Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
Wydział Nauk Technicznych
Mechanika i Budowa Maszyn
Temat: Cięcie termiczne i strumieniem wody
Cięcie termiczne
W zależności od metody, proces termicznego rozdzielenia materiałów jest albo skutkiem utleniania metalu w pogłębianej szczelinie i wydmuchiwania tlenków, albo jego stopienia, a potem odparowania bądź usunięcia frakcji ciekłej strumieniem gazu.
Wszystkie metale, poza szlachetnymi, relatywnie łatwo ulegają lokalnemu utlenianiu. Szczególnie szybko proces ten przebiega w obecności czystego tlenu i w podwyższonych temperaturach. Intensywne utlenianie, będące wynikiem reakcji egzotermicznej, czyli przebiegającej z wydzieleniem ciepła, nazywamy spalaniem.
Najczęściej stosuje się cięcie tlenem do obróbki stopów żelaza, czyli stali. Jednak większość ich dodatków stopowych utrudnia cięcie, od pewnego poziomu ich zawartości cięcie staje się wręcz niemożliwe. Utrudnienia te są głównie skutkiem wzrostu gęstopłynności stopionego metalu i żużla, ograniczenia wymiany ciepła w materiale oraz spadku aktywności utleniania. Negatywny wpływ dodatków stopowych ma charakter łączny, czyli w praktyce zawartość węgla musi być znacząco mniejsza od dopuszczalnej, gdyż w stalach zawsze występują inne dodatki stopowe. Sposobem na cięcie stali o nieco wyższej niż graniczna zawartości dodatków stopowych jest wstępne podgrzanie ciętego materiału, zwykle do temperatury 150-350°C.
Na wydajność cięcia silnie oddziałuje także czystość użytego tlenu. Jeśli przyjąć za normalną czystość 99,5%, to jej obniżenie do 98,5% wymaga zwiększenia ciśnienia o 25%, wydatku gazu o 20%, a prędkość cięcia spada wówczas o 20%. Tlen o czystości 97,5% wymaga wzrostu ciśnienia i wydatku tlenu o 50%, a prędkość cięcia spada o połowę. Dane te dotyczą stali o grubości ok. 30 mm, dla większej grubości różnice są bardziej znaczące, a tlen o czystości 97,5% stali o grubości ponad 300 mm nie przecina w ogóle.
Przy tej metodzie stosuje się zarówno palniki koncentryczne, jak i posobne. Pierwsze są używane zwykle do cięcia ręcznego oraz kształtowego, drugie – do zmechanizowanego, prostoliniowego. Gazem podgrzewającym do cięcia ręcznego jest najczęściej acetylen, a do zmechanizowanego – propan. Korzystny wpływ na jakość cięcia ma optymalnie dobrana i niezmienna odległość wylotu dyszy palnika od powierzchni ciętego materiału. Dlatego palniki ręczne często zaopatruje się w specjalne rolki prowadzące. Innym czynnikiem, korzystnie wpływającym na jakość cięcia, jest utrzymywanie stałej, optymalnej jego prędkości.
Cięcie plazmowe
Źródłem ciepła jest przy tej metodzie kontrolowany strumień plazmy, czyli częściowo lub całkowicie zjonizowanego gazu. Stan częściowej jonizacji bywa osiągany w temperaturze kilkunastu-kilkudziesięciu tysięcy K przez działanie na sprężony (np. w dyszy o odpowiedniej geometrii) gaz ciepłem łuku elektrycznego. Plazma używana do cięcia jest generowana w specjalnych głowicach, które konstrukcyjnie przypominają głowice do spawania metodą GTA. Zasadnicza różnica dotyczy konstrukcji dyszy gazowej, która musi powodować gwałtowny wzrost ciśnienia przepływającego gazu.
