DRAFT SVAROX TECHNOLOGY

Transkript

1 1. SYLABUS

2 1.1. Rozsah přednášky dle IAB (volný překlad) Přehled procesů přípravy svarových ploch Mechanické řezání Principy řezání plamenem plamenem s pomocí prášku, zařízení, aplikace a příslušenství Parametry řezání plamenem, kvalita řezu, stupně čistoty kyslíku Vhodnost materiálů k řezání plamenem Základní principy různých procesů řezání el. obloukem (air arc, carbon and metal-arc, oxy-arc cutting, gauging with carbon electrode) zařízení a příslušenství Vhodnost materiálů k řezání el. obloukem, aplikace, parametry řezání pro různé procesy Základy řezání plazmou Materiály vhodné pro řezání plazmou, aplikace, parametry řezání pro různé procesy Speciální aplikace řezání plazmou (řezání pod vodou, řezání s vírem vody) Drážkování plazmou Základy vrtání a řezání elektronovým a laserovým paprskem, zařízení, parametry, aplikace Základy řezání vodním paprskem, zařízení, parametry, aplikace Základy drážkování el. obloukem a plamenem, parametry a aplikace Normy pro každý z procesů Bezpečnost práce a ochrana zdraví (BOZP)

3 2. ÚVOD DO METOD ČI PROCESŮ DĚLENÍ MATERIÁLŮ 2.1. Dělení materiálu: Strojní mechanické obrábění Dělení vodním paprskem Tepelné dělení materiálu řezáním Obsah učiva otázky č.1.13 je zaměřen na dělení materiálů, výrobu svarových ploch a výrobu děr v souvislosti s výrobou běžných svařovaných konstrukcí, a je zaměřeno na zejména tepelné dělení a úkosování materiálu jak plyne ze sylabusu IAB. Přesto je nutné uvést, že dělení materiálů různých profilů, zejména dlouhých hutních polotovarů probíhá při výrobě ocelových konstrukcí zpravidla procesem strojního obrábění řezáním na různých typech pil. Různé druhy tepelného dělení jsou pak používány zejména na tzv. výpalky z plochých výrobků (plechů, širokých plochých profilů) a dobře jsou tyto procesy použitelné na výrobu jednoduchých typů svarových ploch. Rovněž u přípravy svarových ploch je potřeba uvést, že se hojně používá strojního obrábění ať už na strojích stabilních typu soustruh, frézka, vyvrtávačka případně mobilních vhodných pro montáže typu úkosovacích zařízení. U náročných svařenců, s vysokými požadavky na jakost svarového spoje a jeho životnost, platí zásada, že tepleným procesem řezání dochází k okujení ploch, které je nutné dalším obráběním odstranit. Tato zásada je nutná u korozivzdorných ocelí, dílů tlakových nádopb či potrubí, apod.. Další specifické požadavky na úpravy svarových ploch při výrobě stavebních ocelových konstrukcí uvádí SN EN Existují i další procesy, méně často používané, jako je dělení elektrickým obloukem, využití různých prášků a anebo v současnosti stále více se prosazující dělení vodním paprskem. Není předmětem tohoto materiálu ani této otázky probírat základy strojního obrábění a třískového dělení materiálů, sylab IAB rovněž neuvádí metody řezání vodním paprskem, přesto jsou v tomto materiálu uvedeny základní informace o pilách a strojním úkosování a řezání vodou, protože by to mělo být základní znalostí dobrého technologa.

4 3. STROJNÍ DĚLENÍ A ÚKOSOVÁNÍ 3.1. Rozdělení pil - pásové - rámové (dříve nejrozšířenější, dnes již ojediněle) - kotoučové (pilový kotouč) - třecí kotoučové (dříve často používané v malých dílnách, řezací kotouč flex) V základu se strojní pily děli dle způsobu obsluhy a přísuvu řezného nástroje na ruční, poloautomatické a automatické. Obr.: Příklad ruční strojní kotoučové pily a pásové poloautomatické pily Obr.: Příklady staršího typu rámových pil

5 Obr.: Příklad ruční frikční pily a ruční kotoučové pily na kov (nahoře),detail kotouč s destičkami ze slinutých karbidů (dole vlevo) a malé pásové pily - vhodné pro montážní práce

6 4. ŘEZÁNÍ VODNÍM PAPRSKEM Při řezání vodním paprskem se používá buď čisté vody, nebo vhodného abraziva pro provedení řezu. Proces je vysoce přesný a zásadní výhodou je, že neovlivňuje řeznou plochu a není nutné další obrábění pro odstranění oxidů a případné TOO (teplem ovlivněné oblasti), tj. lze řezat i takové slitiny, které by při použití tepelného procesu vytvářely zákalné struktury a praskliny, popřípadě by nešly řezat vůbec. Obr.: Princip řezání vodním paprskem s barazivem Obr.: Princip řezání vodním paprskem s čistou vodou

7 Obr: Příklad řezu vodním paprskem Obr.: Typický CNC stroj pro řezání vodním paprskem

8 Obr.: Šikmý řez vodním paprskem Obr.: Prostorové (3D) řezání vodním paprskem

9 Obr.: Příklad dělení vodním paprskem Dělení vodním paprskem není předmětem této práce a otázky 1.13, přesto je s výhodou používáno pro výrobu plochých i prostorových výpalků z širokého spektra materiálů (oceli, Al Slitin, Cu slitin, Ni slitin, Ti slitin apod.) s možností provedení šikmého řezu, pokud je použito naklápěcí trysky.

