gasno rezanje

OBRAZOVANJE EDUCATION

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE, 2/2011, str. 75-86 75

NOVITETI U TERMIČKIM POSTUPCIMA REZANJA

Autori: Vlado Martinovski, dipl.ing i Milica Antić, dipl.ing

Postoji više postupaka termičkog rezanja i pripreme ivica žleba, a najčešće se koriste rezanje gasom, električnim lukom, plazmom i laserom, koji su slični odgovarajućim postupcima zavarivanja.

Sa slike 1 vidljivo je kako se posljednjih godina menjao trend odabira opreme za rezanje u svetu. Dok je 1990.godine, 70% sve prodate opreme imalo ugrađen gasni rezač, a samo 5% laserski, u 2005. na gasne rezače otpada još svega 20%, a laserski se u nekom od oblika ugrađuju na gotovo 25% svih prodatih uređaja za rezanje.

Slika 1: Trend odabira opreme za rezanje u svetu

Na slici 2 su prikazana područja primene postupaka termičkog rezanja laserskim snopom, plazmom i i kiseonikom i gorivim gasom, na različitim vrstama metala.

Slika 2: Područja primene postupaka termičkog rezanja


76 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE, 2/2011, str. 75-86

GASNO REZANJE

Gasno rezanje je postupak razdvajanja metala njegovim sagorevanjem u struji kiseonika, uz istovremeno oduvavanje produkata sagorevanja (troske), slika 3. Da bi metal sagorevao treba ga zagrejati do temperature paljenja (početka sagorevanja). Gasno rezanje metala spada u termičke postupke, pri čemu se radna temperatura postiže sagorevanjem gorivog gasa (acetilen, propan/butan, zemni gas,…)

Osim toga, sagorevanjem gorivog gasa dobija se deo toplote kojom se radna temperatura održava, a značajan deo toplote dobija se sagorevanjem metala koji se reže. S obzirom na to, da se gasno rezanje zasniva na sagorevanju metala, postoje određeni uslovi koji moraju da budu ispunjeni da bi proces rezanja mogao da se odvija:

• Metal mora da bude podložan oksidaciji.

• Temperatura sagorevanja metala treba da bude niža od temperature topljenja.

• Temperatura topljenja oksida treba da bude niža od temperature topljenja metala.

• Toplotna provodljivost metala mora biti mala.

To znači da toplota sagorevanja metala treba da bude dovoljna da, zajedno sa toplotom plamena, kontinualno održava temperaturu sagorevanja.

Od konstrukcionih materijala, ove uslove najbolje ispunjavaju niskougljenični i niskolegirani čelici. Temperatura sagorevanja ovih čelika zavisi od njihovog sastava, i približava se temperaturi topljenja sa porastom sadržaja ugljenika, slika 4.

Da li se neki čelik može uspešno i kvalitetno gasno rezati, može se proveriti izračunavanjem ekvivalentnog ugljenika iz empirijske formule:

4%

4%

5%

15%

6%% VMoCrNiMnCCek +++++=

pri čemu je za Cek < 0,3% uslov ispunjen.

Tabela 1: Temperature predgrevanja osnovnog matetrijala u zavisnosti od debljine i Cek

Ekvivalentni ugljenik [%]

Temperatura predgrevanja za

debljine do 50mm [°C]

Temperatura predgrevanja za debljine

preko 50mm [°C]

< 0,3 - -

0,3…0,4 - max 100

0,4…0,5 max 100 100…200

0,5…0,6 100…200 200…350

> 0,6 200…350 350…500

Slika 3: Šematski prikaz gasnog rezanja



Slika 4: Promena temperature sagorevanja i temperature topljenja čelika

Uređaj (gorionik) za gasno rezanje je tako konstruisan da omogućava pravilno stvaranje smeše kiseonik-gorivi gas, plamena za zagrevanje i dovođenje posebne struje kiseonika za rezanje, slika 5. Gorionici su oblikom prilagođeni za ručno i mašinsko rezanje. Od ključnog značaja za uspešno rezanje su mlaznice, koje mogu da budu veoma raznovrsne i prilagođene specifičnim zahtevima (mlaznice za različite gorive gasove, za različite debljine, za posebne uslove).

