Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie
i inne procesy
przygotowania brzegów
1.13
opracował:
dr inż. Tomasz Pfeifer
Nowelizacja materiału: 01. 2012 r.
Wprowadzenie
Metody cięcia są w przemyśle stosowane przede wszystkim do wycinania
różnego rodzaju elementów z arkuszy blach, zarówno „na gotowo”, jak
i przeznaczonych do dalszej obróbki skrawaniem. Geometria wycinanych elementów
jest najczęściej złożona. Zakres zastosowań metod cięcia obejmuje również
przygotowanie brzegów elementów przed spawaniem (ukosowanie), wykonywane w
celu uzyskania odpowiedniej geometrii rowka spawalniczego (PN-EN ISO 9692,
części 1, 2 i 3). Niektóre metody cięcia mogą być zastosowane również do bardzo
szybkiego i wydajnego wycinania otworów w blachach, rurach lub kształtownikach
zamkniętych. Poniżej dokonano przeglądu stosowanych metod i technologii cięcia
oraz omówiono szczegółowo te metody, które są najczęściej stosowane.
Przegląd procesów przygotowania brzegów
Proces cięcia jest to rozdzielenie materiału na całej grubości według
określonej linii podziału, zwykle prostopadle do powierzchni ciętego elementu.
Odmianami procesu cięcia są: ukosowanie, żłobienie oraz otworowanie. Do
rozdzielenia materiału znajduje zastosowanie wiele metod. Metody cięcia można
podzielić ze względu na energię, powodującą rozdzielenie materiału (pochodzenie
ciepła) na następujące grupy:
tlenowe (tlenowo – gazowe, tlenowo – proszkowe, lanca tlenowa, tlenowo –
łukowe),
łukowe (łukowo powietrzne, plazmowe, elektroda otulona),
laserowe (lasery molekularne CO
2
, lasery na ciele stałym YAG),
strumieniem wody,
mechaniczne (gilotyny, piły taśmowe i ramowe, obróbka skrawaniem).
W grupie metod tlenowych do rozdzielenia materiału wykorzystywana jest
egzotermiczna reakcja utleniania ciętego materiału bądź materiału dodatkowego
(cięcie tlenowo – proszkowe, cięcie lancą tlenową). W metodach łukowych materiał
jest topiony ciepłem łuku elektrycznego i usuwany siłą jego dynamicznego
oddziaływania,
bądź
dzięki
energii
kinetycznej
zastosowanego
gazu
wspomagającego. W przypadku cięcia laserowego źródłem ciepła jest wiązka
monochromatycznego promieniowania laserowego o długości fali 10,6 m (lasery
gazowe) lub 1,06 m (lasery YAG), która powoduje miejscowe topienie a nawet
odparowanie
materiału.
Cięcie
strumieniem
wody
wykorzystuje
energię
oddziaływania wody (często z dodatkiem proszku ściernego) pod wysokim
ciśnieniem na powierzchnię ciętego elementu, co powoduje mikroskrawanie
i utworzenie szczeliny cięcia. Metody mechaniczne wykorzystują narzędzia
i urządzenia, takie jak: piła, nożyca mechaniczna (gilotyna), nóż tokarski, frez itp.
Można więc powiedzieć, że następuje w urządzeniu zamiana energii elektrycznej na
energię kinetyczną narzędzia, które powoduje rozdzielenie materiału.
W praktyce przemysłowej dominują trzy podstawowe metody cięcia: cięcie
tlenowo – płomieniowe, cięcie plazmowe i cięcie laserowe. Zakres zastosowania tych
metod jest różny, różne są też takie ich cechy jak: maksymalna grubość, jakość
cięcia, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Wybierając produkcyjną metodę cięcia
należy zwrócić uwagę na następujące czynniki:
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
1.13
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
AW 1
rodzaj i grubość ciętego materiału, długość i kształt linii cięcia,
wymagana jakość ciętych krawędzi,
wielkość odkształcenia i szerokość SWC,
możliwości produkcyjne procesu,
koszty eksploatacyjne procesu, a w przypadku uruchomienia nowej produkcji
również koszty inwestycyjne.
Jak wcześniej wspomniano niektóre metody cięcia mogą zostać zastosowane
również do ukosowania, aby uzyskać odpowiednią geometrię rowka. W tym celu
najczęściej stosuje się cięcie tlenowo – gazowe, cięcie plazmowe oraz obróbkę
mechaniczną (frezowanie, szlifowanie).
Poniżej omówiono szczegółowo najpopularniejsze metody cięcia oraz podano
krótką charakterystykę wszystkich wcześniej wymienionych metod.
Cięcie tlenowo - gazowe
Zasada procesu
Cięcie tlenem polega na doprowadzeniu metalu na osnowie żelaza
w obszarze cięcia do temperatury zapłonu (1050 C dla czystego żelaza, 1250 C dla
stali niestopowej i ok. 1380 C przy zawartości 1,6% węgla w stali), powyżej której
następują reakcje egzotermiczne łączenia się tlenu z żelazem. Strumień tlenu z dużą
prędkością utlenia i nadtapia cięty metal na całej jego grubości, usuwając przy tym
ze szczeliny cięcia, dzięki swojej energii kinetycznej, produkty reakcji spalania (tlenki)
i ciekły metal. Przesuwanie palnika tlenowego wzdłuż określonej linii cięcia
z odpowiednią prędkością pozwala na zapewnienie ciągłości całego procesu
i uzyskania rozdzielenia materiału. Podgrzewanie obszaru cięcia do temperatury
zapłonu odbywa się za pomocą płomienia podgrzewającego, który powstaje ze
spalenia w tlenie gazu palnego, takiego jak: acetylen, propan, propan-butan,
propadien metyloacetylenu.
Płomień podgrzewający ma za zadanie:
zapewnić odpowiednio wysoką temperaturę, powyżej temperatury zapłonu
ciętego metalu,
doprowadzić dodatkową energię cieplną w celu podtrzymania procesu cięcia,
zapewnić powłokę ochronną strumienia tlenu przed dostępem powietrza,
usunąć zanieczyszczenia z ciętej powierzchni rdza, zgorzelina, farba i odsłonić
czystą, metaliczną powierzchnię, co jest niezbędne dla sprawnego przebiegu
procesu cięcia.
Podstawową reakcją chemiczną, zachodzącą w procesie cięcia tlenowego jest
następująca reakcja:
3Fe + 2O
2
= Fe
3
O
4
+ 1120 kJ
Wydzielające się ciepło reakcji spalania powoduje nagrzewanie przylegających
warstw metalu, co umożliwia kontynuowanie spalania i ciągłość procesu cięcia.
Wytworzone ciepło stapia powstałe tlenki żelaza, a także część materiału
podstawowego. Mieszanina ciekłych tlenków i stopionego materiału podstawowego
jest wydmuchiwana przez strumień tlenu tworząc żużel. Zależnie od warunków cięcia
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
1.13
AW 2
ilość nieutlenionego metalu w żużlu wynosi od 5% do 20%. Stechiometrycznie 1 kg
żelaza jest utleniany przez ok. 0,3 m
3
tlenu. W warunkach rzeczywistych do grubości
około 40 mm zużycie tlenu jest większe od teoretycznego, natomiast dla większych
grubości jest mniejsze, gdyż tylko część żelaza ulega utlenieniu na Fe
3
O
4
.
Aby proces cięcia tlenowego był możliwy do przeprowadzenia, muszą być
spełnione następujące warunki:
temperatura zapłonu metalu w tlenie powinna być niższa niż temperatura
topnienia tego metalu,
temperatura topnienia stałych produktów spalania (tlenków) powstających
w czasie cięcia powinna być niższa niż temperatura zapłonu metalu, a po
stopieniu powinny one mieć charakter rzadkopłynnego żużla, łatwego do
wydmuchania ze szczeliny cięcia,
ilość lotnych produktów reakcji spalania składników stopowych i zanieczyszczeń
materiału ciętego powinna być na tyle mała, aby nie spowodowała pogorszenia
czystości tlenu tnącego,
ilość ciepła wytworzona w płomieniu oraz ze spalania materiału powinna
utrzymywać temperaturę w szczelinie powyżej temperatury zapłonu.
Warunki te spełniają jedynie: czyste żelazo oraz stale niestopowe i niskostopowe.
Żeliwa, stale stopowe oraz metale nieżelazne i ich stopy nie spełniają tych warunków
i nie mogą być cięte tlenem. Najczęściej przyczyną jest powstawanie trudnotopliwych
tlenków, tworzących cienką warstwę przylegającą do materiału podstawowego, co
uniemożliwia dostęp tlenu w te miejsca i powoduje przerwanie procesu cięcia.
Wpływ czynników na przebieg procesu cięcia
Na możliwość przeprowadzenia cięcia tlenowego i na przebieg procesu wpływ
ma szereg czynników. Najważniejszy jest skład chemiczny materiału podstawowego,
a oprócz niego również czystość tlenu tnącego, stan powierzchni ciętego materiału,
zastosowany gaz palny płomienia podgrzewającego oraz temperatura przecinanego
materiału.
Rodzaj i ilość składników stopowych w ciętej stali ma decydujący wpływ na
przebieg i możliwości procesu cięcia tlenowego oraz na zjawiska występujące
w szczelinie cięcia i w warstwie materiału przylegającej do niej. Podstawowe
składniki stopowe, takie jak: węgiel, chrom, aluminium, krzem, wolfram, obecna
w stali nawet w niewielkich ilościach (np.: 0,45% C; 0,5% Al; 2% Cr; 0,5% Si) mogą
powodować problemy w trakcie cięcia. Najpoważniejszym zagrożeniem jest
obecność przemian fazowych i tworzenie kruchych struktur (np. martenzyt), co w
połączeniu z dużymi naprężeniami prowadzi do powstawania pęknięć. Większe
zawartości tych pierwiastków (np.: 4% Cr; 4% Si; 1,6% C) mogą wręcz uniemożliwiać
cięcie, gdyż najczęściej następuje wtedy tworzenie wysokotopliwych tlenków lub
temperatura zapłonu przekracza temperaturę topnienia. Możliwość cięcia określa się
na podstawie równoważnika węgla C
e
, który pozwala również na dobranie
odpowiedniej temperatury podgrzania wstępnego elementu przed cięciem, co
umożliwia wyeliminowanie podhartowania i pękania w SWC. Spośród wielu formuł
wyznaczania równoważnika węgla, w przypadku cięcia tlenowego najczęściej
stosowana jest następująca:
C
e
= C + 0,155(Cr+Mo) + 0,14 (Mn+V) + 0,11 Si+ 0,045 (Ni+Cu)
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
1.13
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
AW 3
Dla tak wyznaczonego równoważnika węgla temperaturę podgrzania wstępnego
obliczyć można z następujących zależności:
- dla grubości do 100 mm:
t
p
= 500 (C
e
– 0,45)
0,5
- dla grubości pow. 100 mm:
t
p
= 500 [(C
e
(1 + 0,0002g) – 0,45]
0,5
gdzie:
t
p
– temperatura podgrzania wstępnego, C
C
e
– równoważnik węgla,
g – grubość ciętego materiału, mm.