10 5. TEPELNÉ DĚLENÍ MATERIÁLŮ A PŘÍPRAVA SVAROVÝCH PLOCH 5.1. Tepelné dělení materiálu je částečně popsáno, co se týká procesu a terminologie v ČSN EN ISO Dále jsou názvy procesů (metod) uvedeny také v ČSN EN ISO Procesy tepelného dělení materiálu používáme pro: - dělení - obrobení základního tvaru svarové plochy (vždy by mělo následovat mechanické obrobení / odstranění okují u svařenců s vysokými nároky na jakost svaru) - drážkování kořene svaru, drážkování vad svaru Norma ČSN EN ISO uvádí následující procesy tepelného dělení: a) řezání kyslíkovým plamenem, řezání kyslíkem (proces 81 dle ISO 4063) b) řezání plazmovým obloukem (plazmové řezání, číslo procesu (proces 83 dle ISO 4063) c) řezání laserovým paprskem (proces 84 dle ISO 4063) Jednotlivé procesy se liší v mnoha ohledech základních charakteristikách, ať je to druh materiálů vhodných k řezání daným procesem, řezací rychlostí nebo řezanou tloušťkou. Tyto základní charakteristiky určují, pro jaké podmínky je proces vhodný. Následující obrázek ukazuje závislost řezné tloušťky, rychlosti řezání a druhu procesu dělení. Obr.: Porovnání technologií tepelného dělení

11 5.2. Terminologie tepelného dělení materiálu Jako ve všech technických oblastech je základem k vzájemnému porozumění používání správné, normalizované terminologie. Základy terminologie uvádí normy ČSN EN ISO 9013 Tepelné dělení Klasifikace tepelných řezů Geometrické požadavky na výrobky a úchylky jakosti řezu ČSN EN ISO Svařování Vady při řezání kyslíkem, laserem a plasmou Terminologie ČSN N ISO 4063 Svařování a příbuzné procesy Přehled metod a jejich číslování ČSN EN ISO 5172 Zařízení pro plamenové svařování Hořáky pro svařování, ohřívání a řezání Specifikace a zkoušky Níže jsou uvedeny termíny z těchto norem související s procesem řezání Rychlost řezání relativní rychlost mezi nástrojem a obrobkem Šířka řezné spáry vzdálenost mezi povrchy řezu na horní straně řezu Skluz (n) průmět vzdálenosti mezi dvěma body skluzové rýhy (b) ve směru řezání (zkosení vlivem foukání ), a referenční přímka Obr.: Skluzová rýha Úchylka kolmosti nebo úchylka úhlu (u) vzdálenost mezi dvěma rovnoběžnými přímkami, mezi které je vepsán profil ovrchu řezu, viz. následující obrázek.

12 Obr.: Úchylky kolmosti nebo úchylky úhlu Výška prvku profilu Zt součet výšky výstupku a hloubky prohlubně prvku profilu (dle ISO 4287) Zt 1 až Zt 5 charakterizuje jednotlivé prvky profilu ln je celková vyhodnocovaná délka lr je ákladní délka (1/5 z ln) Obr.: Průměrná výška prvků profilu Natavení horní hrany (r) veličina charakterizující tvar horní hrany řezu Obr.: Natavení horní hrany Drážkování prohloubení nebo zářezy nepravidelné šířky, hloubky a nepravidelného tvaru, zejména ve směru řezné tloušťky, které narušují jinak stejnorodý povrch řezu a Směr řezání b Směr posuvu Obr.: Drážkování

13 5.3. Přehled zkratek a symbolů dle ISO 9013:

14 Obr.: Výtah z ČSN EN ISO 9013 základní termíny procesu řezání 1 Řezací hořák 2 Hubice 3 Paprsek/ plamen/ oblouk 4 Řezná spára 5 Začátek řezu 6 konec řezu a Tloušťka zpacovávaného kusu b Vzdálenost trysky c Směr posuvu d Šířka řezné spáry e Řezná tloušťka f Délka řezu g Šířka řezné spáry na spodní ploše h Směr řezání

15 Obr.: Výtah z ČSN EN ISO 9013 základní termíny hotového povrchu řezu 1 Horní hrana řezu 2 Povrch řezu 3 Dolní hrana řezu a Tloušťka řezaného kusu b Tloušťka řezu c Výška kořenové plochy d Tloušťka řezu e Délka řezu

16 Obr.: Typy přímých řezů 1 Svislý řez 2 Šikmý řez 3 Šikmý řez dvojitý Obr.: Typy tvarových řezů 1 Svislý řez 2 Šikmý řezdraft SVAROX TECHNOLOGY

17 5.4. Úchylky tvaru a polohy dle ISO 9013 u t w t p t G1 t G2 úchylka kolmosti ve směru řezu Obr.: Úchylky tvaru a polohy úchylka kolmosti pro řezanou tloušťku vzhledem k A úchylka rovnoběžnosti pro řezanou tloušťku vzhledem k A v rovině plechu úchylka přímosti pro řezanou délku úchylka přímosti pro řezanou šířku Vady řezání kyslíkem, plasmou a laserovým paprskem dle ČSN EN ISO respektive původní ČSN EN Vady jsou rozděleny do skupin následovně: Imperfekce (vada) řezných hran, vady na hranách řezu: natavení horní/dolní hrany řezu, řetěz ztuhlých kapiček, převislá hrana řezu, utavená horní hrana řezu, Imperfekce (vada) řezných ploch, vady na plochách řezu: žlábek u hrany řezu, rozšíření spáry/mezery řezu, úhlová úchylka řezu, vydutá plocha řezu, zvlněný profil plochy, úchylka řezné stopy (nadměrné opoždění řezné stopy, předbíhání řezné stopy, místní úchylka řezné stopy, nadměrná hloubka řezné stopy, nepravidelná stopa řezné stopy), zápaly (izolované zápaly, skupina zápalů), neúplné ukončení řezů, zvlnitá plocha řezu, Struska (okuje): ulpívající struska Trhliny: mikrotrhliny, makrotrhliny Ostatní imperfekce (vady): úchylka na začátku řezu, úchylka při děrování, nadměrně široká spára řezu, přerušený řez, spálení povrchu, rozměrová úchylka dle ISO 9013

18 Obr.: Natavení horní a spodní hrany řezu Obr.:Řetěz (řada) ztuhlých kapek (rozstřiku) ulpívající na horní/spodní hraně řezu Obr.: Převislá hrana řezu

19 Obr.: vada řezné hrany roztavení horní hrany Obr.: Vada řezné plochy konkávní řezná plocha/žlábek (pod horní hranou a nad dolní hranou) Obr.: Rozšíření šířky řezné spáry (mezery) na horní a dolní hraně řezu

20 Obr.: Úchylka řezného úhlu (odchylka kolmosti) Obr.: Konkávní (vydutá) plocha řezu Obr.: Nepravidelný/ zvlněný profil plochy řezu

21 Obr.: Nadměrný odklon skluzové rýhy/ nadměrné opoždění řezné stopy Obr.: Předbíhání řezné stopy Obr.: Místní úchylka řezné stopy

