Что такое термическая резка металла и как она работает

Термическая резка металла разделяет заготовку не усилием инструмента, а теплом. Узкую полосу вдоль линии реза доводят до горения или плавления, а расплав выдувают струёй газа.

Способы делят по механизму разрушения металла, и таких механизмов три: окисление, плавление и их сочетание.

Кислородная резка берёт углеродистые и низколегированные стали от 3 до 1000 мм, плазма проходит токопроводящие материалы до 100–160 мм, а лазер режет сталь до 25–30 мм и даёт самый узкий рез с наименьшей зоной термического влияния.

Как устроен процесс термической резки

Процесс держится на локальном нагреве. Пламя, дуга, плазма или луч греют полосу шириной от долей миллиметра до нескольких миллиметров, металл в ней сгорает или плавится, а расплав уносит газовый поток.

Стружки при этом нет вовсе. Металл уходит из реза расплавом и окалиной, а заготовка вокруг остаётся холодной.

Механическая резка забирает металл силой, термическая забирает его теплом. Тепловые способы дороже по расходникам и энергии, зато дают деталь любой конфигурации и недоступные механике толщины.

Окислением режут не каждый сплав. Условий два. Температура воспламенения металла в кислороде должна быть ниже его температуры плавления, а оксиды металла обязаны плавиться легче основного металла и уходить вместе с потоком.

Железо этим условиям отвечает: воспламеняется при 1050–1360 °C, плавится при 1535 °C.

При газокислородной резке кромку подогревают пламенем до 1100–1200 °C, дальше процесс идёт сам: горение железа это экзотермическая реакция, и тепла она даёт больше, чем подогрев.

Разделительная резка отделяет деталь от листа насквозь, а поверхностная резка снимает слой металла и вырезает дефекты шва. По качеству рез бывает заготовительным (под дальнейшую обработку, грат допустим) и чистовым, который идёт как есть.

Плата за тепло одна: зона термического влияния, полоса вдоль кромки с изменённой структурой.

Виды термической резки по механизму разрушения металла

Основание деления здесь одно: что именно разрушает металл в зоне реза.

• Окисление. Металл сгорает в струе технически чистого кислорода, нагрев лишь запускает реакцию: кислородная (газопламенная) и кислородно-флюсовая резка. Нужен материал, который горит в кислороде охотнее, чем плавится.
• Плавление. Расплав выдувают газом или давлением дуги. Так работают дуговая, воздушно-дуговая, плазменная, лазерная и термогазоструйная резка. Химическое ограничение снимается, взамен приходит ограничение по мощности.
• Окисление с плавлением. Кислородно-дуговая, кислородно-плазменная и кислородно-лазерная резка сочетают выдувание расплава с горением в кислороде. Группу применяют для тугоплавких металлов.

Комбинированная кислородно-плазменная резка нужна в узком случае. Добавка кислорода в плазмообразующий газ поднимает скорость и очищает кромку на углеродистой стали, а для нержавейки и алюминия чаще берут азот.

Технологии резки от кислородного пламени до лазера

Источник тепла внутри группы задаёт доступную толщину, скорость и цену кромки.

Кислородная и кислородно-флюсовая резка

Пламя подогревает точку старта, струя кислорода поджигает металл, фронт горения идёт по линии реза. Способ берёт углеродистые и низколегированные стали от 3 до 1000 мм. На 6–30 мм газокислородная резка идёт 0,5–0,8 м/мин, на 200–300 мм остаётся 0,1–0,3 м/мин при допусках ±1–2 мм.

Алюминий и нержавеющую сталь это пламя не берёт. Оксиды металла у них тугоплавкие, плёнка оксида алюминия плавится выше самого металла и гасит горение.

Титан условие выполняет с запасом: в кислороде он воспламеняется около 610 °C, то есть заметно ниже собственной точки плавления. Часть источников его к пригодным не относит, режим согласуют заранее.

Флюсовый вариант снимает это ограничение частично: порошковый флюс сгорает в зоне реза, поднимает температуру и разжижает тугоплавкие оксиды. Так режут хромоникелевые и хромистые стали, чугун, медь, латунь и бронзу толщиной 3–1000 мм.

Дуговая, воздушно-дуговая и плазменная резка

Дуговая резка плавит металл электрической дугой и выдувает расплав. Плавящимся электродом её ведут током на 30–40 % выше сварочного, вольфрамовым в аргоне хватает превышения на 20–30 %. Качество реза невысокое, поэтому способ уместен там, где плазмы нет: демонтаж и разделка лома.

