Волоконный станок для резки металла: как он устроен и какую мощность источника выбрать

Из чего состоит станок

Основа станка — источник, герметичный модуль, в котором излучает оптическое волокно, легированное иттербием, с диодной накачкой. Излучение уходит по транспортному волокну в режущую голову. IPG заявляет для серии YLS электрический КПД выше 40 %, на станке целиком в сеть уходит больше, потому что есть чиллер, приводы и ЧПУ.

У волокна, как и у головы, есть паспортные параметры, которые менее известны, чем мощность. В документе Raycus с режимами резки сердечник волокна у источников 1,5–3 кВт составляет 50 мкм, у 6 и 12 кВт — 100 мкм. Коллимация везде 100 мм, а фокус линзы растёт со 125 мм (1,5–2 кВт) до 150 мм (3 и 6 кВт) и 200 мм (12 кВт). Отношение фокуса к коллимации даёт увеличение, и расчёт для безупречной оптики выходит таким: пятно в фокусе около 60–75 мкм у 1,5–3 кВт и 150–200 мкм у 6–12 кВт. Это оценка, а не измерение, но она объясняет, почему мощный источник режет толстый металл: более широкое пятно и длинный фокус дают большую глубину резкости, а на тонком листе мощный источник выигрывает мало: нержавейка 1 мм идёт на 60 м/мин при 6 кВт и на 63 при 12. Режимы поэтому подбирают под пару «источник плюс голова», а не под киловатты.

В голове стоят коллиматор, фокусирующая линза, защитное стекло и сопло. Высоту сопла над листом держит ёмкостный датчик: в таблицах Raycus она указана явно и составляет 0,3–1,0 мм. Именно в голове сосредоточены расходники, а в источнике расходников нет, поэтому защитные стёкла и сопла приходится возить в запасе. Остальное — портал с серводвигателями, система ЧПУ, чиллер для источника и головы, подвод газа и вытяжка, о которой подробно написано в статье о вытяжке и безопасности.

Охлаждение влияет и на сам запуск: если источник не излучает или режет вполсилы без явной ошибки, проверьте температуру воды. Вне допустимого диапазона из паспорта источник блокирует излучение, поэтому на чиллере выставляют значение ближе к середине диапазона и перезапускают станок.

Какие толщины режет каждая мощность

Паспортные таблицы честно делят режимы на серийные и пробные. Raycus отмечает красным строки, которые «применимы только для мелкосерийной обработки», а MAX Photonics красит ячейки в три цвета: зелёный для серии, жёлтый для режима, при котором из-за нагрева газ начинает плавать по давлению, и красный для толщины, которую можно прорезать, но не запускать в партию. В таблице ниже только серийные пределы.

Два производителя расходятся на миллиметр там, где технология допускает разные решения, а в остальном совпадают. Для 12 кВт Raycus дополнительно приводит 30 и 40 мм по стали, нержавейке и алюминию, но помечает их как пробные.

Теперь скорости. Raycus публикует их для каждой толщины, и в таблице ниже выбраны строки, которые показывают характер зависимости. Звёздочка у значения означает пробную строку.

Из таблицы видны три вещи, которые определяют выбор.

Первая: чёрную сталь с кислородом мощность почти не разгоняет. Реакцию окисления поддерживает кислород, и лазеру остаётся лишь поджечь металл, поэтому стали 4 мм всё равно, три киловатта у вас или шесть. Платить за мощность имеет смысл на толстом листе: на 10 мм шесть киловатт быстрее трёх в 1,3–1,5 раза, на 20 мм по таблице Raycus шестикиловаттный источник идёт с той же скоростью, что и трёхкиловаттный, а двенадцатикиловаттный более чем вдвое быстрее. Для стали до 6 мм сам Raycus рекомендует азот или воздух вместо кислорода: скорость выше, правда, на кромке возможен небольшой шлак.

