Основы лазерной и газоплазменной обработки конструкционных сталей

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ʝʠʜʝʑʪʚʏʖʔʟʜʝʘ
ʗʒʏʖʝʞʚʏʖʛʔʜʜʝʘʝʐʟʏʐʝʡʙʗ
ʙʝʜʠʡʟʢʙʥʗʝʜʜʪʤʠʡʏʚʔʘ
 
 
Монография 
 


Под редакцией профессора Н. Н. Сергеева 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 
1 
 

 
УДК 669.14.018.291 
ББК 34.222.23 
        О-75 
 
 
 
 
Авторы: 
Н. Н. Сергеев, И. В. Минаев, И. В. Тихонова, А. Н. Сергеев, С. Н. Кутепов,  
М. Ю. Комарова, А. Е. Гвоздев 
 
Рецензенты: 
Гадалов В. Н., проф., д-р техн. наук (Юго-Западный государственный университет); 
Поляков В. А., канд. техн. наук, д-р экон. наук, зав. кафедрой экономики и управления 
Финансового университета при Правительстве РФ (Тульский филиал) 
 
 
 
 
 
 
 
 
О-75  
Основы лазерной и газоплазменной обработки конструкционных сталей: монография / [Сергеев Н. Н. и др.] ; под ред. проф. Н. Н. Сергеева. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. – 284 с. 
 
 
ISBN 978-5-9729-0450-1 
 
Разработаны математические модели для углеродистых и легированных конструкционных сталей, отражающие влияние различных факторов на характеристики 
качества поверхности реза изделий из листового стального проката различной толщины. Исследованы возможности комплексной оптимизации режимов высокоточной 
обработки для достижения минимальной шероховатости, ортогональности и формирования необходимой зоны термического влияния. Предложена серия лазерных и газоплазменных комплексов для резки листового стального проката и сварки металлоконструкций.  
Для специалистов по материаловедению, физике конденсированного состояния, 
металловедению и термической обработке металлов и сплавов, технологии машиностроения, ресурсосбережению, а также бакалавров, магистрантов, аспирантов и преподавателей соответствующих направлений и профилей. 
 
УДК 669.14.018.291 
ББК 34.222.23 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0450-1 
 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
2 
 

 
ʠʝʓʔʟʕʏʜʗʔ
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ 
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ...................................................................... 6
1.1. Термическая резка металлов ............................................................................... 6
1.2. Лазерная обработка металлов: основные понятия и классификация ............. 9
1.3. Термическое упрочнение при лазерной обработке ........................................ 12
1.3.1. Смещение критических точек фазовых превращений  
при нагреве железоуглеродистых сплавов лазерным излучением .............. 12
1.3.2. Механизм термоупрочнения железоуглеродистых сплавов 
............... 15
1.3.3. Особенности структурообразования при лазерной обработке 
железоуглеродистых сплавов 
........................................................................... 18
1.4. Физические процессы, протекающие при лазерной резке 
............................. 26
1.5. Оборудование для лазерной обработки ........................................................... 31
1.6. Проблемы качества лазерной резки конструкционной стали ....................... 35
1.6.1. Качество поверхности 
............................................................................. 35
1.6.2. Химический состав обрабатываемых объектов ................................... 36
1.6.3. Влияние параметров газолазерной резки  
на качество поверхности реза .......................................................................... 37
1.7. Особенности лазерной резки листовой стали и мониторинг качества 
образцов после лазерного воздействия ................................................................... 42
1.8. Возможности лазерной резки как финишной операции  
при изготовлении деталей различного класса 
........................................................ 48
1.9. Постановка цели и задач исследования ........................................................... 55
2. РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦА УСТАНОВКИ 
ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ 
............................................................................................ 57
2.1. Обоснование проектирования установки прецизионной плазменной резки 
конструкционных сталей .......................................................................................... 57
2.1.1. Актуальность работы 
.............................................................................. 57
2.1.2. Научная новизна работы ........................................................................ 58
2.1.3. Практическая ценность работы ............................................................. 59
2.1.4. Эффективность работы 
........................................................................... 60
2.1.5. Основное содержание работы 
................................................................ 61
2.2. Разработка проектной документации на выполнение  
опытно-конструкторских работ и изготовление образца установки  
плазменной резки ...................................................................................................... 63
2.2.1. Технические требования......................................................................... 64
2.2.2. Требования безопасности труда ............................................................ 68
2.3. Разработка технической документации на транспортирование  
и хранение комплексов прецизионной плазменной резки 
.................................... 71
2.3.1. Требования по надежности и долговечности 
....................................... 72
2.3.2. Правила приемки 
..................................................................................... 73
2.3.3. Методы контроля .................................................................................... 74
2.3.4. Транспортирование и хранение ............................................................. 77
3 
 