U koncepcijskom smislu, postoje dva tipa gorionika za rezanje: gorionici kod kojih se goriva smeša stvara unutar gorionika u tzv. mešačkoj komori i gorionici kod kojih se goriva smeša stvara unutar mlaznice.

Gorionik za ručno gasno rezanje je komplikovaniji od gorionika za zavarivanje, mada su neki delovi isti, kao npr. držač (rukohvat). Osnovna razlika je u cevima koje treba da obezbede dovod smeše gorivog gasa i kiseonika i nezavisni dovod kiseonika za sagorevanje, kao i u mlaznici čija konstrukcija treba da obezbedi isticanje gasova.

Zato se gorionik za rezanje sastoji od cevi za dovod smeše gasova, uključujući mešačku komoru i injektor, cevi za dovod kiseonika za rezanje, propusnim ventilima za dovod kiseonika i gorivog gasa i mlaznice sa centralnim otvorom za kiseonik i perifernim otvorima za smešu.

Slika 5: Gorionik za gasno rezanje



Dve osnovne varijante dvodelne mlaznice (prstenasti otvor ili više otvora za dovod smeše) prikazane su na slici 6. Centralni otvor konusnog oblika daje ravnomerniju struju kiseonika i bolji rez, a za veće brzine rezanja koriste se mlaznice sa aerodinamičnim profilom središnjeg kanala (Laval-ova mlaznica).

Standardne dvodelne mlaznice se proizvode u različitim veličinama, zavisno od debljine materijala koji se reže. Jedna od kombinacija koju daje proizvođač data je u tabeli 2.

Tabela 2: Standardne mlaznice za rezanje

spoljne (veličina) 1 2 3 4

unutrašnje (veličina) 1-2 3-4 5 6

debljina materijala (mm) 3÷10 / 10÷30 30÷60 / 60÷100 100÷200 200÷300

a) b)

Slika 6: Dvodelna mlaznica za rezanje (a) sa jednim prstenastim otvorom (b) sa više otvora

a) b)

Slika 7: Mlaznice sa različitim profilom centralnog otvora (a) cilindrični (b) konusni

Slika 8: Aerodinamična mlaznica

Kod ručnih gorionika postoji mogućnost primene pomoćnih alata da bi se obezbedio stalni položaj mlaznice za rezanje, čime se postiže kontrolisan pravac i ugao rezanja, slika 9.



Automatsko rezanje zahteva složene mašine (slika 10), koje su ekonomične u serijskoj proizvodnji. Automati za rezanje su u novije vreme sa optičkim ili numeričkim vođenjem. Zadata kontura, koju prati optička glava na uporednom stolu, ili računar sa programiranom putanjom koja se prenosi na gorionike za rezanje, može da bude pravolinijska ili vrlo složena.

Slika 9: Dodatni alat ("kolica") gorionika za mehanizovano rezanje

Slika 10: Automati za gasno rezanje sa optičkim i numeričkim vođenjem gorionika

TEHNOLOGIJA GASNOG REZANJA

Gasno rezanje se izvodi u više faza:

• metal se prvo zagreva plamenom, sve do postizanja temperature paljenja (početka sagorevanja) koja za čelike iznosi 1300÷1350°C,

• na zagrejano mesto se usmerava mlaz kiseonika za sagorevanje metala, pri čemu se prečnik i protok mlaza određuju prema debljini materijala,

• kada se na početnom mestu rezanja sagori metal po celom preseku, gorionik se pokreće brzinom koja omogućava stalni kontakt mlaza kiseonika i troske i kontinualno sagorevanje.

