REZANJE PLAZMOM

Prof.dr.sc. Ivan Samardžić

Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu

Prof.dr.sc. Ivan Samardžić

Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu

REZANJE PLAZMOMREZANJE PLAZMOMHiFocusHiFocus 100100

PBPB--S45 WS45 W--11PAPA--S45 WS45 W

OTC DOTC D--1200012000

2

SVEUČILIŠTE U OSIJEKU – STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU Katedra za tehnologije

Plazma je četvrto agregatno stanje!Plazma je četvrto agregatno stanje!

Kruto

Tekuće

Plinovito

Plazma

Energija

3


Plazma je električki provodljiv, disociran i Plazma je električki provodljiv, disociran i visokoioniziranvisokoioniziranplin. Broj pozitivnih i negativnih naboja je jednak, pa je plin. Broj pozitivnih i negativnih naboja je jednak, pa je plazma kao cjelina električki neutralna (broj nosača plazma kao cjelina električki neutralna (broj nosača pozitivnog naboja tj. pozitivnih iona = broju nosača pozitivnog naboja tj. pozitivnih iona = broju nosača negativnog naboja, tj. elektrona)negativnog naboja, tj. elektrona)

Dovođenje topline

IONIZACIJA

+

-

+

-

+ -

(napr. iz električnog luka)

DISOCIJACIJA

4


DisocijacijaDisocijacija i ionizacija plinovai ionizacija plinova

5


PlazmeniPlazmeni mlaz se dobiva tlačenjem mlaz se dobiva tlačenjem odreodređđenog plina kroz električni luk.enog plina kroz električni luk.

Električni luk se uspostavlja između Električni luk se uspostavlja između elektrode koja je spojena na “elektrode koja je spojena na “--” pol i radnog ” pol i radnog komada ili sapnice pištolja samog uređaja.komada ili sapnice pištolja samog uređaja.

Distribucija temperaturnog poljaDistribucija temperaturnog polja

6


UreUređđaji za rezanje plazmom:aji za rezanje plazmom:• Sa neprenesenim lukom

(naštrcavanje, rezanje tankih limova)

• Sa prenesenim lukom(rezanje limova)

1. Plazmeni plin 2. elektroda 3. rashladna voda 4. izolacija 5. plazma 6. električni luk

7


Neke od mogućnosti primjene plazme:Neke od mogućnosti primjene plazme:• Zavarivanje (plazma i mikroplazma),

• REZANJE,• Žljebljenje,

• Naštrcavanje,

• Navarivanje,

• Zagrijavanje teškoobradivih materijala za OOČ u toplom stanju,

• Površinske toplinske i toplinsko-kemijske obrade (nitriranje, cementiranje,…),

• Modifikacije površine (Plasma Surface Engineering – PSE),

• Inceneracija (spaljivanje) otrovnog otpada i razaranje osnove materijala na sastojke,

• …

8


PREGLED RAZVOJA PREGLED RAZVOJA POSTUPAKA POSTUPAKA

REZANJA PLAZMOMREZANJA PLAZMOM

9


Konvencionalni postupak rezanja. Uveden 50-tih godina, dominirao od 1957. do 1970, i često je zahtjevao vrlo skupe plinske mješavine argona i vodika.

Konvencionalni postupak rezanja. Uveden 50-tih godina, dominirao od 1957. do 1970, i često je zahtjevao vrlo skupe plinske mješavine argona i vodika.

• Tzv. “suha” tehnika.• Mogućnost rezanja limova do

250 mm, no u industrijskoj primjeni rezanje do 50 mm.

• Pojava nakošenja i zaobljenja rubova reza zbog rasipanja toplinske energije na vrhu luka.

• Ova se pojava neravnoteže reducirala postavljanjem pištolja za rezanje što je bliže moguće radnom predmetu.

10


Luk plazme sa dualnim tokom (1962.).Ova tehnika sadrži osobine konvencionalnog rezanja plazmom, ali je dodan i sekundarni plin oko sapnice s plazmom. Uobičajeno je plin za rezanje dušik, a sekundarni plin se izabire prema materijalu koji se reže. Obično se koristilo zrak ili kisik za meke čelike, ugljični dioksid za nerđajuće čelike, te mješavina argon/vodik za aluminij

Luk plazme sa dualnim tokom (1962.).Ova tehnika sadrži osobine konvencionalnog rezanja plazmom, ali je dodan i sekundarni plin oko sapnice s plazmom. Uobičajeno je plin za rezanje dušik, a sekundarni plin se izabire prema materijalu koji se reže. Obično se koristilo zrak ili kisik za meke čelike, ugljični dioksid za nerđajuće čelike, te mješavina argon/vodik za aluminij

• Brzine rezanja bolje nego kod konvencionalnog rezanja za meke čelike (ne za nerđajuće i za aluminij!).