 
2.3.5. Указания по эксплуатации ..................................................................... 77
2.3.6. Гарантии изготовителя ........................................................................... 78
2.4. Разработка эксплуатационной документации и методики контроля  
качества деталей, получаемых методом прецизионной плазменной резки ........ 78
2.4.1. Техническое описание и комплектность .............................................. 80
2.4.2. Эксплуатационная документация 
.......................................................... 81
2.4.3. Указания по эксплуатации и хранению ................................................ 84
2.4.4. Сведения по утилизации и перечень ссылочных нормативнотехнических документов .................................................................................. 86
2.5. Разработка и утверждение технического описания и инструкции по 
эксплуатации комплекса прецизионной плазменной резки ................................. 87
3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 
............................................... 92
3.1. Объекты исследования 
....................................................................................... 92
3.2. Методика макрофрактографического анализа ................................................ 93
3.3. Методика измерения шероховатости поверхности  
и угла отклонения 
...................................................................................................... 94
3.4. Методика микроструктурных исследования 
................................................... 95
3.5. Методика дюрометрического анализа ............................................................. 95
3.6. Статистическая обработка результатов измерений ........................................ 97
3.6.1. Проверка равноточности измерения шероховатости .......................... 97
3.6.2. Сравнение средних значений шероховатости в разных зонах 
поверхности реза ............................................................................................... 97
3.6.3. Регрессионный анализ ............................................................................ 98
4. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОЙ И ГАЗОПЛАЗМЕННОЙ 
ОБРАБОТКИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРЫ,  
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА И ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ..................................... 101
4.1. Макрофрактографический анализ поверхности реза ................................... 101
4.2. Исследование шероховатости поверхности реза .......................................... 104
4.3. Исследование распределения микротвердости и особенностей 
микроструктуры в зоне термического влияния 
.................................................... 108
4.3.1. Микротвердость и микроструктурные особенности зоны 
термического влияния на стали Ст3 
.............................................................. 109
4.3.2. Микротвердость и микроструктурные особенности зоны 
термического влияния на стали 09Г2С ......................................................... 117
4.3.3. Микротвердость и микроструктурные особенности зоны 
термического влияния на стали 20Х13 ......................................................... 123
4.3.4. Микротвердость и микроструктурные особенности зоны 
термического влияния на стали 30ХГСА ..................................................... 128
4.3.5. Микротвердость и микроструктурные особенности зоны 
термического влияния на стали 40Х ............................................................. 134
4.3.6. Микротвердость и микроструктурные особенности зоны 
термического влияния на стали 60С2ХА 
...................................................... 139
4 
 

