В лучах лазера: перспективы технологии
В XX веке лазеры превратились из лабораторной разработки в универсальный инструмент для различных отраслей промышленности, а в XXI вышли на новый уровень в результате интеграции с цифровыми решениями и робототехникой.
Лазерные системы становятся всё более производительными, энергоэффективными и экономичными, что делает их привлекательными для предприятий. При этом как в научной среде, так и среди производственников бытует мнение, что развитие этой технологии ещё не достигло своего пика и её возможности не изучены в полной мере.
Лазерная резка
«С развитием лазерных технологий, удешевлением оборудования и повышением удобства работы с излучателями станки для лазерного раскроя прочно закрепились во многих технологических процессах. Их используют для обработки металла, дерева, тканей, пластиков, применяют для гравировки и сварки, обработки микроэлементов и в ряде других направлений.
Если говорить именно о лазерной обработке металлов, то за последние несколько десятилетий был пройден длинный путь, начиная от сложных в эксплуатации станков с твердотельным излучателем и заканчивая современными волоконными лазерами, практически не требующими обслуживания.
На текущий момент лазерное оборудование для металлообработки повсеместно используется для самых разных целей, начиная с простого раскроя листа и заканчивая трёхмерной резкой заготовок сложной формы», — рассказывает директор по продажам ООО «НПК Морсвязьавтоматика» (UNIMACH®) Андрей Тяжлов.
«Лазерные технологии востребованы в разных областях промышленности благодаря высокой точности, скорости и возможности воздействовать на материалы без прямого контакта. Лазерная резка — один из самых популярных методов обработки для тонких и средних листов металла, обеспечивает точность и чистоту реза, сводя к минимуму необходимость в дополнительной обработке.
Лазерная сварка даёт высокое качество соединений металлических деталей и применяется в таких отраслях, как авто-, авиа- и судостроение. Лазерная маркировка используется для нанесения информации на металл (штрихкодов, QR-кодов, логотипов), это долговечный метод маркировки. Наконец, лазерная очистка поверхности позволяет эффективно удалять ржавчину, старые покрытия и загрязнения без повреждения материала», — перечисляет сферы применения технологии генеральный директор ООО «Оллрэди» Дмитрий Смирнов.
Примером того, как лазеры приходят на смену другим технологиям резки металла, поделился инженер ПАО «ВСМПО-АВИСМА» Виталий Медисон на отраслевой конференции в рамках выставки «Металлообработка‑2024».
«Наша компания производит титановые сплавы. На некоторых этапах мы использовали газоплазменную резку для удаления облоя. В последние годы начались проблемы, связанные с тем, что процесс не экологичный. К тому же находить персонал стало проблематично, поскольку профессия низкоквалифицированная. Это заставило нас обратиться к лазерным технологиям», — пояснил специалист.
Применение лазерной установки в сочетании с системой компьютерного зрения, которая отслеживала положение деталей на рабочем столе и «привязывала» к ней программу резки, позволило существенно повысить качество готовых изделий. По словам Виталия Медисона, если на старте внедрения технологии ширина облоя составляла 15 мм, что требовало дополнительной обработки детали гидроабразивами, то после модернизации лазер оставляет всего 6 мм металла.
«Максимальная толщина реза на лазерной установке сегодня меньше, чем при газоплазменной и гиброабразивной. Но для обрезки облоя нам этой толщины в 55 мм достаточно. В то же время производительность лазерной резки существенно, почти в шесть раз больше в сравнении с гидроабразивной и значительно экологичнее, чем при газоплазменной», — подчеркнул инженер.
Дополнительное преимущество лазера в том, что после его использования титановую обрезь можно повторно вовлекать в производственный процесс без проведения дополнительных операций. После газоплазменной резки металл приходилось очищать с помощью дробемёта и проводить щелочение.