Воздушно-дуговая резка идёт угольным электродом со струёй сжатого воздуха и служит как поверхностная резка: строжка канавок, зачистка шва. Резка под флюсом берёт легированные стали до 30 мм, проволока Св-08 или Св-08А, флюс АН-348.

Плазма берёт больше материалов, чем прочие способы. Плазмотрон сжимает дугу в сопле и разгоняет ионизированный газ, температура струи достигает 15 000–30 000 °C.

Дуга замыкается на деталь, поэтому плазменно-дуговая резка работает только по токопроводящим материалам.

Предельная толщина 100–160 мм, верх дают мощные источники тока.

Низкоуглеродистую сталь 20 мм плазма проходит со скоростью 1,5–2,5 м/мин. Свыше 40 мм появляется скос кромки 3–5°, его компенсируют системы ЧПУ с наклоном плазмотрона.

Плазменная резка портит воздух сильнее прочих способов. В рабочей зоне растёт содержание азота.

Поэтому вытяжную вентиляцию участка закладывают вместе с оборудованием.

Лазерная и электронно-лучевая резка

Лазер фокусирует луч в пятно диаметром 0,1–0,3 мм, а расплав уносит вспомогательный газ: азот, кислород или сжатый воздух. Азот даёт неокисленный торец, кислород добавляет скорости на стали, воздух дешевле. КПД волоконных лазеров составляет 30–35 %. Предельная толщина стали растёт с мощностью от 5 до 25–30 мм, выше 30 мм производительность падает.

Главный довод в пользу лазера: минимальная зона термического влияния. При резке нержавеющей стали около 6 мм геометрия остаётся в пределах допусков. Под такие задачи подбирают станки лазерной резки металла, и мощность источника прямо задаёт доступную толщину.

Электронно-лучевая резка сужает шов ещё сильнее, но работает в вакуумной камере, и её размер ограничивает деталь.

Сравнение способов: материал, толщина, скорость и кромка

Способ	Материалы	Толщина	Скорость	Кромка	Эксплуатация
Кислородная	Углеродистые и низколегированные	3–1000 мм	0,5–0,8 м/мин (6–30 мм)	Допуски ±1–2 мм	Дешевле прочих
Кислородно-флюсовая	Высоколегированные, чугун, медь	3–1000 мм	Ниже	Грубее	Дороже на флюс
Плазменная	Токопроводящие, включая алюминий	До 100–160 мм	1,5–2,5 м/мин (20 мм)	Скос 3–5° от 40 мм	Сопла и электроды
Лазерная	Стали, цветные металлы	До 25–30 мм	Выше прочих	Наименьший нагрев	Дороже по часу

Лист стали 20 мм, контур 12 м: портал пройдёт его за 5–8 минут, а газокислородная резка потратит 15–24 минуты без источника тока на сотни ампер. Скорость и точность луча мы разбирали в отдельной статье про точность и скорость лазерной резки.

Ограничения у класса принципиальные, а не настроечные. Без флюса кислород не берёт цветные металлы и нержавейку: мешает химия оксидов. Плазменно-дуговой резке нужна токопроводящая деталь. Где нагрев кромки недопустим, выручает гидроабразивная резка.

Машины термической резки и автоматизация раскроя

В ведущих отраслях 70–80 % операций термической резки металла выполняют машины с фотокопировальным или числовым программным управлением, а ручной резак остался в быту и на малых объёмах.

Машина термической резки отличается от ручного резака не столько скоростью, сколько предсказуемостью результата.

• Повторяемость. Сотая деталь совпадает с первой, а ручной рез уходит от разметки на втором метре.
• Раскрой листа по программе. Детали вкладывают плотно, обрезь и расход металла считают заранее.
• Компенсация скоса. ЧПУ наклоняет плазмотрон на 3–5° и возвращает кромку к перпендикуляру.
• Два процесса на портале. Гибридная установка несёт плазменный и газовый суппорт, толстое берёт кислородом, тонкое плазмой.

Типологию оборудования описывает ГОСТ 5614-74 «Машины для термической резки металлов. Типы, основные параметры и размеры» (введён с 1 июля 1975 года взамен ГОСТ 5614-67). В обозначении закодированы конструктивный тип, способ резки, система управления, ширина листа и класс точности. Ограничение срока действия с него снято протоколом № 4–93 Межгосударственного совета по стандартизации, а действующий статус сверяют по реестру Росстандарта.