22 Obr.: Nadměrná hloubka řezné stopy a nepravidelná hloubka řezné stopy Obr.: Z leva do prava: izolované zápaly, skupina zápalů a skupina zápalů ve spodní části plochy řezu Obr.: Neúplné ukončení řezu

23 Obr.: Zvlněná plocha řezu Obr.: Ulpělá struska na dolní straně řezu a slepenec strusky na ploše řezu Obr.: Makrotrhlina na ploše řezu

24 Obr.: Přerušený řez ve směru hloubky řezu a přerušený řez ve směru řezání

25 1.13 Řezání, vrtání a další procesy přípravy hran 9/ ŘEZÁNÍ KYSLÍKEM 6.1. Základní charakteristika Historicky nejoblíbenější metoda tepelného dělení materiálu (kovů), vhodná pro nelegované a nízkolegované ocele. Lze řezat ručně, popřípadě ji lze mechanizovat i automatizovat. ezání kovu kyslíkem se vyznačuje vysokou rychlostí ve srovnání se strojním dělením materiálu např. na pásových pilách a s výhodou se používá zejména pro dělení velkých profilů pro ocelové stavební konstrukce a pro výpalky silných plechů, kdy je tento proces hospodárný a rychlý. Při CNC řízení lze provádět členité výpalky a lze-li hořák naklápět, dají se obrobit i zkosené svarové plochy. Při ručním řezání je potřeba poměrně jednoduchého vybavení svařovací autogenní soupravy vybavené vhodným řezacím hořákem. Proces lze jednoduše mechanizovat pro řezání lineárních řezů pomocí vozíku na vodící kolejnici. Běžně lze řezat oceli až do cca 300mm bez použití speciálních hořáků. Tím se liší od ostatních metod (plasmové a laserové), které se používají pro tloušťky mnohem menší. Plasmou lze řezat do tl. cca 50mm, laserem do tl. cca 25mm. Použitím speciálních hořáků lze řezat i větší tloušťky. Teplota kyslíko acetylénového plamene dosahuje 3150 C. Obr.: Princip metody řezání kyslíkem 6.2. Princip a podmínky Podstatou řezání kyslíkem je proces spalování železa (kovu) předehřatého na teplotu tavení kovu a jeho odstranění z místa řezu proudem kyslíku. Roztavené železo okamžitě oxiduje, vytváří tekuté oxidy, které jsou tlakem proudu kyslíky odnášeny z místa řezu a vzniká tak řezná mezera. Chemický proces řezání kyslíkem lze popsat následovně: Fe+0,5O 2 FeO+270,06kJ.gmol -1 2Fe+1,5O 2 Fe 2 O ,70kJ.gmo ol -1 3Fe+2,0O 2 Fe 3 O ,98kJ.gmol -1 (3Fe+2,0O 2 Fe 3 O 4 +6,69 kj/kg )

26 Svařování dále probíhá na vnějším kuželu plamene, kde se dodává kyslík ze vzduchu. Z rovnic vychází, že jde o exotermickou reakci s poměrně velkým vývinem tepla (tj. uvolňuje se teplo hořením kovu). Velké množství vznikajícího tepla pomáhá předehřívat materiál jak ve směru řezané tloušťky, tak ve směru vedení řezu a tím umožňuje spalování dalšího kovu. Na začátku řezání tak stačí provést ohřev jen malé části okolí řezacího hořáku na zápalnou teplotu k zahájení řezání. V průběhu řezání je již proces udržování průběžným ohříváním jak z předehřívací hubice tak z exotermické reakce. Teplota tavení pro běžnou ocel je v průměru cca 1425 až 1500 C (tzv. bílý žár) v závislosti od chemického složení, pro čisté železo je to cca 1538 C. Zápalná teplota Fe je 1155 C, se vzrůstajícím obsahem C se zvyšuje zápalná teplota na cca 1210 C při 0,25%C a 1230 při 0,9%C. Tj. telota zápalná je mnohem nižší než teplota tavení oceli. Oxidy vytékající z řezu, se skládají přibližně ze 75% FeO, 20 % Fe 2 O 3 a 5%Fe. Oxidy mohou být fáze pevné, kapalné a tuhé. Pro kvalitní řez požadujeme kapalné snadno odstranitelné oxidy. Pevné oxidy jsou obtížně odstranitelné (okuje, struska) a plynné oxidy znečišťují řezací kyslík a tím snižují výkon řezání. Kvalita kyslíku má vliv na rychlost řezání a zvýšení spotřeby plynu. Aby vznikal kvalitní řez, musí být teplota roztavených oxidů nižší než teplota tavení kovu a oxidy musí být dostatečně tekuté, aby šly vyfouknout kyslíkem z místa řezu. Obr.: Závislost zápalné teploty oceli na obsahu C 6.3. Základní podmínky hoření kovu (podmínky řezatelnosti): Zápalná teplota: Dosažení zápalné teploty, která musí být nižší nebo stejná, než teplota tavení (kov musí hořet, nikoliv se místně tavit). Uvolněné teplo: Exotermická reakce musí vyvíjet dostatek tepla na krytí ztrát tepla vodivostí kovu (vedením), zářením (sáláním a vyzařováním) tak, aby se udržovala původní teplota a reakce mohla

