Nejběžněji používané technologie pro dělbu kovových materiálu jsou laser, plazma nebo řezání plamenem. Pro výběr té nejvhodnější technologie je vhodné vzít v potaz hned několik základních skutečností. Zejména druh řezaného materiálu a jeho tloušťku. Zároveň je však třeba také zohlednit pořizovací a provozní náklady.

V následujících odstavcích Vám jednotlivé technologie tepelného dělení detailně popíšeme. V druhé části článku se dočtete o zajímavém testu porovnávajícím plazmovou technologii s technologií řezání plamenem. Tento srovnávací test je také ke shlédnutí na YouTube.

Oxy-fuel neboli řezání plamenem

Technologie řezání plamenem je nejstarší a také nejpoužívanější, vhodná pro řezání běžné konstrukční oceli, nízko legované oceli a slitin titanu. Technologie není vhodná pro řezání neželezných kovů, jako je hliník, nerezová ocel, nikl, mosaz nebo měď.

Tento druh řezání se používá obecně pro větší tloušťky materiálů, v praxi už cca od 3 do 300 mm za použití standardního vybavení. Při použití speciálního vybavení lze řezat materiál až do tloušťky 3000 mm.

Používané plyny se liší podle výkonu v porovnání s cenou. Nejvyšší teploty plamene dosahuje acetylen – okolo 3160 °C, ostatní plyny MAPP – 2976 °C, Propylen (LPG) – 2896 °C, Propan – 2828 °C, zemní plyn – 2770 °C. Nižší teploty řezného plynu se odráží v delším čase průpalu, nižší řeznou rychlostí a větší zahřívací zónou (HAZ – heat affected zones). Před použitím daného plynu se ujistěte, že máte správně nastavený poměr zvoleného plynu a kyslíku, abyste dosáhli požadovaného řezného výkonu. Výběr vhodného plynu může také ovlivnit dodavatel plynu, podmínky skladování a bezpečnosti práce. Proces řezání se uskuteční použitím hořáku, který je osazen tryskou správné velikosti. Směs nahřívacího plynu a kyslíku je přivedena pod regulovaným tlakem do hořáku, předehřejí materiál na teplotu vznícení mezi 700 °C a 900 °C. Materiál by měl mít jasně červenou barvu, ale ne žlutou. Teprve když je dosaženo teploty vznícení, je spuštěn řezací plyn (kyslík) a začíná proces exotermické reakce. Ocel začíná oxidovat, vytváří se vysoce tekutá struska, která je tlakem řezného plynu vyfukována ven ze spodní části řezné spáry.

Aby bylo dosaženo optimálního výsledku řezání, i opakovaně, doporučuje se použít CNC systém. Materiál by měl být předem zbaven mastnoty a jiných nečistot, pokud je to možné. Před procesem řezání zkontrolujte, zdali je hořák osazen tryskou správné velikosti, zkontrolujte a otestujte tlaky plynů, tvar plamene, vzdálenost plamene od materiálu a řeznou rychlost.

Strojní řezací systémy se používají v těžkém strojírenství, při výrobě ocelových konstrukcí a v loděnicích. Ruční řezání a drážkování plamenem se také používá ve zmiňovaných odvětvích, navíc také při řezání kovového šrotu, demontáži průmyslových staveb a lodí.

Tip: Víte, že Thermacut® vyvinul vlastní řadu oxy-fuel hořáků EX-TRAFLAME® a EX-TRAFLAME®PRO? Více informací naleznete na webových stránkách www.thermacut.com.

Plazma pro domácí i profi použití

Metoda řezání plazmou je ze tří zde prezentovaných metod tou nejuniverzálnější. Je vhodná pro řezání všech elektricky vodivých materiálů, mezi nejběžnější patří konstrukční ocel, nízko legovaná ocel, hliník, nerezová ocel, slitiny niklu a mědi. Používá se pro tloušťky materiálu v rozmezí od 0,5 mm až do 150 mm.

Metoda řezání materiálu pomocí plazmového oblouku je rychlejší než řezání plamenem, srovnáváme-li řez stejného druhu a tloušťky materiálu. Plazmový oblouk má tu výhodu, že nezaznamená vzduchové kapsy, což umožňuje stohovat materiál.  Za předpokladu, že je materiál dobře uzemněn, lze také řezat bez větších problémů laminovaný materiál, materiál pokovaný žárem, barvený, rezavý a silně rozmělněný materiál.