 
4.3.7. Микротвердость и микроструктурные особенности зоны 
термического влияния на стали 65Г 
.............................................................. 143
4.3.8. Общие закономерности строения конструкционных легированных 
сталей 
................................................................................................................ 148
4.4. Модели показателей качества поверхности реза  
при лазерной резке стали Ст3 ................................................................................ 152
4.4.1. Взаимосвязь толщины листа с параметрами лазерной резки 
........... 152
4.4.2. Взаимосвязь шероховатости поверхности с параметрами  
лазерной резки ................................................................................................. 157
4.4.3. Взаимосвязь протяженности зоны термического влияния  
с параметрами лазерной резки ....................................................................... 163
4.4.4. Взаимосвязь перпендикулярности поверхности реза  
с параметрами лазерной резки ....................................................................... 168
4.5. Модели показателей качества поверхности реза при лазерной резке 
легированных сталей 
............................................................................................... 172
4.5.1. Взаимосвязь шероховатости с параметрами лазерной резки, 
химическим составом объектов исследования и толщиной листа ............ 172
4.5.2. Взаимосвязь перпендикулярности и шероховатости поверхности  
реза с параметрами лазерной резки, химическим составом объектов 
исследования и толщиной листа 
.................................................................... 178
4.5.3. Взаимосвязь протяженности зоны термического влияния  
с параметрами лазерной резки, химическим составом объектов 
исследования и толщиной листа 
.................................................................... 184
4.6. Выбор оптимальных параметров лазерной резки стали Ст3  
для получения заданных показателей качества реза ........................................... 188
4.6.1. Оптимизация параметров лазерной резки для получения 
минимальных значений отдельных показателей качества реза ................. 188
4.6.2. Оптимизация параметров лазерной резки для получения  
заданных показателей качества реза методом последовательных  
уступок ............................................................................................................. 191
4.6.3. Оптимизация параметров лазерной резки  
для получения заданных показателей качества реза с помощью 
компромиссной целевой функции 
................................................................. 193
4.7. Выбор оптимальных параметров лазерной резки легированных сталей  
для получения заданных показателей качества реза ........................................... 195
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 200
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 203
ПРИЛОЖЕНИЯ ....................................................................................................... 245
 
 
5 
 

1. ʠʝʑʟʔʛʔʜʜʝʔ ʠʝʠʡʝʮʜʗʔ ʞʟʝʐʚʔʛʪ ʚʏʖʔʟʜʝʘ ʟʔʖʙʗ 
ʛʔʡʏʚʚʗʦʔʠʙʗʤ ʛʏʡʔʟʗʏʚʝʑ 
1.1. ʡˈ˓ˏˋ˚ˈ˔ˍ˃ˢ ˓ˈˊˍ˃ ˏˈ˕˃ˎˎˑ˅ 
Резка металла – это отделение частей (заготовок) от сортового, листового 
или литого металла для получения готового продукта с заданными геометрическими характеристиками. Различают механическую (при помощи ножниц, пилы, 
резцов), ударную (рубка) и термическую резку. 
Термическая резка представляет собой процесс термообработки, при котором материал подвергается термодинамическому воздействию, в процессе которого верхний слой обрабатываемого металла плавится или испаряется. Термическая резка представляет собой экзотермический процесс, при котором процесс 
горения происходит с меньшими потерями тепловой энергии. 
По форме и характеру реза может быть разделительная (разделение металла на несколько частей) и поверхностная резка (например, резка отверстий в 
детали), по шероховатости реза – заготовительная и чистовая, когда не требуется 
дальнейшая обработка фрезерованием. 
В настоящее время к основным видам термической резки металлов относят: газовую, плазменную и лазерную резку. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, ограничен по толщине и виду разрезаемого металла, способен обеспечить определенный уровень качества поверхности (табл. 1). Рассмотрим каждый из них более подробно. 
Кислородная резка. Кислородная резка, является одним из наиболее часто 
используемых методов резки в металлообрабатывающей промышленности благодаря ее низкой себестоимости и высокой точности. Сущность физико-химических процессов при кислородной резке заключается в интенсивном окислении 
металла в зоне резки с последующим удалением жидкого оксида струей кислорода. В процессе резки металл сначала нагревают до температуры воспламенения (Tвсп = 1323…1473 К) с помощью вспомогательного газа (например, ацетилен). Затем в зону резки подается, струя технически чистого кислорода, для осуществления химической реакции окисления, которая сопровождается выделением теплоты, обеспечивающего нагрев металла до температуры плавления. При 
протекании химической реакции происходит окисление разрезаемого металла, и 
поскольку реакция является непрерывной, она позволяет дальнейшему процессу 
плавления идти с меньшим потреблением тепла. Расплавленный металл удаляется высокоскоростной струей кислорода, так что в процессе резки край остается 
достаточно ровным [25]. 
Кислородная резка предназначена для получения заготовок, используемых 
при изготовлении различного вида сварных конструкций из листовых материалов, проката, труб и других изделий [22, 26]. 
Существенное влияние на развитие процессов при кислородной резке оказывают различного рода легирующие элементы в составе железоуглеродистых 
сплавов, такие как, Mn, Ni, Ti, Al, Cr и др. Наличие примесей приводит к образо6 
 

