Термическая резка

Тепловая или термическая резка металлов — это технологический процесс, при котором отделение частей разрезаемой заготовки (листа, профиля, поковки, отливки) производится посредством использования концентрированного нагрева, создаваемого различными источниками теплоты. В машиностроении применяются кислородная, кислородно-флюсовая, плазменная, электродуговая и лазерная тепловая резка.
По признаку используемых природных явлений способы тепловой резки подразделяются на две основные группы.
К первой группе относятся все виды кислородной резки. В их основе лежит использование химического процесса сгорания металла в кислороде и физического процесса выдувания жидких окислов из полости реза. Концентрированный нагрев используется для доведения металла до температуры воспламенения в кислороде.
Ко второй группе относятся плазменная, электродуговая и лазерная резка. Все эти способы основаны на использовании только физических процессов расплавления металла и последующего удаления расплава из полости реза струей газа. Концентрированный нагрев применяется для нагревания металла до температуры выше точки его плавления. По соотношению цена/качество стоимость плазменной резки металла выигрывает безоговорочно.
В зависимости от вида формоизменения обрабатываемой заготовки различают разделительную и поверхностную тепловую резку. При разделительной резке результатом обработки является относительно узкий сквозной прорез на всю толщину металла, а при поверхностной резке, которая иначе называется тепловой строжкой, производится сжигание или расплавление металла лишь на поверхности заготовки на относительно небольшую глубину с одновременным удалением жидкого окисла или расплава посредством сдувания струей газа.
В зависимости, от вида применяемых средств технологического оснащения для осуществления того или иного способа тепловой резки различают ручную, полуавтоматическую и автоматическую тепловую резку. При ручной резке используется ручной резак, перемещение которого по требуемой траектории с необходимой скоростью, а также регулирование режимов горения пламени или дуги и подачи кислорода осуществляются вручную. При полуавтоматической резке перемещение резака производится машиной переносного типа, а регулирование горения пламени или дуги и подачи кислорода — вручную. Автоматическая тепловая резка выполняется только на стационарных машинах, оснащенных необходимыми системами управления их перемещения и процессом резки.
В таблице приведена укрупненная классификация способов тепловой резки. Четких границ между областями применения различных способов тепловой резки не существует, и поэтому при их определении должны учитываться не только технологические возможности того или другого способа, но и их экономическая целесообразность. Также приведены способы тепловой резки и основные области их применения.

СПОСОБ РЕЗКИ	Разделительный вид резки	Поверхностный вид резки
Кислородная	Ручная, переносными машинами, на стационарных машинах	Ручная
Кислородно-флюсовая	Ручная, переносными машинами, на стационарных машинах	Ручная
Плазменная	Ручная, переносными машинами, на стационарных машинах	Ручная
Электродуговая	Ручная	Ручная
Лазерная	На стационарных машинах	Невозможна

Области применения различных способов тепловой резки

Способ резки	Материал	Диапазон толщин, мм
Кислородная	Углеродистые и низколегированные стали Титан и его сплавы	3-1000 4-100
Кислородно-флюсовая	Высоколегированные хромоникелевые (коррозионно-стойкие) и хромистые стали, чугун, мель, латунь, бронза и др.	4-1000
Плазменная	Конструкционные стали всех марок Коррозионно-стойкие стали Алюминий Медь, латунь	3-30 3-70 3-80 2-70
Лазерная	Конструкционные стали всех марок, коррозионно-стойкие стали, титан, медь, латунь и др.	До 10

Общей для всех способов термичесой резки является возможность обрабатывать металлопрокат или другие виды заготовок в широком диапазоне по толщине и по видам материалов без смены инструмента. Это обстоятельство создает предпосылки для создания па базе технологии и оборудования для тепловой резки гибких производственных систем .

Кислородная резка

Кислородная резка представляет собой способ резки посредством интенсивного и сосредоточенного на узком участке сжигания металла струей кислорода после предварительного подогрева его до температуры воспламенения, а затем быстрого удаления продуктов сгорания из полости реза той же струей кислорода.

