12. Tepelné delenie materiálov – podstata procesu, spôsoby

  1. Rezanie plameňom
  2. Laserové rezanie
  3. Plazmové rezanie

Rezanie plameňom

Tepelné delenie plameňom kyslík – horľavý plyn je proces na princípe oxidácie, ktorý využíva tepelný účinok z tejto reakcie a slúži v prvej fáze na natavenie kovového materiálu. Do miest, kde na povrchu nastane roztavenie kovu je potom v druhej fáze privedený pod vysokým tlakom kyslík, ktorý spaľuje častice železa a vyfukuje roztavený kov z reznej škáry. Tento proces, ktorý sa nazýva autogénne rezanie, je možné použiť iba na železných kovoch a to ešte s obmedzenými legúrami – teda v praxi sú to konštrukčné uhlíkové ocele.

KYSLÍK

Podstatou metódy je spaľovanie železa v prúde kyslíku. To znamená, že vlastnosti kyslíka vplývajú na výsledky rezania. Optimálna čistota rezacieho kyslíka je 2,5 N (99,5 %). Táto čistota by mala byť zabezpečená na výstupe z rezacej trysky, a nie len na výstupe z fľaše alebo kryogéneho zásobníku. Často sa podceňuje úroveň tlaku rezacieho kyslíku. Hodnoty tlaku, ktoré odporúča výrobca, musia byť na rezacej tryske, a nie na výstupe zo zdroja. Moderné vysokovýkonné trysky vyžadujú pre hrubšie materiály aj viacej ako 10 barov tlaku. Kyslík je inak plnený s tlakom do 15 MPa. osiahnutie optimálnej čistoty a požadovaného tlaku a prietoku kyslíku sa dá pomocou dobre dimenzovaného zdroja kyslíka (fľaša, zväzok, zásobník) a transportného systému (potrubie, hadice, redukčné a uzavieracieho ventilu).

HORĽAVÝ PLYN

Teplo z horenia zmesi plynov je potrebné na zohriatie rezaného materiálu na zápalnú teplotu. Voľba typu horľavého plynu je závislá od výberu prevádzkovateľa technológie. Horľavé plyny je možné hodnotiť podľa niektorých parametrov: maximálny výkon rezania (rýchlosť ohrevu na zápalnú teplotu, rezná rýchlosť, prepal ocele), kvalitu reznej plochy pre všetky rezané hrúbky. Vo väčšine prípadov je optimálnym kritériom vysoká kvalita rezu pri dosiahnutí čo najväčšej rýchlosti rezania. V prípade kratších rezov a častých prepalov je dôležitá rýchlosť ohrevu materiálu na zápalnú teplotu.
Najpoužívanejším z uvedených plynov je acetylén. Ako zdroj acetylénu je možné použiť jednotlivé fľaše alebo zväzky z tlakových fliaš. Zdroj sa musí dimenzovať podľa okamžitého odberu plynu.

Acetylén – univerzálny uhľovodík C2H2 používaný pre všetky plameňové technológie. Pri horení s kyslíkom dosahuje veľmi vysokú teplotu plameňa (až 3140°C). Acetylén vzniká pôsobením vody na karbid vápnika – vzniká vápenné mlieko – 2H2O + CaC2 -> Ca(OH)2 + C2H2

Používa sa aj propán – horľavý LPG plyn C3H8 s nízkou nákladovosťou vo vzťahu na hmotnostnú jednotku (€/kg). Maximálna teplota plameňa pri horení propánu s kyslíkom je 2500°C. Pri autogénnych technológiách však propán na seba viaže vyšší hmotnostný pomer spotreby nahrievacieho kyslíka.

PRÍSLUŠENSTVO PRE PLAMENNÉ TECHNOLÓGIE

Na obrázku je zariadenie pre zváranie plameňom, pri rezaní sa nepridáva zvarovací drút, ale prúd kyslíka prereže materiál.

