Лазерная резка труб. Особенности технологии и производства

• Виды станков для резки труб 
• Технология лазерной резки труб 
• Преимущества и недостатки лазерной резки труб 
• Технические возможности оборудования 
• Устройство и элементы станка для резки труб 
• Принцип работы станка для лазерной резки труб 
• Основные технологии лазерной резки труб 
• Типы станков для лазерной резки труб  
• Как использовать станок для лазерной резки труб? 
• Какой вспомогательный газ лучше использовать для лазерной резки труб? 
• Хранение газа для станков лазерной резки: Баллоны, стеллажи или резервуары 
• Модель станка с модулем для резки трубы TORWATT 1530C и TORWATT 1530G 

Лазерная резка труб - это технология современной металлообработки, при которой лазерный луч, перемещаясь по заданной траектории, образует тонкий и ровный срез, разделяя части заготовки. Одновременно с лучом в зону реза подается струя газа, очищающая и охлаждающая кромку. Лазерная резка делается на специальном оборудовании, оснащенном лазерной установкой. С помощью станка лазерной резки можно добиться максимальной точности и повторяемости реза.

Внедрение технологии лазерной резки труб заменяет операции целого ряда традиционных технологических процессов - распиловки, резки, сверления, фрезерования, обработки кромок и т.д.

Лазерный труборез является основным оборудованием для резки квадратных, круглых и специальных форм. Благодаря стабильному и точному эффекту резки, труборезы применяются в таких сферах промышленности как:

• отрасль металлообработки;
• автомобилестроение;
• нефтедобыча;
• нефтехимия;
• авиастроение;
• горнодобывающая промышленность;
• строительная сфера.

 

 

 

 

Рис. 1. Резка труб с помощью лазерного трубореза 

Виды станков для резки труб

К классическим способам резки труб относятся:

• резка ручной пилой; 
• фрезерная обработка;
• резка на ленточнопильном станке; 
• резка на абразивно-отрезном станке; 
• резка газовой сваркой и т.д.

Чаще всего данные технологии оказываются малоэффективными и требуют большой трудоемкости, в отличие от комбинированных и оптоволоконных лазерных труборезов. 

Технология лазерной резки труб

Лазерный луч высокой мощности фокусируется на пятне малого диаметра, направляется на металл и расплавляет его. Скорость выполнения работ превосходит все другие способы, так как лазерный станок способен разрезать трубу с толщиной стенки до 6 мм в течение минуты. Переход между изделиями происходит автоматически и без перенастройки дополнительного оборудования.

Чистота реза по краю труб из нержавеющей стали или медного сплава обеспечивается за счет использования высокоточного качественного оборудования. Значение этого параметра очень важно при производстве трубопроводов, где чистота реза определяет возможность готовой конструкции переносить сильные нагрузки и высокое давление. Обычная и декоративная лазерная резка медных труб отличается не только отсутствием деформации, но и полным сохранением исходных характеристик изделия, так как металл в ходе процесса резки не подвергается нагреву.

Лазерная резка отличается высоким качеством, при этом обеспечивается точность резки в сочетании с большой скоростью выполнения работ. Кромка трубы не требует дополнительной обработки, линия реза получается ровной и чистой.

Преимущества и недостатки лазерной резки труб 

Преимущества

• Резка сложных, фигурных контуров без контакта с трубой;
• Возможность формирования шаровых и разъемных соединений;
• Самые разнообразные пазы и отверстия позволяют обеспечить дальнейший  автоматизированный процесс с высокой пропускной способностью;
• Позиционирование элементов перед сваркой;
• Отсутствие термических деформаций;
• Низкие потери материала; 
• Обеспечивает сложные, чистые и повторяемые разрезы;
• Работает почти со всеми металлами и различными неметаллическими материалами;
• Работает с большинством трубных заготовок.

Недостатки

К недостаткам или ограничениям лазерной резки труб относятся следующие:

• Не может использоваться с легковоспламеняющимися или дымящимися материалами (ацеталь, ПВХ и т.д.);
• Высокое энергопотребление;
• Работа лазера является деликатной и требует использования обученных операторов;
• Процесс, как правило, предназначен для тонких (менее ½-1 дюйма толщиной) материалов.

Технические возможности оборудования

Лазерное оборудование позволяет обрабатывать круглые, профильные квадратные и прямоугольные трубы со следующими характеристиками:

1. Материал:

• черный металл;
• нержавеющий металл;
• алюминий.

2. Максимальные размеры заготовки:

• для круглых труб - до 154 мм в диаметре;
• для профильных прямоугольных труб - до 154 мм по углу;
• стандартные стержни - по 6 м.

3. Максимальная длина готовой детали: 3000 мм

4. Средняя скорость резки - до 8 м/час (чем больше диаметр трубы, тем ниже скорость обработки).

