Tepelné dělení materiálů

Transkript

1 Tepelné dělení materiálů Stručný úvod do řezání kyslíkem, plazmou a laserem Ing. Tomáš Zmydlený, IWE

2 Cíl přednášky Představit metody tepelného dělení Předvést teorii metod tepelného dělení Upozornit na vývoj a budoucnost metod Předvést praktické aplikace a ukázky

3 Úvod Chemie Fyzika Metalurgie Základní rozdělení metod tepelného dělení lze sestavit podle zdroje tepla a tepelného toku: Plamen vzduch - palivo Elektrostruskové svař. acetylenový plamen aluminotermické svař. Obloukové svařování Odporové svařování, řezání kyslíkem Elektronový a laserový paprsek Třením W cm -2

4 Metody tepelného dělení kovů stručný přehled Řezání kyslíkem (81) Oxygen Cutting OC Řezání kyslíkem Kyslíkové kopí Chemickým proudem Řezání elektrickým obloukem (82) Arc Cutting - AC Plazmové řezání (83) Plasma beam cutting PBC Řezání uhlíkovou elektrodou Air Carbon Arc Cutting - AAC Další metody Laserové řezání (84) Laser beam cutting - LBC Elektronový paprsek Electron beam cutting - EBC

5 Historie řezání kyslíkem stručná historie řezání kyslíkem 1888 Thomas Fletcher první komerční využití kyslíku. Spalování ocelové trubky v kyslíku První acetylénový hořák pro svařování a řezání John Harris patentoval první hořák 1920 Řezací hořáky mají design podobný dnešním 1941 patentován držák na tři hořáky, pro úpravu svarových ploch byl patentován princip známý dnes jako: kyslíková košilka 1980 firma Broco Inc. vyvíjí a patentuje nová zařízení pro kyslíkové kopí 90. léta 20 století, díky intenzivnímu vývoji řezacích a nahřívacích hubic se zvyšuje řezná rychlost o 20% 21. století Přichází metody jako LASOX

6 Plyny používané při řezání kyslíkem Kyslík O 2 Acetylen C 2 H 2 Propan C 2 H 3 MAPP C 3 H 4 Etan C 2 H 6 Propylen C 3 H 6 Obchodní názvy Appachi Grieson HGX Vodík H 2 Zemní plyn CH 4

7 Kyslík O 2 Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu. Zkapalněný má namodralou barvu. Atomy kyslíku jsou nestálé a slučují se dalšími atomy na molekuly O 2, nebo s atomy jiných prvků za vzniku sloučenin (oxidů). Kyslík má druhou největší elektronegativitu a patří tak k nejsilnějším oxidačním činidlům. Reakce látek s kyslíkem - Oxidace probíhá při běžných teplotách pomalu (dýchání, koroze) za vývinu tepla. Za vyšších teplot se rychlost oxidace podstatně zvyšuje a reakce se stávají prudce exotermické. Prudká reakce látek s kyslíkem provázená tepelným a světelným zářením nazýváme Hoření. Pro aplikace řezání kyslíkem je podmínkou vysoce čistý kyslík (min. čistota 99,5% optimálně však 99,95)

8 Acetylen C 2 H 2 Max teplota plamene 3162 C Teplo primárního plamene 19 MJ m -3 Teplo sekundárního plamene 36 MJ m -3 Celkové teplo 55 MJ m -3 Rychlost hoření v kyslíku 6,9 m s -1 Výbušný limit na vzduchu 2,5 80% Zápalná teplota 296 C Porézní hmota MI Linde Technoplyn a.s.

