KRITÉRIA VOLBY METODY A TRENDY TEPELNÉHO DĚLENÍ MATERIÁLŮ Ing. Martin Roubíček, Ph.D. - Air Liquide Metody tepelného dělení, problematika základních materiálů Tepelné dělení materiálů je lze v rámci strojírenské výroby zařadit mezi operace přípravy materiálu. Pod tímto pojmem rozumíme technologii řezání, pracující na principech lokálního tavení, spalování nebo odpařování, případně kombinace těchto jevů, kdy energie potřebná k inicializaci procesu a jeho průběhu je dodávaná různými tepelnými zdroji. Obecně lze tepelné dělení materiálů aplikovat na celou škálu konstrukčních materiálů: nelegované a nízkolegované oceli, vysokolegované oceli a slitiny na bázi niklu, neželezné kovy a jejich slitiny (hliník, měď, ), vysoce reaktivní materiály a jejich slitiny citlivé na kyslík (hořčík, titan, ), nekovové materiály (plasty, kompozity, dřevo, papír, sklo, ). První materiál, který byl v historii zpracováván postupem tepelného řezání (kyslíkem), byly nelegované oceli. Řezání za pomoci elektrického oblouku umožnilo dále řezat všechny elektricky vodivé materiály, s nástupem laserových technologií přišla možnost tepelného dělení prakticky jakéhokoliv druhu materiálu včetně elektricky nevodivých a materiálů s extrémně vysokou afinitou ke kyslíku nebo dusíku, jako je titan nebo zirkonium v inertní ochranné atmosféře. V průmyslové praxi jsou používány tři základní metody tepelného řezání kyslíkem, plazmou a laserem. Řezání materiálu kyslíkem Kyslíkem lze efektivně řezat nelegované (obrázek 1) a v závislosti na chemickém složení také nízkolegované oceli. Výhodou je teoreticky neomezená tloušťka řezaného materiálu, i když většina běžně používaných zařízení je konstruovaná pro vysoce kvalitní řezy do tloušťky 300 mm. V oblasti menších tlouštěk nepatří tato metoda k nejrychlejším, nicméně vysoká kvalita řezu a jedinečnost při řezání velkých tlouštěk ji zajišťuje stabilní místo ve strojírenství. Zdrojem energie pro proces řezání je jednak nahřívací plamen tvořený spalováním hořlavého plynu v kyslíku a exotermická reakce mezi prvky obsaženými v oceli a kyslíkem. Teplo z nahřívacího plamene nestačí energeticky pokrýt celý průřez řezu. U větších tlouštěk (cca nad 30 mm) narůstá význam tepla vznikajícího z probíhající reakce mezi kyslíkem a materiálem. Existence exotermické oxidické reakce je tedy jednou s nutných podmínek, které musí být splněny, aby materiál byl kyslíkem řezatelný. Množství tepla, které tato reakce vyvine, musí stačit na ohřev okolního materiálu na zápalnou teplotu. Zápalná teplota materiálu pak musí být nižší než jeho teplota tavení (u nelegované oceli: zápalná teplota cca 1300 C, teplota tavení cca 1500 C). Aby vznikající oxidy nebyly bariérou při dalším šíření reakce, musí být jejich teplota tavení nižší než teplota tavení řezaného materiálu. Za splnění těchto podmínek lze materiál kyslíkem řezat. Proces je zahájen nahřáním materiálu na zápalnou teplotu nahřívacím plamenem. Po dosažení zápalné teploty a přidání řezacího kyslíku je materiál spalován a vznikající oxidy jsou vyfukovány z řezné spáry řezacím kyslíkem ven. Rychlost náhřevu na zápalnou teplotu je daná chemickým složením hořlavého plynu, jeho množstvím, množstvím přidávaného nahřívacího kyslíku a způsobem odvodu tepla (tloušťka materiálu a rozměry plechu). Rychlost řezání a kvalita řezu jsou ovlivněny souborem faktorů: úroveň stroje, kvalita a zkušenosti obslužného