Stygnięcie elementów po cięciu może odbywać się w powietrzu, jeśli jednak
temperatura podgrzania przekracza 300 C, stygnięcie powinno być prowadzone
w piecu.
Czystość tlenu ma decydujący wpływ na prędkość cięcia i jakość, dlatego
należy stosować tlen o czystości co najmniej 99,5% (PN-C-84910). Spadek czystości
tlenu o 1 % powoduje zmniejszenie prędkości cięcia o około 25 %, zwiększenie
zużycia tlenu również o około 25 %, pogorszenie jakości cięcia (wżery), a przez to
zwiększenie kosztów cięcia.
Jeśli powierzchnia blachy jest pokryta rdzą lub farbą, rozpoczęcie cięcia jest
utrudnione (konieczność usunięcia zanieczyszczeń przez płomień podgrzewający
i odsłonięcia czystej, metalicznej powierzchni), prędkość cięcia i wydajność procesu
zmniejszają się, wzrasta natomiast zużycie gazów. W przypadku farby dodatkowym
czynnikiem niekorzystnym są gazy wydzielające się podczas jej spalania, co
prowadzi do zmniejszenia czystości strumienia tlenu i pogorszenia jakości cięcia.
Ręczne prowadzenie palnika uniemożliwia cięcie jakościowe, stosowane jest
wyłączenie do elementów, których jakość po cięciu nie podlega ocenie
(nierównomierności posuwu, głębokie rowki). Jeśli elementy wycięte powinny zostać
zaklasyfikowane ze względu na jakość, zaleca się cięcie zmechanizowane.
Gazy palne
Rodzaj zastosowanego gazu palnego wpływa na jakość cięcia, a także na
wydajność i efektywność ekonomiczną procesu. Najistotniejsze cechy dla procesu
cięcia to:
temperatura płomienia i jej rozkład wzdłuż kity,
stosunek ilości tlenu do ilości gazu palnego doprowadzanych do palnika,
wartość opałowa gazu palnego.
Najczęściej stosowanymi gazami palnymi są: acetylen (PN-C-84905), propan-butan,
gaz ziemny oraz różnorodne mieszaniny metylo – acetyleno – propadienowe,
propylenowe i inne, charakteryzujące się pośrednimi właściwościami pomiędzy
acetylenem, propanem, a gazem ziemnym (PN-C-96008).
Najczęściej stosowanym gazem palnym płomienia podgrzewającego jest
acetylen. Charakteryzuje się najwyższą temperaturą i koncentracją płomienia, co
znacznie skraca czas podgrzewania przed rozpoczęciem cięcia, szczególnie stali
o zanieczyszczonej powierzchni. Duża koncentracja płomienia może powodować
jednakże nadtopienie górnej krawędzi cięcia i wrażliwość na właściwy odstęp palnika
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
1.13
AW 4
od powierzchni materiału. Niekorzystny jest także spadek temperatury kity płomienia,
co utrudnia równomierne nagrzanie materiału w szczelinie cięcia i prowadzi do
pogorszenia jakości cięcia blach o grubości pow. 50 mm. Inne gazy palne
charakteryzują się znacznie mniejszą prędkością spalania, a proces ten częściowo
zachodzi w szczelinie cięcia, co wpływa korzystnie na jakość. Cechą niekorzystną
stosowania tych gazów (propan, gaz ziemny) jest prawie 4 krotne wydłużenie czasu
podgrzewania, zwłaszcza przy rozpoczynaniu cięcia w pełnym materiale. Prędkość
cięcia jest praktycznie taka sama, a ewentualne różnice mają inne źródło
(konstrukcja palników i dysz, dobór parametrów itp.).
Technologia i technika cięcia
Cięcie tlenem stosowane jest do cięcia elementów stalowych o grubości od
około 2 mm do około 2000 mm. Proces cięcia może być prowadzony w sposób
ręczny lub zmechanizowany. Cięcie palnikami ręcznymi, dzięki prostocie i łatwości
obsługi palników, jest stosowane powszechnie w pracach warsztatowych,
remontowych, na montażu oraz w przypadku wycinania elementów przewidzianych
do dalszej obróbki skrawaniem. Cięcie zmechanizowane stosowane jest do
wycinania elementów z dobrą jakością i z dużą dokładnością (nawet rzędu 0,50,8
mm).
Rozpoczynanie cięcia zaleca się przeprowadzać od krawędzi elementu.
Rozpoczynanie odbywać się może kilkoma technikami. Najpowszechniej stosowane
jest ustawienie płomienia podgrzewającego w połowie średnicy dyszy nad krawędzią
blachy i utrzymywanie końca stożka płomienia 1,5 do 3 mm nad powierzchnią
blachy. Oś palnika musi porywać się z krawędzią blachy. Gdy górna krawędź blachy
osiągnie temperaturę zapłonu (barwa żółto-czerwona), otwiera się zawór tlenu
tnącego i rozpoczyna się proces cięcia. Innym sposobem jest utrzymywanie palnika z
załączonym przepływem tlenu tnącego w połowie średnicy dyszy nad krawędzią
blachy, jednakże tak, aby strumień tlenu nie miał kontaktu z blachą. Po osiągnięciu
temperatury zapłonu palnik przesuwany jest nad ciętą blachę i rozpoczyna się proces
cięcia. Ten sposób rozpoczynania cięcia charakteryzuje większe zużycie tlenu.
Zalecany jest on do cięcia blach o małej grubości, gdy wymagane są krótkie czasy
podgrzewania. Trzeci sposób rozpoczynania cięcia polega na ustawieniu palnika
ponad ciętym materiałem i utrzymywaniu płomienia podgrzewającego aż do
osiągnięcia temperatury zapłonu. Palnik przesuwa się wtedy w kierunku krawędzi
blachy, załącza się przepływ tlenu tnącego i rozpoczynany jest proces cięcia.
Często zachodzi również konieczność rozpoczynania cięcia znad powierzchni
materiału (przebijanie),szczególnie w przypadku wycinania otworów wewnętrznych w
ciętych elementach. W przypadku przebijania ręcznego najpierw lokalnie
doprowadza się materiał do temperatury zapłonu, stosując płomień lekko utleniający,
o większej intensywności niż przy rozpoczynaniu cięcia od krawędzi elementów. Po
osiągnięciu temperatury zapłonu i załączeniu przepływu tlenu tnącego należy szybko
odchylić i unieść nieco końcówkę palnika, aby uniknąć wydmuchania żużla w
kierunku końcówki. Po rozpoczęciu spalania palnik należy ponownie ustawić
prostopadle i trzymać tak, aż nastąpi przepalenie blachy na wskroś. Następnie
można rozpocząć przesuwanie palnika wzdłuż linii cięcia. W przypadku cięcia
zmechanizowanego (a w szczególności zautomatyzowanego) przebijanie uzyskuje
się następująco:
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
1.13
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
AW 5
przebijanie z podnoszeniem palnika (metoda PPP) - po osiągnięciu temperatury
zapłonu i załączeniu przepływu tlenu tnącego, włącza się posuw maszyny
i podnosi się palnik na około 45 cm, a następnie stopniowo opuszcza aż do
uzyskania przepalenia na wskroś i osiągnięcia technologicznej odległości cięcia,
przebijanie z regulacją ciśnienia tlenu tnącego (metoda PRC) - po osiągnięciu
temperatury zapłonu włącza się posuw maszyny z prędkością ok. 15 cm/min.
oraz narastający od 0 przepływ tlenu tnącego, którego ciśnienie wzrasta
w sposób zbliżony do funkcji wykładniczej aż do wartości nominalnej.
Podstawowe parametry cięcia tlenowego to: ciśnienie tlenu tnącego, ciśnienie
gazu palnego i tlenu płomienia podgrzewającego, średnica i kształt dyszy tlenowej
oraz prędkość cięcia.
Prędkość cięcia dobierana jest tak, aby strumień tlenu przechodził prostopadle
przez całą grubość elementu, wzdłuż osi dyszy tlenowej. Ze wzrostem prędkości
cięcia maleje ilość tlenu w dolnych obszarach szczeliny cięcia. Podobne zjawisko
zachodzi, gdy przy stałej prędkości cięcia zmniejsza się ciśnienie tlenu tnącego.
W tej sytuacji maleje prędkość reakcji spalania w tym obszarze i mniejsza jest
energia kinetyczna strumienia tlenu, niezbędna do usunięcia produktów reakcji
spalania. W efekcie zmienia się geometria przedniej krawędzi cięcia z linii prostej
w linię zakrzywioną w kierunku przeciwnym do kierunku cięcia. Zakrzywienie
przedniej linii cięcia zmniejsza jakość cięcia (zwiększona ilość żużla, większa
odchyłka prostopadłości), a w skrajnym przypadku prowadzi do braku przecięcia.
Gdy zachodzi sytuacja odwrotna, czyli natężenie przepływu tlenu jest bardzo duże
lub prędkość cięcia jest zbyt mała, krawędź cięcia może zakrzywić się w kierunku
cięcia, pojawia się przy tym nieregularność ciętej powierzchni. Strumień tlenu
nierównomiernie utlenia wtedy powierzchnię krawędzi ciętych i nierównomiernie
usuwa warstewkę ciekłego metalu.
Zbyt intensywny płomień podgrzewający powoduje nadtopienie górnej części
szczeliny, zwiększając jej szerokość i powodując zaokrąglenie górnej krawędzi
cięcia. Zbyt małe ciśnienie gazu palnego i tlenu płomienia podgrzewającego (zbyt
mała intensywność płomienia) powoduje znaczne wydłużenie czasu podgrzewania
oraz spadek wydajności cięcia. Wszystkie parametry cięcia należy dobrać zgodnie
z dokumentacją techniczno – ruchową posiadanego urządzenia.