Pravilan proces rezanja se odvija konstantnom brzinom sa neprekidnim mlazom produkata sagorevanja (oksidi u obliku rastopljene troske), slika 11. Pri tome, plamen koji okružuje mlaz kiseonika, ima zadatak da anulira efekat odvođenja toplote kroz metal van zone rezanja, a mlaz kiseonika mora da sagorevanjem metala obezbedi dovoljno toplote da sagorevanje (rezanje) ostane neprekinuto.

a) početak rezanja (A-A'-1) b) završetak rezanja (B-B'-2) c) redosled rezanja (1-2-3)

Slika 11: Pravilan izbor početka, završetka i redosleda rezanja



Osnovni parametri gasnog rezanja su protok (uslovljen veličinom otvora unutrašnje mlaznice), pritisak kiseonika za rezanje i brzina rezanja. Navedeni parametri se biraju prema debljini materijala, mada brzina rezanja donekle zavisi i od sastava osnovnog materijala. Pritisak kiseonika za rezanje bitno utiče na stabilnost procesa, tako da njegovom određivanju treba posvetiti posebnu pažnju. Brzina rezanja presudno utiče na pravilno sagorevane materijala po celom preseku i održavanje stalne temperature rezanja. Osim od debljine, brzina rezanja zavisi i od veličine mlaznice (protoka kiseonika). Kao posledica slaganja brzine kretanja gorionika (brzina rezanja) i brzine sagorevanja materijala po dubini, dolazi do zaostajanja (otklona) mlaza izraženim vidljivim, povijenim brazdama na površini reza, slika 12. Otklon nema bitnijeg uticaja na kvalitet rezanja ako je njegova vrednost u granicama 5-15% debljine materijala, ali kod većih otklona brzina rezanja mora da se smanji.

Slika 12: Otklon mlaza produkata sagorevanja

Rezanje pojedinih materijala

Od konstrukcionih materijala uslove za kvalitetno gasno rezanje najviše ispunjava čelik, i to niskougljenični i niskolegirani. Rezanje je lakše, što je u čeliku manje ugljenika, jer se porastom njegovog sadržaja smanjuje razlika između temperature sagorevanja i temperature topljenja. Debljina osnovnog materijala koji se gasno reže su standardno od 3 do 300mm, a mogu dostići i 1500mm.

Gasno rezanje nema bitnijeg uticaja na svojstva niskougljeničnog čelika, dok u slučaju čelika sa većim sadržajem ugljenika može da se uoči pojava zakaljenog sloja u okolini ivica reza (zona uticaja toplote).

Legirani čelici otežano se režu gasno, pri čemu je po pravilu neophodno predgrevanje i naknadna termička obrada. Analiza uticaja legirajućih elemenata na mogućnost rezanja čelika sprovodi se izračunavanjem ekvivalentnog ugljenika Cek po datoj empirijskoj formuli.

U određenim slučajevima se mogu koristiti specijalni gorionici koji imaju mogućnost dovođenja železnog praha u zonu reza, čime se povećava količina toplote dobijene sagorevanjem.

Specijalne tehnike gasnog rezanja

Specijalne tehnike se prvenstveno odnose na rezanje debelih ploča (preko 300 mm debljine), naslaganih limova, žlebljenje i podvodno rezanje. Osnovni problemi pri rezanju debelih limova su, da se obezbedi dovoljna količina gasova i odgovarajuća oprema. Dovoljna količina gasova (prvenstveno kiseonika) je neophodna da se ne bi prekinuo proces rezanja, jer je njegovo nastavljanje na debelim limovima izuzetno teško. Specijalnim gorionicima rezane su ploče debljine do 1500 mm.

Rezanje naslaganih limova (slika 13) se često koristi da bi se uštedelo vreme i gasovi. Kako potrošnja kiseonika nije proporcionalna debljini lima, to je očigledno moguća značajna ušteda istovremenim rezanjem više tanjih limova (do 13mm). Rezanje naslaganih limova takođe se koristi za vrlo tanke limove (ispod 3mm) koji pojedinačno ne mogu da se režu. Ukupna debljina naslaganih limova ne treba da pređe 150 mm.

Slika 13: Rezanje naslaganih limova Slika 14: Žlebljenje



Izrada žlebova-žlebljenje (na pr. uklanjanje grešaka na zavarenim spojevima) je specifična, ali česta primena gasnog rezanja, slika 14. Za ovaj posao se koriste standardni gorionici za rezanje, ali sa specijalno oblikovanim mlaznicama. Njihov zadatak je da sagore metal do određene dubine, na željenoj dužini.

