Получение заготовок автоматизированной термической резкой

Л. А. Павеле, А. А. Протопопов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК 
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ  
ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕЗКОЙ 
 
 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2019 
3 
 

УДК 621.791.94 
ББК 30.61 
         П12 
 
Рецензенты: 
директор ООО НПП «Вулкан-ТМ» д. т. н., проф., В. И. Золотухин; 
директор ООО ПФ «Тулапроцесс» к. т. н., доц. Э. С. Решетько 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Павеле, Л. А. 
П12  
Получение заготовок автоматизированной термической резкой : учебник / Л. А. Павеле, А. А. Протопопов - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2019. - 236 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0366-5 
 
 
Систематизирован опыт различных отраслей промышленности и крупнейших производителей оборудования для термической резки. Проанализированы 
прогрессивные способы разделения материалов, предложены критерии для проведения их сравнительной оценки. Рассмотрены физико-химические особенности 
кислородной, плазменной, лазерной и гидроабразивной резки, а также гибридных 
способов разделения материалов. Предложен анализ расчетных методик, компьютерных моделей и программного обеспечения для выбора параметров лазерной 
резки.  
Для студентов и аспирантов, специализирующихся в области сварочного  
и заготовительного производства, а также для инженерно-технических работников 
промышленных предприятий, технологических и проектных институтов.  
 
 
 
УДК 621.791.94 
 
ББК 30.61 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0366-5 
‹ Павеле Л. А., Протопопов А. А., 2019 
 ” Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
 ” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 

 
СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 5 
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СПОСОБАХ ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕЗКИ .......... 7 
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ И ОБЛАСТИ  
       ПРИМЕНЕНИЯ ........................................................................................ 7 
1.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  ................................................ 11 
1.2.1. Кислородная резка ...................................................................... 11 
1.2.2. Плазменная резка ........................................................................ 18 
1.2.3. Лазерная резка ............................................................................. 26 
1.2.4. Гидроабразивная резка ............................................................... 29 
1.2.5. Резка комбинированными источниками энергии 
.................... 30 
1.3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  
       В ПРОМЫШЛЕННОСТИ ..................................................................... 35 
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ 
РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ ............................................................................................... 45 
2.1. ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ..................... 46 
2.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ БАЛАНС МОЩНОСТИ ....................... 47 
2.3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ФОКУСИРОВКА 
        И ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ....................................................... 52 
2.3.1. Распространение и фокусировка лазерного излучения .......... 52 
2.3.2. Поглощение излучения .............................................................. 56 
2.4. ДИНАМИКА ТЕЧЕНИЯ ПЛЕНКИ РАСПЛАВА ПРИ  
       РЕЗКЕ НЕПРЕРЫВНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ......................................... 63 
2.4.1. Металл толщиной до 10 мм ....................................................... 63 
2.4.2. Металл толщиной свыше 10 мм ................................................ 67 
2.5. ГАЗОДИНАМИКА ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ГАЗА ........................ 70 
2.6. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ РЕЗКЕ  
       В КИСЛОРОДЕ И АЗОТЕ .................................................................... 75 
2.6.1. Резка в азоте 
................................................................................. 75 
2.6.2. Резка в кислороде 
........................................................................ 76 
2.7. МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ РЕГУЛЯРНОЙ  
       ШЕРОХОВАТОСТИ СТЕНОК ПРИ РЕЗКЕ  
       НЕПРЕРЫВНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ...................................................... 80 
2.8. ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ  
        ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ..................... 85 
3. КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ  
ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ ................................................................................................ 91 
3.1. ОБЗОР ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ 
        ПРОЦЕСА .............................................................................................. 91 
3.1.1. Гидростатические (стационарные) тепловые модели ............. 92 
3.1.2. Теплогазогидродинамические модели 
...................................... 94 
3 
 

