Ne glede na to, ali ustvarjate umetnine ali izdelujete končne dele, plazemsko rezanje ponuja neomejene možnosti za rezanje aluminija, nerjavnega jekla in več. Toda kaj točno se skriva za to razmeroma novo tehnologijo? Najpomembnejša vprašanja razjasnimo v našem kratkem pregledu z najpomembnejšimi dejstvi o plazma rezalnikih in plazemskem rezanju.
Kaj je plazemsko rezanje?
Plazemsko rezanje je postopek, pri katerem se električno prevodne materiale reže s pomočjo pospešenega curka vroče plazme. Tipični materiali, ki jih je mogoče rezati s plazemskim gorilnikom, so:
- jeklo,
- nerjavno jeklo,
- aluminij,
- medenina,
- baker in
- druge prevodne kovine.
Plazemsko rezanje se pogosto uporablja v proizvodnji, pri popravilih in obnovi avtomobilov, industrijski gradnji in razrezu. Zaradi visoke hitrosti in natančnosti rezov ob nizkih stroških se plazemsko rezanje široko uporablja od velikih industrijskih CNC aplikacij do majhnih hobi podjetij, kjer se materiali nato uporabijo za varjenje. Zaradi prevodnega plina s temperaturo do 30.000 °C je plazemsko rezanje tako posebno.
Kako deluje plazemsko rezanje?
Osnovni postopek pri plazemskem rezanju in varjenju je ustvarjanje električnega kanala pregretega, električno ioniziranega plina – tj. plazme – od samega plazemskega rezalnika skozi obdelovanec, ki ga je treba rezati, s čimer se prek ozemljitvenega priključka tvori končno vezje nazaj v plazemski rezalnik. To dosežemo s stisnjenim plinom (kisik, zrak, inertni plin in drugi, odvisno od materiala, ki ga režemo), ki ga z visoko hitrostjo pihamo na obdelovanec skozi usmerjeno šobo. V plinu nastane oblok med elektrodo blizu plinske šobe in samim obdelovancem. Ta električni oblok ionizira del plina in ustvari električno prevoden plazemski kanal. Ker tok iz rezalnega gorilnika plazemskega rezalnika teče skozi to plazmo, oddaja dovolj toplote, da se tali skozi obdelovanec. Hkrati velik del visoke hitrosti plazme in stisnjenega plina odpihne vročo staljeno kovino in loči obdelovanec.
Plazemsko rezanje je učinkovit način rezanja tankih in debelih materialov. Ročni gorilniki lahko običajno razrežejo do 38 mm debelo jekleno pločevino, močnejši računalniško vodeni gorilniki lahko razrežejo do 150 mm debelo jekleno pločevino. Ker plazemski rezalniki proizvajajo zelo vroč in zelo lokaliziran “stožec” za rezanje, so zelo uporabni za rezanje in varjenje plošč v ukrivljenih ali kotnih oblikah.
Prednosti in slabosti plazemskega rezanja
Prednosti
- delovanje enega ali več gorilnikov, odvisno od serije
- rezanje vseh elektroprevodnih materialov
- razrez visoko legiranega jekla in aluminija v srednjih in velikih debelinah
- odlična zmogljivost pri majhnih in srednjih debelinah mehkega jekla
- razrez konstrukcijskega jekla visoke trdnosti z manjšim vnosom toplote
- visoke hitrosti rezanja (do 10-krat višje kot pri gorivu s kisikom)
- poljubna obdelava za srednje in debele pločevine
- plazemsko rezanje zagotavlja avtomatizacijo
- plazemsko rezanje pod vodo omogoča zelo nizko izpostavljenost toploti in nizek nivo hrupa na delovnem mestu
Slabosti
- omejitev uporabe do 160 mm (180 mm) za suho rezanje in 120 mm za podvodno rezanje
- nekoliko širši rob
- relativno visoka poraba energije
- laserji nudijo višjo kakovost rezanja
- dražji od oksiacetilenskih rezalnih sistemov
- pri suhem rezanju možen hrup
Kje se plazemsko rezanje najbolj pogosto uporablja?