27 samočinně pokračovat. Z celkového tepla uvolněného během řezání (hořákem+exoterm.reakcí) připadá na nahřívací plamen 30% а 70% na teplo ze spalování (z exoterm.reakce). Teplota tavení: Teplota tavení oxidů (strusky) musí být nížší nebo rovna teplotě tavení kovu, aby bylo dosaženo plynulého vyfukování a odtékání oxidů vlivem proudu kyslíku. Tuto podmínku lze obejít u těžko řezatelných materiálů přidáváním prášku v podobě např. křemičitého písku, který sníží teplotu tavení oxidů pod teplotu tavení kovů. Dalším druhem prášku je kovový prášek, který zvyšuje exotermickou reakci, uvolní více tepla, které pomůže roztavit oxidy a následně je vyfouknout z řezu. Tohoto principu prášků je využíváno u práškových hořáků pro řezání litiny, korozivzdorných ocelí, slitin mědi a niklu. Obsah legur s vlivem na zakalitelnost: Řezaný materiál nesmí mít vysoký obsah legur vedoucí k vysoké prokalitelnosti a vzniku zákalných struktrur (Mo, W, Ni aj.) nebo legur bránících řezání (C, Cr, Si aj.) Materiály vhodné k řezání S ohledem na výše uvedené podmínky lze úspěšně řezat nelegovanou a nízkolegovanou ocel která ještě nevyžaduje předehřev. U nelegovaných a legovaných ocelí je nutné v případě vyššího Cekv použít předehřevu, aby se zabránilo vzniku zákalných struktur a tedy i riziku vzniku trhlin. Různé prvky mají různý vliv na řezatelnost. Vedle chemického složení kovu se na řezání podílí i vliv čistoty kyslíku, čistoty materiálu a jeho teplota. Rovněž vnitřní jakost materiálu má vliv na kvalitu řezu. Struskové vměstky, lunkry, vydroleniny aj. vnitřní vady způsobují přerušování plynulosti řezu a další vady s tím spojené. Uhlík C V praxi jde o oceli do obsahu C max. 1,6%, viz. diagram vlivu obsahu C. Při obsahu C nad 0,3% dochází ke vzniku zákalných struktur (kalení) vedoucí k výskytu trhlin, dle potřeby pak musí být buď materiál předehříván, aby k tomu nedocházelo, nebo musí být ovlivněná zóna odstraněna obráběním. Některé materiály jsou řezatelné jen za určitých podmínek, jsou to většinou vysoce legované oceli a litina, teplota hoření stoupá s obsahem uhlíku. Teplota tavení klesá, i když je bod tavení oxidů kovů o něco vyšší než bod tavení základního materiálu. Tyto materiály vyžadují speciální řezací hořáky. Proces nelze použít na litinu, lehké kovy, měď, nikl apod. z důvodu nízké teploty jejich tavení. Litiny a mědi (mosazi) lze řezat plamenem s použitím speciálních hořáků s přidáváním kovového prášku. Přidání prášku rovněž slouží k umožnění řezání velkých tloušťek nad 300 mm až do 2000mm. Mangan Mn Obsahuje každá ocel. Do obsahu cca 14% nemá vliv na řezatelnost. Křemík Si V objemu běžném v ocelích, tj. do cca 0,35% nemá negativní vliv na řezání. Větší obsah vede ke vzniku oxidů a značně zhoršuje řezatelnost. Fosfor P a síra S V množství běžném v ocelích nemá vliv. Chrom Cr Obsah Cr do 5% snižuje tekutost oxidů. Při vyšším obsahu již podíl oxidů znemožňuje řezání. Nikl Ni

28 Obsah nad 7% znemožňuje řezání Molybden Mo Do 1,5 % nemá vliv. Vyšší obsah zhoršuje řezání Používané hořlavé plyny Pro ohřev se používají různé typy hořlavého typu, zejména však acetylénu. Z níže uvedených tabulek dává acetylen nejoptimálnější výsledky z pohledu technických parametrů a ekonomiky provozu. Dává rychlý náhřev s vysokým výkonem a teplotou plamene. Ostatní plyny jsou výhodné, pokud je možné je např. zajistit z místních zdrojů. Používají se zejména tyto hořlavé plyny: Acetylén Propan butan (polypropylen) Metan a další uhlovodíkové směsi Acetylén Je to hořlavý bezbarvý nejedovatý plyn se specifickým zápachem. Je to nejpoužívanější hořlavý plyn pro plamenové svařování a řezání kyslíkem a to pro své výhody: vysokou teplotu hoření, vysokého výkonu (až kj/m 3 ) daného jeho výhřevností a rychlostí hoření. Pro neutrální plamen je směšovací poměr 1 až 1,1:1, rychlost hoření v závislosti na obsahu kyslíku je 90 až 200 m/s. Plamen je soustředěn na malé místo, vzniká užší teplem ovlivněná oblast ve srovnání s dalšími plyny. Pozor: Acetylen nelze stlačovat, neboť pak při dosažení tlaku 0,2 MPa dochází k jeho rozkladu, dalšímu zahřívání a hrozí nebezpečí exploze. Tlakové lahve obsahují porézní hmotu, která je napuštěna acetonem, ve kterém je acetylen rozpuštěný a tím lze lahve plnit na tlak 1,5 MPa. Provozní teplota lahve nemá překročit 50 C, pak dochází k samovolnému rozkladu. Obr.: Schéma výroby acetylenu

29 Charakteristika a druhy plamenů (zdroj GCE) Plyn Max.teplota plamene [ C] Kyslíkový plamen Neutrální plamen Poměr kyslík/palivo Neutrální plamen Výhřevnost [MJ/m 3 ] Vodík H ,36 10,758 Metan, zemní plyn (CH 4 ) ,6 31,814 Acetylen (C 2 H 2 ) ,1 56,93 Ethylen (C 2 H 4 ) ,8 55,674 Propylen ,8 89,999 Propan (LPG propan butan C 3 H 8 /C 4 H 10 ) ,75 93,557 Obr.: Směšovací poměr některých plynů dle ISO 5172

30 Obr.: Závislost vlastností plamene od použitého hořlavého plynu údaje pro svařování plamenem (zdroj: Linde)

31 Obr.: Rychlost hoření plamene různých plynů (Linde)

32 Obr.: Ekonomické parametry řezání kyslíkem (Linde)

33 Obr.: Poměr výkonu na směšovacím poměru a druhu plynu 6.6. Používaný druh plamene: Pro předehřívání se nastavuje na řezacím hořáku neutrální plamen, který nezpůsobí nauhličení. Obr.: Princip rozložení teplot při svařování kyslíko acetylénovým plamenem