personálu, typ řezacího hořáku a trysky, čistota a tlak řezacího kyslíku, druh hořlavého plynu či správné nastavení parametrů procesu. Podstatnou roli zaujímá také kvalita řezaného plechu a stav jeho povrchu. Za předpokladu kvalitního stroje a jeho zkušené obsluhy je význam soustředěn do kombinace tryska kyslík hořlavý plyn. Na trhu je dnes řada kvalitních řezacích trysek, které při dodržení nastavení optimálních parametrů umožňují bezvadné řezy vysokými řezacími rychlostmi. Nejvyšších řezacích rychlostí lze dosáhnout pomocí tzv. vysokovýkonných trysek (obrázek 2), které jsou ale zároveň nejnáročnější na přesnost stroje, úroveň pracovníků a nastavení parametrů. Řezací kyslík ovlivňuje proces zásadním způsobem. Jde především o jeho čistotu, tlak a průtočné množství danou tryskou, což následně ovlivňuje rychlost proudění a tvar proudu kyslíku v místě řezu. Hořlavý plyn je zdrojem podstatné části energie procesu. Rozhodujícími vlastnostmi hořlavého plynu jsou rychlost hoření, výkon v primárním pásmu spalování a teplota plamene. Tyto vlastnosti významně ovlivňují dobu ohřevu materiálu na zápalnou teplotu, v kombinaci s tryskou rychlost řezání, velikost Obrázek 2. Kyslíkové řezání vysokovýkonnou tryskou MACH 3S Obrázek 1. Řezání kyslíkem. tepelného ovlivnění a deformace materiálu. Ideální hořlavý plyn je z těchto pohledů acetylén. Podstatný pro spotřebu kyslíku je také směšovací poměr hořlavý plyn / kyslík při hoření neutrálního plamene. U acetylénu stačí 1 / 1,1, kdežto např. u propanu je nutná převaha kyslíku v poměru 1 / 3,75. Plazmové řezání Plazmové řezání je vhodné v závislosti na použitém typu plazmy pro řezání menších a středních tlouštěk nelegovaných ocelí (max. do cca 50 mm tloušťky, zdroj 600 A, H 2 O), ale také vysokolegovaných ocelí (max. cca 100 mm, při 600 A, Ar/H 2 ) a
slitin hliníku (max. cca 120 mm, 600 A, Ar/H 2 ). Pro plazmu jsou typické vysoké rychlosti řezání, ale také nižší kvalita řezu daná jeho vyšší drsností a úhlem podkosení (cca 2 4 ). Tepelným zdrojem je energie plazmy, která vzniká ionizací plazmového plynu v elektrickém oblouku a je koncentrovaná stěnou trysky hořáku, ochranným (fokusačním) plynem nebo vodním vírem. Důsledkem zkoncentrování proudu plazmatu je zisk vysoké hustoty výkonu a následně vysokých teplot (až 16 20 tis. K). Řezaný materiál je taven a tavenina vyfukována z řezné spáry pryč. Proces je tedy založen na tepelné a kinetické energii plazmatu. Klesající kinetická energie v závislosti na tloušťce materiálu je pak příčinou podkosených řezů. Vlastnosti procesu jsou dány výkonem proudového zdroje (125 A, 300 A, 600 A), konstrukcí hořáku a typem procesu (jednoplynová, dvouplynová, s vodním vírem, pod vodou) a druhem plazmového a fokusačního plynu. Nejrozšířenější jsou bezesporu vzduchové plazmy. Na nelegovaných ocelích je však výhodnější z hlediska produktivity plazma kyslíková, která využívá Obrázek 3. Plazmové řezání vedle tepelné a kinetické energie plazmy také spalné teplo reakce materiálu s kyslíkem. Největších výkonů řezání vysokolegovaných ocelí a slitin hliníku je dosahováno se směsným plazmovým plynem Ar/H 2. Nejmodernější systémy pracují s kombinací plynů Ar/H 2 /N 2 /O 2 /CH 4. Vynikajících výsledky z hlediska výkonů lze získat při řezání pod vodou (obrázek 4). Tato technologie navíc díky intenzivnímu chlazení okolí řezu snižuje deformace plechů. Vodní ochrana zabraňuje šíření jinak