Podczas procesu zachodzą zmiany składu chemicznego i zmiany strukturalne w
warstwie materiału przyległej do powierzchni cięcia, a zjawiska cieplne nierozłącznie
związane z procesem cięcia są przyczyną odkształceń wycinanych elementów. Zmiany
składu chemicznego występują w warstwie o grubości do 1 mm i polegają głównie na
zwiększeniu zawartości węgla i niklu oraz na zmniejszeniu zawartości chromu, krzemu
i manganu. Zmiany strukturalne mogą zachodzić znacznie głębiej i polegają głównie na
przegrzaniu materiału lub utworzeniu kruchej struktury (bainit, martenzyt). Strefę tych
zmian można ograniczyć poprzez zastosowanie podgrzewania wstępnego przed
cięciem
lub
poprzez
zastosowanie
dodatkowego
palnika
podgrzewającego,
poruszającego się wzdłuż linii cięcia. Jeśli zmiany są nieuniknione i jednocześnie
nieakceptowane, należy założyć odpowiednie naddatki i usunąć strefę zmian za pomocą
obróbki skrawaniem. Odkształcenia cieplne występują zwykle w trakcie cięcia blach
cienkich, w przypadku wycinania elementów o małej sztywności, stosowania dysz
o zawyżonej mocy cieplnej, przypadkowej kolejności spawania i źle dobranego kierunku
posuwu, a także w przypadku zbyt małej prędkości cięcia. Zjawisko odkształceń można
ograniczyć lub wyeliminować stosując m.in.:
taki kierunek cięcia, aby wycinany detal był jak najdłużej związany z arkuszem,
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
1.13
AW 6
dwa lub więcej palników jednocześnie, aby wycinany pas był nagrzewany
równomierni wzdłuż obydwu boków,
natrysk wody współcentrycznie z palnikiem (jeśli zawartość węgla nie przekracza
0,25 % a grubość jest mniejsza niż 15 mm.
Urządzenia do cięcia tlenem
Podstawowym elementem urządzenia do cięcia jest palnik. Zadaniem palnika
jest utworzenie płomienia podgrzewającego przez zmieszanie tlenu i gazu palnego
w odpowiedniej proporcji oraz doprowadzenie do obszaru cięcia koncentrycznego
strumienia tlenu tnącego. Stosowane są dwie konstrukcje palników: z inżektorowym
mieszaniem gazu palnego z tlenem w korpusie palnika i z mieszaniem w dyszy.
Istnieje wiele rozwiązań konstrukcji palników i kanałów wylotowych płomienia
podgrzewającego, których zadaniem jest najefektywniejsze podgrzewanie i ochrona
strumienia tlenu przed dostępem powietrza. Do cięcia ręcznego można używać
uniwersalnych
spawalniczych
palników
smoczkowych
(inżektorowych),
wyposażonych w odpowiednią nasadkę do cięcia oraz dodatkowy przewód tlenu
tnącego. Do cięcia zmechanizowanego (zautomatyzowanego) używa się tylko
palników przeznaczonych do tego celu. Wylot każdego palnika do cięcia tworzą
dysza tnąca i dysza podgrzewająca. W zależności od sposobu wykonania, dysze
dzielą się na: dysze dwudzielne (stanowią dwa odrębne elementy, stosowane
najczęściej do cięcia ręcznego) oraz dysze blokowe (wykonane z jednego kawałka
metalu, stosowane do cięcia zmechanizowanego, całkowicie odporne na cofnięcie
się płomienia). Ze względu na sposób wykonania kanałów mieszanki gazu palnego z
tlenem dysze można podzielić na pierścieniowe i otworkowe. Dysze otworkowe są
korzystniejsze gdyż zapewniają samocentrowanie się strumienia tlenu tnącego
i płomienia podgrzewającego.
Kształt dyszy tnącej jest szczególnie ważny przy cięciu zmechanizowanym.
Stosowane są obecnie dwa rodzaje dysz: standardowe cylindryczne i stożkowe,
zapewniające duże prędkości wylotowe tlenu tnącego (powyżej prędkości dźwięku).
Dysze te są wykonane głównie jako dysze blokowe. Zastosowanie dysz stożkowych
(dysze Lavala) zapewnia zwiększenie ciśnienia strumienia tlenu do ok. 1 MPa, co
umożliwia zwiększenie prędkości cięcia o około 20 do 30 % oraz polepszenie jakości
cięcia. Inną drogą zwiększenia jakości jest zastosowanie dysz zapewniających
dodatkową osłonę tlenową strumienia tlenu. Uzyskana powierzchnia cięcia
charakteryzuje się dużą gładkością i bardzo dobrą jakością.
Bezpieczeństwo przy cięciu tlenowym
Z procesem cięcia tlenowego są związane następujące zagrożenia:
wydzielenia szkodliwych substancji - pyły, dymy,
promieniowanie podczerwone o długości fali 0,8÷2 m (płomień gazowy),
zagrożenie pożarowe pochodzące od rozprysków żużla i ciekłego metalu,
niebezpieczeństwa wynikające z własności tlenu:
- intensywne podtrzymywanie palenia,
- możliwość powodowania samozapłonu związków organicznych,
- samorzutne, wybuchowe łączenie się z tłuszczami.
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
1.13
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
AW 7
Aby zapewnić bezpieczne warunki pracy na stanowisku do cięcia tlenowego należy:
stosować wentylację stanowiskową i ogólną,
wymagać stosowania przez obsługę okularów spawalniczych ze szkłami
o określonym składzie chemicznym,
wymagać stosowania przez obsługę środków ochrony osobistej - ubranie
ochronne, rękawice,
przestrzegać przepisów bezpieczeństwa przy pracach z tlenem.
Żłobienie tlenowe
Żłobienie tlenem stosowane jest do wypalania wad z powierzchni wlewków,
bloków stalowych i innych półwyrobów hutniczych, do usunięcia grani spoiny lub do
usunięcia niezgodności spawalniczych. Proces polega na wypaleniu materiału
w strumieniu tlenu i przy współdziałaniu płomienia podgrzewającego. Żłobienie jest
podobne do procesu cięcia tlenem, nie powoduje jednakże przecinania materiału
lecz jego obróbkę powierzchniową. Żłobienie przeprowadza się za pomocą
odpowiednich palników. Podgrzewanie do temperatury zapłonu prowadzi się przy
prostopadłym ustawieniu palnika przy wyłączonym tlenie żłobiącym, a po osiągnięciu
temperatury zapłonu palnik ustawia się pod kątem 1540 do obrabianej powierzchni
a następnie żłobi się rowek. Ponieważ zasada procesu jest taka sama jak zasada
cięcia, materiały przydatne do żłobienia są takie same jak do cięcia: stale
niestopowe, niskostopowe i żelazo.
Cięcie tlenowo - proszkowe
Cięcie tlenowo – proszkowe ma zastosowanie do przecinania metali i stopów,
których nie da się ciąć tradycyjną metodą tlenową. Cięcie to wykonuje się za pomocą
specjalnego urządzenia, dostarczającego w sposób ciągły proszek żelazny do
palnika tlenowego. Metoda polega na równoczesnym wypalaniu i wytapianiu
szczeliny w materiale. W szczelinie spala się również proszek żelaza, wytwarzając
dodatkową ilość ciepła, która umożliwia dalsze cięcie. Parametry cięcia zleżą od
rodzaju i grubości ciętego materiału. Metoda znajduje zastosowanie do cięcia żeliwa,
stali wysokostopowych oraz metali nieżelaznych o grubości do około 250 mm
(w przypadku miedzi grubość maksymalna jest ograniczona do około 25-30 mm).
Do zalet tej metody cięcia należy możliwość przecinania metali, których nie można
ciąć tradycyjną metodą tlenowo – gazową oraz stosunkowo proste oprzyrządowanie.
Jako cechy niekorzystne należy wymienić duże ilości wydzielających się w czasie
cięcia dymów i pyłów, co powoduje konieczność stosowania układów wentylacyjnych
o bardzo dużej wydajności (min. 2000 m
3
/godz.). Ponadto uzyskana jakość cięcia
jest niezadowalająca, wymuszająca konieczność stosowania obróbki skrawaniem
(w
przypadku
wycinania
elementów
z
arkuszy).
Niebezpieczeństwo
zanieczyszczenia stali wysokostopowych wtrąceniami proszku ze stali niestopowej,
konieczność przewidywania stosunkowo dużych naddatków na obróbkę również
należy do cech niekorzystnych związanych z tą metodą cięcia.
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
1.13
AW 8
Cięcie tlenowo – łukowe
Proces cięcia łukowo-tlenowego został opracowany dla cięcia, żłobienia
i przebijania konstrukcji metalowych pod wodą. W metodzie tej wykorzystuje się ciepło
łuku elektrycznego, jarzącego się między rurkową elektrodą otuloną, przez którą
podawany jest pod odpowiednim ciśnieniem tlen, a ciętym materiałem. Szczelina
cięcia tworzona jest przez stapianie metalu ciepłem łuku oraz spalanie tlenem, którego
strumień usuwa żużel i ciekły metal, podobnie do cięcia tlenem. W przypadku cięcia stali
niskowęglowych i niskostopowych podstawowym mechanizmem cięcia jest spalanie
egzotermiczne żelaza w szczelinie cięcia. Ciepło reakcji egzotermicznej spalania w
wystarczającym stopniu podtrzymuje obszar cięcia w temperaturze powyżej
temperatury spalania. Łuk spawalniczy zwiększa energię cieplną cięcia i prędkość
cięcia. W przypadku cięcia metali i stopów nieżelaznych oraz stali wysokostopowych,
a szczególnie stali odpornych na korozję, cięcie odbywa się głównie na zasadzie
stapiania, a spalanie jest bardzo ograniczone.
Otulina elektrody rurkowej zapewnia w obszarze cięcia składniki topnika,
których zadaniem jest stabilizacja jarzenia się łuku, zwiększenie rzadkopłynności
żaroodpornych tlenków stopowych i łatwiejsze ich usunięcie ze szczeliny cięcia.
Elektrody rurkowe do cięcia w powietrzu pokryte są otuliną rutylową i mają
średnicę zewnętrzną 5 - 8 mm, wewnętrzną 1,6 mm i długość 450 mm. Elektrody do
cięcia pod wodą mają takie samy wymiary, jedynie otulina musi być wodoodporna.