9 Propan C 3 H 8 Max teplota plamene 2826 C Teplo primárního plamene 10 MJ m -3 Teplo sekundárního plamene 94 MJ m -3 Celkové teplo 104 MJ m -3 Rychlost hoření v kyslíku 3,7 m s -1 Výbušný limit na vzduchu 2,3 9,5% Zápalná teplota 450 C

10 Řezání kyslíkem Princip metody Předehřátí malé plochy materiálu na zápalnou teplotu (pro ocel C) Spuštění řezacího kyslíku zahájí exotermickou oxidaci, vývin oxidů viz dále Reakce vyvíjí dostatek tepla pro pokračování řezu Odstraněním oxidů proudem řezacího kyslíku vzniká řezná spára, která rozděluje materiál

11 Teorie řezání kyslíkem podmínky řezatelnosti 1. Teplota tavení kovu musí být vyšší než jeho zápalná teplota. 2. Teplota tavení oxidů kovu musí být nižší než teplota tavení kovu. 3. Vznikající oxidy musí být řídce tekuté. 4. Kov, který se řeže nesmí mít vysoký obsah legur zvyšujících kalitelnost (Mo, W, Ni aj.), nebo které brání řezání (C, Cr, Si, aj.) 5. Tepelná vodivost kovu nesmí být příliš vysoká. 6. Množství tepla, které se při spalování uvolňuje musí být dostatečné pro udržení reakce. (Při řezání uhlíkové oceli se získává reakcí Fe + O 2 70% celkového tepla)

12 Řezání kyslíkem Oxygen Cutting - OC Metoda je použitelná pro konstrukční uhlíkové oceli s obsahem C do 1,2 % Dosahované rychlosti řezání: tl mm 600 mm min -1 tl mm 450 mm min -1 tl mm 150 mm min -1 Max. řezatelná tloušťka komerčně dostupným zařízením je 300 mm. Při speciální úpravě lze však řezat až do tloušťky 2000 mm.

13 Řezání kyslíkem a jeho použití Řezání kyslíkem se používá v mnoha odvětvích obvykle tam, kde klasické metody selhávají nebo jsou příliš pomalé. Strojírenství příprava svarových ploch Metalurgie dělení odlitků Demoliční práce řezání železobetonu Záchranné akce odstraňování sutin Námořní aplikace, aplikace pod vodou

14 Model oxidace Fe + O 2 v oblasti řezné spáry O 2 O 2 + Q Fe 3 O 4 FeO Fe 2 O 3 Fe FeO FeO Fe - tekuté FeO

15 Teplo uvolněné exotermickými reakcemi Reakce železa s kyslíkem Fe 1 O FeO H H Fe 2O Fe O H H 1121 kj Fe 3 O Fe O H H Spalování acetylenu 2C H O 4CO 2H H - H 663 kj st 1st mol 4CO 2H O 4CO 2H O H - H 1257 kj kj mol mol kj mol nd 2nd mol

16 Struska a její složení Z řezné spáry odchází tavenina složená částečně z oxidů (60 70 %) a částečně z neoxidovaného železa (30 40 %). Složení oxidické části: FeO % Fe 2 O 3, Fe 3 O % O Fe

17 Řezná rychlost [mm/min] Rychlost řezání v závislosti na čistotě kyslíku 800 Tloušťka materiálu mm 20 mm 50 mm , , , , , ,5 Čistota kyslíku [%]

18 Řezatelnost oceli vliv prvků na řezatelnost 1. část Al C Cu Cr Mn Mo Při výrobě oceli se používá k redukci kyslíku. Nemá vliv na řezatelnost oceli do obsahu 8 10 %. Nad tuto hranici je nutné použít metodu práškového řezání. do obsahu 1,2 % lze oceli snadno řezat. Nad tuto hranici je nutné použít speciální metody, kyslíkové kopí nebo práškové řezání Do 3 % nemá vliv na řezatelnost materiálu Oceli s obsahem chrómu do 5 % lze řezat bez problémů. Při obsahu nad 10 % je nutné použít speciální metody V uhlíkových ocelích nemá žádný vliv na řezatelnost. Oceli s obsahem 14 % Mn a 1,5 % C jsou obtížně řezatelné a vyžadují předehřev. Do obsahu 5 % jsou oceli snadno řezatelné. Wolfram-molybdenové oceli vyžadují speciální metody (práškové řezání, kyslíkové kopí)