34 Obr.: Druhy plamene při svařování Obr.: Druhy plamene: Shora dolů - oxidační, neutrální a nauhličující

35 6.7. Postup řezání kyslíkem Základní postup ukazuje následující obrázek. Mezikružím předehřívací hubice 1 okolo řezací hubice 2 proudí směs acetylenu a kyslíku, která se zapálí a nastaví se optimální předehřívací plamen neutrální. Nejvyšší teploty směsi acetylen/kyslík 3200 C se dosáhne při oxidačním plameni. Použití jiných plynů vede ke snížení této teploty až na cca 2500 C u metanu či propanbutanu. Začátek řezu je nutné předehřát na cca 900 C (bílý žár). Vzdálenost hubice od řezaného materiálu musí být nastavena na optimální hodnotu s ohledem na řezanou tl.. Pro tenké materiály do tl. 10 mm je nastavení 2 4mm. Pro větší tl. hodnota nastavení roste. Následně se otevře přívod řezacího kyslíku (ovládání je buď ventilem s kolečkem nebo ventilem s páčkou). Řezací kyslík proudí otvorem v řezací hubici, která je umístěna uvnitř nahřívací hubice. Proudem řezacího kyslíku dochází k prudkému vypalování a vyfukování spáleného materiálu z řezné spáry 3. Struska je tak odstraňována proudem kyslíku z řezu a částečně ulpívá na spodní straně řezu 4. Při zahájení řezu se postupuje opatrně a pomalu, aby nedošlo k nadměrnému rozstřiku a nekontrolovanému tavení materiálu. Po zahájení odtavování se sleduje, až dojde k protavení a vyfouknutí oxidů v celé tl. Až poté je možné zahájit posuv hořáku. V opačném případě dojde k neprotavení. K neustálému pokračování je potřeba neustále dodávat vnější teplo předehřívající materiál, neboť exotermická reakce nestačí. Nahřívací plamen tak musí být v chodu po celou dobu řezání a dodává cca 30%potřebného tepla. Exotermická reakce dodává cca 70% potřebného tepla. Z celkového množství tepla je část odváděna do okolí sáláním a zářením. Nahřívací plamen předehřívá místo řezu 5 a okolí řezu 6. Teplota plamene však postupně klesá směrem od hořáku. Obr.: Princip řezání kovů Proud řezacího kyslíku vyfukuje vzniklou strusku z řezu a přebytečnou strusku vytlačuje na svoji spodní stranu a okolí řezacího proudu do zadu. Vlivem povrchového napětí strusky dochází k vytvoření zvlněného vzhledu řezu, v horní části je minimální, v dolní části řezu je již znatelné. Vzniká tak charakteristický vzhled řezu (řezné stopy ve smyslu terminologie ISO), který by při správné technologii neměl vykazovat natavení, vruby, nerovnoměrnosti. Vznikají-li nadměrné vlny a rýhy na povrchu, jde o znak nevhodné rychlosti (zpoždění řezu vlivem příliš vysoké rychlosti

36 posuvu hořáku) anebo znečištěním povrchu materiálu, případně nevhodně seřízeným plamenem a tlakem kyslíku. Mírná stopa zpoždění řezu Z je normální, pokud jsou nastaveny optimální parametry svařování a rovnoměrná rychlost řezání. Rozdíl Z by neměl být nad 10% tloušťky řezaného kovu. U menších tlouštěk by stopa zpoždění měla bit neznatelná. Obr.: Vznik vln a rýh Při ručním řezání se provádí vedení hořáku buď ručně volným vedením, nebo s pomocí různých přípravků a šablon usnadňujících vedení. Před řezáním se provádí orýsování, vhodné je používat mastek nebo vhodný marker pro označení řezu.

37 1.13 Řezání, vrtání a další procesy přípravy hran 9/2016 TE CH NO LO GY Obr.: Příklady přípravků pro ruční vedení řezacího hořáku Obr.. Přípravky pro řezání proniků trub ručně AF T SV AR O X Řezání profilové oceli ukazují následující obrázky. Vedou se jednotlivé řezy dle naznačené posloupnosti. Řezat lze i kruhové profily tyče, trubky apod Parametry řezání kyslíkem DR Seřízení plamene Plamen musí dávat dostatečné teplo k rychlému nahřátí začátku řezu, ale nesmí znečišťovat povrch řezu při nejvyšší rychlosti řezání dané tloušťky materiálu. Po zapálení se nejdříve seřídí předehřívací plamen jako neutrální. Protože po otevření řezacího kyslíku často dojde ke změně charakteru předehřívacího plamene vlivem změny poměru míšení hořlavého plynu s kyslíkem, plamen často přejde do nauhličujícího plamene. Je proto nutné po prvním seřízení předehřívacího plamene pustit řezací kyslík a opět za proudění řezacího kyslíku seřídit

38 předehřívací plamen. Nastaví se takový plamen, aby nebyl karburační ani příliš ostrý, který by natavoval horní hranu řezu. Nedostatečně teplý plamen zase může způsobovat přerušování řezu. Pozor: šikmé řezy odvádí více tepla a vyžadují při stejné tloušťce teplejší plamen. Tenké plechy a profily zase vyžadují méně tepla. Nastavení hořáku tak vyžaduji určitou praxi. Nastavení tlaku Součástí správného nastavení plamene je nastavení tlaku redukčních ventilů a použití odpovídajícím průměru díry řezací hubice. Přesné hodnoty by měly být součástí dokumentace výrobce k danému hořáku. Následující tabulka uvádí orientační hodnoty nastavení tlaku kyslíku v závislosti na řezané tloušťce. Tloušťka [mm] Tlak [kpa] 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6,5 7,5 9 10,5 Nadměrný tlak zvyšuje hrubost řezu a šířku řezné spáry/ mezery, dále snižuje teplotu plamene. U tuzemských hořáků pro řezání oceli do tl.30mm se pro hubici průměru 1,2 mm uvádí rozsah nastavení tlaku kyslíku mezi 2 až 4 kpa. Naopak nízký tlak vede ke zpomalení rychlosti řezání a riziku neprotavení celé tloušťky a natavování horní hrany řezu. Pro danou tloušťku materiálu je tedy dolní a horní mez řezné rychlosti, kdy dosahujeme vyhovující kvality řezu. Šířka mezery závisí na tlaku a na velikosti průměru díry řezacího hořáku. Vzdálenost hubice s tryskou od materiálu Vzdálenost hubice hořáku od řezaného materiálu je dána místem s nejvyšší teplotou plamene. Nejteplejší část plamene u acetyléno-kyslíkového plamene je cca 2 až 4 mm od ústí hubice a mění se v závislosti od velikosti nahřívacího plamene. Hubice příliš nízko umístěná natavuje horní hranu řezu a znečišťuje hubici rozstřikem. Vysoká hubice prodlužuje dobu nahřevu, zhoršuje přesnost výpalku. Tloušťka řezu [mm] Nad 300 Vzdálenost hubice [mm] Obvyklé hodnoty řezacích hořáků tuzemské výroby (R3, U3, apod.) uvádí následující tabulka. Rychlost řezání Tl. řezané oceli [mm] Řezací hubice (označení) Nahřívací hubice (označení) Tlak kyslíku Tlak [kpa] 1, ,5 4,5 7,5 6,5-10 Rychlost řezání je dána výběrem hubic, tlakem kyslíku a tím velikostí a výkonem plamene a závisí na tloušťce řezaného materiálu. Optimální rychlost se vyhodnotí na základě vizuální kontroly stavu řezu a charakteru stop na ploše řezu a ohodnocení hran řezu. Při optimální rychlosti je zpoždění řezu do 10% řezané tloušťky.