Андрей Тяжлов подчёркивает, что разработчики лазерного оборудования непрерывно ищут способы для увеличения производительности станков и качества получаемых изделий. Проводят эксперименты с различными режимами резки, применением различных смесей технологических газов, совершенствуют конструкции лазерных излучателей и внедряют дополнительные режимы их работы.
По мнению специалиста, всё это позволит уже в ближайшее время улучшить обработку массивных заготовок толщиной свыше 100 мм и повысить производительность работы с цветными металлами, которые из-за высокого коэффициента отражения традиционно требуют сложных технологических решений при обработке. Также новые высокотехнологичные лазерные станки позволят повысить качество кромок готовых изделий с минимальным изменением их химической структуры.
«Непрерывное развитие лазерных технологий привело к тому, что предприятиям становятся доступны всё более мощные излучатели. Они позволяют либо отказаться от менее производительных и менее точных решений для обработки толстого металла типа плазменных резаков, либо резко повысить скорость раскроя заготовок из стали тонких и средних толщин с соответствующим увеличением объёма готового продукта», — поясняет директор по продажам «НПК Морсвязьавтоматика».
Начальник отдела лазерных технологий ООО «НТО „ИРЭ-Полюс”» Николай Грезев также считает, что технология лазерной резки за последние годы существенно шагнула вперёд в своём развитии.
«За время работы компании мы создали несколько тысяч технологических карт под различные лазеры и оптические схемы, а сейчас технология перешла к использованию мощных волоконных лазеров для резки сверхтолщин со сверхскоростью. Наблюдается прямая зависимость: чем больше мощность, тем выше производительность и толщина обрабатываемых изделий.
Технология резки мощными волоконными лазерами резко увеличивает себестоимость погонного метра. Мы в 2023 году проводили расчёты с применением источника 20 кВт и уже тогда пришли к выводу, что себестоимость погонного метра стала ниже, чем при резке плазмой», — подчеркнул в своём докладе на конференции Николай Грезев.
Также он обратил внимание участников конференции на важность выбора качественного лазерного источника с подходящими параметрами.
«Если у нас есть возможность сфокусировать лазерное излучение в меньшее фокусное пятно, то энергетика процесса снижается. То есть мы уменьшаем объём расплавляемого материала и при тех же энергетических затратах можем одновременно увеличивать производительность и повышать качество резки», — поделился опытом представитель компании «ИРЭ-Полюс».
При выборе лазерного станка Андрей Тяжлов рекомендует обращать внимание на доступность сервисного обслуживания лазерного излучателя. Как и любое другое высокотехнологичное оборудование, он может выходить из строя, и, если производитель не обеспечивает поддержку клиентов в России, эксплуатация такого станка может стать проблемой.
А, по словам директора по развитию ООО НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» Дмитрия Сапрыкина, наличие сервисного обслуживания и техсопровождения оборудования становится для пользователей жизненно важным. Речь идёт как о станках в целом, так и об отдельных компонентах.
Очевидно, что такое внимание к сервису спровоцировал уход с российского рынка западных производителей станков. По наблюдениям Дмитрия Сапрыкина, он также вызвал рост интереса заказчиков к проведению совместных технологических работ с разработчиками оборудования. Эксперт связывает это с отраслевой спецификой компаний. В частности, двигателестроители предъявляют очень высокие требования к точности и повторяемости деталей.
Другой нюанс, на который обратил внимание директор по продажам «НПК Морсвязьавтоматика», — конструкция двигателя самого станка. В своём докладе он сравнил три наиболее распространённые кинематические схемы портального механизма, применяемые в современном станкостроении.
«Всем известны шарико-винтовая пара и реечная передача, которые, во‑первых, изнашиваются, а во‑вторых, делают это неравномерно. В зоне частой работы износ происходит намного сильнее. Соответственно, в этом месте у портала может появиться люфт, из-за которого понижается надёжность и точность обработки. Этих недостатков лишён линейный двигатель, который использует не механическую, а электромагнитную передачу усилия», — пояснил Андрей Тяжлов.