19 Řezatelnost oceli vliv prvků na řezatelnost 2. část Ni P Si W V Oceli s obsahem do 3 % Ni a méně než 0,25 %C jsou snadno řezatelné kyslíkem. Do 7 % vyžadují přídavné prášky v proudu kyslíku. Nerez oceli typu 18-8 až vyžadují řezaní chemickým proudem. V tloušťkách do 10 mm jsou řezatelné laserem. Obvyklé množství vyskytující se v oceli nemá na řezání vliv Nemá vliv do 4 %. Oceli s vyšším obsahem společně s vyšším obsahem uhlíku a manganu vyžadují předehřev a dohřev aby se zabránilo zakalení a praskání na hranách Oceli s obsahem do 14 % jsou řezatelné, při vyšším procentu je řezání obtížnější a vyžaduje předehřev Množství obvyklé v oceli nemá vliv na řezání

20 Řezatelnost oceli obecné hranice řezatelnosti materiálů metodou FOC, LOC a POC Materiál Zápalná teplota Teplota tavení Řezatelnost FOC (81) Řezatelnost LOC, POC Čisté Fe 1050 C 1528 C Výborná Výborná Nízkouhlíkové oceli %C<0.2 Legované oceli, oceli s vysokým uhlíkovým ekvivalentem Litina C C Dobrá Výborná 1480 C 1450 C Špatná Dobrá C C Nemožné Dobrá Poznámka: FOC Fuel Oxygen Cutting Řezání kyslíkem (81) LOC Lance Oxygen Cutting Kyslíkové kopí POC Powder Oxygen Cutting Řezání kyslíkem s práškovým tavidlem

21

22 TOO po tepelném dělení U všech metod tepelného dělení dochází z metalurgických důvodů k zvýšení tvrdosti povrchové oblasti řezné hrany Velikost TOO je závislá na intenzitě tepelného zdroje Max velikost tepelně ovlivněné vrstvy je u nízkouhlíkových ocelí tloušťky mm v rozmezí 1,6 2,3 mm. Při vyšších řezných rychlostech se můžou vyskytnout trhliny na řezané hraně.

23 Tvrdost hran po řezání Dle norem ČSN není uvedena přesná hodnota tvrdosti hran po řezání. Proto pro přiblížení se nějakým reálným hodnotám použiji analogii se svařováním. Dle ČSN EN pro materiály skupiny 1 a 2 tvrdost hran po svařování nesmí překročit 320 HV 10 pro tepelně zpracované a pro tepelně nezpracované oceli 350 HV 10. Následující data byla zpracována pro materiály S235JRG1 S275J2G3 S335J2G3

24 tvrdost [HV] Tvrdost hran po řezání srovnání tvrdosti při dělení kyslíkem a laserem - S335J2G Základní materiál Kyslík max. Kyslík střed Kyslík min. Laser max. Laser střed Laser min tloušťka materiálu [mm]

25 Určení teploty předehřevu Předehřev materiálu se používá u materiálů náchylných na zakalení hran po řezání Uhlíkové oceli není nutné předehřívat do obsahu 0,3 % C. Při teplotě předehřevu do 100 o C lze ochlazovat na vzduchu, nad tuto teplotu je nutný dohřev

26 Teplota předehřevu Uhlíkový ekvivalent v % Teplota předehřátí pro materiály Tenké (do 18mm) [ C] Tlusté (nad 18 mm) [ C] Poznámka pod 0, Ochlazení na 0,35 0,40 - do 100 vzduchu 0,40 0,50 do až 200 Ochlazení v 0,50 0, až až 300 uzavřeném prostoru přes 0,6 200 až až 500 (ochlazení v peci)

27 Kvalita řezu ČSN Tepelné dělení kovů, řezání kovů kyslíkem a plazmou Natavená horní hrana řezu (zaoblení) Perličky na horní hraně řezu Vydutí pod hranou řezu Rozšíření spáry řezu Proteklý kov Nedoříznutý řez Nerovnost plochy řezu Trhliny Ulpěná struska na ploše řezu nebo na spodní hraně Norma ČSN Tepelné dělení kovů, řezání kovů kyslíkem a plazmou, jakost, označování a měření povrchu řezných ploch dělí řezné plochy do čtyř tříd a sice: A hladký povrch Dosažitelné pouze na pálícím stroji B střední povrch C hrubý povrch D velmi hrubý povrch