Осуществление кислородной резки возможно при условии, если металл обладает следующими свойствами:

• температура плавления металла выше температуры его воспламенения (иначе металл будет плавиться и переходить в жидкое состояние раньше, чем начнется его сгорание в кислороде);

• температура плавления окислов должна быть ниже температуры плавления самого металла (иначе окислы не расплавятся, их невозможно будет удалить из полости реза и процесс резки прекратится)

• окислы металлов должны быть достаточно жидкотекучи (в противном случае они не будут выдуваться струей кислорода из полости реза);

• теплопроводность металла па должна быть велика, чтобы не препятствовать концентрации теплоты, необходимой для нормального протекания процесса;

• количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислороде, должно быть достаточно велико, чтобы обеспечить поддержание непрерывного процесса резки.

Основными параметрами кислородной резки, сочетание которых предопределяет возможность достижения требуемого качества реза при наибольшей производительности процесса, являются: мощность подогревающего пламени, давление и чистота режущего кислорода и скорость резки. Мощность подогревающего пламени характеризуется расходом горючего газа в единицу времени и зависит от толщины разрезаемого металла. При правильно выбранной мощности обеспечивается быстрый нагрев металла до температуры воспламенения и в дальнейшем поддерживается непрерывный процесс без оплавления кромок. При излишней мощности пламени кромки оплавляются, а образующиеся в полости реза шлаки содержат большое количество расплавленного металла. Такие шлаки прочно привариваются к нижним границам кромок, образуя трудноотделимый грат. Мощность подогревающего пламени зависит не только от толщины разрезаемого металла, но также и от состояния его поверхности и характера расположения кромки реза (вертикальная или наклонная). Повышение мощности пламени требуется при резке литья, проката, покрытого окалиной или ржавчиной, при подготовке листов под сварку со скосом кромок.
На тепловую эффективность нагрева металла подогревающим пламенем оказывают влияние также форма и расположение подогревающих сопел, расстояние между языком пламени и поверхностью разрезаемого листа. Из всех применяемых горючих газов наибольшей температурой пламени обладает ацетилен. Зависимость расхода ацетилена от толщины разрезаемой стали приведена на рисунке.

Давление режущего кислорода (при прочих равных условиях) предопределяет его расход, т. е. объем, поступающий в полость реза в единицу времени. Расход кислорода должен быть достаточным, чтобы обеспечивать интенсивное окисление металла по фронтальной поверхности полости реза и удаление из нее продуктов сгорания. При недостатке кислорода появляется (так же как и при избыточной мощности подогревающею пламени) неотделимый грат на нижних кромках реза вследствие того, что часть расплавленного металла в полости реза не окисляется и попадает в шлак, который по этой причине прочно приваривается к кромкам при вытекании. При избытке кислорода происходит охлаждение им металла, тепло выносится из зоны горения и нарушается процесс резки. Величина давления режущего кислорода назначается в зависимости от толщины металла.
Повышение давления режущего кислорода приводит к увеличению скорости его истечения из сопла мундштука, что способствует интенсификации сдувания шлаков с фронтальной поверхности полости реза, а следовательно, к улучшению условий для доступа к металлу новых порций кислорода для его окисления. За счет повышения давления режущего кислорода до 1,5 МПа скорость резки может быть повышена в 2—2,5 раза, но для этого требуются аппаратура и трубопроводы трасс, рассчитанные на это давление, и применение мундштуков только с коническими соплами при очень высоком качестве обработки их внутренних поверхностей.
Скорость резки зависит, в первую очередь, от толщины разрезаемого металла, но для определенной толщины металла она является параметром который получается в результате определения оптимального сочетания мощности подогревающего пламени, давления и чистоты кислорода, исходя из наличия или отсутствия требований к качеству резки (постоянству ширины реза, допускаемой шероховатости поверхности и неперпендикулярности плоскости реза к поверхности детали, отсутствию грата). Предельная величина скорости резки (как отмечалось выше) ограничивается скоростью окисления металла в кислороде, которая для железа не превышает 15—17 мм/с.