• Kvaliteta reza nije zadovoljavajuća za sve primjene.

• Keramička zaštita onemogućava skraćenje sapnice i reducira pojavu stvaranja tzv. dvostrukog luka.

• Sekundarni plin, prekriva zonu rezanja i poboljšava kvalitetu i brzinu reza , a također i hladi sapnicu i keramičku zaštitu.

11


Plazma rezanje zrakom (od 1963.)Plazma rezanje zrakom (od 1963.)Kisik iz zraka osiguravao je dodatnu energiju egzotermičkomreakcijom s rastaljenim čelikom, što je povećavalo brzine rezanja do 25 % u odnosu na plazma rezanje s dušikom. Iako se proces mogao koristiti za rezanje nerđajućeg čelika i aluminija, površina rezanja na ovim materijalima je bila vrlo oksidirana i neprihvatljiva za mnoge primjene.

Kisik iz zraka osiguravao je dodatnu energiju egzotermičkomreakcijom s rastaljenim čelikom, što je povećavalo brzine rezanja do 25 % u odnosu na plazma rezanje s dušikom. Iako se proces mogao koristiti za rezanje nerđajućeg čelika i aluminija, površina rezanja na ovim materijalima je bila vrlo oksidirana i neprihvatljiva za mnoge primjene.

Najveći problem je brza erozija elektrode. Čak i sa elektrodama od specijalnih materijala (cirkonij, hafnij i njegove legure) vijek elektrode pri rezanju zrakom je znatno kraći nego kod konvencionalnog rezanja plazmom.

Najveći problem je brza erozija elektrode. Čak i sa elektrodama od specijalnih materijala (cirkonij, hafnij i njegove legure) vijek elektrode pri rezanju zrakom je znatno kraći nego kod konvencionalnog rezanja plazmom.

12


Rezanje plazmom s vodenom zaštitom (1965.)Rezanje plazmom s vodenom zaštitom (1965.)

Ova je tehnika slična tehnici dualnog toka osim što je zaštitni plin zamjenjen vodom. Izgled reza i vijek sapnice su

poboljšani zbog efekta hlađenja koji osigurava voda.

Ova je tehnika slična tehnici dualnog toka osim što je zaštitni plin zamjenjen vodom. Izgled reza i vijek sapnice su

poboljšani zbog efekta hlađenja koji osigurava voda.

13


Rezanje plazmom s ubrizgavanjem vode (1968.)Rezanje plazmom s ubrizgavanjem vode (1968.)

Kvaliteta reza je kod postupka sa ubrizgavanjem vode postignuta na svim metalima sa samo jednim plinom; dušikom. Zbog toga je ovaj postupak postao ekonomičniji i lakši za upotrebu. Fizikalno, dušik je idealan zbog svoje mogućnosti da prenosi toplinu sa luka na radni komad.

Kvaliteta reza je kod postupka sa ubrizgavanjem vode postignuta na svim metalima sa samo jednim plinom; dušikom. Zbog toga je ovaj postupak postao ekonomičniji i lakši za upotrebu. Fizikalno, dušik je idealan zbog svoje mogućnosti da prenosi toplinu sa luka na radni komad.

Vijek sapnice je produžen (hladi se i štiti na mjestu maksimalnog suženja i maksimalne topline luka). Zaštitna svojstva sloja vodene pare omogućila su uvođenje jedinstvene inovacije: cijeli donji dio sapnice mogao je biti izrađen od keramike. Kao posljedica toga, pojava dvostrukog luka, najveći uzročnik uništenja sapnice, je eliminirana.

Vijek sapnice je produžen (hladi se i štiti na mjestu maksimalnog suženja i maksimalne topline luka). Zaštitna svojstva sloja vodene pare omogućila su uvođenje jedinstvene inovacije: cijeli donji dio sapnice mogao je biti izrađen od keramike. Kao posljedica toga, pojava dvostrukog luka, najveći uzročnik uništenja sapnice, je eliminirana.

14


Rezanje ispod vode (1977.)Rezanje ispod vode (1977.)