28 Kvalita řezu ČSN Tepelné dělení kovů, řezání kovů kyslíkem a plazmou Ideální profil řezu Velká rychlost řezu Velká vzdálenost hubice od materiálu Velký průtok kyslíku

29 Konstrukční úpravy a modifikace metody Od samotných počátků používání metody řezání kyslíkem je v patentové literatuře zřejmý trend: Zvyšování řezných rychlostí Později také úspory kyslíku, a palivových plynů Použití jiných palivových plynů než nebezpečný acetylen Vývojem procházelo zařízení pro použití acetylenu, bezpečnostní prvky, design hubic. Později se hubice rozdělila na nahřívací a řezací.

30 Konstrukční rozdíly nahřívacích hubic pro použití různých nahřívacích plynů Acetylen Hubice pro vyšší výtokovou rychlost plynu Pohybuje se blíž k řezanému materiálu Propan Menší výtoková rychlost směsi (propan-kyslík)

31 Konstrukční rozdíly řezacích hubic zvyšování rychlosti průtoku kyslíku

32 Modifikace metody kyslíková košilka Nakanishi (Japonsko 1972) Zvýšení čistoty kyslíku Zvýšení průtoků kyslíku Použití předehřevu Odstínění řezacího kyslíku od spalin Patentováno v roce 1972 Zvýšení řezné rychlosti o 150% 2,5 vyšší spotřeba kyslíku

33 Ukázka řezání kyslíkem úkosová řezací hlava

34 Schéma moderního řezacího hořáku se injektorovým směšováním kyslíku a palivového plynu

35 Schéma moderního řezacího hořáku se směšováním v hubici

36 Řezací stroj: 4 kyslík a 1 plasma

37 Kyslíkové kopí Lance oxygen cutting LOC Jednoduchá technologie, používaná dnes především pro speciální aplikace a dělící řezy Max. uváděná teplota dosažitelná hořením kyslíkového kopí je 5540 o C (dle vlastních výpočtů max. termodynamická teplota dosažitelná spalováním Fe C) Umožňuje řezat i litinu, hliník, ale také beton, železobeton a žulu Používá se na vrtání železo-betonových konstrukcí a pro dělící řezy Dosahovaná rychlost řezu je na ocelové desce tl. 40 mm 120 mm min -1

38 Konstrukce kyslíkového kopí

39 Kyslíkové kopí současnost Příklady použití

40 Energie Řezání plasmou Plasma arc cutting PAC Plasma fyzikální pojem zavedený v roce 1923 (I. Langmuir) pro speciální stav plynů, někdy označovaný jako čtvrtý stav hmoty. Plasma Plynné Kapalné Pevné Skupenství látek

41 Historie řezání plasmou stručný přehled vývoje metody PAC 1941 Ministerstvo obrany USA požaduje novou metodu pro rychlejší svařování a řezání materiálů 1951 Aplikována TIG metoda svařování 1957 První plasmový řezací hořák konstruovaný jako modifikace TIG hořáku (Dr. R. Gagge Buffalo USA) 1962 Dvouproudový plasmový oblouk, stíněný sekundárním plynem 1963 Vzduchová plasma 1965 Vodou stíněná plasma, voda nahrazuje plynové stínění 1968 Vodní injekční plasma, používá vodu ke zúžení oblouku 1972 Vodní tlumič a vodní stůl snižují hluk, kouř a dým při řezání 1977 Podvodní řezání snížení hluku a nečistot při řezání 1980 Nízkoproudové vzduchové plasmy, nové trhy pro plasmové řezání 1983 Kyslíkové plasmy, zvyšují řeznou rychlost a kvalitu řezu u uhlíkových ocelí 1985 Kyslíkové injekční plasmy, používají dusík jako plasmový plyn, kyslík se injekčně přidává do hubice 1989 Podvodní hloubkové řezání, umožňuje řezat ve velkých hloubkách 1990 Plasmy s vysokou hustotou oblouku (High density plasma)