Cięcie prowadzone jest ręcznie prądem stałym z biegunowością ujemną, a uchwyt musi
mieć specjalną konstrukcję, umożliwiającą doprowadzenie prądu elektrycznego i tlenu
do elektrody rurkowej. Uchwyty do cięcia w powietrzu i pod wodą muszą być bardzo
dobrze zaizolowane i mieć zabezpieczenie przed powrotem płomienia. W czasie
łukowo-tlenowego cięcia, żłobienia i przebijania metali, otulina elektrody musi być
utrzymywana w styku z powierzchnią materiału. Zapewnia to stałą długość łuku i izoluje
rdzeń rurkowy przed zwarciem z ciętym przedmiotem.
Zajarzanie łuku odbywa się podobnie jak w przypadku spawania łukowego
elektrodą otuloną. Po zajarzeniu łuku załączany jest przepływ tlenu i natychmiast
rozpoczyna się proces cięcia, żłobienia lub przebijania. Cięcie łukowo-tlenowe
w powietrzu umożliwia cięcie blach stalowych o grubości do 75 mm i metali nieżelaznych
do ok. 120 mm, a elektroda pochylona musi być pod niewielkim kątem do przedmiotu
i przesuwana w styku z przedmiotem wzdłuż linii cięcia. Cięcie pod wodą wymaga
dociśnięcia elektrody do przedmiotu i przesuwania jej wzdłuż linii cięcia. Żłobienie
wymaga pochylenia elektrody pod bardzo małym kątem, prawie równolegle do
powierzchni żłobionego przedmiotu i skierowania w kierunku linii żłobienia. Łuk
spawalniczy i tlen stapiają metal na odpowiednią głębokość, a strumień tlenu wyrzuca
ciekły metal i żużel na zewnątrz rowka.
Cięcie i żłobienie łukowo powietrzne
Proces cięcia łukowo-powietrznego polega na stapianiu ciętego metalu
ciepłem łuku elektrycznego, jarzącego się między elektroda grafitową a ciętym
materiałem. Stopiony metal jest wydmuchiwany za pomocą strumienia sprężonego
powietrza, podawanego stycznie do łuku elektrycznego. Metoda ta możne być
zastosowana do cięcia i żłobienia stali niestopowych, stali wysokostopowych, żeliw,
stopów niklu, stopów miedzi oraz stopów aluminium i magnezu. Cięcie prowadzić
można we wszystkich pozycjach, ręcznie lub w sposób zmechanizowany. Stosuje się
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
1.13
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
AW 9
uchwyty o podobnej konstrukcji do uchwytów do spawania łukowego ręcznego
elektrodą otuloną, wyposażone w dodatkowe dysze powietrzne.
Podstawowymi parametrami procesu cięcia i żłobienia łukowo-powietrznego
elektrodą grafitową są:
• rodzaj i wymiary elektrody grafitowej,
• rodzaj i natężenie prądu,
• ciśnienie i natężenie przepływu powietrza,
• prędkość cięcia,
• kąt pochylenia elektrody.
Elektrody zasilane mogą być prądem stałym z biegunowością dodatnią lub
prądem przemiennym. Elektrody grafitowe mogą być pokryte cienką warstwą miedzi
o grubości ok. 0,080,2 mm lub bez pokrycia, o przekroju kołowym, półokrągłym lub
prostokątnym. Obecnie stosowane są prawie wyłącznie elektrody wykonane
z mieszanki węgla i grafitu z odpowiednim lepiszczem, prasowane i wypalane
w temperaturach zapewniających otrzymanie gęstej i jednorodnej struktury o niskiej
oporności elektrycznej i pokrywane cienką warstwą miedzi. Miedź pokrywająca elektrodę
grafitową zwiększa znacznie trwałość elektrod, stabilność jarzenia się łuku i zapewnia
dokładny styk prądowy między elektrodą a szczękami zaciskowymi uchwytu.
Do cięcia i żłobienia ręcznego produkowane są elektrody o średnicach
w zakresie od 3,2 do 19 mm, a do cięcia i żłobienia mechanicznego elektrody
o średnicach od 8 do 25 mm i długości 200 500 mm. Elektrody do cięcia
mechanicznego mogą być łączone między sobą na większe długości, zwiększając
sprawność procesu cięcia lub żłobienia. Elektrody do cięcia i żłobienia prądem
przemiennym oprócz grafitu i węgla zawierać muszą w swym składzie również
pierwiastki ziem rzadkich, zwiększające stabilność jarzenia się łuku. Produkowane są
w zakresie średnic od 4,8 mm do 12,5 mm. Stosowane są konwencjonalne źródła
prądu przemiennego lub stałego o opadającej lub płaskiej charakterystyce statycznej
w zależności od rodzaju i średnicy elektrody oraz rodzaju obrabianego metalu.
Ciśnienie powietrza wynosi zwykle 0,5 0,7 MPa, a natężenie jego przepływu
8 1 0 l/min. Strumień powietrza musi mieć odpowiednie natężenie przepływu
i prędkość, aby dokładnie usunąć stopiony metal i żużel ze szczeliny cięcia. Zbyt
małe ciśnienie powietrza znacznie pogarsza jakość cięcia czy żłobienia, pozostawiając
na powierzchni rowka resztki żużla i silnie nawęglonego metalu.
Przed zajarzeniem łuku należy włączyć przepływ powietrza i dopiero wtedy
zajarzyć łuk, zwykle przez delikatne zwarcie końca elektrody z obrabianym
przedmiotem. W przypadku cięcia elementów stalowych lub żeliwnych, elektroda
powinna być ustawiona pod kątem 70 - 80° do powierzchni przedmiotu. Wysunięcie
elektrody z uchwytu powinno być nie większe niż 160 180 mm przy cięciu stali
i 70 80 mm przy cięciu metali nieżelaznych. Strumień sprężonego powietrza musi
zawsze być skierowany tak, aby przepływał pod elektrodą i wydmuchiwał metal
stopiony ciepłem łuku. Cięcie prowadzone może być we wszystkich pozycjach.
W pozycji pionowej zaleca się prowadzić elektrodę z góry do dołu, a w pozycjach
pozostałych zalecana jest technika cięcia w lewo.
Cechą niekorzystną procesu cięcia łukowo-powietrznego elektrodą grafitową,
zwłaszcza w zastosowaniach w warunkach warsztatowych, jest bardzo wysoki
poziom hałasu, powyżej poziomu bezpieczeństwa. Operatorzy oprócz ochrony przed
silnym promieniowaniem łuku muszą mieć zapewnioną ochronę słuchu. Ponadto
wysoki poziom wydzieleń pyłów i dymów stwarza konieczność stosowania
wydajnych układów filtrowentylacyjnych.
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
1.13
AW 10
Cięcie plazmowe
Źródło ciepła i charakterystyka metody
Źródłem ciepła przy cięciu plazmowym jest skoncentrowany łuk elektryczny,
który jarzy się pomiędzy nietopliwą elektrodą, umieszczoną w uchwycie plazmowym,
a ciętym materiałem. Koncentrację łuku uzyskuje się za pomocą odpowiedniej dyszy,
zwanej dyszą plazmową. Ogranicza ona strefę wyładowania łukowego, koncentruje
ciepło na niewielkiej powierzchni materiału, co powoduje znaczny wzrost stopnia
jonizacji przepływającego gazu plazmowego W efekcie uzyskuje się wzrost
temperatury nawet do kilkudziesięciu tysięcy stopni, przy odpowiednio dużej mocy
łuku. Pod działaniem takiej temperatury następuje miejscowe intensywne
nagrzewanie materiału do temperatury topnienia, a nawet parowania. Jednocześnie
stopiony materiał, pod wpływem strumienia plazmowego o wysokiej energii
kinetycznej, jest usuwany (wydmuchiwany) ze strefy działania łuku, tworząc
szczelinę cięcia. Cięcie plazmowe polega więc na miejscowym topieniu materiału
i wydmuchiwaniu go za pomocą strumienia plazmowego o wysokiej koncentracji
energii cieplnej i kinetycznej
Do cięcia plazmowego stosowany jest prąd stały z biegunem ujemnym
podłączonym do elektrody. Zasilanie łuku odbywa się za pomocą prostowników bądź
inwertorowych źródeł prądu. Zajarzenie łuku głównego i rozpoczęcie cięcia umożliwia
łuk pomocniczy, jarzący się pomiędzy elektrodą i dyszą plazmową. Łuk ten powstaje
dzięki krótkotrwałym impulsom o wysokim napięciu, wytwarzanym w jonizatorze
wysokiej częstotliwości. Łuk pomocniczy jonizuje wstępnie przestrzeń pomiędzy
elektrodą i dyszą, zmniejszając oporność tego obszaru ułatwia zajarzenie łuku
głównego pomiędzy elektrodą (katodą) a ciętym materiałem (łuk zależny).
Cięcie plazmowe stosowane jest do wszystkich materiałów przewodzących
prąd elektryczny (metale i ich stopy). Zastosowanie uchwytu z łukiem niezależnym
(pomiędzy
elektrodą
a
dyszą
plazmową)
umożliwia
cięcie
materiałów
niemetalicznych (tworzywa sztuczne, szkło, guma itp.). Proces cięcia plazmowego
stosowany jest do cięcia ręcznego, zautomatyzowanego i zrobotyzowanego.
Parametry cięcia
Podstawowymi parametrami, mającymi wpływ na przebieg cięcia, są:
natężenie prądu,
napięcie łuku plazmowego,
prędkość cięcia,
odległość uchwytu od ciętego materiału,
rodzaj, ciśnienie, natężenie przepływu gazu plazmowego,
rodzaj i konstrukcja elektrody,
średnica dyszy plazmowej.
Parametry takie jak: rodzaj gazu plazmowego, ciśnienie i natężenie przepływu tego
gazu, rodzaj i konstrukcja elektrody oraz średnica dyszy plazmowej wynikają
z konstrukcji urządzenia i uchwytu plazmowego, są ustalone przez producenta
i zamieszczone zwykle w dokumentacji techniczno - ruchowej. Przy doborze
parametrów procesu cięcia, w każdym przypadku należy przede wszystkim
przestrzegać zaleceń podanych w dokumentacji urządzenia plazmowego. Napięcie
łuku zależy od konstrukcji urządzenia plazmowego, natężenia prądu oraz rodzaju
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
1.13
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
AW 11
gazu plazmowego, a także od odległości uchwytu plazmowego od ciętego materiału.
Zależność pomiędzy napięciem łuku a odległością uchwytu od materiału
wykorzystywana jest w przecinarkach plazmowych sterowanych numerycznie do
automatycznej regulacji odległości uchwytu w trakcie cięcia.