ванию в жидком расплаве тугоплавких окислов, уменьшающих его жидкотекучесть и препятствующих интенсивному теплообмену между расплавом и кислородом режущей струи [25].
Значительную роль на процесс кислородной резки оказывают технологические факторы, связанные со струей режущего кислорода (параметры струи –
давление, скорость истечения из сопла, расход газа, а также, степень чистоты самого кислорода). Так, повышение степени чистоты с 98,0 до 98,8% позволяет 
увеличить скорость резки до 35% [22].
Таблица 1
Сравнительная характеристика кислородной, плазменной и лазерной резки [19]
Параметр
Вид резки
Кислородная
Плазменная
Лазерная
металлы и их сплавы, 
Область
применения
почти любые
материалы
кроме нержавеющей 
стали, алюминия, меди, 
латуни; бетон и железобетон, цветные металлы 
(кислородно-флюсовая 
резка)
металлы и другие 
электропроводные 
материалы (плазменно-дуговая резка); 
различные неэлектропроводные материалы (резка плазменной струей)
Характерная толщина металла (мм)
до 1500–2000 и больше
до 100–150
обычно до 50–100
до 40
обычно до 6–20
Ширина реза (мм)
до 10
2–7
0,1–1
Качество
низкое
среднее
высокое
Производительность резки металла (без пакетной 
резки)
предварительный подогрев; медленная скорость с постепенным 
снижением на средних 
и больших толщинах
быстрый прожиг; 
очень высокая скорость при малых и 
средних толщинах 
обычно с резким снижением при увеличении толщины
очень высокая
скорость при малых
толщинах обычно с 
заметным снижением 
при увеличении толщины, продолжительный прожиг больших 
толщин
Зона термического 
влияния
большая
большая
средняя
Стоимость
оборудования
низкая
средняя
высокая
Стоимость
обслуживания
низкая
высокая
высокая
К преимуществам кислородной резки относят:
– низкая себестоимость оборудования и эксплуатационных материалов;
– высокое качество поверхности резания;
– мобильность процесса;
– возможность разрезания больших толщин металла;
– незначительное увеличение твердости на поверхности реза.
К недостаткам кислородной резки относят:
– малый спектр обрабатываемых материалов;
– трудности при резке высоколегированных сталей и чугунов;
7