39 Obr.: Závislost šířky mezery na řezané tloušťce a) výstup řezacího kyslíku b) průměrná šířka dělící spáry/ mezery v závislosti na tl. c) vliv tlaku kyslíku na tvar a šířku mezery

40 7. ZAŘÍZENÍ PRO ŘEZÁNÍ KYSLÍKEM 7.1. Svařovací soupravy Vychází ze zařízení pro svařování plamenem, někdy nazývané autogenní souprava. K soupravě je dále potřeba tlakových lahví s kyslíkem a hořlavým plynem. V minulosti se používal jako zdroj acetylénu vyvíječ z karbidu. Zařízení se odlišuje pouze hořákem. Souprava se skládá z tlakových lahví, hadic, redukčních ventilů a sady svařovacích hořáků. Součástí soupravy musí být i pojistka proti zpětnému šlehnutí plamene (suchá předloha) a vhodný nosič lahví (vozík). Součástí sady zpravidla bývá i řezací hořák pro běžné tloušťky do 300mm. Obr.: Pohled na autogenní svařovací soupravu, sadu hořáků a redukční ventily 7.2. Redukční ventily Redukční ventil přeměňuje vysoký a proměnlivý tlak v tlakové lahvi na nízký stálý tlak. Kyslíkový ventil se připojuje pomocí převlečné matice se závitem W 21,8 x ¼ (shodná se závity u kyslíkových lahví) a acetylénový ventil se připevňuje pomocí třmenu. Obr.: Kyslíkový a acetylénový redukční ventil

41 1.13 Řezání, vrtání a další procesy přípravy hran 9/2016 Obr.: Řez redukčním kyslíkovým ventilem a grafické znázornění hystereze Vysokotlaký plyn proudí do vysokotlaké části redukčního ventilu přímo z tlakové lahve přípojkou. Vysokotlaký manometr na vstupní straně (vysokotlaké) ukazuje aktuální tlak v lahvi. K nastavení tlaku se otáčí regulačním šroubem umístěným ve spodní části ventilu. Jeho zašroubováním působíme na membránu skrze pružinu a tím dochází k nadzvedávání škrtíci kuželky. Tím dojde k proudění plynu do nízkotlaké části a nízkotlaký manometr ukáže nastavený výstupní tlak. Tím, jak se naplní nízkotlaký prostor nad membránou, dochází působením tohoto tlaku na plochu membrány k jejímu posunu směrem dolů, až kuželka uzavře přívod vysokotlakého plynu. Při odběru plynu opět tlak nízkotlaké části začne klesat, otevře se kuželka a začne proudit vysokotlaký plyn. Tento proces se neustále opakuje a dochází tak k regulaci tlaku plynu. Parametry acetylénového a kyslíkového redukčního ventilu GCE Výstupní tlak [bar] Vstupní tlak [bar] Jmenovitý průtok [l/min] Připojení výstupu Připojení vstupu Acetylénový redukční ventil Kyslíkový redukční ventil 1, G 3/8 G ¼ Třmen W 21,8x1/14 Protože každý regulační systém má svoji hysterezi (je označení pro takové chování dynamického systému, kdy výstupní veličina nezávisí jen na nezávisle proměnné vstupní veličině, ale i na předchozím stavu systému, tzv. paměťový efekt systému), není tlak plynu naprosto dokonalý, ale dochází k jeho mírné pulsaci. Ještě horší stav nastává při opakovaných přerušování odběru, které vytváří tlakové špičky a tím způsobují nadměrnou spotřebu plynu. Existují některá zařízení k optimalizaci těchto špiček, zejména pro použití při svařování, kde je přerušování procesu a talkové špičky velmi časté. Použití takovéto optimalizace vede ke značným úsporám ve spotřebě plynu.

42 Obr.: Příklad redukčního ventilu s optimalizací tlakových špiček (nahoře Migatronic a ESAB, dole GCE)

43 7.3. Druhy řezacích hořáků Podle způsobu, jakým se směšuje plyn a kyslík (systém směšování) pro předehřívací plamen, existují systémy hořáků dle ISO 5172: nízkotlaký hořák, kde tlak hořlavého plynu před směšovací komorou jenižší než tlak směsi mezi komorou a hubicí. Použití zpravidla pro ruční řezání. vysokotlaký injektorový hořák, kde tlako obou plynů před směšovací komorou jevyšší než tlek směsi mezi komorou a hubicí. Směs se vytváří ve směšovací komoře. Tlakové řezací hořáky se používají hlavně pro automatické řezací stroje. rovnotlaký hořák, kde tlak hořlavého plynu a kyslíku měřený bezprostředně před směšovacím místem je stejný, ale je vyšší než tlak směsi měřený mezi směšovacím místem a hubicí Podle způsobu regulace průtoku rozlišujeme: Hořák s neměnným průtokem Hořák s proměnnými průtoky Hořák s proměnnými průtoky nastavitelnými seřízením injektoru Hořák s proměnnými průtoky regulovanými změnou tlaku Hořák s proměnnými průtoky regulovanými výměnou svařovacích, ohřívacích nebo řezacích nástavců Podle umístění směšovače: Hořák se směšováním v hořáku Hořák se směšováním v hubici Řezací hořáky jsou oproti svařovacím hořákům doplněny o přívod řezacího kyslíku. Kyslík je do hořáku veden jednou hadicí a v hořák use rozděluje do dvou cest. Jedna vede k vytvoření předehřívacího plamene a druhá vede samostatnou trubkou do řezací hlavy. Hlava obsahuje řezací a nahřívací trysku, v případě dělených trysek (minulost, již nepoužívané) anebo jednu společnou trysku, která se používá dnes. Pro řezání se v zásadě používají dva typy hořáků: a) směšování plynů přímo v hubici hořáku b) směšování plynů v injektoru (u tuzemského typu U7)