Практикой установлено, что использование кислорода чистотой ниже 97 % недопустимо, так как нарушается нормальное протекание процесса окисления и образования разреза происходит за счет расплавления металла и выдувания неокисленного железа струей кислорода. Установлено, что наиболее целесообразно и экономически оправдано применение при машинной кислородной резке кислорода чистотой не менее 99,2 %. При этом уменьшение чистоты кислорода на 1 % снижает скорость резки в среднем на 20 %.
Помимо толщины разрезаемого металла и чистоты кислорода на скорость резки оказывают влияние метод резки (ручной или машинный), форма линии реза (прямолинейная, фигурная), вид резки (заготовительная или чистовая). В связи с этим требуемая скорость резки определяется опытным путем для различных толщин металла, вида и метода резки.
При правильно выбранной скорости искры из разреза выбрасываются почти под тем же углом, что и кислородная струя. Если скорость резки мала, то пучок искр отклоняется в сторону резки, а при повышенной скорости — в сторону, противоположную направлению резки.
Большое разнообразие типов и марок сталей, а также факторов, влияющих на режимы кислородной резки, делают невозможным подробное изложение последних в кратком обзоре современного состояния развития технологического процесса кислородной резки. В связи с этим ниже приведен ряд режимов и практических рекомендаций, используемых при резке наиболее употребляемых сталей с содержанием углерода не более 0,25 % и титановых сплавов.
При кислородной резке указанных материалов применяется технический газообразный кислород чистотой не ниже 99,2 % и ацетилен, получаемый из карбида кальция. При резке малоуглеродистых и низколегированных сталей в качестве горючего могут использоваться также газы-заменители ацетилена (водород, метан, пропан-бутановые смеси), а также керосин и смесь керосина с бензином.
Пробивка отверстия перед началом резки производится вне контура детали при следующих минимальных расстояниях (в миллиметрах) от места пробивки отверстия до контура детали:

Толщина металла в мм	до 10 мм	11-20	21-30	31-40	41-50
Расстояние в мм при ручной резке	8-10	10	12	12-15	15-18
Расстояние в мм при машинной резке	6-8	8-10	10-12	12	12-15

При ручной резке пробивка отверстий струей кислорода производится в листах толщиной до 50 мм. При резке листов большей толщины в точке начала реза просверливается отверстие диаметром не менее 6 мм. Современные автоматизированные стационарные машины для кислородной резки имеют специальные устройства, обеспечивающие при пробивке отверстий плавное увеличение расхода режущего кислорода при медленном перемещении резака от точки пробивки к контуру вырезаемой детали.
Для предотвращения засорения резака брызгами шлака при пробивке отверстия в момент пуска режущего кислорода и соприкосновения его с перегретым металлом резак необходимо поднимать над листом на высоту 15—25 мм, а при ручной резке наклонять его в сторону, обратную направлению резки, на 15—20° от вертикали.
При этом время нагрева металла ацетиленокислородным подогревающим пламенем при пробивке отверстий перед началом резки, в зависимости от толщины разрезаемого металла, составляет:

Толщина металла, мм	5-15	16—30	31-60	61-100
Время нагрева, сек	5-10	10-15	15-25	25-35

Расстояние от сопла резака до поверхности металла при установившем процессе резки определяется по формуле: h=l+(1.5/2%)

где h — расстояние от сопла до поверхности металла, мм; l — длина ядра пламени, мм.

Режимы резки малоуглеродистой и низколегированной стали, обеспечивающие удовлетворительное качество кромок деталей, приведены в таблице

Толщина разрезаемого металла, мм	Номер мундштука, наружного/ внутреннего	Давление кислорода, МПа	Расход кислорода, л/с	Расход ацетилена, л/с	Скорость резки, мм /с
5	1/1	0,3-0,32	1,0-1,03	0,25-0,28	10,8-11,2
10	1/1	0,35-0,36	1,3-1,4	0,33-0,37	9,1 -9,3
15	2/1	0,36-0,37	1,8-1,9	0,37-0,4	8,3-8,5
20	2/1	0,38-0,39	2,3-2,1	0,4-0,44	7.5-7,7
25	2/1	0,4-0,42	3,0-3,1	0,44-0,47	6,8-7,0
30	3/1	0,45-0,48	3,7-3,8	0,47-0,5	6,2-6,3
40	3/1	0,5-0,53	5,3-5,5	0,54-0,57	5,4-5,8
60	4/2	0,54-0,56	8,3-9,2	0,7-0,73	4,3-4,5
80	4/2	0,57-0,6	12,5-13,5	0,83-0,87	3,6-4,2
100	5/2	0,62-0,66	16,5-18,5	1,0-1,1	3,1-3,3