Автоматизация в тренде
Говоря о тенденциях развития рынка лазерных станков для резки металла, в числе ключевых он отметил увеличение мощности лазерных источников и рост интереса пользователей к автоматизации.
«Рынок движется в сторону высокомощных излучателей, которые повышают скорость резки. Такая тенденция требует обеспечения рынка высокоскоростными машинами. Вместе с тем развивается автоматизация, что помогает крупным предприятиям увеличить производительность и обеспечить работу в три смены. Как отечественный производитель таких систем, мы видим большой интерес у крупных клиентов к подобным решениям.
Как только на предприятии задумываются о действительной нагрузке своих лазерных станков работой в режиме 24х7, появляются и мысли об опциях, позволяющих автоматизировать процесс погрузки-разгрузки заготовок и раскроенных листов. Кроме того, они уменьшают количество ошибок в работе оператора, поскольку дополнительно контролируют совпадение толщины подаваемой заготовки с выставленным режимом резки на станке», — отметил представитель «НПК Морсвязьавтоматика».
Директор по маркетингу ООО «ТЕХНОГРАВ» Виталий Жигарев также считает, что автоматизация является ключом к развитию современных промышленных предприятий.
«Компаниям стало неинтересно покупать станки поодиночке, им интересны готовые технологические решения и комплексные предложения по поставке автоматизированных линий. Например, несколько станков разного плана по лазерной резке листа и трубы, высокомощные лазеры для раскроя металла сверхбольших толщин, роботизированные станции по лазерной очистке и сварке, где всё оборудование объединено в производственную цепочку. Безусловно, за автоматизацией будущее, и это направление будет семимильными шагами развиваться в ближайшее время», — убеждён Виталий Жигарев.
По мнению Дмитрия Смирнова, перспективы лазеров в промышленности связаны с интеграцией различных технологий. Например, сочетание автоматизированных устройств с лазерной сваркой даёт роботизированную сварку. А комбинирование лазерного маркера с конвейерной линией улучшит производственные процессы, повысит их скорость, точность и качество, а также снизит затраты на материалы и рабочую силу. Лазерный маркер может без участия человека наносить штрихкоды, QR-коды, серийные номера на продукцию или упаковку.
«Что касается металлорезов, здесь я вижу два варианта развития, которые не исключают друг друга. Первый — автоматизация процессов. То есть создание полного технологического цикла, который будет охватывать все этапы от подготовки материала до снятия готовых изделий с рабочего поля и хранения. Второй — работа над оптимизацией ПО: важно минимизировать время простоя оборудования, оптимизировать раскладку, чтобы избежать лишних движений и уменьшить количество отходов.
Уже ведётся разработка системы мониторинга состояния станка и всего парка оборудования в режиме реального времени. Это позволит своевременно проводить техническое обслуживание, избегать длительных простоев и снизить затраты на ремонт», — поделился своим видением генеральный директор компании «Оллрэди».
По оценке Дмитрия Смирнова, весьма многообещающим выглядит будущее лазерных станков в сочетании с искусственным интеллектом. Такое слияние поможет внедрить автоматический анализ параметров для лазерной резки, сварки, гравировки в зависимости от материала, толщины, формы и других факторов. Возможно, в будущем ИИ будет способен самостоятельно настраивать мощность лазера, скорость перемещения или фокусное расстояние для достижения максимальной точности и минимизации отходов.
Лазерная сварка
По мнению Николая Грезева, лазерная сварка тоже значительно шагнула вперёд за последние годы. Спектр технологий, представленных в этом направлении, включает традиционную сварку в защитных газах с применением колебаний лазерного луча и без колебаний, лазерную сварку с использованием присадочной проволоки, многопроходную лазерную сварку в узкую разделку и другие решения.
«Есть технология удалённой сварки, когда сканирующая оптика фокусирует лазерное излучение и с большой скоростью осуществляет движение фокусного пятна по поверхности или контуру свариваемого изделия. Технология гибридной сварки очень сильно развилась за последнее время, особенно востребована она при сварке высокопрочных сталей.