Prednosti: smanjenje buke i eliminiranje Prednosti: smanjenje buke i eliminiranje stvaranja dima. stvaranja dima. Nedostatci:Nedostatci: smanjenje brzine rezanja, smanjenje brzine rezanja, nemogućnost ocjene kvalitete po zvuku plazme, nemogućnost ocjene kvalitete po zvuku plazme, disocijacijadisocijacija vode (vodik, kisik). Kisik ima vode (vodik, kisik). Kisik ima tendenciju spajanja s rastaljenim metalom tendenciju spajanja s rastaljenim metalom (osobito kod Al i lakih metala) i formiraju se (osobito kod Al i lakih metala) i formiraju se metalni oksidi, a u vodi zaostaje slobodan metalni oksidi, a u vodi zaostaje slobodan vodikov plin. Voda mora konstantno vodikov plin. Voda mora konstantno mješatimješati da da ne done dođđe do nakupljanja vodika u “e do nakupljanja vodika u “đđžepovimažepovima” ” ispod lima i malih eksplozija u dodiru sa ispod lima i malih eksplozija u dodiru sa plazmom. plazmom.

Ova Ova metadametada plazma rezanja visokom snagom sa strujom plazma rezanja visokom snagom sa strujom rezanja iznad 100 rezanja iznad 100 ampamp. postala je danas vrlo popularna. Kod . postala je danas vrlo popularna. Kod ove tehnike, radni je komad potopljen pod vodu na dubinu od ove tehnike, radni je komad potopljen pod vodu na dubinu od 50 50 –– 75 mm i rezanje se odvija dok je komad potopljen u vodu. 75 mm i rezanje se odvija dok je komad potopljen u vodu. Nivo buke, dima i bljesak luka značajno su smanjeni.Nivo buke, dima i bljesak luka značajno su smanjeni.

15


Plazma rezanje kisikom (1983)Plazma rezanje kisikom (1983)

Problem: visoka temperatura na vrhu sapnice i djelovanje čistog kisika - brzo uništenje elektrode. Uvođenjem elektroda od hafnija i cirkonija, te konstrukcijaskim poboljšanjima glave za rezanje omogućena je upotreba kisika kao plazma plina, što je omogućilo rezanje bez šljake i povećanje brzine za do 30% za vrijeme rada pri nižoj struji i dobivanje glatkih i pravilnih rubova.

Problem: visoka temperatura na vrhu sapnice i djelovanje čistog kisika - brzo uništenje elektrode. Uvođenjem elektroda od hafnija i cirkonija, te konstrukcijaskim poboljšanjima glave za rezanje omogućena je upotreba kisika kao plazma plina, što je omogućilo rezanje bez šljake i povećanje brzine za do 30% za vrijeme rada pri nižoj struji i dobivanje glatkih i pravilnih rubova.

Prednosti: Kvaliteta reza na čeliku je zadovoljavajuća, i većina korisnika smatra da je omjer između visokih brzina rezanja i kavlitete reza nasuprot kraćem vijeku elektrode zadovoljavajući. Skupi postupci uklanjanja šljake koji su se često morali izvršavati kod plazma rezanja dušikom, kod rezanja kisikom su eliminirani.

Prednosti: Kvaliteta reza na čeliku je zadovoljavajuća, i većina korisnika smatra da je omjer između visokih brzina rezanja i kavlitete reza nasuprot kraćem vijeku elektrode zadovoljavajući. Skupi postupci uklanjanja šljake koji su se često morali izvršavati kod plazma rezanja dušikom, kod rezanja kisikom su eliminirani.

16


Rezanje plazmom s ubrizgavanjem kisika (1985.)Rezanje plazmom s ubrizgavanjem kisika (1985.)

Ova tehnika je zaobišla problem s vijekom elektrode korištenjem dušika kao plazma plina i ubrizgavanjem kisika na izlazu iz sapnice. Postupak je isključivo korišten na mekim čelicima i nešto malo je povećao brzine rezanja. Ipak, neki od nedostataka bili su nepravilan oblik reza, ograničenost primjene (meki čelici)…

Ova tehnika je zaobišla problem s vijekom elektrode korištenjem dušika kao plazma plina i ubrizgavanjem kisika na izlazu iz sapnice. Postupak je isključivo korišten na mekim čelicima i nešto malo je povećao brzine rezanja. Ipak, neki od nedostataka bili su nepravilan oblik reza, ograničenost primjene (meki čelici)…

Rezanje plazmom duboko ispod vode.Rezanje plazmom duboko ispod vode.Kako produžiti vijek nuklearnim Kako produžiti vijek nuklearnim postrojenjeimapostrojenjeima??Kako rastaviti postrojenja koja više ne rade?Kako rastaviti postrojenja koja više ne rade?