Oxy acetylénové zváranie - rezanie

Oxy acetylénové zváranie - rezanie (klikni pre zväčšenie)

Dvojica oceľových plynových fliaš – s fľašovým bezpečnostným ventilom

Hadice na prívod k zmiešavacej trubici

Dva redukčné ventily – modrá O2 a červená acetylén

Zvárací horák:

  • O2 – modrá + biela
  • acetylén – gaštanová
  • argón – tmavozelená
  • dusík – čierna
  • oxid uhličitý – šedá
  • vodík – červená
  • stlačený vzduch – svetlozelená, šedá
  • amoniak – žltá, červená, žltá
  • oxid siričitý, chlór – žltá

Dva druhy horákov:

  • vysokotlakový
  • nízkotlakový

Nízkotlakové horáky, obsahujú na rozdiel od vysokotlakových, tzv. injektor. Princípom injektora je zúženie
prietokového prierezu plynu, v dôsledku čoho sa zvyšuje jeho prietoková rýchlosť a v jeho okolí dochádza k poklesu tlaku. Okolitý plyn (acetylén) je tak prisávaný k plynu prúdiacemu injektorom (kyslík). V miešacej komore sa laminárne prúdenie zmesi plynov mení na turbulentné a horák opúšťa homogénna zmes plynov. Vysokotlakové horáky sa používajú menej často a vyžadujú špeciálny typ redukčných ventilov.

Horák so zmiešavacou komorou (vysokotlaký)

Horák so zmiešavacou komorou

Horák so zmiešavacou komorou

Injektovaný horák (nízkotlaký)

Injektovaný horák

Injektovaný horák

Vzhľadom na možnosť regulácie vzájomného pomeru kyslíka a acetylénu je možné nastaviť tri druhy plameňov, líšiacich sa podľa ich chemického zloženia. Zapálením kyslíkovo-acetylénovej zmesi vznikne zvárací plameň. Spaľovanie acetylénu sa deje v dvoch oblastiach dvojfázovo. Prvá oblasť obsahuje produkty prvej fázy spaľovania a využíva sa v nej kyslík privedený do horáka.

  • neutrálny plameň
  • oxidačný plameň
  • redukčný plameň

Neutrálny plameň:

Pomer objemov kyslíka a acetylénu pre neutrálny plameň je až 1,2:1. Tento druh plameňa sa používa na zváranie uhlíkových ocelí. Má jasne svietiaci ohraničený zvárací kužeľ a na zváranie sa používa najčastejšie.

Oxidačný plameň:

Ak sa zvýši pomer kyslíka k acetylénu viac ako 1,2:1, bude v zmesi viac kyslíka, ako je potrebné na I. fázu
spaľovania. Prebytočný kyslík spaľuje oxid uhoľnatý na oxid uhličitý, redukčná oblasť sa úplne stratí a plameň sa stane oxidačný. Zvárací kužeľ je kratší, zahrotený a modrý. Na zváranie ocelí sa tento plameň nehodí, pretože na povrchu zváraných materiálov vytvára oxidy železa. Oxidačné vlastnosti plameňa je možné využiť pri zváraní mosadze, kedy vytvárajúca sa oxidická vrstvička zinku zabraňuje jeho vyparovaniu (teplota tavenia zinku je doplniť oproti 1083°C pre meď), a tým i vzniku pórov vo zvare. Okrem mosadzí sa oxidačný plameň používa na zváranie niektorých druhov bronzov a na rezanie kyslíkom.