Za podvodno rezanje koristi se modifikovana konstrukcija gorionika sa dodatnim kanalom za vazduh pod pritiskom. Uloga vazduha je da vazdušnim mehurom izoluje mesto rezanja od okolne vode, čime se obezbeđuju radni uslovi kao kod običnog gasnog rezanja.

Najčešći gorivi gas, koji se koristi za podvodno gasno rezanje je vodonik. Za manje dubine (do 5m) može se koristiti acetilen.

Greške pri gasnom rezanju

Usled pogrešno odabranih parametara ili nepridržavanja propisane tehnologije nastaju razne vrste grešaka pri gasnom rezanju. Najčešće greške prikazane su na sl. 13.

a) b)

c) d)

e) f)

g) h)

Slika 15: Greške rezanja: a) nedovoljno predgrevanje i brzina rezanja, b) predugačak plamen predgrevanja, c) nedovoljan pritisak kiseonika, d) previsok pritisak kiseonika i mali otvor mlaznice, e) nedovoljna brzina rezanja, f) prevelika brzina rezanja, g) promenljiva brzina rezanja, h) loše nastavljanje.

REZANJE PLAZMOM

Plazma predstavlja četvrto agregatno stanje i suštinski je električno provodljiv, disociran i visokojonizovani gas. U zavarivanju i rezanju se koristi kao relativno tanak mlaz, energije velike gustine (preko 9000A/cm2)

Pri rezanju plazmom visoka temperatura mlaza plazme topi i delimično sublimiše radni predmet, a rastop se oduvava iz reza kinetičkom energijom gasa koji izlazi iz mlaznice, slika 16.

Plazmeni mlaz se dobija provođenjem određenog gasa kroz električni luk. Električni luk se uspostavlja između elektrode koja je spojena na “-” pol i radnog komada.

Konvencionalni proces rezanja plazmom odvija se u nekoliko sekvenci:

1. Kroz gorionik se pušta manja količina plazma gasa (Ar kao pilot gas).

2. Visokofrekventnom strujom se uključuje pilot luk male snage, koji se stvara između elektrode (katoda) i osnovnog materijala (anode). U ovom luku dolazi do inicijalnog stvaranja plazma gasa.

3. Aktivira se glavni luk između katode i radnog komada (anode) i pušta pun protok plazma gasa (mešavina Ar/H2 ili N2). Isključuje se visokofrekventni izvor. Mlaz plazme, koji se stvara prolaskom kroz glavni luk, temperature reda veličine od 14000 do 25000°C, predaje toplotu radnom komadu usled rekombinacije, konvekcije i radijacije, topi i isparava metal na mestu dodira.

4. Kinetička energija plazma gasa oduvava rastopljeni metal i stvara rez.

Razlikuju se dva osnovna postupka rezanja plazmom: inertnim gasom i oksidujućim gasom.

• Od inertnih gasova se koriste Ar i N2, kao i mešavine Ar/H2 i Ar/N2. Katoda je u ovom slučaju od volframa.

• Od oksidujućih gasova se koriste kiseonik i komprimovani vazduh. Katoda je od hafniuma ili cirkonijuma.



Slika 16: Šematski prikaz grionika za plazma rezanje

a) b) Slika 17: Šematski prikaz dva tipa gorionika za plazma rezanje

a) sa prenešenim lukom, b) sa neprenešenim lukom

Postoji veliki broj tipova plazma gorionika. Oblik im je prilagođen za ručno ili mašinsko rezanje. Njihova klasifikacija je data u tabeli 3.

Za rezanje se najjčešće koristi plazma gorionik sa direktnim i prenešenim lukom, kojim mogu da se režu svi elektroprovodljivi materijali (slika 17). Plazma gorionik sa neprenešenim i indirektnim lukom koristi se za rezanje predmeta malih debljina (ispod 1 mm) i materijala koji nisu elektroprovodljivi (npr. keramika).

Slika 18: Šematski prikaz grionika za plazma rezanje



U novije vreme je razvijeno više različitih postupaka plazma rezanja, kao što je korišćenje dva nezavisna gasa (jedan kao radni, a drugi kao zaštitni), korišćenje vazduha umesto uobičajenih plazma gasova i ubrizgavanje vode radi efikasnijeg sužavanja mlaza, slika 18.