Приведенные режимы рекомендуются для резки вертикальным резаком деталей с прямолинейными кромками или с кромками, имеющими малую кривизну. При радиусе кривизны кромок менее 100 мм скорость резки следует уменьшить на 10 %. При этом расход кислорода и горючего газа увеличивается.
При кислородной резке на нижних частях кромок образуются подтеки грата, состоящего из окислов и шлака, прочно сцепленных с металлом. Грат удаляют вручную, и до сих пор не найдено эффективных способов механизации этой операции. Поэтому для сокращения ручного труда при изготовлении деталей из листового проката целесообразно применять безгратовую кислородную резку. Для этого необходимо уменьшить до минимума количество расплавленного металла путем использования подогревающего пламени минимальной мощности, применять кислород как можно большей чистоты и снижать скорость резки на 15—20 %. Кроме того, следует поддерживать постоянным расстояние между резаком и поверхностью разрезаемого металла, а также поддерживать неизменными давление газов и скорость резки.
При применении кислорода чистотой 99,7—99,9 % можно осуществлять безгратовую резку, не уменьшая скорость резки, используемую при чистоте кислорода 99,2 %.
В металлургической промышленности и на предприятиях тяжелого машиностроения осуществляют резку стали больших толщин. Основные затруднения при этом вызываются необходимостью прогрева нижних слоев металла, применения больших давлений кислорода и удаления шлака на большом расстоянии от резака.
При толщине разрезаемого металла до 300 мм используются обычные универсальные резаки.

При резке стали толщиной свыше 300 мм применяются специальные резаки, имеющие мундштуки с увеличенными (по сравнению с универсальными) проходными сечениями для режущего кислорода. Применяется науглероживающее подогревающее пламя, так как оно более длинное Расстояние от торца мундштука до поверхности разрезаемого металла берется больше, чем при обычной резке, для предотвращения засорения каналов мундштука брызгами металла. В момент врезания струи кислорода в металл мундштук резака наклоняют под углом 2—3° к вертикали в сторону резки.
Титан имеет температуру плавления 1727 °C, а при температуре 610 °C начинает гореть в кислороде. Процесс резки титана протекает интенсивно и устойчиво при чистоте кислорода от 98,2 % и выше при хорошем качестве реза. Чтобы избежать оплавления и сгорания верхней кромки на ширину, превышающую в 2—3 раза ширину реза, необходимо резак к кромке подводить с горящим подогревающим пламенем и включенной подачей режущего кислорода.
К средствам технологического оснащения кислородной резки относятся: машины стационарные и переносные; резаки ручные, вставные и машинные с мундштуками различных назначений и конструкций; установки и генераторы для получения ацетилена; аппаратура регулирующая и коммуникационная, предохранительные устройства и вспомогательное оборудование.
Машины стационарные подразделяются по назначению — для фигурной и прямолинейной резки; по конструктивному оформлению на портальные (П), портально-консольные (Пк), консольные (Кс), шарнирные (Ш); по системе управления — с цифровой системой программного управления (Ц), с фотоэлектронной системой управления (Ф), с магнитным копированием (М), с линейным управлением программным или механическим; поточности — на машины первого, второго или третьего класса; по количеству одновременно разрезаемых листов — на одноместные, многоместные (для резки двух или более листов); по количеству суппортов и количеству одновременно работающих резаков на однорезаковые и многорезаковые.