42 Řezání plasmou Popis metody Fokusovaný plasmový paprsek, zahřívá malou oblast děleného materiálu Teplota paprsku a tepelný tok jsou natolik vysoké že k tavení materiálu dochází řádově v [ms] Směs plynů společně s termodynamickým učinkem plasmy odfukuje taveninu z řezné spáry. Vzniklá řezná spára dělí materiál

43 Teploty plasmy Podle složení plasmového plynu lze dosáhnout max. teploty v oblouku dle tabulky. Tento efekt souvisí s fyzikálními vlastnostmi plynu: Tepelná vodivost Tepelná kapacita Ionizační energie Energie tepelné disociace molekul Dusík N K Vodík H K Argon K Helium K Vodou stabilizovaná plasma K

44 Parametry Technologické možnosti a omezení pro řezání plasmou Řezatelné materiály Konstrukční oceli Vysokolegované materiály Hliník Max tloušťky standartní HD Dělící řezy 80 mm 150 mm Kvalitní řezy 50 mm 120 mm Rychlost řezání plasmy Tlouštka mat. [mm] Rychlost [mm min -1 ] Rychlost řezání plasma s vysokou hustotou oblouku (High Definition - Hypertherm, Hi-Focus - Kjellberg atd..) 0,5 8,0 mm (20 50A) 4 10 mm (50 100A)

45 Parametry Technologické možnosti a omezení pro řezání plasmou Vysoká teplota umožnuje řezat všechny vodivé materiály bez ohledu na jejich řezatelnost kyslíkem Výstupní rychlost plasmy m s -1 Řezací rychlost je až 10x vyšší u tenkých materiálů v porovnání s kyslíkem, k vyrovnání rychlostí ale dochází při tl mm.

46 Řezání plasmou Teplotní profil srovnání hořáků TIG a plasma TIG hořák Plasmová hubice

47 Řezání plasmou Srovnání typů oblouků Závislý plasmový oblouk Nezávislý plasmový oblouk

48 Řezání plasmou Vývoj a konstrukce plasmového zařízení Oblouk dvouproudové řezací plasmy Thermal Dynamics 1962

49 Řezání plasmou Vývoj a konstrukce plasmového zařízení Vodou stíněný plasmový oblouk

50 Řezání plasmou Vývoj a konstrukce plasmového zařízení Injekční kyslíková plasma

51 Řezání plasmou Popis moderní plasmy s vysokou hustotou oblouku

52 Řezání plasmou Popis moderní plasmy s vysokou hustotou oblouku

53 Řezání plasmou Popis moderní plasmy s vysokou hustotou oblouku - hořák

54 Řezání plasmou Popis moderní plasmy s vysokou hustotou oblouku

55 Ukázka řezání plasmou

56 Řezání Laserem Laser beam cutting LBC Metody řezání laserem Tavné Sublimační Oxidační (LASOX)

57 Tepelně-fyzikální vlastnosti řezaného materiálu Pro technologický proces řezání jsou rozhodující tyto tepelně-fyzikální vlastnosti materiálu: reflexivita řezaného materiálu rozhodující pro vlnovou délku laserového paprsku hustota materiálu tepelná kapacita skupenské teplo tání skupenské teplo výparné tepelná vodivost teplota tání teplota vypařování chemická energie vzniklá při reakci řezaného materiálu s kyslíkem elektrický odpor materiálu

58 Řezání Laserem Teorie řezání laserem Tvorba řezné spáry Sublimační Tavné Oxidační Princip metody Ohřev materiálu (laserový paprsek + případná exotermická reakce) Odstraňování materiálu z řezné spáry (proudem plynů + odpařováním materiálu)

59 Sublimační řezání Materiál se lokálně odpařuje Tato metoda se dnes příliš nevyužívá Nevýhody Omezení řezaných tlouštěk (Ø paprsku) u tavících se materiálů Precizní nastavení optiky Nutná vysoká hustota paprsku

