Лазеры в промышленности: практические кейсы
Ни одна отраслевая выставка, посвящённая технологиям металлообработки, не обходится без демонстрации последних достижений в области лазерного оборудования. Производители говорят о росте спроса на установки «три в одном», мощные и сверхмощные металлорежущие станки, а также отмечают такие тенденции, как применение лазеров для упрочнения металла. Словом, возможности лазеров если не безграничны, то настолько широки, что возникает вопрос о том, как их систематизировать и наиболее эффективно применять на практике.
Чтобы промышленники понимали, какие производственные задачи они могут решить с помощью такого оборудования, в деловую программу выставки «Металлообработка. Сварка — Урал» в 2024 г. включили научнопрактическую конференцию «Лазерные, аддитивные и сварочные технологии в машиностроении и металлургии». Как понятно из названия, организаторы из Регионального центра лазерных технологий попытались объять необъятное, что отразилось и на характере мероприятия: спикеры менялись местами в программе, слушатели приходили и уходили.
Вице-президент Лазерной ассоциации и генеральный директор ЗАО «РЦЛТ» Анатолий Сухов пошутил, что лазерное излучение — процесс изначально неупорядоченный, поэтому и конференция получилась несколько сумбурной. Однако, по его мнению, главная цель была достигнута: участники на примере практических кейсов получили представление о том, как можно применять лазеры для увеличения производительности, повышения качества продукции и снижения её себестоимости.
«Сейчас ни одна сфера человеческой деятельности не обходится без лазерных технологий. Наша задача — не только пропагандировать их, но и обмениваться опытом из разных отраслей и регионов. Надо передавать его коллегам, чтобы эффективные решения применялись для получения конечных изделий с минимальной трудоёмкостью и по интересной цене», — подчеркнул Анатолий Сухов.
Сварка титана
В своём докладе глава РЦЛТ рассказал о результатах использования лазерного сварочного оборудования при обработке титановых сплавов и сталей. В числе основных преимуществ технологии он отметил её универсальность и широчайшую сферу применения, в том числе в производстве металлоконструкций. По словам Анатолия Сухова, при правильном использовании лазерная технология даёт увеличение скорости сварки в 10, а то и в 20 раз по сравнению с ручной.
В качестве примера он привёл опыт сотрудничества с ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» в рамках проекта по созданию аутригера — выносной опоры, которую устанавливают на бампер автомобиля, чтобы обеспечить его устойчивость при проведении испытаний. Она представляет собой сборно-сварную конструкцию, изготовленную из титанового сплава методами лазерного раскроя и сварки заготовок.
Авторы этого изделия хотели доказать, что выполненные таким способом сварные соединения по прочности не уступают цельному металлу. И им это удалось: исследования показали, что полученная конструкция сопоставима с монолитной. При этом технология очень производительна за счёт высокой скорости лазерной сварки. Применять её можно для изготовления не только аутригеров, но и других изделий, в том числе импортных, дорогостоящих или недоступных сегодня потребителям в России.
В завершение своего доклада Анатолий Сухов напомнил слушателям, что для качественной сварки лазером важно проводить тщательную подготовку металлоконструкций. В частности, необходимо обеспечить зазор между свариваемыми плоскостями менее 0,1 мм. Если речь идёт о сварке конструкции длиной 5‒7 м, это очень сложно и требует соблюдения чёткого порядка организации производства, акцентировал глава Регионального центра лазерных технологий.
Закалка металла
Российский рынок лазерных установок отличается от мирового, что отмечают многие производители и поставщики оборудования. Сегодня в нашей стране на пике популярности находятся резка, сварка и маркировка, а вот за рубежом они уже теряют позиции, на смену им приходят высокотехнологичные методы обработки металлов, такие как лазерное ударное упрочнение и лазерная перфорация, которая, в отличие от вырубной, позволяет изготавливать гораздо более сложные изделия.