Наибольшее распространение получили портальные машины. Они состоят из портала, рельсового пути, суппортов, резаков, пульта управления; эти машины обеспечивают высокую точность вырезаемых деталей, позволяют обрабатывать одновременно два и более листов и занимают меньше производственной площади, чем портально-консольные машины. Портально-консольная конструктивная схема находит применение в машинах с фотоэлектронной (с масштабом копирования 1:1) или магнитной системой управления. По порталу перемещается фотоголовка или магнитный палец, а по консоли — суппорт с резаками.
Чисто консольная схема применялась для машин с фотокопировальной системой управления с масштабом 1:10. Такая конструктивная схема не обеспечивает достаточной жесткости, а следовательно, точности работы машины, особенно при большой ширине обрабатываемых листов. Машины шарнирного типа с механическим копированием используются для фигурной вырезки многократно повторяющихся деталей.
Машины с цифровой системой программного управления обладают большей точностью, но подготовка программ требует математического обеспечения, наличия вычислительной техники и кадров программистов. В связи с этим такие машины используются при большом объеме выпуска листовых деталей сложной конфигурации. Машины с фотоэлектронной системой управления менее точны, но изготовление для них копирчертежей осуществляется более оперативно. Машины удобны в мелкосерийном производстве с часто меняющейся номенклатурой и конфигурацией деталей.
В машинах портального и портально-консольного типов обеспечиваются автоматическая стабилизация расстояния между резаками и разрезаемым листом, дистанционное управление технологическим процессом. Машину обслуживает один оператор.
Переносные машины для кислородной резки подразделяются на машины общего (для резки листов) и специального (для резки труб) назначения.

Резка переносными машинами производится по разметке. Основное перемещение резака вдоль линии реза задается самоходной тележкой, а наведение резака на линию реза выполняется резчиком вручную. Скорость резки переносными машинами несколько выше, чем на стационарных. Это объясняется тем, что при выполнении прямых резов резчик иногда устанавливает резак «углом вперед», что существенно ускоряет процесс. Но и в случаях, когда резка ведется вертикальным резаком, резчик устанавливает скорость, близкую к предельной, тогда как при резке на стационарных машинах всегда оставляется некоторый запас скорости. Объясняется это тем, что на переносных машинах возобновление процесса резки в случае проскока резака осуществляется просто и быстро.
Переносные машины используются в случаях, когда требуется вырезка деталей относительно простой формы — прямоугольных, с небольшой кривизной и круглых. Значительное распространение получило их использование для снятия фасок при подготовке кромок под сварку.

Резаки являются основным рабочим инструментом и служат для смешения горючего газа с кислородом, образования подогревающего пламени и подачи к разрезаемому металлу струи режущего кислорода. Резаки бывают ручными и машинными. Последние отличаются от ручных отсутствием рукоятки, так как их крепят непосредственно к корпусу машины.
Ручные резаки классифицируются по следующим признакам: по роду горючего, на котором они работают (для ацетилена, газов-заменителей, жидких горючих газов); по принципу смешения горючего газа с кислородом — на инжекторные и безынжекторные; по назначению — на универсальные и специальные; по виду резки — на разделительные, поверхностные, кислородно-флюсовые.
Наиболее широкое применение находят универсальные резаки, к которым предъявляются следующие основные требования: возможность резки стали толщиной от 3 до 350 мм в любом направлении, устойчивость против обратных ударов, малая масса резака, удобство в обращении.
Универсальные резаки инжекторного типа состоят из ствола, инжектора, смесительной камеры, сменных мундштуков и трубок для подачи кислорода и ацетилена или газов, являющихся заменителями ацетилена.
Источниками питания резаков являются баллоны или рампы баллонов, газопроводы, ацетиленовые генераторы среднего давления.
При выполнении ремонтных и монтажных работ бывает необходимо подгонять свариваемые детали, т. е. переходить от сварки к резке, и наоборот. В этих случаях пользуются вставными резаками. Их присоединяют к стволу горелки вместо сменного наконечника.

