Cięcie termiczne.docx

Cięcie termiczne metali

Cięcie tlenem polega na utlenianiu metalu w atmosferze czystego tlenu. Powstające podczas cięcia tlenki metali szybko się stapiają i silnym strumieniem tlenu s a wydmuchiwane na zewnątrz, wskutek czego powstaje wąska szczelina dzieląca przedmiot na dwie części.

Proces utleniania metalu postępuje bardzo szybko, zwłaszcza wtedy, gdy metal jest nagrzany do temperatury zapłonu (dla stali niestopowej ok. 1250oC) i znajduje się w atmosferze czystego tlenu. Im wyższa jest temperatura nagrzania metalu, tym szybciej przebiega proces utleniania. Nie wszystkie metale dają się ciąć tlenem. Jest to zależne od temperatury topnienia tlenków powstających w czasie cięcia. Metale, których tlenki mają temperaturę topnienia wyższą niż temperatura topnienia metalu są trudne do cięcia lub ich cięcie staje się niemożliwe.

Na warunki cięcia wpływ ma czystość tlenu, która powinna wynosić 99.5÷99,7%.

Wzrost zawartości węgla powoduje obniżenie się temperatury topnienia stali i cięcie staje się trudniejsze, Zawartość węgla w stali powyżej 1,5% powoduje, że cięcie staje się niemożliwe ponieważ następuje zrównanie się temperatury topnienia stali i temperatury topnienia tlenku żelaza.

Podczas cięcia następuje miejscowe nagrzanie powierzchni materiału. W wyniku ochładzania się materiału W warstwach metalu zachodzą pewne zmiany chemiczne i strukturalne. Dotyczą głównie utwardzenia powierzchni przecięcia spowodowanego wzrostem zawartości węgla na skutek szybszego spalania żelaza niż węgla zawartego w stali. Warstwa ta wynosi 0,1÷0,3 mm. Strefa wpływu ciepła jest szersza i wynosi 1÷3 mm i obejmuje różne struktury krystaliczne. Stale niskostopowe mające zwiększone ilości takich składników jak” węgiel, mangan, i chrom hartują się głębiej niż stale niskowęglowe.

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 specjalnej konstrukcji dyszy plazmowej. Ogranicza ona strefę wyładowania łukowego, koncentrując ciepło na niewielkiej powierzchni materiału, co powoduje znaczny wzrost stopnia jonizacji przepływającego gazu plazmowego. Temperatura strumienia plazmy wynosi ponad 20 000oC a prędkość wypływu z dyszy palnika ponad 300 m/s. Pod działaniem takiej temperatury następuje miejscowe intensywne nagrzewanie materiału do temperatury topnienia, a nawet parowania. Jednocześnie stopiony materiał, pod wpływem strumienia gazu plazmowego o wysokiej energii kinetycznej, jest wydmuchiwany ze strefy działanie łuku, tworząc szczelinę cięcia. 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 krótkim 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.

Podstawowymi parametrami, mającymi wpływ na przebieg cięcia są:

·         natężenie prądu,

·         napięcie łuku plazmowego,

·         prędkość cięcia,

·         odległość uchwytu od ciętego materiału,

·         rodzaj, ciśnienie i natężenie przepływu gazu plazmowego,

·         rodzaj i konstrukcja elektrody, średnica dyszy plazmowej.

Dysze (katoda) w palnikach plazmowych są wykonane z miedzi i posiadają wkładki cyrkonowe lub hafnowe odporne na wysokie temperatury. Dysze są intensywnie chłodzone wodą lub powietrzem. Gazami plazmowymi stosowanymi do cięcia są:

·         powietrze – powszechne dostępne i tanie posiada bardzo dobre właściwości energetyczne. Tlen zawarty w powietrzu, obniżając napięcie powierzchniowe i lepkość materiału powoduje, że żużel nie przywiera do dolnej krawędzi cięcia. Zaleta ta ma szczególne znaczenie przy cięciu stali niestopowych. Powietrze jest stosowane jest do cięcia materiałów o grubości do 50 mm (w przypadku stali, w przypadku metali nieżelaznych znacznie mniej), stosując maksymalne natężenie prądu 250A. Powyżej tej wartości natężenia prądu następuje szybkie zużywanie się elementów uchwytów plazmowych (katod, dysz), związane z bardzo szybkim utlenianiem się katody,

·         azot – stosowany bywa często przy cięciu blach cienkich Pozwala na uzyskanie dużych prędkości cięcia, zabezpiecza krawędzie przed utlenianiem, zmniejsza skłonność do przywierania żużla, pogarsza warunki bezpieczeństwa pracy (tlenki azotu),

·         argon – jest obojętny chemicznie, ma dużą masę cząsteczkową i niski potencjał jonizacyjny. Ze względu na niską wartość przewodności cięcia uniemożliwia stosowanie dużych prędkości cięcia. Dodatek wodoru poprawia parametry łuku plazmowego. Najczęściej stosuje się mieszankę złożoną z 70% argonu i 30% wodoru. Zwiększanie zawartości wodoru w mieszance wpływa na zwiększenie prędkości cięcia. Mieszanka argon-wodór stosuje się najczęściej przy cieciu stali wysokostopowych, aluminium i miedzi.

·         tlen – stosowany jest jako gaz plazmowy głownie w procesach precyzyjnego ciecia plazmowego. Zalety tlenu widoczne są szczególnie w przypadku cięcia blach zew stali niestopowej o grubości do 20 mm. Cechami charakterystycznymi przy cięciu stali niestopowych przy użyciu tlenu jest bardzo mały ukos i minimalne rowkowanie powierzchni cięcia, niewielka szerokość szczeliny, wąska strefa wpływu ciepła, dobre odwzorowanie małych promieni, brak sopli i nacieków od strony dolnej krawędzi cięcia. Stosowanie tlenu pozwala stosować niższe wartości natężenia prądy przy tej samej prędkości cięcia.

W procesach 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 podgrzanie materiału do temperatury zapłonu, topnienia lub parowania. Strumień gazu usuwa stopiony materiał, pary i żużel, tworząc szczelinę cięcia. 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 agonu, stosowany do stali wysokostopowych i metali nieżelaznych) oraz cięcie z odparowaniem materiału (stosowane do materiałów, które nie przechodzą w fazę ciekła, takich jak papier, drewno, tworzywa sztuczne, tekstylia).

Podstawowe parametry cięcia laserowego:

·         gęstość mocy wiązki laserowej – (<5x103 W/mm2 stopienie powierzchni ciętego przedmiotu, 104÷105 W/mm2 utworzenie oczka cięcia),

·         rodzaj gazu towarzyszącego procesowi cięcia – (gazy towarzyszące: powietrze, tlen, azot, argon),

·         średnica ogniska wiązki ,

·         długość ogniska wiązki,

·         prędkość cięcia.

Podstawowe zalety ciecia laserowego:

·         duża dokładność,

·         wysokie prędkości cięcia,

·         minimalne odkształcenia termiczne,

·         wąska szczelina, bardzo dobra jakość ciętych krawędzi,

·         bardzo wąska SWC,

·         możliwość ciecia szerokiej gamy materiałów.