Zahtjevi za suvremenu opremu:

Rezanje plazmom visoke gustoće !

Visoka produktivnost, kvaliteta rezne površine.

Produženje trajanja dodatnog materijala!

Zahtjevi za suvremenu opremu:

Rezanje plazmom visoke gustoće !

Visoka produktivnost, kvaliteta rezne površine.

Produženje trajanja dodatnog materijala!

18


Suvremena oprema za rezanjeSuvremena oprema za rezanje

• FineFocus torches with swirl gas technology(FF gorionici sa “vrtložnim” sekundarnim plinom (Kjellberg)

• FineFocus torches with swirl gas + XL-Life-Time System = High-Tech Plasma Cutting ofMild Steels (Kjellberg)

• FineFocus i HiFocus tehnologija (Kjellberg)

• HiDefinition Plasma (Hypertherm)

• …

19


SwirlSwirl Gas Gas TechnologyTechnology“Suho” rezanje plazmom“Suho” rezanje plazmom Rezanje plazmom pod vodomRezanje plazmom pod vodom

bez “vrtložnog plina”bez “vrtložnog plina” sa “vrtložnim plinom”sa “vrtložnim plinom” bez “vrtložnog plina”bez “vrtložnog plina”

www.servus.hrwww.kjellberg.de

20


FineFocusFineFocus i i HiFocusHiFocus tehnologijatehnologija


21


PGE1-HMPGE2-HM

O2O2

O2

HiFocus 100 (Variante rezanja konstrukcijskog čelika, CrNi-čelika i aluminija)


22


Plasmagase Aluminium

Plasmagase Edelstahl

Plasmagase BaustahlSchneidstrom

Einstechen fliegend

Einstechen aus dem Stand

Trennschnitt

Qualitätsschnitt FineFocus – Technologie

Laserähnliche Qualität EdelstahlHiFinox – TechnologieQualitätsschnitt / Bartfreigrenze

N2, Ar/H2, Ar/H2/N2

N2, Ar/H2, Ar/H2/N2

O2

20 - 130 A

25 mm

12 mm

bis 40 mm

6 bis 25 mm

1 bis 6 mm16mm

0,5 bis 10 mmLaserähnliche Qualität BaustahlHiFocus - Technologie

Plasmaschneidanlage HiFocus 100 für das Trockenschneiden mit Wirbelgas/Sekundärgas


23


O2

80 – 400 A

45 mm

30 mm

bis 90 mm

bis 40 mm5 bis 60 mm

Plasmagas für Baustahl

Schneidstrom

Einstechen fliegend

Einstechen aus dem Stand

Trennschnitt

Qualitätsschnitt bartfreiQualitätsschnitt FineFocus-Technologie

Plasmaschneidanlage FineFocus 900 für das Sauerstoff-Hochleistungs-Trockenschneiden von Austell mit

Wirbelgas/Sekundärgas


24


Glavni parametri rezanja plazmomGlavni parametri rezanja plazmom

• Snaga plazme (Jakost struje x Napon)

• Brzina rezanja

• Vrsta i količina/protok plazmenog (i sekundarnog) plina/plinske mješavine

• Udaljenost mlaznice od radnog komada

25


Brzina rezanjaBrzina rezanja

26


UTJECAJ RAZLIČITIH ZAŠTITNIH PLINOVA UTJECAJ RAZLIČITIH ZAŠTITNIH PLINOVA NA REZANJE PLAZMOMNA REZANJE PLAZMOM

• Primjena pojedinih plinova za rezanje plazmom ovisno o vrsti materijala

• Važne su karakteristike plinova kao napr. energija disocijacije, ionizacije, toplinska vodljivost, specifična masa.

• Kvaliteta reza ovisi o čistoći plina.