Tabela 3: Klasifikacija plazma gorionika za rezanje

Uticaj različitih zaštitnih gasova na rezanje plazmom

Primena pojedinih gasova za rezanje plazmom zavisno od vrste materijala pre svega zavisi od karakteristika gasova kao na pr. energija disocijacije, jonizacija, toplotna provodljivost, specifična masa. Presudan uticaj na kvalitet reza ima čistoća gasa.

Ugljenični čelici:

• Vazduh kao plazmeni gas: visoka produktivnost, manje onečišćenje azotom i oksidima na površini reza

• Kiseonik kao plazmeni gas: visoka produktivnost, rezna površina bez onečišćenja azotom

Cr-Ni čelici:

• Vazduh kao plazmeni gas: visoka produktivnost, prihvatljiv kvalitet reza, potrebna naknadna dorada ako sledi zavarivanje

• Mešavina ArH2/ArH2N2 kao plazmeni gas: vrlo čista površina reza

Aluminium:

• Vazduh kao plazmeni gas : visoka produktivnost, prihvatljiv kvalitet reza

• Mešavina ArH2 kao plazmeni gas: izuzetan kvalitet površina reza

PLAZMA

PLAZMA GORIONICI ZA

Č

PLAZMA GORIONICI ZA

Š

Snaga luka

Način hlađenja

Vrsta plazma gasa

Varijante procesa

Ar/H2 mešavina, sa sekundarnim gasom, suva

Materijal katode

Oblik katode



Vazduh se često koristi kao plazmeni gas: zato što je relativno lako dostupan, vek trajanja potrošnih materijala je prihvatljiv, a kvalitet reza je prihvatljiv za većinu materijala. Kod ugljeničnih čelika može doći do pojave nitriranja ili oksidacije koja se obično javlja na aluminijumu i nerđajućem čeliku

Azot daje izvrstan kvaliteta reza na aluminijumu i nerđajućem čeliku. Kvalitet reza na većini ugljeničnih čelika je lošeg kvaliteta zbog pojave nitriranja na površini kao i formiranja šljake. Vek trajanja potrošnog materijala je izvrstan.

Azot zahteva veći napon (i energiju) kod prelaska u stanje plazme, ali je zato energija plazme velika.

Argon-vodonik mešavina se koristi radi poboljšanja kvalitete reza na nerđajućim čelicima i aluminijumu. Vek potrošnog materijala je izvrstan. Premalo H2 daje grublju površinu reza i zaobljen gornji rub reza, a previše H2 daje glatku gornju stranu reza ali na donjem rubu ostaje deo rastopljenog metala. Argon osigurava lagano uspostavljanje luka i njegovu stabilnost, dok mu je s druge strane sadržaj energije manji i cena nešto veća.

Kiseonik se koristi za dobijanje veoma kvalitetnog reza na ugljeničnim čelicima. Ivice reza su bez azota i imaju dobru zavarljivost, deformabilnost i mašinsku obradivost. Do nedavno, vek dodatnih materijala je bio u granici prihvatljivosti. Danas je trajanje potrošnih materijala poboljšano.

Smanjivanje štetnosti po životnu sredinu kod plazma rezanja

Osnovni nedostaci plazma rezanja su stvaranje zagađivača u vidu NOx, buka i radijacija svetlosti male talasne dužine.

Ublažavanje dejstva navedenih nedostatka izvodi se na više načina.

Plazma rezanje pod vodenom zavesom

Zaštita se izvodi pomoću specijalne izvedbe plazma gorionika i radnog stola koji prikuplja vodu. U gorionik se injektuje voda koja okružuje mlaz plazme, slika 19a. Vodena zavesa absorbuje azot-okside i donekle smanjuje svetlosno zračenje. Najbolji rezultati se postižu na debljinama osnovnog materijala 60 do 80mm.