Redukčný plameň:

Alebo aj karburačný plameň sa dosiahne, ak pomer kyslíka k acetylénu klesne pod hodnotu 1:1. V tomto prípade je v zmesi prebytok acetylénu, ktorý sa nemôže spáliť s kyslíkom na oxid uhoľnatý a táto nespálená časť uhlíka dohorieva za účasti vzdušného kyslíka. Časť uhlíka prechádza do zvarového kovu spoja a nauhličuje ho. Na zváranie ocelí sa tento plameň nepoužíva, pretože nauhličením sa zvar stáva krehkým, tvrdým a pórovitým, čo negatívne ovplyvňuje jeho kvalitu. Nedostatok kyslíka v karburačnom plameni je možné využiť pre zváranie hliníka ajeho zliatin, (nehrozí vznik oxidu hlinitého, ktorý sťažuje zváranie), sivej liatiny a pri vytváraní tvrdonávarov.

Rezanie laserom

Základné metódy delenia laserom sú:

  1. oxidačné rezanie – reakciou kyslíka s roztaveným povrchom kovu vzniká exotermná reakcia, ktorá má za následok ďalšie ohriatie rezaného materiálu. Tento spôsob sa používa najmä na delenie uhlíkových ocelí.
  2. tavné – delený materiál je lokálne natavený a tavenina je prúdom inertného plynu (argónu alebo dusíka) oddeľovaná od základného materiálu. Táto metóda sa využíva na vytváranie nezoxidovaných rezov koróziivzdorných ocelí a na rezanie neželezných či nekovových materiálov.
  3. sublimačné rezanie – materiál v mieste rezu je odparený.

Pri rezaní materiálov pomocou laserového lúča sa využíva vysoká koncentrácia energie laserového lúča (bežne nad 107 W/cm2). Po dopade sfokusovaného laserového lúča na rezaný materiál dochádza okamžite k jeho absorpcii materiálom, roztaveniu materiálu Joulovým teplom, jeho sublimácii a vytvoreniu paroplynového kanála. Zvyšky roztaveného kovu sú z reznej medzery odstránené pracovným plynom, ktorý prúdi cez rezaciu dýzu koaxiálne s osou laserového lúča. Kombinácia výkonu lúča, rýchlosti rezania a druhu pracovného plynu určuje, ktorý efekt prevládne v procese rezania, či sublimácia, alebo natavenie, resp. prepálenie materiálu. Podmienkou kvalitného tvarového rezania je kruhová polarizácia laserového lúča. Maximálna hrúbka materiálu, ktorý je možné laserom rezať je závislá na vlnovej dĺžke a výkone laserového lúča a taktiež na druhu materiálu.

Rezanie laserovým lúčom

Schéma rezania laserovým lúčom

Výhody:

  • vysoká rezná rýchlosť
  • veľmi úzka rezná medzera
  • vysoká presnosť rezania
  • veľmi úzka tepelne ovplyvnená oblasť
  • hladké rezné hrany, nie je potrebné ich ďalšie opracovanie a nehrozí porezanie pri manipulácii
    rezanie je bezdotykové, t.j. nedochádza k opotrebovaniu rezného nástroja a nie je potrebná výmena nástroja pri zmene tvaru vyrezávanej súčiastky
  • možnosť rezať aj nekovové materiály

Nevýhody:

  • vyššia nadobúdacia cena zariadenia
  • prevádzkové náklady
  • nároky na kvalifikovaný personál

Príklady použitia:

Delenie pomocou laserového lúča sa v priemyselnej praxi v širokej miere využíva na veľmi presné a kvalitné rezanie kovových aj nekovových materiálov, t.j. všade tam, kde sú vysoké požiadavky na dodržanie prísnych rozmerových tolerancií a kvality rezných hrán vyrezávaných súčiastok.
Laserový lúč sa používa na rezanie rôznych druhov materiálov, napr.: bežné konštrukčné ocele, austenitické ocele, hliník, sklo, akryláty, keramika, drevo, textil, a pod. vo všetkých oblastiach strojárskeho priemyslu: sú to napr. rôzne rozvinuté tvary krytov a dverí skríň, strojov a liniek, rôzne časti karosérie, výstuhy dverí, kapoty a strechy automobilov, komponenty potravinárskych liniek vyrezávané z nehrdzavejúcej ocele, vzduchotechnické komponenty, príruby, držiaky, montážne panely s rôznymi otvormi pre prístroje, jemné ozubené kolieska, architektonické modely, nápisy, dekorácie a mnohé ďalšie.