Вторая: нержавейка и алюминий с азотом ускоряются вместе с мощностью. Нержавейка 4 мм на 12 кВт режется в 4,2 раза быстрее, чем на 3 кВт, при вчетверо большей мощности. Алюминию той же толщины нужна мощность выше, чем стали, из-за отражения излучения: на 3 кВт его потолок 6 мм против 20 у стали.

Третья: потолок и рабочая толщина разные вещи. В калькуляторе мощности лазера на сайте комфортной считается ступень, у которой серийный потолок не меньше чем в 1,7 раза выше нужной толщины. Для 3 кВт это 12 мм по стали, 4–5 мм по нержавейке и 3–4 мм по алюминию. На потолке получается нестабильная врезка, прожоги и перегретая кромка, а запаса на загрязнённую оптику и износ сопла нет.

Пример: 1000 метров реза по нержавейке 4 мм

Допустим, цех получил заказ на 1000 м реза по листу AISI 304 толщиной 4 мм. Сравним три источника по таблицам Raycus: скорость, режим газа и время чистой резки без врезок. Расход азота посчитан по давлению в голове и диаметру сопла калькулятором расхода газа, с поправкой на высоту сопла 0,5 мм.

Цена газа в таблице условная, у вас свой договор с поставщиком. Но пропорция от цены не зависит: быстрый станок не только быстрее, он ещё и тратит на метр реза в шесть раз меньше азота, чем источник на 3 кВт, потому что скорость растёт сильнее, чем расход через сопло. Для цеха, где половина заказов — нержавейка, это аргумент в пользу мощного источника, который не виден в паспорте. Подробнее о газе и о том, как считать его на метр, — в статье о газах при лазерной резке.

Открытый стол, сменный стол, кабина

Три конфигурации отвечают на три разных вопроса: как быстро сменить лист, как закрыть луч и как убрать дым.

Выигрыш от сменного стола считается просто. Допустим, лист 1500×3000 мм режется 12 минут, а загрузить его и выгрузить детали занимает 6. Без сменного стола станок простаивает треть цикла, со сменным простой почти исчезает, и выработка в смену растёт примерно в полтора раза. Если лист режется час, как на толстой стали, выигрыш в несколько процентов, и станок без второго стола оправдан.

Что из этого есть у реальных станков, видно по линейке производителя. Например, у Wattsan 1530A с полем 1500×3000 мм и источником до 6 кВт кабины и сменного стола нет, а у старшей 1530S, которая рассчитана до 12 кВт, они появляются в исполнениях Tablechange и Tablechange Cabin. Компактная 1313A на 1300×1300 мм тоже выпускается и открытой, и в кабине. Данные взяты с сайта производителя wattsan.com. Максимальная скорость перемещения у 1530A и 1313A — 80 м/мин, у 1530S — 100–120 м/мин, и от неё зависит время на холостые проходы между контурами.

О требованиях к кабине и вытяжке для волоконных станков читайте отдельно, в статье о безопасности при лазерной резке. Излучение около 1 мкм невидимо, и отражение от блестящего листа его не выдаёт.

Как выбрать мощность

Шестой пункт касается уже не станка, а того, кто его запустит. Станок на 6 кВт без аккуратной пусконаладки режет хуже паспорта: растёт расход газа, рвётся кромка, стекло и сопло меняют чаще. Поэтому до оплаты выясните, кто настраивает источник и голову, штатный инженер или приглашённый фрилансер, обучают ли оператора и где лежат запасные части. У продавцов с собственным сервисом, вроде Lasercut, пусконаладка и обучение оператора входят в поставку станков по металлу.

Кроме цены и мощности, считайте время восстановления после поломки: простой станка в сутки стоит заметных денег, часто больше разницы между двумя предложениями. Поэтому спросите, в какой срок продавец по договору реагирует на заявку, есть ли на складе запчасти именно к вашей модели, сколько у него сервис-инженеров и можно ли съездить посмотреть такой станок в работе у действующего клиента.