Генеральный директор ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения», завкафедрой лазерной поверхностной обработки материалов ВлГУ им. А. Г. и Н. Г. Столетовых Григорий Евстюнин отметил, что в России эти технологии пока находятся в зачаточном состоянии. В то же время в числе тенденций отечественного рынка лазерного оборудования он отметил низкую серийность и спрос на нестандартные решения.
Более 10 лет назад специалисты ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения» разработали комплекс, функционал которого повторяет название компании. Лазерное термоупрочнение, по сути, позволяет закаливать металл: луч лазера разогревает поверхность изделия, и в результате образуется новый слой — мелкодисперсная структура с высокой степенью твёрдости.
При этом не меняется геометрическая форма детали, трещины и деформации исключены, а значит, её не придётся подвергать дополнительной обработке. Кроме того, с помощью лазера можно упрочнить не всё изделие, а только его часть, повысив износостойкость в том месте, которое подвергается более агрессивной эксплуатации, и тем самым сократить затраты.
Но специалисты «НТЛП» пошли дальше и объединили несколько лазерных технологий в составе одного устройства. Наряду с термоупрочнением это оборудование позволяет выполнять резку, наплавку и сварку — все операции осуществляются с использованием лазерной головки. Впрочем, по желанию пользователя сварку можно выполнять гибридным способом.
Как пояснил Григорий Евстюнин, установка является своего рода промышленным конструктором, её применение целесообразно на производствах, которые выпускают мелкосерийные партии продукции. По его словам, идея создания такого комплекса возникла в ходе реализации проекта для заказчика, которому требовалось изготавливать около 10 тыс. деталей для газопроводов. В ручном режиме сварочные работы занимали в среднем 12 часов, и ещё два часа уходило на обработку изделий. Благодаря применению автоматизированной машины продолжительность сварки сократилась до 15 минут. На то, чтобы установить обрабатываемые детали в рабочую зону комплекса, требуется около получаса.
Ещё один вариант реализации технологии лазерного термоупрочнения представил на конференции начальник проектного отдела ООО «Научно-производственное предприятие «ИНЖЕКТ» Михаил Бочкарёв. Он был выполнен в интересах металлургической компании, в производственном цикле которой применяются насосы высокого давления.
Их конструкция включает плунжеры — длинные поршни цилиндрической формы, которые на производстве заказчика очень быстро выходили из строя. Замену плунжеров приходилось выполнять каждые 7–10 дней, что оборачивалось простоями и снижением производительности. С помощью технологии лазерного упрочнения (один проход луча со скоростью 10 мм/сек) ресурс изделия удалось увеличить до 90 дней.
Михаил Бочкарёв подчеркнул, что лазерная закалка металла не панацея, а альтернативный метод упрочнения, у которого есть как преимущества, так и недостатки. В числе последних пользователи отмечают высокие требования к качеству поверхности и идентичности геометрических размеров деталей из одной партии, а также необходимость осуществлять подбор параметров упрочнения для каждой позиции в зависимости от размера изделия, материала и т. д.
Лазер против плазмы
В продолжение темы практического применения лазерных технологий в промышленности опытом в этой сфере поделились ещё две компании, которые обеспечивают российский рынок таким оборудованием.
«Расскажу на примере челябинского предприятия, которое занимается производством вентиляционных систем и обечаек тепловой изоляции. До приобретения лазерного станка мощностью 2 кВт лекала на производстве вырезали по трафаретам вручную (ножницами по металлу). Это занимало достаточно много времени. Сейчас сотрудники предприятия за две недели обеспечивают месячную потребность производства благодаря использованию станка лазерной резки.
Его внедрение также позволило снизить количество брака и увеличить производительность в разы. Оценив перспективу применения станка в рабочем цикле, руководство рассматривает возможность открыть три новых производственных точки с установкой аналогичного лазерного оборудования», — рассказал директор отдела продаж ООО «Челябинский станкостроительный завод» Сергей Звонарёв.
Он подчеркнул, что современные лазерные станки характеризуются высокой точностью обработки листового проката, что обеспечивает стабильность форм и размеров готовых деталей.