Основными деталями каждого резака являются мундштуки. Они изготовляются или составными — из внутреннего и наружного, или моноблочными; мундштуки подразделяются на два типа — с кольцевым зазором и многосопловые. Мундштуки с кольцевым зазором бывают только составными. Их недостаток заключается в необходимости устанавливать внутренний мундштук в наружном так, чтобы величина кольцевого зазора между ними, через который подается горючая смесь для подогревающего пламени, была одинаковой по всей окружности. По этой причине каждая операция по смене мундштуков требует затрат времени на тщательную подгонку кольцевого зазора. Многосопловые мундштуки могут быть составными и моноблочными, в том числе с внутрисопловым смешением. Они не требуют подгонки кольцевого зазора, поэтому их называют самоцентрирующимися. Мундштуки с внутрисопловым смешением обладают большей надежностью против обратного удара.

В резаках для разделительной резки используются обычно наружные мундштуки двух номеров и внутренние — четырех-пяти номеров. Номер наружного мундштука определяется диаметром отверстия дли выхода подогревающей смеси газов, а внутреннего—диаметром отверстия для выхода режущего кислорода.
Для получения ацетилена используются установки и генераторы. Их эксплуатация связана с необходимостью обеспечения пожарной и взрывобезопасности.
Для получения из карбида кальция газообразного, растворенного или одновременно газообразного и растворенного ацетилена используются установки производительностью 22 и 11 л/с. Для компримирования ацетилена до давления 2,3 МПа, его осушки и наполнения им ацетиленовых баллонов применяется блок высокого давления производительностью 22 л/с для ацетиленовых установок. Блок состоит из трех компрессорных установок , трех установок осушки ацетилена, наполнительных рамп и вспомогательного оборудования; он оснащен системой автоматики и КИП.
Получение из карбида кальция газообразного ацетилена и подача его непосредственно потребителю для выполнения работ по газопламенной обработке металлов производятся с использованием установки производительностью 1,4 л/с при рабочем давлении ацетилена 0,015— 0.04 МПа и наибольшем — 0,07 МПа.
Для жидкостной очистки ацетилена от вредных примесей (фосфористого водорода и сероводорода) раствором на основе солей хлорной меди, хлористого кальция и соляной кислоты применяется установка, пропускная способность которой составляет 22 л/с ацетилена.
Для регенерации пористой массы ацетиленовых баллонов, утративших газовбираемость вследствие накопления влаги, используется установка, обеспечивающая газовбираемость баллона после регенерации не менее 0,125 кг/л.
Кроме установок, для получения ацетилена среднего давления применяются генераторы.
Он применяется для непосредственного снабжения ацетиленом аппаратуры при газопламенной обработке металлов. Генератор состоит из газообразователя, влагосборника и предохранительного водяного затвора.

Для защиты ацетиленовых трубопроводов от взрывной волны ацетиленокислородного пламени при обратном ударе и от проникновения в газопроводы кислорода и воздуха со стороны потребления, для локализации взрывного распада ацетилена высокого давления на участке коммуникации перед технологическим оборудованием и после него, а также для предупреждения других подобных аварийных явлений используются предохранительные жидкостные затворы для ацетилена среднего давления, универсальные затворы среднего давления, огнепреградители для ацетилена высокого давления, огнепреградители манометрового типа, сетевые металлокерамические огнепреградители, отсечные клапаны.

Для понижения давления газа, поступающего из баллона до рабочего и поддержания его постоянным применяется регулирующая аппаратура в виде редукторов различных назначения и типов.

Поверхностная резка представляет собой кислородную резку, при которой струя кислорода направляется под углом 10—30° к поверхности обрабатываемого металла. Для подогревающего пламени используется смесь горючего газа с кислородом, а для сжигания и удаления металла — кислород. При этом процесс выжигания (строжки) металла происходит не на всю толщину металла, а только с поверхности на определенную глубину. Процесс протекает устойчиво только в том случае, если направление перемещения резака совпадает с направлением струи кислорода.
Имеются два варианта поверхностной резки: строжка и обточка.
При строжке резак снимает с поверхности слой металла определенных ширины и длины за один или несколько проходов в зависимости от глубины снимаемого слоя.