Dysza bardzo silnie się nagrzewa, toteż wykonuje się ją z miedzi jako konstrukcję masywną, chłodzoną przez wbudowany obieg wodny. Klasyczne elektrody (dla plazmotwórczych gazów obojętnych) są wykonywane najczęściej z wolframu z dodatkiem toru i lantanu i mają trwałość do 20 h pracy. Ich średnica wynosi 2 do 5 mm, a średnica otworu dyszy od 1,2 do 7 mm. Cięcie prowadzi się prądem stałym o normalnej polaryzacji ("–" na elektrodzie, dzięki czemu wydziela się na niej tylko 30% ciepła łuku). Napięcie wynosi 50 do 200 V, natężenie 1000 A i więcej. Przepływ gazu plazmotwórczego może być znaczny i wynosić nawet ponad 100 l/min.
Istnieją dwie podstawowe odmiany cięcia plazmowego: łukiem zależnym, który jarzy się między elektrodą a ciętym materiałem, oraz łukiem niezależnym, nazywanym też wewnętrznym, jarzącym się między elektrodą a dyszą.
Pierwsza z odmian jest znacznie popularniejsza, gdyż zapewnia dodatkowe podgrzewanie ciętego materiału ciepłem łuku. Ciąć jednak można w ten sposób tylko materiały przewodzące prąd. Łuk niezależny jest stosowany do cięcia materiałów nieprzewodzących, a czasem także do precyzyjnego cięcia materiałów metalicznych o małej grubości. Łuk wewnętrzny jest też często stosowany podczas rozpoczynania procesu cięcia łukiem zależnym i służy do wstępnej jonizacji gazu plazmotwórczego. Do jego krótkotrwałego zajarzenia służą specjalne bloki zasilacza, nazywane jonizatorami.
Gazy plazmotwórcze to: argon, azot, wodór i coraz częściej powietrze, które jest najtańsze, a zawarty w nim tlen częściowo spala podgrzany metal, co zwiększa wydajność procesu. Powietrze powoduje jednak przyspieszone zużycie elektrod i dysz. Argon stosuje się do cięcia stali stopowych, stopów aluminium i miedzi, azot – do cięcia cienkich blach, powietrze – do stali niestopowych, gdzie dodatek tlenu korzystnie wpływa na jakość krawędzi cięcia. Przy stosowaniu gazów aktywnych konieczne jest zastąpienie katod wolframowych cyrkonowymi lub hafnowymi, ale ich trwałość też jest niewielka (ok. 5 h pracy).
Cięcie laserowe
Cięcie laserowe stanowi nowoczesną metodę obróbki o podobnych parametrach wymiarowych jak klasyczna obróbka mechaniczna. Podstawowa różnica tkwi w stosowanym czynniku tnącym, który w przypadku cięcia laserowego stanowi gorący promień lasera oraz gaz techniczny o dużej czystości. W zależności od stosowanego urządzenia (przede wszystkim jego mocy) cięcie przeprowadza się na trzy sposoby: metodą spalania, stapiania lub sublimacji.
Cięcie strumieniem wody
To technologia, która polega na cięciu materiałów za pomocą bardzo silnego strumienia wody, puszczonego pod ogromnym ciśnieniem. Daje to duże możliwości precyzyjnego wycinania elementów o dowolnych kształtach w szerokiej gamie materiałów różnego rodzaju, a są to:
Stal: węglowa, nierdzewna, narzędziowa, kwasoodporna, żaroodporna
Metale kolorowe: brąz, mosiądz, tytan, aluminium, miedź,
Płytki ceramiczne,
Granit,
Marmur,
Szkło,
Tworzywo sztuczne,
Guma
Drewno
Możemy się spotkać z dwoma rodzajami cięcia wodą, są to mianowicie cięcie czystą wodą i cięcie wodą z dodatkiem ścierniwa. Metoda czystą wodą pozwala na cięcie materiałów miękkich: gumy, pianki i tworzyw sztucznych. Druga metoda polega na cięciu z dodatkiem ścierniwa nazywana jest też cięciem abrazyjnym. Metodę te stosuje się w przypadkach, w których cięcie czystą wodą jest niewystarczające. Dla zwiększenia efektywności cięcia do wody dodaje się specjalną domieszkę np. piasku. Metoda ta pozwala na cięcie stali, aluminium, szła, glazury, marmuru i pozostałych twardych materiałów. Elastyczna technologia cięcia wodą jest stosowana praktycznie w każdej gałęzi przemysłu np. szklarskiego, samochodowego , lotniczego, budowlanego , drzewnego itp.