Сочетание дуги и лазера позволяет достигать очень хороших результатов по ударной вязкости сварного соединения. За счёт того, что многодуговые процессы происходят многократно, в несколько слоёв, мы можем повысить производительность до 12 раз», — пояснил начальника отдела лазерных технологий НТО «ИРЭ-Полюс».
В числе преимуществ гибридной сварки в сравнении с дуговой он отметил низкую стоимость сварных соединений, высокое качество швов и расширенную номенклатуру материалов.
«Также есть комбинированная сварка с MIG/MAG, когда мы не привязываемся к одному процессу, а выполняем сначала дуговой процесс, затем лазерный. Такое сочетание позволяет достигать максимальных характеристик сварного шва. И есть технология с принудительным формированием шва. Она отличается тем, что там малая зона термического влияния, что даёт нам так называемую кинжальность проплавления», — дополнил Николай Грезев.
Как уже было сказано, лазеры находят применение в самых разных отраслях. По мнению Виталия Жигарева, одним из наиболее перспективных направлений является внедрение этих технологий в нефтегазовом секторе при изготовлении различных ёмкостей, конструкций для автоматизированных газораспределительных станций и других изделий. Пример использования лазерной сварки в интересах нефтегаза привёл заместитель главного инженера по подготовке производства ПАО «Тяжпрессмаш» Алексей Замотаев.
«К лазерам мы в компании изначально отнеслись с небольшой осторожностью. Но технологии идут вперёд, и генеральный директор поставил задачу увеличить производительность по неф-
тегазовому оборудованию. Ранее мы использовали классическую полуавтоматическую сварку.
С переходом на лазерное оборудование производительность выросла в 3‒4 раза. На этих операциях было задействовано от 10 до 15 человек. Про дефицит кадров мы слышим постоянно, и благодаря переходу на лазеры мы смогли решить этот вопрос. Планируем изготавливать крио-
генные топливные баки с применением этого оборудования», — рассказал зам. главного инженера.
Многие промышленные компании, особенно крупные, до сих пор относятся к лазерным технологиям с недоверием, подтвердил заведующий лабораторией физико-механических испытаний Научно-образовательного центра внедрения лазерных технологий Владимирского государственного университета имени А. Г. и Н. Г.
Столетовых Виктор Ильин. Поэтому так важно делиться положительным опытом внедрения, подчеркнул он и привёл несколько примеров успешного решения производственных задач с помощью лазеров. Первый — повышение качества поршней, изготавливаемых для оборонного сектора.
«Задача заключалась в том, чтобы заменить традиционные методы сварки. Они не обеспечивали сквозной провар, что приводило к возникновению трещин. Мы провели большую работу по подбору режимов и внесли изменения в конструкцию детали, полностью переработали документацию под лазерную сварку. Сейчас она производится серийно в интересах заказчика», — рассказал Виктор Ильин.
Второй успешный кейс, которым он поделился, — лазерная сварка траверсы погрузчика. В отличие от электродуговой, которая занимала 20 мин., новая технология позволила выполнять операцию за 8,5 мин. К тому же готовое изделие не нуждается в дополнительной механической обработке. Такие данные сотрудники НОЦ получили в ходе испытаний, чтобы опровергнуть опасения заказчика в отношении лазеров.
«Был проведён ряд исследований, в том числе механические испытания, которые показали, что сварное соединение, выполненное лазерной сваркой, имеет более высокий предел прочности на растяжение, при этом разрушение происходит по основному металлу.
Металлографические исследования показали, что лазерной сваркой можно производить сквозное проплавление с одной стороны, то есть в один проход, чего не даёт электродуговая наплавка, которая производится с двух сторон и при этом не обеспечивает сквозное проплавление. А, как известно, если есть сквозное проплавление, есть и прочность», — подытожил заведующий лабораторией.
Текст: Мария Кармакова. Фото редакции PromoGroup Media.