Parametry cięcia, które mogą być regulowane bądź nastawiane przez
operatora (cięcie ręczne, cięcie zautomatyzowane) to: natężenie prądu, prędkość
cięcia i odległość uchwytu plazmowego od materiału.
Wartość natężenia prądu jest głównym parametrem wpływającym na zakres
grubości cięcia, oraz wydajność i efektywność procesu. Wraz ze wzrostem natężenia
prądu zwiększa się grubość cięcia i prędkość cięcia, ale zachodzi wówczas
konieczność zwiększenia średnicy dyszy plazmowej, co rzutuje na szerokość
szczeliny cięcia. Dla danej grubości materiału, zwiększenie natężenia prądu
umożliwia zwiększenie prędkości cięcia i uzyskanie większej wydajności procesu.
jednakże wraz ze zwiększeniem natężenia prądu zwiększają się naprężenia
i odkształcenia cieplne.
Dla ustalonej wartości natężenia prądu można zastosować szeroki zakres
prędkości cięcia. Jednakże zbyt mała prędkość powoduje, że proces cięcia jest
przerywany (łuk gaśnie i ponownie się zajarza, co prowadzi do szybkiego zużywania
się dysz i katod), a na dolnej krawędzi ciętego elementu powstają nacieki usuwanego
metalu i duża ilość przylegającego żużla. Zbyt duża prędkość cięcia powoduje
natomiast powstawanie dużego ukosu powierzchni cięcia oraz dużych ilości
przylegającego żużla.
Kolejnym istotnym parametrem, mającym wpływ na przebieg procesu cięcia
jest odległość uchwytu plazmowego od ciętego materiału. Odległość powinna być
tak dobrana, aby w trakcie cięcia nie uszkodzić dyszy plazmowej, oraz aby jakość
cięcia była na dobrym poziomie. Zbyt mała odległość uchwytu od materiału powoduje
nadtopienie górnej krawędzi cięcia oraz może doprowadzić do uszkodzenia dyszy
plazmowej w wyniku narzucenia na nią ciekłego metalu. Zbyt duża odległość
powoduje powstawanie nadmiernego ukosu powierzchni cięcia i tworzenie się dużej
ilości żużla na dolnej krawędzi cięcia. Powstający żużel jest ponadto trudny to
usunięcia. Odległość uchwytu plazmowego od materiału zależy od rodzaju gazu
plazmowego, a przede wszystkim od grubości ciętego materiału i wartości natężenia
prądu.
Gazy plazmowe
W procesie cięcia jako gaz plazmowy stosuje się takie gazy jak: powietrze,
azot, tlen oraz następujące mieszanki gazowe: argon-wodór, azot-wodór, argon -
azot – wodór (PN-EN ISO 14175).
Powietrze jako gaz plazmowy jest wykorzystywane dzięki powszechnej
dostępności, niskiej cenie i bardzo dobrym właściwościom energetycznym. Tlen
zawarty w powietrzu, obniżając napięcie powierzchniowe i lepkość metalu powoduje,
iż żużel nie przywiera do dolnej krawędzi cięcia. Zaleta ta ma szczególne znaczenie
przy cięciu stali niestopowych. Przy cięciu tych stali, zwłaszcza w zakresie grubości
do ok. 30 mm, uzyskuje się znacznie większe, w porównaniu do cięcia tlenowego,
prędkości cięcia, przy równocześnie dobrej jakości ciętych elementów. Dzięki temu
zastosowanie cięcia plazmowego w miejsce cięcia tlenowego pozwala na znaczne
obniżenie kosztów eksploatacyjnych przy cięciu stali niestopowych. Powietrze jest
stosowane do cięcia praktycznie wszystkich metali i stopów. Cięcie przy pomocy
powietrza jako gazu plazmowego możliwe jest do grubości ok. 50 mm (w przypadku
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
1.13
AW 12
stali, w przypadku metali nieżelaznych znacznie mniej), stosując maksymalne
natężenie prądu rzędu 250 A. Powyżej tej wartości natężenia prądu zachodzi
przyspieszone zużywanie się elementów uchwytów plazmowych (katod i dysz),
związane z bardzo szybkim utlenianiem się katody. Zastosowanie powietrza jako
gazu plazmowego przy cięciu stali wysokostopowych powoduje jednakże znaczne
utlenienie powierzchni cięcia oraz górnej powierzchni na obrzeżu wycinanych
elementów. Utlenienie to charakteryzuje się obecnością ciemnego, trudno
usuwalnego nalotu na powierzchni cięcia i górnej powierzchni przy krawędzi ciętych
elementów.
Zapewnienie
czystości
powierzchni
przy
cięciu
plazmowym
stali
wysokostopowych, osiągnąć można dzięki zastosowaniu takich gazów plazmowych
jak azot bądź mieszanki argon - wodór.
Azot (PN-C-84912) stosowany bywa często przy cięciu blach cienkich.
Pozwala na uzyskanie dużych prędkości cięcia, zabezpiecza krawędzie przed
utlenianiem, zmniejsza skłonność do przywierania żużla, pogarsza jednak warunki
bezpieczeństwa
pracy,
wydziela
się
bowiem
większa
ilość
szkodliwych
zanieczyszczeń, a szczególnie tlenków azotu. Wadą jego stosowania jest skłonność
do tworzenia rowków na powierzchni cięcia, wynikająca z dużo większej gęstości
ciekłego metalu. Zastosowanie azotu powoduje również przywieranie nacieków
stopionego metalu na dolnej krawędzi cięcia, szczególnie w przypadku cięcia blach
o grubości powyżej 15 mm.
Korzystną cechą argonu jest jego obojętny chemicznie charakter, duża masa
cząsteczkowa oraz niski potencjał jonizacji. Ze względu jednak na niską wartość
przewodności cieplnej możliwe do uzyskania prędkości cięcia są niewielkie,
szczelina cięcia jest rozwarta (duży ukos powierzchni), a powierzchnie cięcia pokryte
są naciekami stopionego metalu i żużlami. Dodatek wodoru poprawia parametry łuku
plazmowego. Podwyższając energię strumienia plazmy pozwala na prowadzenie
procesu cięcia z większymi prędkościami. Najczęściej stosuje się mieszankę złożoną
w 70 % z argonu i 30 % z wodoru. Podwyższanie zawartości wodoru ponad podaną
wyżej wartość nie wpływa znacząco na zwiększenie prędkości procesu cięcia. Przy
zawartości wodoru 40 % żużel zaczyna przywierać do dolnej krawędzi cięcia tworząc
liczne wady powierzchni w postaci zadziorów i wżerów. Mieszankę argon - wodór
stosuje się najczęściej przy cięciu stali wysokostopowych, aluminium i miedzi, ze
względu na dużą czystość ciętych powierzchni. Maksymalna grubość elementów,
które można ciąć przy pomocy takiego gazu plazmowego to nawet 150 mm, przy
natężeniach prądu rzędu 7001000 A.
Czysty tlen stosowany jest w charakterze gazu plazmowego głównie w procesach
precyzyjnego cięcia plazmowego o wysokiej jakości (HTPAC - High Tolerance
Plasma Arc Cutting). Zalety czystego tlenu w tym procesie widoczne są szczególnie
w przypadku cięcia blach ze stali niestopowej o grubości do ok. 20 mm). Cechami
charakterystycznymi przy cięciu stali niestopowych przy użyciu tlenu jako gazu
plazmowego jest bardzo mały ukos i minimalne rowkowanie powierzchni cięcia,
niewielka szerokość szczeliny, niewielkie oddziaływanie cieplne na materiał, wąska
strefa wpływu ciepła, dobre odwzorowanie małych promieni cięcia, metaliczny połysk
powierzchni oraz brak sopli i nacieków od strony dolnej krawędzi cięcia.
Wykorzystując tlen jako gaz plazmowy można stosować mniejsze wartości natężenia
prądu przy tej samej prędkości cięcia i tej samej grubości przecinanej blachy niż przy
cięciu z wykorzystaniem innych gazów plazmowych.
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
1.13
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
AW 13
BHP w procesach cięcia plazmowego
Podczas
cięcia
plazmowego
występują
problemy
z
zapewnieniem
bezpiecznych warunków pracy na stanowisku. W procesie powstają szkodliwe dla
zdrowia wydzielenia, do których zaliczyć należy pyły (głównie tlenki metali, których
skład zależy od ciętego materiału), gazy (tlenki azotu, CO) oraz promieniowanie
i hałas.
Promieniowanie wytworzone przez łuk elektryczny obejmuje zakres od
podczerwieni
do
nadfioletu.
Procentowy
skład
poszczególnych
rodzajów
promieniowania łuku zależy od parametrów technologicznych związanych z rodzajem
i grubością ciętych materiałów i rośnie ze wzrostem natężenia prądu. Strefy
promieniowania
nadfioletowego
i
podczerwonego
są
mniejsze
od
stref
promieniowania widzialnego. Promieniowanie podczerwone przenika w dużej ilości w
głąb oka, znaczna jego część jest pochłaniana przez soczewkę i ciała szkliste,
powodując ich nadmierne nagrzanie. Szkodliwe działanie tego promieniowania
zwiększa fakt kumulowania się skutków kolejnych napromieniowań oka.
Promieniowanie widzialne wywołuje objawy chorobowe określane terminem
"olśnienia". W efekcie jego działania może wystąpić osłabienie ostrości widzenia,
a nawet zanik nerwu wzrokowego. Promieniowanie ultrafioletowe działa silnie
fotochemicznie na soczewkę oka, powodując jej zmętnienie. Nadfiolet jest również
silnie pochłaniany przez rogówkę i spojówkę. Promieniowanie to także działa
niekorzystnie na skórę człowieka.
Kolejnym z zagrożeń na stanowisku do cięcia plazmowego są pyły i gazy.
Podczas cięcia część przecinanego materiału ulega stopieniu i odparowaniu,
a następnie gwałtownemu utlenieniu. Pary tlenków metali krzepną, przybierając na
ogół postać kulistą, charakterystyczną dla pyłów pochodzenia kondensacyjnego.
Cząstki te, dzięki własnościom magnetycznym, mogą łączyć się w większe skupiska.
Na ilość wytworzonych pyłów ma wpływ wiele czynników, natomiast skład chemiczny
pyłów zależy od rodzaju ciętego materiału. Gazy powstają w wyniku reakcji, które
zachodzą
w
powietrzu
pod
wpływem
działania
wysokiej
temperatury
i promieniowania łuku plazmowego. Działanie wysokiej temperatury na tlen i azot
zawarty w powietrzu, powoduje powstawanie tlenków azotu. W toksycznym
działaniu tlenków azotu dominującą rolę odgrywa NO
2
. Kontakt człowieka z tlenkami
azotu powoduje zatrucia, które w zależności od stężenia i czasu narażenia
pracownika występuje w formie przewlekłej bądź ostrej a nawet śmiertelnej.