44 U injektorového typu je levnější výroba řezací hubice a také je bezpečnější s ohledem na nižší riziko zpětného šlehnutí při přisávání hořlavého plynu kyslíkem. Injektorový typ je nejpoužívanější jak pro ruční tak strojní řezání. Směšovací typ se používá pro svařování. Je u něj vysoké riziko zpětného šlehnutí, neboť zde nedochází ke zhasnutí plamene. Dále existují speciální hořáky s přidáváním prášku pro řezání litin, ocelí s vysokým obsahem C, mědi a jejích slitin. Dalším speciálním hořákem je tzv. kyslíkové kopí používané zejména ve slévárnách k dělení velkých kusů materiálu a propichování otvorů. Obr.: Injektorový (vlevo) a rovnotlaký (vpravo)směšovač

45 Obr.: Typy hubic dle ISO Z leva do prava: mezikruhový typ (směšování před hubicí), drážkovaná hubice (směšování v hořáku), hubice s plochými drážkami (směšování v hořáku). Obr.: Vlevo bloková hubice (směšování v hořáku), vpravo hubice se směšováním v hubici

46 Obr.: Princip injektorového svařovacího hořáku Obr.: Schéma řezacího hořáku injektorového typu

47 Obr.: Příklady řezacího hořáku injektorového Obr.:Nejběžnější tuzemský řezací hořák RN7 s rukojetí

48 Obr.. Příklad svařovací soupravy tuzemské výroby injektorového typu RN7 (GCE)

49 Obr.: Princip směšovacího hořáku Obr.: Řez směšovacím hořákem Obr.: Příklad řezacího hořáku se směšováním v hubici viz. třítrubkové vedení plynů do hubice

50 7.4. Řezání kyslíkem s přidáváním prášku Použití: Řezání materiálů, které nesplňují podmínky řezání kyslíko plynovým hořákem, jako jsou litiny, měď a její slitiny, nikl, vysokolegované korozivzdorné oceli Vybavení: Je potřeba speciální soupravy hořáku a zásobníku prášku. Zásobník v podobě cyklonu se napojuje na rozvod stlačeného plynu. Obr.: Schéma soupravy na řezání kyslíkem s přidáváním prášku

51 Obr.: Ruční hořáky s přidáváním prášku Obr.: Pohled na strojní práškové řezací hořáy

52 Obr.: Příklad zásobníků s cyklonem na podávání řezacího prášku (pohon stlačeným vzduchem) Obr.: Pohled na řezání dlouhého profilu kyslíkem a pohled na šikmý řez kyslíkem

53 7.5. Kyslíkové kopí Obr.: Schéma pracoviště s kyslíkovým kopím Obr.: Pohled na práci s kyslíkovým kopím

54 Obr.: Rukojeť kyslíkového kopí Obr.: Hořák kyslíkového kopí

55 7.6. Porovnání nákladů Níže je tabulka, porovnávající náklady mezi strojním (CNC) dělením kyslíkem jedním až 4 hořáky a dělením plasmou při svařovacích proudech 130 až 450 A. Svislá osa uvádí náklady na součást v dolarech. Vodorovná osa uvádí tloušťku nelegované oceli v palcích. Z tabulky je zřejmá úspora při použití řezání kyslíkem pro materiály větších tloušťek od cca 30mm (1,25 palce) Obr.: Porovnání nákladů na řezání plasmou a kyslíkem (ESAB)

56 7.7. Aplikace řezání kyslíkem Ruční řezání Obr.: Ruční řezání kyslíkem lineárních řezů Obr.: Ruční řezání kyslíkem použití řezacího kružítka

57 7.8. Mechanizace řezání Přenosné kyslíkové řezací stroje lze použít jak pro acetylen tak pro PB. S výhodou se používají při výrobě větších svařenců z deskových méně členitých dílů kotlů, lodí, stavebních konstrukcí, dopravní techniky. Hlavní technické údaje RS 131: Tloušťka řezaného materiálu 1 hořákem Tloušťka řezaného materiálu 2 hořáky Rozsah řezných rychlostí Pracovní délka s dodanou pojížděcí dráhou Šířka řezaných pásů Průměr řezaných kruhů Vstupní napětí Celkový příkon max Tlak kyslíku maximální Tlak acetylenu Hmotnost stroje Hmotnost stroje s příslušenstvím Obr.: Řezací stroj GCE RS mm 3-100mm V 30W 9,0bar 0,2-1,0bar 19,0kg 54,0kg

58 Obr.: Řezací stroj GCE RS 131 a RS OM A Technické údaje RS OM A: Tloušťka řezaného materiálu mm Vstupní napětí 24 V Příkon maximální 50 W Výška 300 mm Šířka 300 mm Délka 460 mm Příčný posun suportu 170 mm Hmotnost stroje 9,2 kg Hmotnost stroje s příslušenstvím 15,7 kg

59 Obr.: Řezací stroj GCE IMP s hubicí A MD Parametry GCE A MD Tloušťka řezaného materiálu mm Rozsah řezných rychlostí mm/min Vodící dráha standardní 2 m Šířka řezaných pásů mm Průměr řezaných kruhů mm Vstupní napětí 200V Celkový příkon max 60W Hmotnost stroje 9 kg

60 Obr.: Mechanizované řezání kyslíkem s pomocí pojezdového vozíku různé modely

61 Obr.: Příklad mechanizace pro kruhové výpalky s možností naúkosování

62 7.9. Úkosování a příprava svarových hran Obr.: Detailní pohled na současné dělení i obrábění svarových ploch kyslíkovými řezacími hořáky s CNC řízením

63 Obr.: Řezání svarové plochy kyslíkovým hořákem

64

65 Obr.: Příklady mechanizace úkosování potrubí Obr.: zařízené pro kopírování pomocí jednoduché šablony s elektrickým pohonem pojezdu

66 Obr.: Příklady stroje na úkosování potrubí, fa Mathey USA. Vlevo s ručním pohonem, v pravo řetězový pojezd, dole motorový pojezd s vedením

67 Obr.: Příklad CNC automatizace řezání průniků potrubních dílů, fa Mathey USA Obr.: Řezací stroje pro velké tlakové nádoby s CNC 3D řízením