3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МЕТОДОМ  
        КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 
..................................... 100 
3.2.1. Имитация в промышленности ................................................. 100 
3.2.2. Моделирование в образовании 
................................................ 106 
4. ТОЧНОСТЬ И КАЧЕСТВО ЗАГОТОВОК 
ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕЗКИ .................................................................................... 109 
4.1. КИСЛОРОДНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА ................................... 109 
4.2. ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА 
.............................................................................. 113 
4.3. ГИДРОАБРАЗИВНАЯ РЕЗКА ........................................................... 114 
5. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА 
.......................................................................... 116 
5.1. КИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА .................................................................... 116 
5.2. ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА 
....................................................................... 123 
5.3. ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА 
.............................................................................. 135 
5.4. ГИДРОАБРАЗИВНАЯ РЕЗКА ........................................................... 146 
6. ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНАСТКА 
................................................................ 149 
6.1. КИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА .................................................................... 149 
6.1.1. Классификация оборудования ................................................. 149 
6.1.2. Портальные машины ................................................................ 150 
6.1.3. Портально-консольные машины ............................................. 160 
6.1.4. Шарнирные машины 
................................................................. 163 
6.1.5. Переносные машины ................................................................ 164 
6.1.6. Резаки ......................................................................................... 169 
6.2. ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА 
....................................................................... 171 
6.2.1. Классификация и виды оборудования .................................... 171 
6.2.2. Оснастка 
..................................................................................... 184 
6.3. ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА 
.............................................................................. 187 
6.3.1. Классификация оборудования ................................................. 187 
6.3.2. Состав лазерных технологических комплексов (ЛТК) 
......... 188 
6.3.3. Специализированные и специальные ЛТК ............................ 190 
6.3.4. Универсальные ЛТК ................................................................. 190 
6.4. ГИДРОАБРАЗИВНАЯ РЕЗКА ........................................................... 224 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 
......................................... 228 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Все должно быть изложено так просто,  
как только возможно, но не проще. 
 
Альберт Эйнштейн 
 
Термическая резка в современном мире производственных технологий 
занимает одно из значимых мест, благодаря ряду преимуществ, обусловленных 
ее способом. Эта гибкая технология достаточно точно и быстро реагирует  
на технические, научные и экономические изменения и быстро адаптируется к 
новым требованиям. 
Традиционное разделение на резку термическим и механическим воздействием не отражает сложившуюся ситуацию на рынке технологий: разработку  
и стремительное внедрение в производство гибридных технологических процессов разделения материалов (лазер  плазма, лазер  кислород и т.д.), развитие 
технологии гидрорезки, разработку оборудования нового поколения, сочетающего в себе несколько технологий (например, комбинацию «лазер - пресс») и т.д. 
Сложившаяся ситуация требует подкрепления теоретической базой. Поэтому в настоящем учебнике с современных позиций проанализированы и 
классифицированы способы разделения материалов, предложены критерии для 
проведения их сравнительной оценки. Рассмотрены физико-химические особенности способов термической резки, как традиционных и широко используемых, так и новых, которые только «завоевывают» рынок. 
Большое внимание в учебнике уделяется процессу лазерной резки, так как 
лазерная обработка материалов - это одна из технологий, определяющих уровень 
производства в промышленно развитых странах. В учебнике приведены основные 
принципы выбора энергетических, оптических и газогидродинамических параметров лазерной резки. С современных позиций нестационарного движения расплава  
в канале реза под действием сверхзвуковой струи газа с учетом неоднородности его 
течения рассматривается процесс бороздообразования боковых стенок реза.  
Развитие компьютерной техники сделало возможным решение таких задач, которые раньше не решались при проектировании технологии из-за большого 
объёма вычислений. В настоящей работе изложены новые подходы к проектированию технологии лазерной резки. Проведен анализ существующих расчетных 
методик, компьютерных моделей и программного обеспечения для проектирования технологии лазерной резки. Как известно, компьютерное моделирование технологических процессов в настоящее время особенно актуально. Автором представлен также собственный опыт компьютерного моделирования лазерной резки  
и его результаты, на основании которых разработаны технологические рекомендации по выполнению высокопроизводительной и высококачественной резки. 
Анализ точности и качества заготовок, получаемых различными способами 
термической резки, является первостепенным для оптимизации технологических 
5 
 