В большинстве случаев их можно брать в следующую технологическую операцию без дополнительной мехобработки. Например, за счёт использования уникальной станины с минералокомпозитным заполнением, которая гасит вибрации во время работы, станок сохраняет высокую точность резки даже при обработке стали большой толщины в течение всего срока эксплуатации. Это отличает лазерную резку от других способов обработки металла.
«При использовании лазерного оборудования картина может быть иной: часто полученные детали необходимо подвергнуть шлифовке, расточке или фрезеровке, а значит, увеличить время производства, потратив на это дополнительные человеко- и машино-часы. Также для использования плазменных установок требуются расходники, срок службы которых намного меньше по сравнению с расходниками для лазерных станков.
И расход технологического газа при работе с плазмой намного выше. К тому же в процессе обработки металла плазмой возникает значительно больше дыма, продуктов горения, чем при лазерной резке.
Поэтому, если разобраться, выбор очевиден. И наши клиенты после непродолжительных размышлений чаще всего выбирают именно оптоволоконные лазерные станки. Фактически они подходят для любого предприятия, где изготавливают металлоконструкции», — пояснил Сергей Звонарёв.
Пример успешной замены плазменных станков на лазерные продемонстрировал завод «Курганстальмост» — один из стратегических клиентов компании «СТМ» (эксклюзивный дистрибьютор оборудования Han’s Laser в России).
«Пять лет назад вопрос модернизации оборудования для специалистов завода стоял следующим образом: нужно было решить, что делать с плазменным оборудованием, которое они тогда использовали для раскроя и сверловки отверстий. Станки уже были морально устаревшими на тот момент, но так как бренд устраивал заказчика, то выбор стоял следующий: либо купить более современные плазмы, либо перейти на другую технологию.
К лазерной обработке представители заказчика на первом этапе переговоров отнеслись скептически. Дело в том, что для нужд машиностроения резать нужно изначально большие толщины заготовок до 40 мм, и точность при этом требуется высокая. В итоге они приобрели несложный станок со скромной мощностью 6 кВт. И после его внедрения в производство вопрос уже стоял не о том, переходить или нет на лазерные технологии, а о том, какие лазерные станки покупать и когда», — рассказал генеральный директор ООО «СТМ» Сергей Масюков.
По его словам, представления о том, что лазерная технология применима только для тонкого металла, давно остались в прошлом. Благодаря внедрению источников большой мощности (а сейчас на заводе установлены станки с мощностью 20 кВт) на участке происходит раскрой металла толщиной 60 мм и более. Это примерно в три раза быстрее, если сравнивать с источниками мощностью 12 и 6 кВт. При этом обработка осуществляется с наименьшей тепловой деформацией и опимальным качеством реза.
«В 2024 году на заводе ввели в эксплуатацию два гигантских станка, предназначенных для работы со сверхтяжёлыми листами металла. Особенность портальных станков в том, что пользователь может разместить на одном столе два или три листа одновременно, и лазер будет раскраивать их поочерёдно. Станина выдерживает очень большой вес заготовок и не деформируется из-за смены температуры при работе с источниками высокой мощности.
В общей сложности „Курганстальмост” эксплуатирует шесть лазерных станков мощностью от 6 до 20 кВт. Завод полностью отказался от плазменной резки. Причём, по подсчётам руководства предприятия, один лазерный станок заменяет по производительности три плазменных. Выше скорость, меньше сроки производства одинаковых партий, минимум времени на простои, и при этом резку отверстий можно производить сразу на станке», — подчёркнул Сергей Масюков.
На этом «Курганстальмост» не останавливается — прорабатывается вопрос дальнейшего внедрения лазерных технологий для обработки тяжёлых балок и профиля. Также на предприятии рассматривают возможность приобретения ещё двух лазерных труборезов с возможностями раскроя заготовок длиной до 12,5 м, сечением до 1 м и весом до 6 т.
По словам гендиректора «СТМ», благодаря применению лазеров на заводе появилась возможность значительно повысить объём выпускаемой продукции и её качество, а также выполнять нестандартные проекты. Это успешный пример для других предприятий России, где до сих пор применяют устаревшие технологии.
Текст: Мария Кармакова