27


Smjernice za izbor plina za rezanje Smjernice za izbor plina za rezanje plazmomplazmom

• Ugljični čelici:• Zrak kao plazmeni plin: visoka produktivnost,

manje onečišćenje dušikom i oksidima na površini reza

• Kisik kao plazmeni plin: visoka produktivnost, rezna površina bez onečišćenja dušikom

28


• Cr-Ni čelici:• Zrak kao plazmeni plin: visoka produktivnost,

prihvatljiva kvaliteta reza, potrebna naknadna dorada ako slijedi zavarivanje

• Mješavina ArH2/ArH2N2 kao plazmeni plin: vrlo čista površina reza


29


• Aluminij:• Zrak kao plazmeni plin: visoka

produktivnost, prihvatljiva kvaliteta reza• Mješavina ArH2 kao plazmeni plin:

izuzetna kvaliteta površina reza


30


• Zrak se često koristi kao plazmeni plin:

- relativno lako je dostupan,

- vijek trajanja potrošnih materijala je prihvatljiv,

- kvaliteta reza je prihvatljiva za većinu materijala, iako kod ugljičnih čelika može doći do pojave nitracije, ili oksidacije koja se obično javlja na aluminiju i nerđajućem čeliku.

31


Dušik:

- daje izvrsnu kvalitetu reza na aluminiju i nerđajućem čeliku,

- kvaliteta reza na većini ugljičnih čelika je marginalna zbog pojave nitracije na površini i formiranja šljake,

- vijek trajanja potrošnog materijala je izvrstan.

Dušik zahtjeva veći napon (i energiju) kod prelaska u stanje plazme, ali mu je zato sadržaj energije veliki.

32


• Argon-vodik- mješavina koristi se za dualne plinske sustave radi poboljšanja kvalitete reza na nerđajućim čelicima i aluminiju.

- Vijek potrošnog materijala je izvrstan.

- Premalo H daje grublju površinu reza i zaobljen gornji rub reza, a previše H daje glatku gornju stranu reza ali na donjem rubu ostaje dio rastaljenog metala (eng. dross).

- Argon osigurava lagano uspostavljanje luka i njegovu stabilnost, dok mu je s druge strane sadržaj energije manji i cijena nešto veća.

33


• Kisik se koristi za dobivanje najbolje kvalitete reza na ugljičnim čelicima.

- Ivice reza su bez dušika, i imaju dobru zavarljivost, deformabilnost i strojnu obradivost.

- Do nedavno vijek dodatnih materijala je bio u granici prihvatljivosti. Danas je trajanje potrošnih materijala poboljüano.

34


Utjecaj kvalitete plina Utjecaj kvalitete plina –– rezanje laseromrezanje laserom

35


Područje učestalije primjene pojedinih Područje učestalije primjene pojedinih postupaka rezanjapostupaka rezanja

Debljina materijala, mmDebljina materijala, mm

…… SchneidenSchneiden mit mit WasserstrahlenWasserstrahlen, , WerkstattWerkstatt undund BetriebBetrieb, 3/1994, str. 16., 3/1994, str. 16.

36


Uobičajena debljina lima koji se režeUobičajena debljina lima koji se reže

…… SvetsarsenSvetsarsen, A , A weldingwelding reviewreview publishedpublished byby EsabEsab GroupGroup, , VoVo. 54, No.1. 54, No.1--2, 1999., 2, 1999., pgpg 34.34.

37


Tolerancije Tolerancije

3

0,1

0,5

1,0

6 9 12

PART THICKNESS (mm)

PAR

T S

IZE

VA

RIA

TIO

N (

mm

)

Air Plasma (Manual)

Electric Spark Erosion

Gas

Cut

ting

HyDefinition Plasma

YA

G L

aser

CO Laser2

…… SvetsarsenSvetsarsen, A , A weldingwelding reviewreview publishedpublished byby EsabEsab GroupGroup, , VoVo. 54, No.1. 54, No.1--2, 1999., 2, 1999., pgpg 34.34.

38


Kvaliteta reza Kvaliteta reza

39


Primjena plazme za rezanje Primjena plazme za rezanje –– bliža okolinabliža okolina

• Zavarene posude d.o.o., SB

• Austrian Energy – ĐĐ TEP d.o.o. , SB

• Tedington (uvodi se zračna plazma), SB

• Montaža ĐĐ, SB

• Plamen, Požega

• Starco, B. Manastir (zavarivanje, rezanje)

• Strojarski fakultet, SB

• ….

40


CNC rezanje plazmom CNC rezanje plazmom –– VarstrojVarstroj ((LendavaLendava, SLO), SLO)

41


Kjellberg- Plasmabrenner PB-S76 W-2/O2


42


HiFocus 100 mit 2D-Führungsmaschine(Baustahl)

43


HiFocus-Technologija

PerCut-Brenner

Razanje cijevi (s vanjeske i unutarnje strane), kvaliteta reza, postojanost elektrode, povećan radijus rada (do 55 m), …

Documents

REZANJE PLAZMOM