60 Tavné řezání Materiál se lokálně taví Vzniklá tavenina se odfukuje vysoce čistým inertním plynem Výhody: Neoxidovaný řez (vhodný pro nerez oceli, hliník, mosaz, měď a pozinkované plechy) Finální řezné plochy nevyžadující dodatečné úpravy Nevýhody: Menší řezná rychlost Vyskytující se otřepy na spodní hraně řezu

61 Oxidační řezání Princip stejný jako u tavného řezání Místo inertního plynu se používá O 2 Reakcí kyslíku s rozžhaveným povrchem dochází k exotermické reakci jako u řezání kyslíkem, vzniká další teplo a umožnuje zvýšit řeznou rychlost

62 Ukázky řezání laserem ESAB

63 Ukázky řezání laserem tenký nerezový plech Laserové centrum Alabama USA

64 Ukázky řezání laserem 5-ti osý laser Laserové centrum Alabama USA

65 Ukázky řezání laserem 5-ti osý laser Laserové centrum Alabama USA

66 Laser oxygen assisted cutting - LASOX Metoda vyvinuta a aplikována ve spolupráci: Alabama Laser Systems Bender Shipbuilding & Repair systém byl navržen pro řezání tlouštěk min. 50 mm a max 100 mm použitím relativně malých výkonů laserů (2kW) ne však výkonnějších než 6kW snížení časů řezání min. o 30%

67 LASOX ukázka

68 Porovnání technologií Řezání kyslíkem Výhody Možnost použití více hořáků Malé investiční a provozní náklady Možnost řezu do velkých tlouštěk materiálu Nevýhody Špatná kvalita řezu pod 5 mm Relativně malá řezná rychlost Použitelná pouze pro nízkouhlíkové oceli

69 Porovnání technologií Řezání plasmou Výhody Bez alternativy při řezání vysokolegované oceli a hliníkových materiálů ve střední a větší tloušťce Velký výkon při řezání do tl. 30mm Řezání vysoce pevné konstrukční oceli s menším tepelným příkonem Vysoká řezná rychlost (až 10x vyšší než autogenní) V případě použití plasmy s vysokou hustou oblouku kvalita řezu srovnatelná s laserem Velmi dobrá automatizace Řezání plazmou pod vodou pro velmi malé tepelné ovlivnění řezaného materiálu a malou hladinu hluku v okolí pracoviště Nevýhody Max řezaná tloušťka 200 mm u suchého řezání a 120 mm u řezání pod vodou Širší řezná spára Úkos na řezané hraně Zaoblení horní hrany Řezatelné pouze elektricky vodivé materiály Hlučnost 80 až 100 db Intenzivní UV záření Vyšší pořizovací náklady Otížné propalování otvorů tloušťek nad 15 mm Provoz pouze jednoho hořáku

70 Porovnání technologií Řezání laserem Vysoká přesnost řezaných dílů u slabých a středních tloušťek materiálu Řezání velmi malých otvorů, úzkých pásků, tvarů s ostrými úhly; výroba komplexních obrysových dílů Pravoúhlá řezná hrana Velmi dobrá automatizace Velmi malé přivedené teplo, žádné deformace obráběného předmětu Velmi malá šířka řezné spáry (0,2-0,4 mm) Vysoká řezná rychlost Vysoké investiční a provozní náklady (vysoká spotřeba plynů) Omezení tloušťky materiálu: Konstrukční ocel: 20 (25) mm Vysokolegovaná ocel: 15 mm Hliník: 10 mm U středně tlustých materiálů žádná přímá hladká řezná plocha Nutné přesné řízení vzdálenosti k povrchu obrobku Omezení stability paprsku u řezání konstrukční oceli s normálním Si a P obsahem Snížení stability procesu u řezání lesknoucích se povrchů materiálu Menší účinnost (CO2-laser max. 25%)

71 Diskuze Ing. Tomáš Zmydlený, IWE L 103 tel.: 3447 tomas.zmydleny.fs@vsb.cz