Działanie promieniowania nadfioletowego na tlen zawarty w powietrzu powoduje
powstanie ozonu. Działa on dusząco na układ oddechowy człowieka.
Hałas jest jednym z poważniejszych zagrożeń występujących przy pracy
urządzeń plazmowych. Poziom hałasu z reguły przekracza 100 dB(A), natomiast
NDN (największe dopuszczalne natężenie) wynosi 85 dB(A). Ciągła ekspozycja na
intensywny hałas, oprócz upośledzenia słuchu, wpływa ujemnie na układ nerwowy
i układ krążenia.
Oprócz wymienionych powyżej, występują również inne zagrożenia, typowe
dla prac spawalniczych: niebezpieczeństwo poparzenia odpryskami ciekłego metalu
oraz zagrożenie porażenia prądem elektrycznym.
W zakresie zapewnienia odpowiednich warunków bezpieczeństwa i higieny
pracy stosuje się następujące środki:
stosowanie intensywnej wentylacji stanowiska (stoły z odciągiem) i wentylacji
ogólnej pomieszczenia,
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
1.13
AW 14
zastosowanie ekranów pochłaniających promieniowanie i hałas, chroniących
resztę pomieszczenia lub hali produkcyjnej przed szkodliwym wpływem procesu
cięcia plazmowego,
używanie przez obsługę odzieży ochronnej i środków ochrony słuchu,
stosowanie przez obsługę szkieł ochronnych z filtrem chroniącym przed
promieniowaniem łuku plazmowego.
zastosowanie, jeżeli to możliwe, stołu wodnego i prowadzenie procesu cięcia pod
lustrem wody lub na wodzie.
Ekrany chroniące przed promieniowaniem i hałasem, a także różnego rodzaju
układy filtrowentylacyjne w przypadku pracy ciągłej, szczególnie kilku zmianowej,
mogą nie zapewnić spełnienia wymagań w zakresie największych dopuszczalnych
stężeń pyłów, dymów i gazów a także największych dopuszczalnych natężeń
promieniowania i hałasu. Jako skuteczny sposób ograniczenia wpływu szkodliwych
wydzieleń na operatora, stosowane jest cięcie na stanowisku wyposażonym w stół
wodny (cięcie na lustrze lub pod lustrem wody). Woda, pochłaniając większość
szkodliwych wydzieleń, ogranicza również ilość promieniowania oraz hałas. Oprócz
tego działa korzystnie na cięty materiał, zmniejszając strefę nagrzania materiału
zapobiega odkształceniom termicznym ciętych elementów, wpływa również na
wielkość i charakter zmian własności materiału w strefie cięcia.
Żłobienie plazmowe jest odmianą cięcia plazmowego. Zasada tego procesu jest
identyczna jak procesu cięcia, z tą tylko różnicą, że nie dochodzi do rozdzielenia
materiału na wskroś, a tylko do usunięcia jego niewielkiej objętości. Zasilacze
plazmowe stosowane do cięcia mogą być wykorzystywane również do żłobienia.
Podczas żłobienia uchwyt skierowany jest pod kątem w stosunku do obrabianej
powierzchni (10-45), dzięki czemu stopiony materiał jest wydmuchiwany na
zewnątrz bez przecinania materiału. Przez żłobienie metal usuwany jest w sposób
wydajny, precyzyjny i czysty. Korzyści stosowania żłobienia plazmowego to: redukcja
hałasu i dymów w porównaniu z innymi cieplnymi metodami żłobienia, wysoka
precyzja i duża wydajność usuwania metalu, redukcja ryzyka nawęglania
w porównaniu z procesem żłobienia łukowo-powietrznego, możliwość żłobienia
praktycznie wszystkich metali i stopów.
Cięcie laserowe
W procesie cięcia laserowego wykorzystuje się ciepło zogniskowanej wiązki
promieniowania laserowego i współosiowy z wiązką laserową nadmuch gazu
o odpowiednio dużej energii kinetycznej. Pod działaniem skoncentrowanej wiązki
promieniowania laserowego następuje miejscowe, bardzo szybkie materiału do
temperatury zapłonu, topnienia lub parowania. Strumień gazu usuwa stopiony
materiał, pary metali i żużel, tworząc szczelinę cięcia. Mechanizm procesu cięcia
laserowego i towarzyszące mu zjawiska są zależne od własności fizykochemicznych
ciętego materiału, parametrów wiązki oraz od warunków, w jakich proces jest
prowadzony. W procesie cięcia laserowego wyróżnia się trzy mechanizmy: cięcie ze
spalaniem materiału (stale niestopowe i niskostopowe cięte z zastosowaniem tlenu
jako gazu towarzyszącego), cięcie ze stapianiem i wydmuchiwaniem materiału
(proces wysokociśnieniowy z zastosowaniem gazu obojętnego, najczęściej azotu lub
argonu, stosowany do stali wysokostopowych i metali nieżelaznych) oraz cięcie
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
1.13
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
AW 15
z odparowaniem materiału (stosowane dla materiałów, które nie przechodzą w fazę
ciekłą, takich jak papier, drewno, tworzywa sztuczne, tekstylia).
Typy laserów i zasada działania
Spośród wielu różnorodnych typów laserów, produkowanych obecnie
w przemyśle światowym, dla celów spawalniczych największe zastosowanie
przemysłowe mają lasery stałe z elementem czynnym krystalicznym (YAG) i lasery
gazowe molekularne - C0
2
(patrz temat nr 1.12.1). Warunki wystąpienia akcji
laserowej są następujące:
Istnienie tak ukształtowanych poziomów energetycznych, aby można było za
pomocą pompowania podnieść układ do poziomu wyższego, z którego może on
przejść do poziomu niższego, zwykle podstawowego, w sposób promienisty,
emitując kwanty promieniowania elektromagnetycznego.
Istnienie inwersji obsadzenia poziomów, między którymi zachodzą
wymuszone przejścia emisyjne, tzn. koncentracja elementów wzbudzonych do
poziomu wyższego musi być znacznie większa niż znajdujących się na poziomie
podstawowym. Musi więc być w medium laserującym o wiele więcej elementów
czynnych (atomów, jonów lub cząsteczek w stanie wzbudzonym niż
niewzbudzonych), czyli musi istnieć nadwyżka aktów emisji wymuszonej nad
aktami absorpcji. Równocześnie musi występować różnica czasów życia dwóch
poziomów, górnego i pośredniego, tzn. czasu przebywania elementu czynnego
na danym poziomie energetycznym. Poziom pośredni musi mieć "czas życia"
znacznie dłuższy, czyli musi być niestabilny, aby można było na nim nagromadzić
odpowiednio dużą ilość elementów czynnych zdolnych do wyczekiwania na
zderzenie z elektronem lub jonem czy też błysk światła lampy pompującej.
Istnienie komory rezonansowej, która stwarza warunki generacyjne dzięki
silnemu dodatniemu sprzężeniu zwrotnemu, zwiększającemu znacznie gęstość
promieniowania wymuszającego oraz długość drogi jego oddziaływania
z elementami czynnymi. Są to czynniki nieodzowne dla przekroczenia progu
generacji światła laserowego. W przypadku laserów starych rezonatorem
optycznym jest zwykle sam kryształ lasera odpowiednio spreparowany, natomiast
w laserach gazowych układ zwierciadeł płaskich lub wklęsłych. Jeśli
w rezonatorze pojawi się kwant promieniowania, lub w przypadku lasera
molekularnego wyładowanie elektryczne, następuje wtedy proces lawinowego
narastania promieniowania wymuszonego. Fotony w laserach stałych, a elektrony
i wzbudzone cząsteczki N
2
w laserze C0
2
powodują wymuszoną emisję
promieniowania w elementach położonych wzdłuż toru elementu wymuszającego
emisję, a pozostałe nowe elementy wymuszające odbijając, się wiele razy od
przeciwległych zwierciadeł, oddziałują z nowymi elementami czynnymi,
wymuszając i wzmacniając akty emisji promieniowania. W efekcie następuje
wyzwolenie impulsu światła laserowego lub ciągłego promieniowania światła
laserowego. Promieniowanie nierównoległe opuszcza element laserujący lub rurę
wyładowczą przez powierzchnie boczne, nie mając możliwości odpowiedniego
wzmocnienia się za pomocą emisji wymuszonej.
Pręty Nd:YAG to materiał krystaliczny, granat itrowo-aluminiowy o wzorze
chemicznym Y
3
Al
5
O
12
z domieszką jonów neodymu Nd
3+
, o koncentracji 3%
w stosunku wagowym. Materiał ten emituje promieniowanie niewidzialne w zakresie
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
1.13
AW 16
bliskiem podczerwieni, o długości fali 1,06 m. Pręty Nd:YAG cechuje niski próg
wzbudzenia, a przez to łatwość uzyskania efektu laserowego, dzięki czemu
z powodzeniem stosuje się je jako element czynny w laserach o działaniu ciągłym.
Pręty krystaliczne domieszkowane neodymem mają zwykle średnicę do 10 mm
i długość do 150 mm. Oba końce pręta muszą być dokładnie płaskie, równoległe
i pokryte srebrem. Wzbudzanie (pompowanie) laserów Nd:YAG odbywa się lampami
kryptonowymi lub ksenonowymi dużej mocy. Stosuje się również pompwanie
diodowe. Stosunkowo wąskie pasmo częstotliwości promieniowania laserów Nd:YAG
ułatwia emitowanie ciągłej wiązki promieniowania laserowego w temperaturze
otoczenia, lecz sprawność energetyczna tych laserów jest tylko rzędu 2% (lasery
gazowe maja sprawność energetyczną około 10%) i w efekcie moce wyjściowe są
niskie. Przy pracy impulsowej lasery Nd: YAG pompowane są w sposób przerywany
przez impulsowe zasilanie mocą lampy błyskowej.
Podstawową częścią lasera gazowego CO
2
jest rura wyładowcza wypełniona
mieszanką gazów CO
2
+ N
2
+ He pod odpowiednim ciśnieniem. W rurze tej
zachodzą wyładowania elektryczne zasilane z generatora wysokiego napięcia.