Устройство и элементы станка для резки труб

Рис. 2. Устройство и элементы станка для резки труб 

Станок для лазерной резки труб - это высококачественное механическое оборудование для точной обработки и резки. Он состоит из:

• лазерного генератора;
• несущей станины;
• режущей головки;
• зажимного патрона для труб;
• охлаждающего устройства;
• системы управления.

Принцип работы станка для лазерной резки труб

Рис. 3. Принцип работы станка для резки труб 

• Загрузочный стеллаж: перед резкой необходимо вручную поднять все трубы на стеллаж для размещения, затем вручную упаковать и снять их. Затем поочередно разместить их на автоматическом механизме транспортировки.
• Трубы поочередно помещаются на транспортировочную платформу и передаются по одному куску трубы на механизм подачи по очереди в соответствии с требованиями.
• Механизм подачи автоматически передает трубу из зоны ожидания в механизм автоматической подачи в соответствии с сигналом, а другие трубы перемещаются на позицию материала для обеспечения непрерывной работы.
• Система позиционирования и калибровки трубы калибрует положение в соответствии с потребностями (материалы трубы не должны быть размещены за пределами подающего механизма).
• Подающая конструкция автоматически отправляет трубу на стеллаж для материалов станка (подъемного типа) в соответствии с сигналом.
• После получения сигнала от стеллажа подающий механизм возвращается обратно. Поворотное захватное устройство перемещается, зажимает и толкает вперед к поворотному столу.
• Система стеллажей для материалов автоматически поднимается и опускается в зависимости от расстояния между вращающимся устройством, чтобы избежать столкновения;
• Автоматическая система приема материала поднимается на 15 мм от вращения трубы. Заготовка захватывается, когда труба отрезается, чтобы избежать чрезмерного зазора точки реза или деформации падения из-за собственного веса трубы.
• После завершения работы системы приема подъемного материала, он автоматически опустится в фиксированное положение, а приемный ящик наклонится, и заготовка попадает в ковш для сбора материала.
• Механизм подачи готов к работе до завершения резки предыдущей трубы, и следующая труба готова к обработке.

Рис. 4. Процесс резки металлической трубы

Основные технологии лазерной резки труб  

Направляющие и фокусирующие системы

В устройствах лазерной резки функция световодной системы заключается в том, чтобы направлять луч, исходящий из лазерного генератора, на режущую головку по траектории фокусирующего света.

В технологии лазерной резки труб необходим малый диаметр и высокая мощность фокусного пятна фокусирующего луча.

Режущая головка лазерного резака оборудована фокусирующей линзой. Сфокусировав лазерный луч с помощью линзы, можно добиться маленького сфокусированного пятна, что обеспечивает качественное разрезание трубы.

Регулирование направления движения режущей головки 

Труба является пространственно криволинейной поверхностью, форма которой при программировании и обработке обычными методами вызывает определенные сложности.

Специалист должен выбрать правильную траекторию обработки и соответствующую точку привязки, использовать систему числового программного управления для регистрации условий подачи по каждой оси и координат точки привязки.

Система автоматического управления положением фокусировки при лазерной резке 

Чтобы гарантировать качество трубы, обработанной лазером, необходимо  поддержание фокуса на вертикальном направлении поверхности детали с помощью устройств автоматического измерения и контроля.

Расположение фокуса лазера с прямой осью (X-Y-Z) сделает движение лазерной режущей головки более простым и гибким, а положение фокуса можно хорошо понять, чтобы избежать столкновения режущей головки с режущей трубой или другими объектами во время обработки.

Типы станков для лазерной резки труб

Основные типы станков для лазерной резки труб зависят от области применения и типа лазера. 

Комбинированные лазерные резаки для труб и плоских листов - одни из самых распространенных труборезов, но обычно они используются для небольших работ и являются многоцелевыми станками (т.е. они также могут резать плоские листовые детали). 

Автономные лазерные труборезы - это специализированные системы, предназначенные только для резки труб. Они могут работать практически с любой формой (круглой, прямоугольной, восьмиугольной и т.д.) при большой длине заготовки.

Лазерные труборезы могут использовать волоконные лазеры или CO2-лазеры в зависимости от потребностей проекта. Волоконные лазеры совместимы с различными материалами и обычно считаются наиболее универсальным типом лазера, в то время как CO2-лазеры предназначены для модернизации плазменных резаков и лучше всего подходят для нишевых материалов, таких как титан, из-за более широкого газового покрытия по сравнению с волоконными лазерами. 

Оба типа лазеров предлагают сопоставимые уровни мощности. В любом случае, оба вида подходят для изготовления металла и могут устранить необходимость во вторичных операциях. 

2-осевой и 3-осевой труборез

Двухосевой станок режет трубы в двух измерениях. Они хорошо подходят для резки по длине. Они также используется для создания элементов и соединений между частями труб в конструкциях. 

Трехкоординатный лазерный труборез режет в трех измерениях. Эти станки используются для снятия фаски или наклонной резки.