Требования к резу формулируют по ГОСТ 14792-80 «Детали и заготовки, вырезаемые кислородной и плазменно-дуговой резкой. Точность, качество поверхности реза» (действует с 1 июля 1981 года). Он нормирует кислородную резку углеродистой стали 5–100 мм и плазменно-дуговую резку стали и алюминия 5–60 мм, а поверхность оценивает по отклонению от перпендикулярности и шероховатости Rz на базовой длине 8 мм; зону термического влияния стандарт нормирует только для плазменно-дуговой резки.

Станок подбирают по рабочему полю и толщине: оборудование для обработки листового металла различается шириной стола и мощностью.

Порядок выбора способа резки: шаги и чек-лист

Выбор идёт от детали к оборудованию.

1. Определите материал и сплав. Готово, когда в требованиях стоит марка, а не просто «сталь». Частая ошибка: заказать резку нержавейки кислородом.
2. Замерьте толщину заготовки по сортаменту. Признак выполнения: записаны минимум и максимум. Ошибаются здесь, взяв среднее значение.
3. Сформулируйте требования к кромке, класс точности и шероховатость по ГОСТ 14792-80 либо запись «под обработку». Без неё к поставщику рано. Частая ошибка: требование «чисто и ровно» без класса.
4. Посчитайте метры реза за смену и размер партии. Без этой цифры оборудование не сравнить. Типовым промахом здесь становится портал с ЧПУ под пять деталей в неделю.
5. Сопоставьте ответы с таблицей. Дело сделано, когда у каждого отброшенного варианта назван предел. Ошибаются здесь, сравнивая способы по одной скорости.

Плохой рез виден по кромке сразу: грат, который не отбивается молотком, окисленная поверхность, скос больше заявленного класса, увод контура от чертежа. Заказчик первым делом останавливает партию и замеряет деталь после удаления шлака. Исполнитель показывает протокол замера и переделывает брак по своей вине, а переделка дороже первичного реза на стоимость потерянного листа и повторной наладки. Гарантийные сроки и объём работ по исправлению фиксируют в договоре до начала поставки, иначе спорить придётся уже по разрезанной партии.

• Какой класс точности и шероховатость кромки установка держит на нашей толщине? Ответ «зависит от режима» без цифр считайте плохим.
• Что входит в поставку помимо источника: вытяжка стола, система управления, программа раскроя?
• Что и на какой срок покрывает гарантия, если параметры не подтвердятся на приёмке?

Сузить круг до двух-трёх моделей можно самому. Сравнить их по ресурсу расходников и реальной отдаче проще с тем, кто это оборудование возит и обслуживает: мы проводим технический аудит участка.

Частые вопросы

Каким способом режут сталь толщиной больше 100 мм?

Кислородным, его диапазон по углеродистым и низколегированным сталям доходит до 1000 мм, тогда как плазма упирается в 100–160 мм, а лазер в 25–30 мм. На 200–300 мм скорость падает до 0,1–0,3 м/мин.

Каким способом режут металл под водой?

Кислородно-дуговой резкой трубчатым электродом. Кислород подают через сам электрод, дуга греет металл, струя выжигает рез. Так разбирают конструкции при судоподъёме и демонтаже.

Почему при дуговой резке ток выше, чем при сварке?

Дуге при резке приходится выплавлять металл на всю толщину, а не только оплавлять кромки под шов. Отсюда и добавка к сварочному режиму: 30–40 % для плавящегося электрода и 20–30 % для вольфрамового в аргоне.

Что дороже в эксплуатации: лазерная или газокислородная резка?

Час работы лазера дороже, в нём электроэнергия, защитный газ и обслуживание оптики. На тонком листе он отыгрывает это скоростью, а на толстом металле дешевле кислород.

Можно ли одной машиной резать и сталь, и алюминий?

Плазменной можно, ГОСТ 14792-80 нормирует плазменно-дуговую резку и стали, и алюминиевых сплавов 5–60 мм. Газокислородная установка алюминий не возьмёт вовсе.

Об авторе

Статью подготовила команда ООО «Кайлас». Мы больше 8 лет поставляем промышленное оборудование в Россию, Казахстан и СНГ, делаем пусконаладку и обучение. Режимы и толщины опираются на названные стандарты и нашу практику: отраслевых методик по термической резке в открытом доступе нет.