Struktura poziomów energetycznych CO
2
umożliwia wytwarzanie promieniowania
ciągłego dużej mocy, przy wysokiej sprawności energetycznej rzędu 20-40%,
i zachowaniu dużej spójności, monochromatyczności i równoległości emitowanej
wiązki. W laserze molekularnym wykorzystuje się poziomy energetyczne wibracyjno-
rotacyjne cząsteczki CO
2
, tj. poziomy związane z ruchem drgającym i obrotowym
cząsteczki. Moc laserów CO
2
, należących do laserów emitujących promieniowanie
o najwyższej z osiąganych mocy w produkowanych obecnie urządzeniach
laserowych, jest ograniczona w zasadniczy sposób nagrzewaniem się gazu
laserowego w komorze wyładowczej.
Parametry cięcia laserowego
Podstawowe parametry cięcia laserowego to:
• gęstość mocy wiązki laserowej,
• rodzaj gazu towarzyszącego procesowi cięcia,
• średnica ogniska wiązki,
• długość ogniska wiązki,
• prędkość cięcia.
Zdolność przekazania energii wiązki do ciętego materiału zależy od
współczynnika odbicia jego powierzchni. Ponieważ większość ciętych metali silnie
odbija energię wiązki laserowej o długości 1,06 m i 10,6 m, absorpcja energii jest
bardzo mała. Ponieważ współczynnik absorpcji energii jest proporcjonalny do
temperatury ciętego materiału, w miarę wzrostu temperatury obszaru cięcia rośnie
ilość zaabsorbowanej energii, aż metal przejdzie w stan ciekły i zacznie parować.
W tym stanie fizycznym metalu współczynnik absorpcji wynosi ponad 90% i prawie
cała energia wiązki zamieniana jest w ciepło cięcia. Im wyższa jest gęstość mocy
wiązki, tym większa jest głębokość oczka i krótszy jest czas potrzebny na jego
utworzenie.
Gdy gęstość mocy wiązki jest poniżej 5 x l0
3
W/mm
2
, uzyskuje się tylko
stopienie powierzchni ciętego przedmiotu. Aby utworzył oczko cięcia, konieczne jest
zapewnienie gęstości mocy wiązki powyżej 10
4
do 10
5
W/mm
2
, w zależności od
rodzaju ciętego metalu. Wtedy też procesowi cięcia towarzyszy natychmiastowe
topienie i odparowywanie ciętego metalu w szczelinie cięcia. Po utworzenia oczka
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
1.13
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
AW 17
wiązka laserowa działa jako liniowe źródło energii cięcia, przetapiające cięty materiał
na całej grubości, a ścianki tego kanału pokryte są cienką warstwą ciekłego metalu,
utrzymywanego siłami napięcia powierzchniowego i zjawiska kapilarnego. Ważna
jest też polaryzacja wiązki, decydująca o sprawności procesu cięcia.
Najczęściej stosowane gazy towarzyszące procesowi cięcia laserowego to
powietrze, tlen, azot i argon. Jeśli jako gaz wyrzucający ciekły metal zastosowany
jest tlen lub powietrza, procesowi cięcia towarzyszy reakcja egzotermiczna tlenu
z żelazem, dostarczająca dodatkową porcję ciepła i zwiększająca prędkość cięcia.
Powietrze jest najtańszym gazem i stąd stosowane jest do cięcia materiałów
niemetalicznych oraz stali niestopowych i niskostopowych, gdy nie jest specjalnie
ważna jakość ciętych powierzchni. Zastosowanie tlenu do cięcia stali niestopowych,
oprócz dużych prędkości cięcia, zapewnia również najwyższą jakość ciętych
powierzchni. Przy cięciu tlenem stali wysokostopowych, a zwłaszcza stali odpornych
na korozje, uzyskuje się większe prędkości cięcia niż w osłonie azotu lub argonu.
Niższa jest jednakże jakość cięcia, a krawędzie blach pokryte są grubą warstwą
tlenków i żużlem. Do cięcia stali odpornych na korozję, stopów niklu i aluminium jest
najczęściej stosowany azot. Argon zalecany jest do cięcia metali reaktywnych
i trudno topliwych, takich jak tytan, niob, tantal, molibden, wanad czy cyrkon. Cięcie
z argonem, jako gazem towarzyszącym, wymaga jednakże zwiększenia mocy wiązki
laserowej, z uwagi na częściową stratę jej energii w plazmie, tworzącej się nad
obszarem cięcia w wyniku niskiego potencjału jonizacji argonu.
Przy cięciu laserowym dąży się do możliwie najwęższej szczeliny cięcia, co
z kolei narzuca konieczność stosowania dysz gazowych o małej średnicy
i dokładnego sterowania odległością dyszy od ciętego przedmiotu. Odległość ta
powinna być rzędu średnicy dyszy, zwykle 0,5 mm do 2,0 mm, w zależności od typu
urządzenia. Zbyt duża odległość dyszy od przedmiotu powoduje, że rozszerzony
strumień gazu nie jest tak efektywny w usuwaniu metalu w dolnych regionach
szczeliny cięcia i spada jakość ciętych powierzchni. Dysze gazowe ustawione muszą
być współosiowo z wiązką laserową i mieć wysoki stosunek długości dyszy do jej
średnicy, w celu zapewnienia lamelarnego przepływu gazu.
Odległość ogniskowa decyduje o średnicy i głębokości ogniska. W przypadku
laserów gazowych CO
2
zalecana jest odległość 125 mm. Dla materiałów o mniejszej
grubości zaleca się krótszą odległość ogniskową, około 65 mm, gdyż średnica
ogniska wynosi wtedy około 0,1 mm, węższa jest szczelina cięcia i możliwe jest
cięcie z wyższymi prędkościami. Mniejsza średnica ogniska oznacza również
mniejszą głębokość ogniska i ograniczenie możliwych do cięcia grubości metali. Im
większa jest długość ogniskowa wiązki laserowej, tym większa jest głębokość
ogniska i prostsze są cięte krawędzie. Przy cięciu metali o grubości powyżej 10 mm
zalecana jest długość ogniskowa 200 -250 mm.
Jedną z podstawowych zalet cięcia laserowego jest bardzo duża prędkość
cięcia, ograniczona jedynie mocą wiązki lasera i sprawnością układu prowadzącego
głowicę laserową wzdłuż linii cięcia. Prędkość cięcia zależy od gęstości mocy wiązki
dla danej grubości ciętego materiału. Przy cięciu z użyciem tlenu nawet niewielka
zmiana składu chemicznego Zbyt mała prędkość cięcia uszkadza krawędzie cięte,
obniżając znacznie jakość cięcia. Nadmierna prędkość cięcia prowadzi początkowo
do gromadzenia się nacieków metalu i żużla przy dolnej krawędzi, a ostatecznie do
braku przecięcia na całej grubości. Dla danej mocy wiązki laserowej i rodzaju ciętego
materiału, prędkość cięcia jest odwrotnie proporcjonalna do grubości materiału.
Istnieje jednakże określona gęstością mocy wiązki grubość materiału, której nie
można przeciąć przy nawet najmniejszej prędkości cięcia.
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
1.13
AW 18
Podstawowe zalety cięcia laserowego :
duża dokładność,
możliwość uzyskania wysokich prędkości cięcia,
minimalne odkształcenia termiczne ciętych przedmiotów,
wąska szczelina cięcia,
bardzo dobra jakość ciętych krawędzi,
bardzo wąska strefa wpływu ciepła,
możliwość cięcia szerokiej gamy materiałów.
Zastosowanie cięcia laserowego
Technologia cięcia laserowego ma obecnie ugruntowaną pozycję, przede
wszystkim jako metoda precyzyjnego cięcia cienkich blach, tj. do ok. 5 mm. Cięcie
laserowe blach ze stali i stopów aluminium jest konkurencyjne w stosunku do cięcia
na nożycach, przebijania otworów, wykrawania na prasach i cięcia plazmowego.
Główną zaletą cięcia laserowego w tym przypadku jest minimalna strefa wpływu
ciepła, wysoka jakość powierzchni cięcia, mały jednostkowy koszt wytwarzania,
a także elastyczność w przypadku zmiany profilu produkcji, ponieważ nie jest
potrzebna wymiana narzędzi tnących. Dlatego też cięcie laserowe jest stosowane
głównie do konturowego wykrawania elementów o dowolnych kształtach
w warunkach często zmieniającego się profilu produkcji oraz kształtów i rozmiarów
elementów. W światowej praktyce przemysłowej istnieją tysiące przykładów
zastosowania tej technologii m.in. w produkcji paneli, osłon, obudów, drzwi, pił, noży,
mechanizmów krzywkowych i innych tego typu elementów. Z równym powodzeniem
wykorzystują technologię cięcia laserowego zarówno zakłady o określonym profilu
produkcji, jak i zakłady wykonujące jedynie półfabrykaty z blach.
Cięcie laserowe blach grubych z wykorzystaniem przede wszystkimi laserów
CO
2
stanowi nowy, rozwijający się rynek dla laserów dużej mocy. Są to lasery
przeważnie o mocy ok. 4 kW i większej, które zaczynają konkurować z urządzeniami
do cięcia tlenem i plazmą i są stosowane do cięcia blach o przeciętnej grubości od
1025 mm. Zaletą technologii ciecia laserowego blach grubych jest większa
dokładność cięcia oraz lepsza jakość powierzchni cięcia i mniejsze odkształcenia.
Na przykład w przemyśle stoczniowym zastosowanie laserów o dużej mocy do cięcia
blach poszycia statków umożliwia znaczną poprawę tolerancji wycinanych
elementów o grubości kilkunastu milimetrów.
Z wykorzystaniem laserów CO
2
i YAG stosunkowo łatwo jest prowadzić proces
cięcia i wykrawania otworów w przestrzennie ukształtowanych elementach kabin,
obudów, karoserii, rur i profili zamkniętych. Tego typu urządzenia najczęściej są
używane w przemyśle motoryzacyjnym, w produkcji prototypów nadwozi, a także
w innych gałęziach przemysłu. Technologia cięcia laserowego jest coraz częściej
stosowana do wycinania elementów ze stopów aluminium i tytanu - materiałów
konstrukcyjnych, których wykorzystanie w przemyśle światowym bardzo szybko
rośnie. Laserem z powodzeniem można ciąć blachy ocynkowane. Opanowaną
technologią jest ciecie laserowe blach powlekanych folią. Światowy przemysł
hutniczy produkuje obecnie specjalne powlekane blachy przeznaczone tylko do
cięcia laserowego. Postęp w rozwoju generatorów promieniowania laserowego
i konstrukcji przecinarek laserowych na przestrzeni ostatnich lat jest olbrzymi.