Plazma rezanje u vodenom sloju

Radni sto, na kome je ploča koja se reže, ispunjen je vodom. Površina ploče se nalazi do 100 mm pod vodom. Plazma gorionik je sa sekundarnim gasom ili injekcijom vode, slika 19b. U ovom slučaju je potrebno da energija plazme bude veća nego kod rezanja na vazduhu. Režu se ugljenični čelici do 15mm debljine, a legirani čelici do 20mm. Kao i predhodnom slučaju, voda absorbuje azot-okside i smanjuje svetlosno zračenje ali i značajno smanjuje buku. Površina reza je bez oksida, sa minimalnim termičkim deformacijama. Kod određenih vrsta čelika, treba voditi računa o zakaljivanju.

Plazma rezanje kroz vodeni mlaz

Svrha vodenog mlaza, koji je u sadejstvu sa plazma gorionikom, je da vrši brzo hlađenje i odvođenje rastopljenog metala iz zone reza. Plazma gorionici koji se pri tome upotrebljavaju su sa injekcijom vode. Kod ove vrste rezanja gorionika stoji, a radni komad se kreće po x i y osi.

Slika 19: Gorionici za plazma rezanje koji umanjuju štetnosti plazma luka



Slika 20: CNC uređaj za rezanje plazmon bez zaštite od plazma luka

Slika 21: Plazma rezanje pod vodom

Nastavak u sledećem broju: poglavlje REZANJE LASEROM

LITERATURA:

[1] Grupa autora, The Welding Engineer s Current Knowledge, GSI SLV, DVS , Nemačka , (2000)

[2] Grupa autora, Laser, Vikipedija, datoteke, (2011)

[3] Propagandni materijali proizvođača

[4] A comparison of the termal cutting processes, H. Mair i F.-C. Plebuch, Hoellriegerlskreuth, Thermal Cutting E29/95 (1995)

TEST ZA PROVERU TEORIJSKOG ZNANJA ZA POSTUPAK ZAVARIVANJA : 111 - RUČNO ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE OBLOŽENOM ELEKTRODOM

1. Izvor toplote pri elektrolučnom zavaivanju je:

□ Električni luk □ Električni otpor □ Hemijska reakcija □ Kovačka vatra

2. Električni luk je:

□ Izolator □ Električno pražnjenje u gasovima (provođenje struje kroz jonizovani gas pod dejstvom

električnog polja) □ Proizvod hemijske reakcije □ Razlika potencijala

3. Transformatori za zavarivanje imaju uglavnom:

□ Ravnu statičku karakteristiku □ Strmu statičku karakteristiku □ Rastuću statičku karakteristiku □ Padajuću statičku karakteristiku



4. Dužinu električnog luka u toku zavarivanja treba:

□ Održati što ujednačenijom □ Varirati od minimalnih do maksimalnih veličina □ Održavati što dužom □ Nema nikakvog uticaja

5. Koji legirajući elemenat u čeliku najbitnije utiče na zavarljivost?

□ Ugljenik □ Hrom □ Mangan □ Fosfor

6. Koje elektrode treba obavezno sušiti?

□ Sa celuloznom oblogom □ Sa bazičnom oblogom □ Sa rutilnom oblogom □ Sa kiselom oblogom

7. Manja ugaona deformacija, manji utrošak energije i dodatnog materijala pri izvođenju sučeonog spoja postiže se:

□ Pri jednostranom zavarivanju sa „V“ pripremom □ Pri dvostranom zavarivanju sa „X“ pripremom □ Zanemarljiv je uticaj pripreme spoja □ Bez ikakve pripreme

8. Parametri zavarivanja kod postupka 111, biraju se pre svega na osnovu:

□ Vrste uređaja za zavarivanje □ Vrste i debljine osnovnog materijala, tipa spoja i položaja zavarivanja □ Tipa obloge obložene elektrode □ Zahteva naručioca

9. Zaštitna maska štiti zavarivača od:

□ Električnog luka □ Gasova koji se stvaraju pri zavarivanju □ Strujnog udara □ Požara

10. Uverenje o kvalifikaciji zavarivača po EN 287-1 važi:

□ Neograničeno □ 3 meseca □ Dve godine uz obaveznu šestomesečnu overu od strane poslodavca, a može se produžiti za

naredni dvogodišnji period ako je rad zavarivača pod stalnom kontrolom adekvatnim metodama ispitivanja bez razaranja

□ 6 meseci

gasno rezanje

Documents