K plazmovému řezání je zapotřebí mít plazmový zdroj, hořák a přívod plynu. Nejoblíbenější plazmové zdroje jsou řady mezi 30-800 A, mají připojený hořák, který je napojen na přívod plynu. Systémy se dělí na dvě hlavní kategorie, jedno-plynové a více-plynové.

Pořizovací náklady jedno-plynových jsou nižší, poskytují optimální kvalitu řezu u konstrukční a nízkolegované oceli. Dokonalejší, více-plynové systémy jsou vhodné pro řezání všech vodivých materiálů při správné volbě spotřebních dílů a správném nastavení plynů.  Jedno-plynové plazmové zdroje pracují většinou s těmito plyny – čistý suchý stlačený vzduch, dusík nebo jeho směsi. Pro více-plynové plazmové zdroje se používají kombinace stlačeného vzduchu, kyslíku, dusíku, argonu-vodíku nebo dusíku-vodíku.

K tvorbě plazmového paprsku dochází uvnitř plazmového hořáku, kde pomocí elektrického napětí dochází k ionizaci řezného plynu, který se stává v prostoru plazmové komory (mezi elektrodou a tryskou) elektricky vodivým a následně vytvoří plazmový oblouk vystupující velkou kinetickou energií ústím trysky (často chlazené kapalinou) směrem k řezanému materiálu, který se roztaví a vyfoukne ven. Teplota takto vytvořeného oblouku se pohybuje okolo 20 000 ° C.  Tato teplota může být překročena při použití více-plynového systému.

Podobně jako u plamenového CNC řezání, také plazmové řezání vyžaduje správné nastavení všech parametrů, zejména proudu (napětí), volbu vhodného typu plynu a nastavení tlaku, správnou volbu spotřebních dílů (trysek, elektrod aj.), nastavení výšky hořáku od materiálu, řezné rychlosti. To vše ovlivňuje konečný výsledek, kvalitu výpalku.

Ruční plazmové systémy mají navíc všestranné použití. Jejich přenositelnost umožňuje jejich použití na více různých pracovištích. Systémy mohou být použity v kombinaci s přenosnými motorizovanými/CNC systémy. Navíc, ruční plazmové systémy jsou upřednostňovány pro jejich schopnost drážkování a rychlého řezání materiálu na špatně dostupných místech (např. trup lodi).

Strojní plazmové systémy jsou vhodné pro použití jak v lehkém, tak těžkém strojírenství, při výrobě ocelových konstrukcí nebo v loděnicích. Ruční plazmové řezání a drážkování se používá ve stejných odvětvích, navíc se používají při řezání kovového šrotu, demontáži průmyslových staveb a lodí.

Tip: Věděli jste, že Thermacut® navrhnul a vyvinul vlastní řadu plazmových systémů EX-TRAFIRE®? Více informací naleznete na webových stránkách www.ex-trafire.com

Laser zvládne jakýkoli materiál

Proces laserového řezání je nejmladší ze všech tří uvedených. Laserové řezání zaznamenalo výrazný vývoj v oblasti generování laserového paprsku a jeho přenosu na řezaný materiál.

Laserový paprsek nyní používaný v kovozpracujícím průmyslu se původně vyvinul na počátku 70. let z procesu, který využíval kyslíkový laserový paprsek primárně určený pro řezání titanu v leteckém průmyslu. Od té doby se pak CO2 laserové paprsky staly nejpopulárnější systémy na světě. Další rozvoj nastal u procesu řezání vláknovým (fiber) laserem, vláknový laser je nejdokonalejší forma a momentálně je považován za nejlepší.

Výkon laseru na řezání kovů se časem velmi zvýšil, z 300 W na řezání konstrukční oceli tloušťky 1.0 mm, 20 000 W pro tloušťku 50 mm až po 12 000 W, což je považováno za špičkovou normu pro řez 25 mm silné uhlíkové (konstrukční) oceli.

Ze všech tří výše popsaných technologií je laser nejpřesnější proces, dokáže řezat materiály od tloušťky počítané v mikronech a výše. Dokáže řezat všechny kovy včetně žárově a galvanicky pozinkované oceli, ačkoli tloušťka takto upravených kovů je limitovaná.

Pokud jsou všechny parametry nastaveny správně, profilované díly (výpalky) vyžadují zpravidla pouze jednu ze 2 dokončovacích operací, a to broušení nebo leštění. Všechny laserové systémy podávají nejlepší výkon v čistém pracovním prostředí. Svařování, broušení a jiné operace znečisťující vzduch mohou ovlivnit kvalitu řezu a životnost systému. Materiály určené k řezání musí být čisté a jejich povrch zbavený nečistot. Úprava povrchu pomocí speciálních nátěrů nebo nástřiků může pomoci předcházet ulpívání mikroskopického rozstřiku.