процессов. В учебнике представлена оценка указанных параметров по Российским 
и Международным стандартам. 
В работе рассмотрены также технологии выполнения кислородной, плазменной, лазерной и гидроабразивной резки, а также технологические рекомендации, 
составленные на основе анализа и систематизация опыта применения термической 
резки на российских и зарубежных предприятиях и собственных исследований автора. Проведен обзор состояния разработок и выпуска отечественного и зарубежного промышленного технологического оборудования для термической резки. 
Учебник дает возможность заинтересованному читателю изучить основы 
термической резки, научить ориентироваться в требованиях, предъявляемым  
к производственным технологиям и соответственно к квалификации специалистов на современном рынке. Настоящая работа может быть использована для 
изучения и исследования процессов лазерной обработки материалов, связанных 
с глубоким проникновением лазерного луча в материалы, таких как лазерная 
резка, лазерная сварка с глубоким проплавлением, лазерное сверление и т.д. 
Материал учебника апробирован при чтении лекций, проведении лабораторных работ по дисциплинам: 
x «Технология конструкционных материалов» (для направления подготовки 15.03.01 «Машиностроение», 15.03.02 «Технологические машины 
и оборудование», 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов 
и производств», 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы», 27.03.01 «Стандартизация и метрология», 27.03.02 «Управление качеством», 15.05.01 «Проектирование 
технологических машин и комплексов», 17.05.02 «Стрелково-пушечное, 
артиллерийское и ракетное оружие», 24.05.01 «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов», 
24.05.02 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей»); 
x «Оборудование машиностроительных производств» (для направления 
подготовки 15.03.01 «Машиностроение», профиль «Оборудование  
и технология сварочного производства»); 
x «Технологическая подготовка сварочного производства» (для направления подготовки 15.03.01 «Машиностроение», профиль «Оборудование и технология сварочного производства»); 
x «Конструкторско-технологическая подготовка сварочного производства» (для направления подготовки 15.04.01 «Машиностроение», профиль «Машины и технология сварочного производства»). 
Учебник рекомендуется для специалистов в области заготовительного производства, а также для инженерно-технических работников промышленных предприятий, технологических и проектных институтов. Может быть полезным для 
студентов, магистрантов и аспирантов, специализирующихся в указанной области.  
Авторы благодарят директора АО «Интерсварка» (г. Тула) А. В. Волкова 
за предоставление материалов по оборудованию. 
Замечания и пожелания просьба высылать по адресу e-mail: laBpavele#mail.ru 
6 
 

 
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ  
О СПОСОБАХ ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕЗКИ 
1.1. Классификация способов и области применения 
Процесс резки заключается в разделении целого на части или же в получении деталей определенной формы из исходного материала с целью их дальнейшей механической обработки и получения конечного продукта.  
По принятой в технической литературе классификации существует два 
основных способа разрезания металлических и неметаллических материалов: 
x резка механическим воздействием: разрезание ножницами, фрезерование, сверление, штамповка, пиление и т.д. 
x резка термическим (электрохимическим, электрофизическим и физико-химическим) 
воздействием: 
кислородная, 
кислороднофлюсовая, электродуговая, плазменная, лазерная.  
Некоторые способы резки, например, такие как электродуговая, морально 
устаревают и применяются в единичных случаях. Им на смену приходят новые 
современные технологии разделения материалов, которые из экзотических быстро становятся незаменимыми для большинства предприятий. В связи с постоянным совершенствованием существующих и разработкой новых технологий разделения материалов понятие «термическая резка» в технической литературе все 
чаще заменяется современным более точным определением - «резка струей...»: 
В соответствии с изложенным подходом рассмотрим различные способы разделения материалов, как «резку струей»: 
x кислородная резка: струей кислорода (иногда с добавлением порошка 
железа);  
x плазменная резка: плазменной струей (потоком ионизированных частиц); 
x резка лазером: потоком светящихся частиц (фотонов);  
x резка водой: струей воды под очень высоким давлением (иногда с добавлением абразива). В этой технологии отсутствует термическое воздействие на разрезаемый материал. И в связи с принятой классификацией рассмотрим этот способ разделения материалов, как «резку струей». 
Фундаментальное различие механического и термического способов резки заключается в том, что при термическом воздействии абсолютно исключен 
факт применения силы, независимо от толщины разрезаемого материала.  
То есть, термический способ можно назвать «бесконтактным», и, рассматривая явления, происходящие в зоне взаимодействия струя-деталь, в качестве 
режущего инструмента будем подразумевать струю газа, ионов, воды и т.д.  
7 
 

В зависимости от вида формоизменения обрабатываемой заготовки различают разделительную и поверхностную резку. При разделительной резке 
(рис. 1.1. а) результатом обработки является относительно узкий сквозной прорез на всю толщину металла, а при поверхностной резке (рис. 1.1. б) производится сжигание или расплавление металла лишь на поверхности заготовки  
на относительно небольшую глубину с одновременным удалением жидкого 
окисла или расплава посредством сдувания струей газа. 
1
2
1
5
2
5
3
3
6
6
4
4
7
 
 
                             а                                                               б 
Рис. 1.1. Пример разделительной (а) и поверхностной (б) кислородной резки:  
1 – мундштук; 2 – заготовка; 3 – поверхность реза; 4 – грат;  
5 – подогревающее пламя; 6 – режущее пламя; 7 – фронт резки 
 
В таблице 1.1 приведены основные способы резки струей, их преимущества, недостатки и области применения. Четких границ между областями применения различных способов резки струей не существует, и поэтому при их 
определении должна производиться комплексная технико-экономическая оценка эффективности способа резки для каждого конкретного случая.  
 