– для получения необходимых параметров резки необходимо использование предварительной и последующей термообработки;
– большая протяженность зоны термического влияния (ЗТВ), которая при
обработке толстолистовых материалов может достигать 55 мм;
– низкая скорость резки при резке материалов, толщиной до 20 мм.
– метод не подходит для фигурной резки металла.
Плазменная резка. Первые станки для плазменной резки металла появились
где-то в 50-60 годах прошлого века. Данное оборудование было настолько громоздким и дорогостоящим, что приобреталось в основном только машиностроительными гигантами. В конце прошлого века плазменная резка металла стала более доступной и сейчас распространена повсеместно [20].
Плазменная резка металла производится за счет интенсивного расплавления металла вдоль линии реза теплом сжатой электрической дуги и последующего удаления жидкого металла высокоскоростным плазменным потоком. По 
своей сути плазма – это полностью или частично ионизированный газ, обладающий температурой 15000…20000 ႏ[20].
На сегодняшний день плазменная резка является самым действенным способом раскроя металла, имеющим ряд особенностей, делающих ее лидером в области металлообработки. Так, процесс резки металла плазмой не требует заправки газовых баллонов и их доставки, присадок для резки ценных металлов 
или особого соблюдения мер пожарной безопасности. Для плазменной резки 
необходимы только электроэнергия и воздух, а в качестве расходных материалов – сопла и электроды, поэтому данный вид является одним из самых экономичных способов [20].
Недостатком метода является тот факт, что края готовых деталей для получения размеров прецизионной точности нуждаются в последующей дополнительной обработке. При резке титана формируется альфа-слой глубиной до 
1,5 см, что значительно затрудняет последующую дополнительную обработку 
титана. При резке цветных металлов край реза незначительно оплавляется. При 
плазменной резке существует небольшой наклон края реза в пределах 3…5°. При 
плазменной резке на деталях может присутствовать незначительное прокаливание края реза металла на глубину 0,5…1,5 мм, на нержавеющей стали это выглядит как потемнение, которое легко удаляется шлифованием. При плазменной 
резке металла средней и большой толщины возникает технологическая риска на 
крае реза в виде плавной волны, это место подхода и выхода плазменного луча, 
специфика плазменной резки не позволяет исключить данный эффект [20].
Лазерная резка. Весьма передовой метод резки металла, принцип которого 
заключается в интенсивном воздействии на лист металла лазерным лучом. Высокая концентрация энергии в лазерном луче приводит к тому, что на поверхности металлического листа появляется отверстие, часть металла испаряется, 
а часть расплавленного металла выдувается потоком смеси газов высокого давления. Преимуществ у этого метода масса: самая маленькая ширина реза, которая может достигать всего 0,1 мм, высокая производительность, прекрасное качество поверхности, отсутствие динамических или статических напряжений, 
воздействующих на металл, благодаря четко направленному световому потоку 
8

лазера в зону резания. Полученные края металлоизделий ровные, без заусенцев, 
однако на срезе может быть виден след от воздействия высоких температур. Если 
изготавливается «ответственная» деталь, то без дополнительной механообработки не обойтись [20].
Лазерный луч позволяет разрезать металлы толщиной до 15…20 мм, хотя 
наибольший эффект достигается при толщине 6 мм. Существенным недостатком 
лазерной резки является низкий КПД самого лазера (всего 15%), что не позволяет 
обрабатывать листы толще 12 мм. К тому же не все металлы можно резать лазером: алюминий, титан и высоколегированные стали обладают сильными отражательными свойствами, и мощности лазера попросту может не хватить для всей 
толщины металла [20].
1.2. ʚ˃ˊˈ˓ː˃ˢ ˑ˄˓˃˄ˑ˕ˍ˃ ˏˈ˕˃ˎˎˑ˅: ˑ˔ːˑ˅ː˞ˈ ˒ˑːˢ˕ˋˢ 
ˋ ˍˎ˃˔˔ˋ˗ˋˍ˃˙ˋˢ 
Лазерная обработка основана на применении мощного светового потока, 
вызывающего плавление или испарение обрабатываемого материала. Лазерное 
излучение фокусируется в определенный участок обрабатываемой детали. Размерная обработка материалов осуществляется обычно при плотности потока не 
менее 107…108 Вт/см2.
Источником светового излучения является лазер – оптический квантовый 
генератор. Работа лазера основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения. Атом вещества, имея определенный запас энергии, 
находится в устойчивом энергетическом состоянии и располагается на определенном энергетическом уровне. Для того, чтобы атом вывести из этого состояния, его необходимо возбудить. Возбуждение (накачка) активного вещества (активной среды) осуществляется световой импульсной лампой. Длительность светового импульса (вспышки) около 0,01 сек [1].
Световой импульс облучает активную среду. Возбужденный при этом атом 
излучает сразу два фотона. Фотоны возбуждают атомы активной среды, т.е. переводят электроны на более высокий энергетический уровень. При взаимодействии фотонов с возбужденными атомами возникают лавинообразные потоки 
фотонов в различных направлениях. Наличие торцевых строго параллельных 
зеркальных поверхностей приводит к тому, что спустя примерно 0,5 мс при многократном отражении от зеркал более половины атомов переходят в возбужденное состояние. Вследствие этого система становится неустойчивой, в активной 
среде индуцируется световой поток.
Накопленная в активной среде энергия одновременно высвобождается, 
а выходящий поток фотонов достигает значительной интенсивности. Световой 
поток, испускаемый активной средой, фокусируется оптической системой 
и направляется на обрабатываемый материал.
Основными элементами лазера являются активная среда (активный элемент), устройство для накачки активной среды, зеркала оптического резонатора, 
элемент вывода энергии из резонатора, а также фокусирующая оптическая система, система управления и др. В основном разнообразие лазеров объясняется 
применением в них разных видов активных сред (диэлектрические кристаллы, 
9