Ročne plazemske rezalnike običajno uporabljajo delavnice za obdelavo tankih kovin, vzdrževanje tovarn, kmetijsko vzdrževanje, centri za popravila varjenja, servisni centri za kovine (ostanki, varjenje in demontaža), gradbena dela (npr. zgradbe in mostovi), komercialna ladjedelnica, proizvodnja prikolic, avtomobilov popravilo in umetniška dela (proizvodnja in varjenje).
Mehanizirani plazemski rezalniki so običajno veliko večji od ročnih plazemskih rezalnikov in se uporabljajo v povezavi z rezalnimi mizami. Mehanizirani plazemski rezalniki se lahko integrirajo v sistem za prebijanje, laser ali robotski rezalni sistem. Velikost mehaniziranega plazemskega rezalnika je odvisna od uporabljene mize in portala. S temi sistemi ni enostavno manevrirati, zato je treba pred namestitvijo upoštevati vse njihove komponente skupaj s postavitvijo sistema.
Medtem pa proizvajalci ponujajo tudi kombinirane enote, ki so primerne tako za plazemsko rezanje kot za varjenje. V industrijskem sektorju velja pravilo: bolj ko so zahteve za plazemsko rezanje zapletene, višji so stroški.
Kdaj so bili razviti prvi plazemski rezalniki?
Plazemsko rezanje je nastalo iz plazemskega varjenja v šestdesetih letih prejšnjega stoletja in se je v osemdesetih letih razvilo v zelo produktiven postopek rezanja pločevine in plošč. V primerjavi s tradicionalnim rezanjem “kovina proti kovini” plazemsko rezanje ne proizvaja kovinskih ostružkov in nudi natančne reze.
Prvi plazemski rezalniki so bili veliki, počasni in dragi.
Zato so se večinoma uporabljali za ponavljanje rezalnih vzorcev v načinu množične proizvodnje. Tako kot pri drugih obdelovalnih strojih je bila tehnologija CNC (računalniško numerično krmiljenje) uporabljena v plazemskem rezalniku od poznih 1980 do 1990. Zaradi CNC tehnologije so plazemski rezalniki postali bolj prilagodljivi pri rezanju različnih oblik na podlagi niza različnih navodil, vprogramiranih v numerično krmiljenje stroja. Vendar pa so bili CNC stroji za plazemsko rezanje običajno omejeni na rezanje vzorcev in delov iz ravnih jeklenih pločevin z le dvema osema gibanja.
V zadnjih desetih letih so proizvajalci različnih plazemskih rezalnikov razvili povsem nove modele z manjšo šobo in tanjšim plazemskim oblokom. To omogoča lasersko natančnost na robovih plazemskega rezanja. Več proizvajalcev je združilo CNC natančno krmiljenje s temi gorilniki za izdelavo delov, ki zahtevajo malo ali nič predelave, kar poenostavi druge postopke, kot je varjenje.
Kaj je toplotna ločitev ali separacija?
Izraz “toplotna separacija” se uporablja kot krovni izraz za postopke, pri katerih se materiali režejo ali oblikujejo z delovanjem toplote z ali brez rezanja pretoka kisika na tak način, da pri nadaljnji obdelavi ni potrebna predelava. Trije prevladujoči postopki so kisikovo, plazemsko in lasersko rezanje.
Rezanje s kisikom
Ko ogljikovodiki oksidirajo, proizvajajo toploto. Tako kot pri drugih procesih zgorevanja, rezanje s kisikom ne zahteva drage opreme, vir energije je enostaven za transport in večina procesov ne zahteva ne elektrike ne hladilne vode. Običajno zadostujeta gorilnik in plinska jeklenka. Rezanje s kisikom je prevladujoč postopek za rezanje težkega, nelegiranega in nizkolegiranega jekla in se uporablja tudi za pripravo materiala za kasnejše varjenje. Ko avtogeni plamen doseže temperaturo vžiga, se vklopi kisikov curek, ki povzroči vžig materiala. Kako hitro je dosežena temperatura vžiga, je odvisno od gorivnega plina. Hitrost pravilnega reza je odvisna od čistosti kisika in hitrosti curka kisikovega plina. Kisik visoke čistosti, optimizirana zasnova šob in pravilen kurilni plin zagotavljajo visoko produktivnost in zmanjšujejo skupne stroške postopka.