Лазерная резка

Оптические квантовые генераторы (т. е. лазеры) генерируют монохроматическое излучение в весьма широком диапазоне длин волн — от ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра,— и этот диапазон постоянно расширяется.
Излучение оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) характеризуется рядом уникальных свойств: большой интенсивностью (мощностью) потока электромагнитной энергии, высокой монохроматичностью, значительной степенью временной и пространственной когерентности. Вследствие этого лазерное излучение отличается от излучения других источников электромагнитной энергии очень высокой направленностью своего распространения и возможностью фокусирования на площадях малых размеров. т. е. высокой концентрацией энергии.
В зависимости от используемой активной среды лазеры подразделяются на твердотельные, жидкостные и газовые. В последнее время также развивается технология диодных и оптоволоконных лазеров. Однако мощность их не велика, и для резки металла они не используются. В связи с тем что луч лазера является монохроматическим излучением в оптическом диапазоне длин волн, возможность обработки различных материалов зависит, главным образом, от их способности поглощать излучение с определенной длиной волны.
(Излучение с энергетическими параметрами, достаточными при использовании лазеров для технологических целей, имеет диапазон длин волн от 0.4 до 10.6 мкм; причем резка различных материалов наилучшим образом обеспечивается при использовании излучения с длиной волны 10,6 мкм, которое генерируется газовыми СО₂ лазерами с активной средой из смеси одной части углекислого газа с одной частью азота и десятью частями гелия.

Излучение с этой длиной волны поглощается большинством используемых материалов. При этом неметаллические материалы: пластмассы, резина, асбест, керамика, древесина и другие поглощают излучение лазера с такой длиной волны относительно хорошо; благодаря этому выделяется соответственно большое количество тепла.
Металлические материалы поглощают такое излучение значительно хуже. При этом процесс обработки, например конструкционной стали, легированной стали или титана, поддерживается за счет окислительного газа (кислорода). Материалы с большим коэффициентом отражения, например медь и алюминий, плохо поддаются резке с помощью лазера на углекислом газе. В целом же лазерной резкой можно резать низкоуглеродистые. низколегированные и высоколегированные стали, в том числе покрытые оловом, свинцом, цинком, никелем, лаком или пластмассой, а также титан, цирконий, ниобий, тантал, никель и сплавы этих металлов. Возможна резка неметаллов, т. е. различных пластмасс, в том числе стеклопластиков, кожи, древесины, резины, шерсти, хлопка, синтетических тканей и т. п. Кроме того, возможна резка неорганических материалов: керамики, кварца, фарфора, кварцевого стекла, асбеста, слюды, камня, алюминатов, графита и т. п.
Применение луча лазера для резки различных материалов имеет большие перспективы также и благодаря ряду технологических преимуществ данного способа, т. е. высокой скорости резки, слабому тепловому воздействию, высокому качеству и параллельности кромок реза, отсутствию тепловых деформаций. В сочетании с бесконтактным принципом действия обеспечивается простота автоматизации процесса резки.
Вследствие отсутствия давления па обрабатываемый материал возможна резка заготовок из металлов или других материалов, имеющих очень малую толщину — от 0,1 мм и менее.

Возможна резка в атмосфере заданного состава с окислительными, восстановительными или инертными газами, а также в вакууме. Отсутствуют шум и загрязнение окружающей среды. Лазерная установка состоит из резонатора и систем: питания, создания вакуума, контроля газового потока, охлаждения и управления.