hojných škodlivých plynných emisí do okolí, eliminuje radiaci a minimalizuje Obrázek 4. Plazmové řezání pod vodou hlučnost procesu. Řezání laserem Řezání laserem je vhodné pro všechny typy konstrukčních materiálů s omezením jejich tloušťky. V případě obvyklých laserů (3 3,5 kw) u nelegovaných ocelí do cca 25 mm, korozivzdorných ocelí a slitin hliníku do cca 15 mm. Výhodou je velká rychlost řezání, prakticky nulové deformace plechů a vynikající kvalita řezu, nevýhodou snad jen vysoké investiční náklady. Dělení materiálu laserem je založeno na vysoké hustotě výkonu dopadajícího laserového svazku v místě styku s materiálem. Díky této vlastnosti dochází po dopadu svazku na materiál k jeho prudkému ohřevu, natavení a odpaření. Výkony dnes používaných řezacích laserů se pohybují mezi 1,8 6 kw. Z fyzikálního hlediska existují tři způsoby vytváření řezné spáry: pomocí spalování materiálu, jeho odtavení a vyfukování taveniny z místa řezu a odpaření materiálu. V praxi se vždy jedná o kombinaci těchto jevů. K odstraňování taveniny, oxidů a výparů slouží asistenční plyny, které jsou foukány do místa řezu tryskou, jejímž středem zároveň prochází zaostřený laserový svazek. Jako asistenční (řezací) plyn se používá kyslík nebo dusík, případně u speciálních materiálů argon. Obrázek 6. Princip Bifocal Užití kyslíku jako řezacího plynu je výhodné u materiálů řezatelných kyslíkem, kdy spalování opět napomáhá vytváření řezné spáry a zvyšuje tak efektivitu řezacího procesu. V praxi se kyslík používá pro řezání nelegovaných a nízkolegovaných ocelí. U vysokolegovaných ocelí způsobuje kyslík vznik těžko odstranitelné strusky v oblasti řezných hran. Řezání slitin hliníku kyslíkem přináší o cca 25 30 % vyšší rychlost než dusík, naproti tomu ovšem stojí snížená kvalita řezu (oxidy na hraně řezu, vysoká drsnost, snížená svařitelnost, zhoršení mechanických vlastností, ). Pro řezání vysokolegovaných ocelí a slitin hliníku je tedy vhodné nasazení dusíku. Oproti kyslíku je snížena rychlost řezání a maximální řezatelná tloušťka, což ale lze kompenzovat zvýšením tlaku asistenčního plynu. Řezné hrany jsou čisté, prosté oxidů a strusky a kovově lesklé. Nárůst výkonu řezání oproti standardním parametrům lze získat pomocí systému Bifocal (obrázek 6) pracujícím na základě speciální dvouohniskové optiky. Takto je optimalizováno rozdělení energie v průřezu materiálu. Výsledné řezací rychlosti mohou být např. při řezání korozivzdorných ocelí 3,2 kw laserem o 15 50 % (dle tloušťky materiálu) vyšší. Porovnání metod Řezání kyslíkem je ve výrobě ocelových konstrukcí vzhledem k různorodým tloušťkám materiálu a převážně Obrázek 5. Laserové řezání
zpracovávaným nelegovaným ocelím nepostradatelnou metodou přípravy materiálu. K tomu přispívají také relativně akceptovatelné investiční náklady. Plazmové řezání zajistí vysokou produktivitu přípravy materiálu, a to jak nelegovaných, tak vysokolegovaných ocelí a slitin Al, zejména však menších až středních tlouštěk. Investiční náročnost je jen o málo vyšší než technologie řezání kyslíkem. Běžná je konstrukce řezacích strojů kombinujících obě tyto technologie. Investičně náročné laserové řezání je vhodné pro velmi kvalitní řezy vysokými rychlostmi a bez deformace materiálu, ovšem s omezením tloušťky materiálu. Pracovní oblasti jednotlivých metod pro nelegovanou ocel, korozivzdornou ocel a slitiny hliníku jsou zobrazeny v grafech.