68 7.10. Automatizace, robotizované CNC řezání kyslíkem Automatizované systémy CNC řezání lze rozdělit na mobilní a nepřenosné. Mobilní systémy jsou vhodné pro malé provozovny a menší rozměry výpalků. Dále jsou systémy děleny dle použitého řezacího procesu. Některé stroje umožňují použití kombinací procesů, zpravidla kyslíkového autogenního procesu a procesu plazmového. Dalším rozhodujícím parametrem je velikost stroje která určuje maximální vnější rozměr plechu, který lze řezat. Zásadním rozdílem mezi plazmou a autogenním řezáním je limitní řezaná tloušťka, která u plazmy dosahuje běžně 20 mm, výjimečně až 25 mm. Dále pak řezná rychlost, která u plazmy značně převyšuje rychlost kyslíkového řezání. Značné ztráty u autogenního řezání způsobuje nutnost náhřevu. Obr.: Příklad kombinovaného stroje pro autogenní a plazmové řezání Obr.: CNC řezání kyslíkem na velkých stabilních strojích

69 Obr.: CNC mobilní řezací stroj ZYNC CNC řezací stroj ZYNC je mobilní řezací CNC automat s možností řezání plazmovým obloukem a autogenním plamenem. Pro plazmové řezání je vybaven automatickým zdvihem plazmového hořáku THC (torch head controller). Tato funkce neustále snímá napětí na oblouku plazmy a zajišťuje konstantní vzdálenost hořáku od řezaného materiálu. CNC ZYNC je navržen k řezání všech rovinných útvarů a různých obrazců. CNC ZYNC je zařízení, které nevyžaduje stabilní pracoviště, je relativně mobilní, nenáročné na údržbu a obsluhu. Díky cenové dostupnosti je CNC ZYNC určen především pro malé a střední výrobní firmy, kde je nutná flexibilita, nízká pořizovací cena a spolehlivost.

70 Obr.: CNC mobilní řezací stroj ESAB Crosbow s plazmovým a kyslíkovým hořákem ESAB Crossbow je CNC řezací stroj v kompaktním provedení, přenosný a ekonomický. Automatizované funkce a plně integrované, uživatelsky přívětivé prostředí, poskytuje univerzální plazmové nebo autogenní řezání. Přesné vodící koleje zajišťují stabilní pohyb portálu Crossbow a plnou podporu pro řezací hořák. Jednoduché rozhraní obsluhy s menu je intuitivní pro snadné zaškolení a obsluhu. Zabudovaný CNC systém používá jednoduché příkazové menu, a umožňuje výkonné skládání požadovaných tvarů a následné řezání. CNC systém je vybaven USB portem pro snadný přenos podkladů připravených mimo zařízení na PC. Integrovaná knihovna 24 tvarů umožňuje rychlé vytváření běžných dílů přímo na stroji bez programování Pro plazmové řezání je ESAB Crossbow vybaven automatickým zdvihem plazmového hořáku THC (torch head control). Tato funkce neustále snímá napětí na oblouku plazmy a zajišťuje konstantní vzdálenost hořáku od řezaného materiálu ESAB Crossbow je navržen k řezání všech rovinných útvarů a různých obrazců. Nevyžaduje stabilní pracoviště, je relativně mobilní, nenáročný na údržbu a obsluhu. Je ideální pro přenosné použití ve velkých podnicích nebo na stavbách, malých dílnách, opravnách, nebo ve školních laboratořích.

71 8. STROJNÍ TŘÍSKOVÉ OBRÁBĚNÍ V technické praxi je poměrně značně rozšířeno i třískové obrábění mechanizované nebo ruční. Na trhu je široké množství různých verzí těchto zařízení. Základní rozdělení: - obrábění plochých dílů - obrábění potrubí a skořepin tlakových nádob Pro ruční obrábění plochých polotovarů a dílů je používáno zpravidla elektrických ručních úkosovacích zařízení s obráběcím nástrojem ze slinutých karbidů. Obr. Příklad úkosovacího zařízení pro ploché polotovary Obr.: Příklad úkosovacího zařízení s pojezdovým vozíkem

72 Obr.: Frézovací nástroj úkosovacího zařízení Pro obrábění potrubí jsou používány různé typy úkosovacích zařízení, která se upínají buď za vnitřní průměr obráběné trubky, nebo u moderních strojů pro větší průměry za vnější průměr. Nejčastěji je jako pohon použit elektromotor, pneumatický motor, nebo hydraulický motor. Stroje upínané za vnitřní průměr neumožňují zpravidla provádět tzv. vnitřní kalibraci úkosu, která se pak musí obrobit ručně. Stroje se používají až do průměrů okolo cca 500mm. V případě větších průměrů a nebo když je potřeba provést oddělení dvou trubek upíchnutím, používají se úkosovací zařízení upínaná za vnější průměr. Obr.: Porovnání dvou principů úkosovacích zařízení potrubí. Vlevo upínání za vnitřní průměr, vpravo upínání za vnější průměr trubky.

73 Obr.: Schéma funkce úkosovacího zařízení s upínáním za vnitřní průměr

74 Obr.: Příklad úkosovacího zařízení pro upnutí na velkém vnějším průměru trubky

75 Obr.: Příklad úkosovacího zařízené pro upnutí na vnějším malém průměru trubky, vhodné např. pro výrobu kotlů Obr.: Příklad ručního elektrického a pneumatického úkosovacího zařízení pro upínání za vnitřní průměr potrubí

76 Obr.: Příklad úkosovacího zařízení větších průměrů potrubí s upínáním za vnitřní průměr

77 Obr.: Příklady obráběcích nástrojů pro úkosovací zařízení pro potrubí upínané za vnitřní průměr potrubí Obr.: Příklad velkého stabilního strojního úkosovacího zařízení pro potrubní díly

78 [1] ČSN EN ISO 9013 Tepelné dělení Klasifikace tepelných řezů Geometrické požadavky na výrobky a úchylky jakosti řezu

79 [2] ČSN EN ISO Svařování Vady při řezání kyslíkem, laserem a plasmou Terminologie [3] ČSN EN Vady při řezání kyslíkem, laserem a plasmou - Terminologie [4] ČSN N ISO 4063 Svařování a příbuzné procesy Přehled metod a jejich číslování [5] ČSN EN ISO 5172 Zařízení pro plamenové svařování Hořáky pro svařování, ohřívání a řezání Specifikace a zkoušky [6] ISO , 2, 3

80