Dlatego aby wykorzystać wszystkie zalety technologii cięcia laserowego, trzeba
przede wszystkim na bieżąco śledzić postęp w budowie laserów technologicznych
i konstrukcji przecinarek laserowych.
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
1.13
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
AW 19
Otworowanie laserowe i wiązką elektronów
Odmianą procesu cięcia laserowego jest perforowanie. Proces polega na
precyzyjnym, szybkim wycinaniu otworów o różnych średnicach (najczęściej bardzo
małych, znacznie mniejszych od grubości blachy) w arkuszu blachy lub w profilach
bądź w rurach. W porównaniu do technologii cięcia laserem wykonanie takich
otworów metodą konwencjonalną obejmuje najczęściej więcej operacji tj. wiercenie,
wykrawanie, frezowanie, piłowanie i/lub gratowanie, które przeprowadza się
najczęściej na osobnych stanowiskach. Wymaga to dłuższego czasu przebiegu
całego procesu, składowania przy wysokich kosztach wykonania i małej
elastyczności przy wprowadzaniu zmian. Dzięki zastosowaniu przecinarki laserowej
możliwa jest całościowa obróbka detalu na jednej maszynie i jedną metodą.
Perforowanie wiązką elektronów polega na skierowaniu na powierzchnię
materiału
strumienia
elektronów
przyspieszonego
w
polu
elektrycznym
i skoncentrowaniu przez układ soczewek elektromagnetycznych do wysokiej gęstości
mocy rzędu 10
18
W/m
2
. Efektem jest szybkie topienie i odparowanie materiału.
Proces prowadzi się zwykle w wysokiej próżni. Proces stosowany jest do drążenia
otworów w ciągadłach diamentowych o średnicach od 40 m do 2 mm oraz do
perforowania blach oraz kształtowników, w przypadku gdy wymagana jest bardzo
mała średnica otworów (nawet 2 m).
Zagadnienia bezpieczeństwa przy cięciu laserowym i otworowaniu laserowym
i wiązką elektronów omówiono w temacie 1.12.1.
Cięcie strumieniem wody
Cięcie strumieniem wody jest to proces cięcia na zimno, konkurujący ze
spawalniczymi procesami cięcia z uwagi na wysoką jakość ciętych powierzchni i nie
wprowadzanie nawet najmniejszych ilości ciepła do ciętych materiałów. Proces
polega na zastosowaniu silnie sprężonego strumienia wody przepuszczanego przez
dyszę o małej średnicy, tworzącą koherentny strumień wody o bardzo dużej
prędkości. Strumień wody usuwa cięty materiał ze szczeliny cięcia w wyniku erozji
i zmęczenia ścinającego, przy wysokich naprężeniach lokalnych, oraz mikroobróbki,
w przypadku użycia proszku ściernego.
Strumień czystej wody z dużą prędkością tnie materiały niemetaliczne, a jego
średnica może być nawet poniżej 0,1 mm. W przypadku materiałów metalowych
prędkości są znacznie mniejsze i konieczne jest wprowadzenie do strumienia wody
drobnego proszku ściernego z granitu lub krzemionki i wtedy dysza musi mieć
średnicę powyżej 0,25 mm. Cięcie strumieniem wody stosowane jest wyłącznie jako
proces cięcia automatycznego lub zrobotyzowanego przy użyciu podobnych układów
sterowania, jakie stosowane są do cięcia plazmowego i laserowego.
Podstawowe parametry cięcia to:
• prędkość cięcia,
• ciśnienie wody,
• prędkość podawania proszku,
• rodzaj i ziarnistość proszku,
• odległość dyszy od przedmiotu,
• geometria dyszy.
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
1.13
AW 20
Cięcie prowadzone jest wyłącznie w sposób zmechanizowany, a palnik
usytuowany jest prostopadle do powierzchni ciętego przedmiotu. Możliwe jest
również ukosowanie i żłobienie przedmiotów, wymagane jest tylko pochylenie
głowicy pod odpowiednim kątem. Ze wzrostem prędkości cięcia, dla danej mocy
cięcia równej iloczynowi ciśnienia wody i prędkości podawania proszku, maleje
szerokość szczeliny cięcia a ostatecznie może nastąpić brak przecięcia. Proszek
ścierny o ziarnistości 0,3 0,4 mm podawany jest z wydajnością 0,1 - 1,5 kg/min.
Do cięcia bardzo twardych materiałów ceramicznych zalecany jest proszek ścierny z
węglika boru.
Cięcie strumieniem wody stosowane jest do cięcia tych materiałów, które
trudne są do przecięcia innymi metodami, jak: materiały ceramiczne, cermetale,
twarde napoiny metalowe, materiały kompozytowe, KEVLAR (brak zwęglenia), szkło,
tworzywa sztuczne. Możliwe jest cięcie w warunkach zagrożenia wybuchem, jak np.
cięcie pocisków wybuchowych. Bardzo małe jest również zagrożenie pożarem
i porażenie prądem elektrycznym.
Próby ustalenia maksymalnych grubości możliwych do przecięcia strumieniem
wody z proszkiem ściernym wykazały, że w przypadku stali granica ta wynosi ok. 190 mm,
dla aluminium 75 mm, dla tytanu nawet 250 mm, a przy cięciu kompozytu
grafit/żywica epoksydowa - 65 mm. Możliwe jest równoczesne przecięciu pakietów
blach wykonanych z tego samego lub wyraźnie różnych materiałów. Proces cięcia
strumieniem wody pomimo wysokich kosztów inwestycyjnych znajduje coraz szersze
zastosowanie przemysłowe.
Cięcie mechaniczne
Metody mechaniczne wykorzystują narzędzia i urządzenia, takie jak: piła, nożyca
mechaniczna (gilotyna), nóż tokarski, frez itp. Można więc powiedzieć, że następuje
w urządzeniu zamiana energii elektrycznej na energię kinetyczną narzędzia, które
powoduje rozdzielenie materiału. Metody obróbki skrawaniem są najczęściej
stosowane w przypadku konieczności wykonania dokładnego przygotowania
elementów przed spawaniem (złożona geometria rowka - frezy kształtowe) lub
w przypadku konieczności usunięcia strefy wpływu ciepła, powstającej przy cięciu
termicznym. Cięcie termiczne jest wtedy prowadzone z odpowiednim naddatkiem
technologicznym na obróbkę mechaniczną. Jest to najdokładniejsza, a zarazem
najbardziej kosztowna metoda przygotowania elementów przed spawaniem.
Jakość cięcia termicznego
Jakość cięcia termicznego przyjęto charakteryzować poprzez geometryczne
cechy powierzchni cięcia, takie jak: ukos powierzchni cięcia oraz jej chropowatość.
Ocenę jakości i klasyfikację powierzchni, z uwzględnieniem przedstawionych
powyżej cech charakterystycznych, przeprowadzić można w oparciu o normy.
Aktualną normą w Polsce, odnoszącą się do jakości cięcia termicznego (tlenowego,
plazmowego i laserowego) jest norma PN-EN ISO 9013,która określa kryteria,
według których przeprowadza się ocenę jakości cięcia i klasyfikację powierzchni.
Są to:
odchyłka prostopadłości i pochylenia, oznaczona jako „u”,
uśredniona wysokość chropowatości, oznaczona jako „R
z
”.
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
1.13
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
AW 21
Wymagania odnośnie klas jakości dla powierzchni ciętych termicznie
w konstrukcjach stalowych przedstawiono w normie PN-EN 1090-2. Wymagania te
są różne dla różnej klasy konstrukcji. Podano dodatkowo wymagania odnośnie
twardości powierzchni po cięciu.
NORMY
1. PN-EN ISO 9692-1:2008 „Spawanie i procesy pokrewne - Zalecenia dotyczące
przygotowania złączy - Część 1: Ręczne spawanie łukowe, spawanie łukowe
elektrodą metalową w osłonie gazów, spawanie gazowe, spawanie metodą TIG
i spawanie wiązką stali”
2. PN-EN ISO 9692-2:2008 „„Spawanie i procesy pokrewne - Zalecenia dotyczące
przygotowania złączy - Część 2: Spawanie stali łukiem krytym”
3. PN-EN ISO 9692-3:2004/A1:2005 “Spawanie i procesy pokrewne - Zalecenia
dotyczące przygotowania złączy - Część 3: Spawanie aluminium i jego stopów
elektrodą metalową i elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych”
4. PN-C-84905:1998 „Gazy techniczne – Acetylen rozpuszczony”
5. PN-C-96008:1998 „Przetwory naftowe – Gazy węglowodorowe”
6. PN-C-84910:1997 „Gazy techniczne – Tlen sprężony”
7. PN-C-84912:1997 „Gazy techniczne – Azot sprężony”
8. PN-EN ISO 14175:2009 „Materiały dodatkowe do spawania - Gazy i mieszaniny
gazów do spawania i procesów pokrewnych”.
9. PN-EN ISO 9013:2008 „Cięcie termiczne - Klasyfikacja cięcia termicznego -
Specyfikacja geometrii wyrobu i tolerancje jakości”
10. PN-EN 1090-2:2009 „Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych - Część 2:
Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych”
LITERATURA
1. Pilarczyk J., Pilarczyk J.” Spawanie i napawanie elektryczne metali”,
Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1996 r.
2. Klimpel A.: „Technologia spawania i cięcia metali”, Wydawnictwo Politechniki
Śląskiej, Gliwice 1997 r.
3. Kirkpatrick J.: „Modern developments in plasma cutting”, Welding and Metal
Fabrication nr 8/1992
4. Fernicola R.C.: “Guide to manual plasma arc cutting”, Welding Journal nr 3/1998
5. Czech J., Dworak J.: „Cięcie plazmowe pod wodą”, Biuletyn Instytutu
Spawalnictwa nr 3/1996
6. „Emission of fumes and nitrogen oxides from plasma cutting of stainless steels”,
Departament of Occupational Medicine IVF Goteborg, Sweden
7. Fernicola R.: „Breakthroughs in oxygen plasma arc cutting”,
Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.
Wszelkie prawa zastrze
żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca
ło
ści wzgl
ędnie
fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.
KURS MIĘDZYNARODOWEGO
INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA
(IWE/IWT/IWS/IWP)
Cięcie, otworowanie i inne procesy przygotowania brzegów
Instytut
Spawalnictwa
w Gliwicach
1.13
AW 22