Таблица 1.1 
Основные способы резки струей 
Способы резки 
Достоинства 
Недостатки 
Области  
применения 
Кислородная  
 
x диапазон толщин  
3 - 1000 мм; 
x низкая стоимость  
оборудования  
и его простота; 
x возможность резки  
одновременно  
несколькими  
горелками 
x резка углеродистых  
и низколегированных  
сталей;  
прямолинейная  
и криволинейная  
резка заготовок  
различной формы  
из листового проката  
в диапазоне толщин  
3 - 1000 мм; 
x резка только  
углеродистых  
и низколегированных 
сталей 
x широкий разрез; 
x значительная  
зона термического  
влияния; 
x невысокая точность  
получаемых заготовок; 
8 
 

Продолжение таблицы 1.1 
Способы резки 
Достоинства 
Недостатки 
Области  
применения 
x одно- и двухсторонняя 
разделка  
кромок сварных швов; 
 
x ухудшение  
санитарно-гигиенических  
характеристик  
процесса 
Кислородная  
x вырезка дефектных  
участков сварных швов, 
обрезка  
технологических  
планок 
Кислороднофлюсовая  
То же 
То же 
резка заготовок  
из хромоникелевых 
 и коррозионно-стойких 
сталей толщиной  
до 450 мм, чугуна, цветных 
металлов и сплавов 
x диапазон толщин  
0,4 - 150 мм; 
x резка малоуглеродистых, 
хромо - никелевых сталей 
и цветных металлов  
толщиной до 100 мм; 
x высокая скорость 
резки; 
x стабильность  
качественных  
показателей; 
x низкая скорость резки 
толщин свыше 50 мм; 
x высокая стоимость  
оборудования; 
x ухудшение  
санитарно-гигиенических 
характеристик процесса; 
x высокий уровень шума 
Плазменная  
x случаи, когда требования 
по качеству находятся 
между требованиями  
к лазерной и кислородной 
резке 
x малая зона  
термического  
влияния; малое  
количество  
грата;  
малые деформации 
разрезаемого  
металла 
x высокая скорость  
обработки; 
x точность вырезки 
деталей; 
x возможность резки  
практически любых  
материалов и сплавов  
от металла, до стекла  
и пластика; 
x высокая стоимость  
обработки для толщин 
свыше 15 мм; 
x высокая стоимость  
оборудования 
x случаи, когда требуется 
особая точность 
обработки детали; 
Лазерная резка 
x малая зона  
термического  
влияния; малые  
деформации; малое 
количество грата; 
x обработка  
сложных профилей 
x возможность  
выполнения малых 
отверстий; 
x возможность  
выполнения резки, 
сверления  
и фрезерования на 
одном оборудовании 
9 
 

Окончание таблицы 1.1 
Способы резки 
Достоинства 
Недостатки 
Области применения 
x отсутствие перегрева 
выше 100 ƒС и  
структурных  
изменений,  
термических  
деформаций заготовок;  
x высокая стоимость  
оборудования; 
x сложность оборудования 
и условий его 
эксплуатации; 
x высокий уровень шума 
x возможность резки 
любых материалов  
с высокой прочностью 
и отличными  
физико-химическими 
свойствами; 
Гидроабразивная  
резка 
x высокая скорость  
обработки;  
x возможность  
выполнения резки, 
сверления и  
фрезерования на  
одном оборудовании; 
Неограниченная  
номенклатура материалов: 
бумага, картон, ткани,  
кожа, резина, древесина, 
полимерные материалы 
(винипласт, фторопласт, 
органическое стекло), 
фольгированная  
и металлизированная 
пластмасса, металлы  
и сплавы, в том числе, 
труднообрабатываемые 
(твердые и магнитные 
сплавы, титан,  
коррозионно-стойкие 
и жаропрочные стали), 
композиционные  
материалы, керамика, 
натуральный  
и искусственный гранит  
и мрамор, стекло и др. 
x точность вырезки  
деталей; 
x экологическая  
чистота, полная  
пожаро- и  
взрывобезопасность 

Таблица составлена по материалам сайтов [104-108], данным проспектов фирм ESAB 
(Швеция), «MESSER GRIESHEIM», Trumpf, Rofin-Sinar (Германия), работам [29, 60]. 
 
Основные тенденции развития термической и механической резки, сложившиеся к началу 2000-х годов представлены на рис. 1.2. Приоритеты обработки 
заготовок переместились от кислородной и механической резки к лазерной  
и плазменной. На толщинах до 25 мм лазерная резка становится доминирующей. 
Кислородная
      резка
3-20 мм
  Резка
водяной
  струей
Лазерная резка
3-20 мм
0.1-10 мм
1-20 мм
Плазменная 
      резка
Механическая
       резка
1-10 мм
 
Рис. 1.2. Структурные изменения в резке конструкционных материалах,  
сложившиеся в мире к началу 2000-х годов [8] 
10