Резонатор лазера представляет собой комплекс, состоящий из газоразрядной трубки, активной среды лазера и зеркал. Газоразрядная трубка, в которую заключена активная среда в виде смеси углекислого газа, азота и гелия, представляет собой стеклянную трубку диаметром в несколько сантиметров, по концам которой расположены зеркала. Коэффициент отражения одного из них составляет почти 100 %, а второе — частично проницаемое. Через это второе зеркало из резонатора выходит почти направленный пучок лучей толщиной около 20 мм.
Выходная мощность лазерной установки зависит в определенных пределах от длины газоразрядной трубки из расчета 40-80 Ват на 1 м длины трубы. В установках для резки используются газоразрядные трубки длиной 4 м и более Чтобы уменьшить длину резонатора, трубка разделяется на несколько секций, располагаемых рядом и параллельно одна другой, которые соединяются между собой оптически последовательно при помощи отклоняющихся зеркал; последние наклонены под утлом 45° относительно оси луча. Количество таких секций может увеличиваться до определенных пределов.
Важно отметить, что луч лазера, выходящий из газоразрядной трубки через полупрозрачное зеркало, необходимо отклонить вниз под углом в 90° и сфокусировать на поверхности разрезаемого материала, так как плотность энергии этого луча недостаточна для эффективной обработки материала. Фокусирование производится с помощью инфракрасной линзы в виде фокального пятна диаметром от 0.1 до 0.5 мм. При этом концентрация мощности излучения достигает 5 МВт/см². За линзой установлено сопло, обеспечивающее подачу, струи режущего кислорода, воздуха или инертного газа соосно с лучом лазера. Фокусное расстояние линзы должно увеличиваться с увеличением толщины разрезаемого материала для увеличения глубины резкости, т. е создания постоянства диаметра сфокусированного луча, необходимого при обеспечении постоянства концентрации энергии по толщине листа.

Cкорость резки низкоуглеродистой стали несколько выше, чем скорость резки хромоникелевой стали. Установлено, что между выходной мощностью лазера и максимальной толщиной разрезаемого металла существует линейная зависимость. При этом ширина реза при лазерной резке примерно соответствует диаметру сфокусированного луча и на порядок ниже, чем при плазменной резке.

При резке неметаллических материалов вместо кислорода используется воздух, роль которого сводится к удалению окисленных или испарившихся продуктов резки из зоны реза. Воздушная струя охлаждает также материал, прилегающий к зоне резки, и уменьшает возможность обугливания поверхности реза.
Средства технологического оснащения при лазерной резке ограничены использованием только стационарных машин: как специальных, созданных только для лазерной резки, так и предназначенных для кислородной и плазменной резки.
Практическое применение нашли три схемы взаимного перемещения сфокусированного луча лазера и разрезаемого листа.

1. Первая — луч лазера неподвижен, а стол, на котором лежит лист, перемещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях по заданному закону.
2. Второй — луч лазера перемещается по заданному закону, а стол с листом неподвижен.
3. Третий — луч лазера перемещается в поперечном направлении, а стан с листом — в продольном.

Сложение обоих движений по определенному закону обеспечивает получение заданного контура вырезаемой детали.

Технико-экономическая оценка способов термической резки

Из приведенного обзора различных способов тепловой резки; технологии, оборудования и инструмента, используемых при выполнении этих способов, следует, что они разнообразны и универсальны. Учитывая последнее обстоятельство, достоверно оценить преимущества того или иного способа можно лишь на основании сопоставления технико-экономических показателей этих процессов. Основными способами, имеющими наиболее широкое использование или перспективность развития, являются кислородная, плазменная и лазерная резка.
О лазерной резке можно сразу сказать, что этот способ резки весьма перспективен, но в настоящее время область его применения ограничена при малых толщинах разрезаемых металлических материалов, а также при резке неметаллических материалов. В других случаях этот способ пока не может конкурировать с кислородной и плазменной резкой как по техническим, так и по экономическим показателям.
Плазменной резке поддаются все металлические материалы, в то время как кислородной резкой можно обрабатывать только сталь и титановые сплавы. В связи с этим оценку и сравнение экономических показателей целесообразно выполнять только для показателей кислородной и плазменной резки конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталей, так как для металлов, не поддающихся кислородной резке, плазменная резка экономически оправдана во всех случаях.
Скорость резки является одной из основных характеристик, оказывающих наиболее существенное влияние на экономические показатели любого способа резки, в том числе кислородной и плазменной.
Воздушно-плазменная резка имеет значительно более высокие скорости резки, чем ацетиленокислородная в диапазоне наиболее употребительных толщин (до 30 мм). Однако с увеличением толщины металла эта разница уменьшается и при толщине более 50 мм воздушно-плазменная резка низкоуглеродистых и низколегированных сталей начинает уступать но скорости ацетиленокислородной резке.
Плазменная резка является эффективным способом резки при обработке низкоуглеродистых и низколегированных сталей до толщины 35 мм.