Rezanie plazmou

Plazma je z fyzikálneho hľadiska zionizovaný plyn zložený z iónov, elektrónov a tiež z neutrálnych častíc. Vzhľadom na to, že sa v plazmovom oblúku dosahujú veľmi vysoké teploty používa sa plazma v priemysle na tepelné delenie kovových materiálov. Princíp rezania plazmou spočíva v tom, že sa neutrálny plyn (môže to byť aj stlačený vzduch) vženie vysokou rýchlosťou cez dýzu do elektrického oblúka, ktorý sa zvyčajne vytvára vysokonapäťovou iskrou, čím sa tento plyn zionizuje, uzatvorí sa elektrický obvod s povrchom kovového materiálu, vytvorí sa plazmový oblúk vysokej teploty, ktorý roztaví kov určený na rezanie a plyn prúdiaci vysokou rýchlosťou zároveň odstráni roztavený kov z reznej medzery.

Samotné vytvorenie plazmového oblúka prebieha v praxi v dvoch krokoch. V prvom kroku sa vytvorí vysokonapäťová iskra s malým prúdom cez ktorú prúdi plyn vysokou rýchlosťou, v momente jeho zionizovania a uzatvorenia elektrického obvodu sa v druhom kroku prepína režim na nízke napätie a vysoký prúd. Plazma sa vzhľadom na svoju operatívnosť a výhodnú ekonomickú prevádzku stala v priemyselnej praxi štandardným nástrojom na tepelné delenie kovových materiálov.

Rezanie plazmou

Schéma rezania plazmou

Výhody:

  • vysoká operatívnosť
  • relatívne nízka nadobúdacia cena zariadenia
  • nízke prevádzkové náklady
  • schopnosť rezať rôzne druhy kovových materiálov
  • možnosť rezania veľkých hrúbok materiálov
  • pomerne rýchla a jednoduchá inštalácia zariadenia
  • rezanie je bezdotykové, t.j. nedochádza k opotrebovaniu rezného nástroja a nie je potrebná výmena nástroja pri zmene tvaru vyrezávanej súčiastky

Nevýhody:

  • potreba použitia odsávacieho a filtračného zariadenia
  • nezanedbateľná šírka reznej medzery

Príklady použitia:

Plazmové delenie kovových materiálov sa v praxi používa prakticky vo všetkých odvetviach priemyslu:
výroba automobilov – vyrezávanie rôznych nápravových a podvozkových výstuh a držiakov, nadstavby nákladných automobilov;  stavba lodí: nosníky výstuhy a plášte lodí; železničný priemysel: medzinápravové nosníky a výstuže vagónov; vzduchotechnika: rozvinuté tvary potrubí a prechodových a spojovacích častí; stavebníctvo: oceľové nosníky pre konštrukcie prevádzkových hál, oceľové mosty, časti lešenárskej techniky atď.



Počet komentárov: 1 k téme “12. Tepelné delenie materiálov – podstata procesu, spôsoby”

  1. Strojárska technológia » Témy | zlievarenstvo, obrábanie, tvárnenie, tepelné spracovanie povrchov, povrchové úpravy povlakovaním, montáž:

    [...] Tepelné delenie materiálov – podstata procesu, spôsoby [...]

Nechaj komentár

  • [ Vyhľadaj ]



  • [ Zaujímavé linky ]

    • 1. Projektovanie výroby projektovanie – realizácia – prevádzka výrobných systémov, projektová činnosť, analýza – štruktúra – rozvoj výroby
    • 2. Kvalita produkcie Kvalita – splnenie požiadaviek zákazníka… spokojný zákazník, systém manažérstva kvality, zlepšovanie kvality, nástroje kvality


    Share your story & Inspire Others. $9.99 .org from GoDaddy.com!