину дефекта по внешнему виду
Характер повреждения часто подсказывает, какую часть технологического процесса следует проверить в первую очередь. При этом одинаковый внешний признак может возникать из-за нескольких причин, поэтому окончательный вывод делается после контрольной резки.
Признак | Возможная причина | Что проверить |
Равномерный грат по нижней кромке | Нарушение режима плавления или удаления расплава | Скорость, фокус, давление и расход газа |
Наплывы преимущественно с одной стороны | Неравномерная газовая струя | Центровку, геометрию и состояние сопла |
Оплавление верхних углов | Избыточное тепловложение при замедлении головки | Мощность и параметры прохождения углов |
Глубокие борозды на поверхности реза | Нестабильный фронт плавления | Скорость, фокусировку, газ и состояние оптики |
Неполный прорез | Недостаточная энергия или плохое удаление расплава | Мощность, скорость, фокус и подачу газа |
Волнистость и изгиб тонкой детали | Температурные или остаточные напряжения | Последовательность раскроя и состояние листа |
Например, если дефект повторяется на одном участке независимо от направления движения головки, стоит обратить внимание на состояние материала и опор рабочего стола. Если же качество меняется в зависимости от направления резки, дополнительной проверки требует соосность луча и сопла.
Еще один полезный признак – момент появления проблемы. Ухудшение качества в процессе длительного раскроя может быть связано с накоплением тепла, загрязнением защитного стекла или изменением положения листа.
Как предупредить образование дефектов
Самый надежный способ сократить количество брака – проверять качество реза до запуска всей партии. Для этого на материале той же марки и толщины выполняется пробный контур с характерными для будущей детали элементами: прямыми участками, углами, отверстиями и небольшими радиусами.
После пробного раскроя желательно осмотреть обе стороны заготовки и боковую поверхность реза. Особое внимание уделяется нижней кромке, где чаще всего остаются наплывы.
Если обнаружен дефект, изменение сразу нескольких настроек затрудняет поиск причины. Гораздо информативнее последовательно проверить состояние оборудования и скорректировать отдельные параметры, сравнивая полученные образцы.
При подготовке станка особое значение имеют чистота защитного стекла, состояние сопла, правильная центровка луча и стабильность подачи газа. Даже удачно подобранный режим не сохранит качество, если режущая головка работает с загрязненной оптикой или поврежденным соплом.
Также следует учитывать свойства конкретного металла. Режимы, подходящие для конструкционной стали одной толщины, нельзя автоматически переносить на нержавейку или алюминиевый сплав. Различия в теплопроводности, температуре плавления и взаимодействии с газовой средой влияют на формирование кромки.
Отдельный вопрос – качество самого листа. Для ответственных изделий предпочтителен материал с предсказуемой толщиной, плоскостностью и состоянием поверхности. Если горячекатаный прокат имеет выраженную окалину или следы коррозии, предварительная подготовка может оказаться необходимой.
Как оценить качество готовой детали
Визуального осмотра недостаточно, если заготовка предназначена для точной сборки. Отсутствие заметного грата еще не означает, что размеры и форма соответствуют чертежу.
При приемке учитываются ширина пропила, состояние кромок, отклонение от перпендикулярности, шероховатость и точность воспроизведения контура. Для плоских изделий дополнительно оцениваются коробление и отклонение от плоскостности.
Международный стандарт ISO 9013 устанавливает классификацию качества термических резов, включая лазерную резку металла толщиной от 0,5 до 32 мм. Его геометрические требования применяются, когда соответствующая ссылка предусмотрена чертежом или условиями поставки. При этом требования к плоскостности определяются отдельно, с учетом стандартов на материал и технической документации изделия.
Особое внимание стоит уделять деталям, которые после раскроя направляются на гибку, сварку или нанесение защитного покрытия. Для них состояние поверхности и кромок напрямую влияет на качество последующих операций.
Небольшие отклонения иногда устраняются зачисткой, шлифованием или правкой. Однако дополнительная обработка не должна нарушать заданные размеры и геометрию.
Поэтому требования к чистоте кромки, допустимым наплывам, состоянию оксидного слоя и плоскостности лучше определять еще на этапе подготовки чертежа. Тогда качество лазерной резки оценивается по понятным техническим критериям, а не только по внешнему виду готовой заготовки.
Уральский Завод Листовых Конструкций (УЗЛК) оказывает услуги лазерной резки металла в Екатеринбурге. Мы работаем с различными материалами, среди которых сталь, алюминий, медь и латунь. Современное оборудование и квалифицированный персонал обеспечивают высокое качество готовых изделий без дефектов. Для оформления заказа свяжитесь с нашими специалистами по телефону +7(343)351-74-22 или через онлайн-формы на сайте.