Лазерные труборезы подбираются с учетом:

• размера материала, с которым они могут работать (максимальный размер листа/трубы, максимальный вес материала);
• требуемым вспомогательным газом (азот, CO2 и т.д.);
• электрическими требованиями к двигателю (3-фазное переменное напряжение и т.д.);
• повторяемостью и другими критериями, характерными для конкретной модели. 

Некоторые лазерные труборезы поставляются со встроенными конвейерами или механизмами обработки запасов, которые автоматически подают трубу в режущую часть системы, обеспечивая полу- или полностью автоматизированную работу.

Рис. 5. Труборез лазерный лёгкой серии TORWATT 0206 LS

Также при резке труб могут понадобится и другие виды обработки, такие как: вырезание узора для украшения, спиральная, синусная, косинусная линейная резка, маркировка и т.д.

Как использовать станок для лазерной резки труб?

На автоматической линии для резки труб лазерный луч должен быть синхронизирован с разрезаемой трубой;

Важно, чтобы фокус лазера после позиционирования мог поворачиваться на один круг по отношению к разрезаемой трубе и чтобы ось лазерного луча оставалась всегда расположенной перпендикулярно оси трубы.

Лазерный луч производственной линии во время резки перемещается вместе с разрезаемой трубой.

Синхронные механизмы должны регулироваться специальной системой управления, и потому изучение возможности внедрения автоматической производственной линии для лазерной резки труб имеет большое значение.

Так как труборезы во время обработки воздействуют бесконтактно, на поверхности трубы не остается следов и деформаций. 

Какой вспомогательный газ лучше использовать для лазерной резки труб?

Вспомогательный газ является одним из важных компонентов станка для лазерной резки труб. Основная функция заключается в удалении железных обрезков, образующихся при резке трубы, с помощью вспомогательного газа высокого давления, выбрасываемого лазерной головкой. Газ может защитить линзу и предотвратить попадание обрезков железа на нее, чтобы повлиять на выход лазерного луча и эффект во время резки.

Луч на станке лазерной резки делает отверстие в металлическом листе и, чтобы предотвратить повторное естественное запечатывание этого отверстия, струя газа (азота или кислорода) сдувает металл.

В настоящее время существует три широко используемых вспомогательных газа для лазера:

① воздух;

② кислород;

③ азот.

Кислород

Кислород вступает в реакцию с металлом, иначе называемую экзотермической окислительно-восстановительной реакцией. Химическая реакция сочетается с механическим воздействием, что приводит к высокой эффективности резки листового металла. Однако кислород создает окисление вдоль режущей кромки, т.е. той части листа, которая была разрезана. Это делает рез слегка серым, и могут потребоваться некоторые отделочные работы: зачистка, шлифовка, химическая обработка и т.д. 

Азот

Азотная резка является чисто механической. При резке выделяется струя, но не происходит никакой химической реакции. Поэтому скорость резки высокая. В отличие от кислорода, резка азотом считается "чистой", т.е. без отложений окалины. Азот можно использовать для резки любых материалов, таких как сталь, алюминий, нержавеющая сталь и т.д.

Что касается потребления, то для кислородной резки требуется давление в 2 бара при расходе примерно 10 м3/час. Азотная резка требует давления 22/30 бар при расходе примерно 40-60/120 м3/час. Скорость азотной лазерной резки на 30% ниже, чем кислородной.

Таб. 1. Обзор основных технических характеристик вспомогательных газов для резки (кислород и азот)

Хранение газа для станков лазерной резки. Баллоны, стеллажи или резервуары

В зависимости от способа хранения газ поставляется в жидкой или газообразной форме. Баллоны или стеллажи с несколькими цилиндрами предварительно кондиционируются в газообразном состоянии на заводе поставщика газа. В отличие от этого, баллоны заполняются жидким газом непосредственно на месте из автоцистерны.

Хранение жидкого газа является экономически эффективным. Однако при нагревании жидкого газа он переходит в газообразное состояние, повышая давление в резервуаре. Предельное давление в резервуаре составляет 35/38 бар, поэтому избыточное давление стравливается с помощью продувочных клапанов, что приводит к потере газа. Поэтому данное решение требует достаточного объема потребления и регулярного использования для ограничения испарения.

Модель станка с модулем для резки трубы TORWATT 1530C и TORWATT 1530G

Модуль трубореза оснащается электрическим-автоматическим или ручным зажимными патронами, с помощью которых раскраивает металлические трубы квадратного круглого овального и D-образного сечения, а также позволяет резать полосу, профиля П-, L-, U- образной формы, диагональю от 20мм до 220мм (опционально до 300мм).

Возможна обработка профиля H- и T- образной формы 2D лазерной головой кроме круговой резки, а также зона обработки внутренней части Н-образного и примыкающей Т-образного ограничена размерами лазерной головы от центра сопла до края в связи с возможностью порчи лазерной головки, такие профиля режутся при наличии 3D (4ех или 5ти осевой) лазерной головы (опция) с возможностью снятия фаски до 45º.