Plazemsko rezanje
Plazemsko rezanje je bilo razvito v petdesetih letih prejšnjega stoletja za rezanje kovin, ki jih ni bilo mogoče žgati (npr. nerjavno jeklo, aluminij in baker). Pri plazemskem rezanju se plin v šobi ionizira in fokusira s posebno zasnovo šobe. Samo s tem tokom vroče plazme je mogoče rezati materiale, kot je plastika (brez prenesenega obloka). Pri kovinskih materialih plazemsko rezanje vžge tudi oblok med elektrodo in obdelovancem, da poveča prenos energije. Zelo ozka odprtina šobe fokusira oblok in plazemski tok. Dodatno prepletanje izpustne poti lahko dosežemo s sekundarnim plinom (zaščitnim plinom). Izbira prave kombinacije plazme/zaščitnega plina lahko znatno zmanjša skupne stroške postopka.
Lasersko rezanje
Lasersko rezanje je najnovejša tehnologija termičnega rezanja in je bila razvita po plazemskem rezanju. Laserski žarek se ustvari v resonatorski votlini laserskega rezalnega sistema. Čeprav je poraba resonatorskega plina majhna, sta odločilni njegova čistost in pravilna sestava. Posebni resonatorski plini ščitijo naprave iz jeklenke v resonatorsko votlino in optimizirajo rezalno zmogljivost. Za rezanje in varjenje se laserski žarek vodi od resonatorja do rezalne glave skozi sistem poti žarka. Zagotoviti je treba, da sistem ne vsebuje topil, delcev in hlapov. Zlasti za visoko zmogljive sisteme (> 4kW) se priporoča dušik iz tekočega vira. Pri laserskem rezanju lahko kot rezalni plin služita kisik ali dušik. Kisik se uporablja za nelegirano in nizkolegirano jeklo, čeprav je postopek podoben rezanju s kisikom. Tudi tu igra pomembno vlogo čistost kisika. Dušik se uporablja za nerjavno jeklo, aluminij in nikljeve zlitine za doseganje čistega roba in ohranjanje kritičnih lastnosti osnovnega materiala.
Vbrizgavanje vode za plazemsko rezanje in varjenje
Voda se uporablja kot hladilno sredstvo v številnih industrijskih procesih, ki v proces prinašajo visoke temperature. Enako velja za brizganje vode pri plazemskem rezanju. Voda se skozi injektor vbrizga v plazemski oblok plazemskega rezalnika. Plazemski oblok običajno nastane, ko se kot plazemski plin uporablja dušik, kar velja za večino plazemskih rezalnikov. Takoj, ko se voda vbrizga v plazemski oblok, to povzroči visoko zožitev. Pri tem posebnem postopku se temperatura močno dvigne na 30.000 °C in več. Če zgoraj omenjene prednosti postopka primerjamo s konvencionalno plazmo, lahko opazimo, da sta tako kakovost rezanja kot tudi pravokotnost reza bistveno izboljšani in materiali idealno pripravljeni za varjenje. Poleg izboljšanja kakovosti rezanja med plazemskim rezanjem je mogoče opaziti tudi povečanje rezalne hitrosti, manjše tveganje dvojne ukrivljenosti in zmanjšanje erozije šob.
Plazemsko rezanje s povečanim učinkom zožitve
V industriji plazemskega rezanja se pogosto uporablja vrtinčni plin, da se doseže boljše zadrževanje plazemskega stolpca in stabilnejši vratni oblok. Ko se število vhodnih plinskih vrtincev poveča, centrifugalna sila premakne točko največjega tlaka na rob plenuma in točko minimalnega tlaka veliko bližje osi. Razlika med največjim in najmanjšim tlakom se povečuje s številom vrtincev. Velika tlačna razlika v radialni smeri zoži oblok in povzroči visoko gostoto toka in ohmsko segrevanje v bližini osi.
To vodi do veliko višje temperature v bližini katode. Upoštevati je treba, da sukani plin pospeši erozijo katode iz dveh razlogov: zvišanje tlaka v plenumu in sprememba vzorca toka v bližini katode. Upoštevati je treba tudi, da plin z visokim vrtinčnim številom poveča komponento vrtinčne hitrosti na točki rezanja glede na ohranitev kotne količine. Predpostavlja se, da to povzroča različne kote na levem in desnem robu zareza.