Laserový paprsek je generován pevno-látkovým, CO2 nebo vláknovým (Fiber) zdrojem. Vláknové systémy jsou nejdokonalejší, laserový paprsek je přenesen do hlavy přes vlákno. Výhodou zde je, délka dráhy laserového paprsku zůstává konstantní, což eliminuje nákladné prostoje pro resetování a přenastavení zařízení pro přenos paprsku. Používané plyny při laserovém řezání jsou kyslík a dusík. Při řezání konstrukční oceli kyslíkem jako asistujícím plynem, nastává exotermická reakce podobná metodě řezání plamenem, kdy plyn vyfukuje strusku z materiálu. Dusík se používá při řezání hliníku, nerezové oceli, slitiny niklu, titanu a mědi. Dusík lze použít také jako asistující plyn při řezání uhlíkové a nízko legované oceli pro dosažení lepšího výsledu a minimalizaci následného opracování výpalku.

Vstupní pořizovací investice do laserové technologie jsou značné, proto je pro rychlou návratnost této investice důležité nasadit laser do vysoce automatizovaného bezobslužného výrobního procesu na bázi „Lights out“, s nepřetržitým provozem a jen minimálním počtem operátorů pro případ poruchy. Náklady na energie mohou být poměrně vysoké, částečně je to kompenzováno nízkými náklady spotřební díly.

Tip: Thermacut® vyvinul vlastní řezací hlavy EX-TRABEAM®. Více informací naleznete na našich webových stránkách www.ex-trabeam.com

Oblast použití jednotlivých technologií

Srovnávací tabulky řezání plazmovým hořákem a plamenem

Podíváme-li se na výše uvedené tabulky, tak na první pohled hned vidíme, že náklady na jeden metr řezu jsou nejnižší při použití plazmové technologie. Je tu ale jedno velké ale, a to pořizovací cena CNC řezacího stroje.

Pořízení CNC řezacího systému s plazmovým zdrojem vychází přibližně na 2,5 mil. korun, zatímco CNC řezací systém s kyslík-acetylenovým hořákem lze pořídit za cenu již okolo 1,2 mil. korun. Navíc, aby bylo dosaženo co nejrychlejší návratnosti investice, lze tento CNC řezací stroj osadit dalšími hořáky (až čtyřmi), čímž se pak náklady na metr řezu rapidně snižují. Zejména při řezání silnějších materiálů je použití řezání plamenem nejefektivnější.

Doporučujeme shlédnutí videa srovnávacího testu oxy-fuel versus plazma

Cutting 25MS comparison:  https://youtu.be/jpLtpvrfyl0
Cutting 60MS comparison:  https://youtu.be/ZtAgzuuKf4s

Tento test byl proveden ve zkušební laboratoři firmy Thermacut® a byly porovnávány technologie oxy-fuel a plazma při řezu konstrukční oceli o tloušťce 25 mm a 60 mm.

Test č. 1: Tloušťka materiálu 25 mm

Vlevo:    EX-TRAFLAME® hořák pro řezání plamenem
Vpravo: Thermacut® hořák vhodný pro Hypertherm®, HPR®130/260XD

Popisek videa: Kvalita výpalku při použití oxy-fuel hořáku je víceméně srovnatelná s výpalkem řezaným plazmou. Nicméně ve prospěch použití plazmové technologie jednoznačně hovoří celková doba propalu. Při testu byly použity spotřební díly na 260 A.

Test č. 2: Tloušťka materiálu 60 mm

Vlevo:    EX-TRAFLAME® hořák na řezání plamenem
Vpravo: Thermacut® hořák vhodný pro Hypertherm®, HPR®130/260XD

Popisek videa: Kvalita výpalku při použití oxy-fuel hořáku je u této tloušťky materiálu vynikající. U plazmy je sice celková doba propalu kratší, ale kvalita výpalku horší, na snímku lze vidět výrazné okuje. Při testu byly použity spotřební díly na 400 A.

Děkujeme za čas, který jste věnovali našemu článku. V případě doplňujících dotazů souvisejících s výběrem systému pro dělení materiálu nás můžete kontaktovat na e-mailu: obchod@thermacut.cz.

Text:      Thermacut, k. s.,
Photo:   archive of Thermacut, k. s.