 
специальные стекла, полупроводники, газовые смеси и др.), разных способов 
накачки и режимов работы [1]. 
Энергия светового импульса обычно невелика и составляет от 20  
до 100 Дж. Выделяется эта энергия в миллиардные доли секунды и сосредотачивается в луче диаметром около 0,01 мм. Сфокусированное лазерное излуче- 
ние, попадая на непрозрачные материалы (металлы и их сплавы), вызывает их локальный нагрев до 6000…8000 ႏ, плавление или интенсивное испарение. 
Для осуществления размерной обработки наиболее часто используют импульсы  
с длительностью 0,5…1,5 мсек. 
Процессы, в которых плотность потока импульса лазерного излучения такова, что за время его действия вещество существенно не плавится, относятся к 
лазерной термообработке. 
Лазерная обработка материалов имеет ряд существенных преимуществ, 
перед другими термическими видами обработки материалов [14]: 
1. Высокая концентрация подводимой энергии и локальность позволяют производить обработку только поверхности участка материала без нагрева остального объема и нарушения структуры и свойств, что приводит к минимальному короблению деталей. Кроме того, высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого 
объема материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия. 
2. Возможность регулирования параметров лазерной обработки в широком интервале режимов позволяет разработать обширный ряд методов поверхностной обработки, регулировать структуру поверхностного слоя. 
3.  Отсутствие механических усилий на обрабатываемый образец дает 
возможность обрабатывать хрупкие и ажурные конструкции. 
4. Возможность обработки на воздухе, легкость автоматизации процессов, 
отсутствие вредных отходов при обработке определяет высокую технологичность лазерного луча. 
5. Возможность транспортировать излучение на значительные расстояния 
и подвод его с помощью специальных оптических систем в труднодоступные 
места позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы 
применить невозможно. 
Кроме того, лазерную обработку характеризуют высокая производительность процессов; экологическая чистота технологии; быстрая окупаемость капитальных затрат на оборудование (0,5-1 год). 
К недостаткам этой технологии следует отнести возможность обработки 
материалов на ограниченной глубине, а также сравнительно низкий коэффициент полезного действия лазеров и достаточно высокую стоимость лазерных 
установок и комплексов. 
На режимах, не вызывающих разрушения материала, реализуются различные процессы лазерной обработки. В основе этих процессов лежат необычные структурные и фазовые изменения в материале, возникающие вследствие 
сверхвысоких скоростей его нагрева и последующего охлаждения в условиях 
лазерного облучения. Важную роль при этом играют возможность насыщения 
10