W jakich okolicznościach cięcie plazmowe przynosi najwięcej korzyści? Sprawdzamy to w oparciu o badania naukowców z Górnośląskiego Instytutu Technologicznego oraz Politechniki Częstochowskiej.
Z artykułu dowiesz się:
- jakie są zalety i ograniczenia cięcia plazmą;
- kiedy cięcie plazmowe jest najbardziej korzystne;
- jakie badania przeprowadzono.
Jak przebiega cięcie plazmowe? Istotą procesu cięcia plazmowego jest rozdzielanie materiału w wyniku miejscowego nagrzewania skoncentrowanym źródłem ciepła, a następnie usunięcie stopionego materiału z powstającej szczeliny. W procesie tym do rozdzielenia materiału wykorzystuje się skoncentrowane źródło ciepła w postaci strumienia plazmy, tj. silnie zjonizowanego strumienia gazu. Uformowana plazma składa się z cząsteczek o ładunku obojętnym oraz z cząsteczek naładowanych elektrycznie. Cała objętość zjonizowanych gazów jest elektrycznie obojętna pomimo występowania w niej elektronów [1, 3]. Według danych literaturowych [2-8] proces ten cechuje się dobrymi parametrami powierzchni po cięciu przy jednoczesnym ograniczeniu obszaru wpływu ciepła na wycinany element.
Najlepsze rezultaty jakościowe możliwe są do uzyskania w procesie cięcia realizowanego w sposób zmechanizowany lub zautomatyzowany przy wykorzystaniu maszyn typu CNC [13, 15]. Należy jednak pamiętać o tym, iż proces ten, niezależnie od sposobu jego realizacji, ma swoje ograniczenia. Do głównych ograniczeń tego procesu należy zaliczyć występowanie na powierzchni po cięciu znacznego zukosowania krawędzi, co potwierdzają poniższe wykroje zastosowane w badaniach. W prezentowanych badaniach analizie poddano próbki o wymiarach 100 x 50 mm wycięte z blach w gatunku S355J2 o grubościach 20 mm, 12 mm i 6 mm. Próbki pobrano w procesie cięcia plazmowego w wersji zautomatyzowanej na urządzeniu CNC z zasilaczem plazmowym firmy HyperTherm HyPreformance Plasma HPR260XD wyposażonym w uchwyt do cięcia plazmą powietrzną tej samej firmy [13-15].
Wycinanie próbek
Sposób wycinania poszczególnych próbek był jednakowy w przypadku blach wszystkich przewidzianych grubości. Przebicie wykonywano poza obszarem badanej próbki w celu zachowania jej prostokątnego kształtu bez uszkodzeń wywołanych cięciem. Widok próbki bezpośrednio po wycięciu z arkusza blachy z zaznaczeniem kierunku cięcia przedstawiono na rys. 1.
Taki sposób pobierania próbek oraz założony kształt dodatkowo pozwalały na wykazanie pewnych niedostatków procesu. Celowo powierzchnie cięcia ułożone są w taki sposób, aby możliwe było dokonanie analizy równoległości czy też prostopadłości oraz określenie niedostatków prowadzenia procesu po zmianie kierunku cięcia [9]. Po dokonaniu oględzin oraz oceny po cięciu dokonano pobrania do dalszych badań wycinków z próbek w poprzek dłuższej krawędzi o wymiarach po obróbce 30 x 50 mm. Parametry cięcia plazmowego blach o grubości 6, 12 i 20 mm przedstawiono w tab. 1.
Przeprowadzane badania
Przeprowadzone w pierwszej kolejności badania wizualne obejmowały powierzchnię cięcia i polegały na szczegółowej ocenie profilu powierzchni, ogólnego stanu powierzchni oraz stopnia jej zdegradowania [9, 10]. Z pobranych wycinków wykonano zgłady metalograficzne do dalszej analizy [11]. Zgłady te swoim obszarem obejmowały cały przekrój poprzeczny próbki oraz ujawnioną krawędź cięcia. Powierzchnię zgładów poddano trawieniu w celu uzyskania materiału do dalszych badań makroskopowych, mikroskopowych oraz badaniu twardości powierzchni przekroju i strefy wpływu ciepła. Do trawienia użyto stężonego odczynnika Nital 8% i 5%. Na tak przygotowanych próbkach przeprowadzono badania:
- makroskopowe ‒ obejmowały ocenę wizualną powierzchni, krawędzi ciętego wykroju oraz szerokość SWC; badania zostały przeprowadzone bez użycia powiększenia nieuzbrojonym okiem oraz w powiększeniu x10 w celu uzyskania lepszego odwzorowania wyników [10],
- mikroskopowe ‒ obejmowały cały przekrój ciętej próbki, ze szczególnym uwzględnieniem obszaru strefy wpływu ciepła (SWC) oraz ujawnionej krawędzi cięcia; badania te wykonywane były z powiększeniem x50 na mikroskopie cyfrowym marki Olympus [10],
- badania twardości ‒ przeprowadzono na powierzchni przekroju poprzecznego od jego osi w kierunku krawędzi cięcia i w strefie wpływu ciepła; do badania wykorzystano metodę Vickersa HV5, a badanie wykonano przy użyciu twardościomierza HPO 250 [12].
Wyniki badań: ocena wizualna powierzchni cięcia
Pierwszym etapem badań było wykonanie oceny wizualnej wszystkich próbek tuż po cięciu bez dodatkowej obróbki. Ocenę przeprowadzono dla warunków ustabilizowanego procesu cięcia plazmowego. Widok wszystkich próbek o różnej grubości przedstawiono na rys. 2-13. Na rys. 2-5 pokazano widok powierzchni próbki o grubości 20 mm z różnych stron.
Przy zastosowaniu cięcia plazmowego blachy o grubości 20 mm stan powierzchni pod względem gładkości można sklasyfikować jako bardzo dobry. Krawędź jest gładka, nie występują tutaj istotne wtrącenia zendry, zwisy czy nawisy. Zaobserwować można nieznaczne wyżłobienia. Niestety ujawniono największy mankament procesu, jakim jest tendencja do ukosowania krawędzi blachy. W przypadku blach o grubości 20 mm strumień plazmowy wykazuje tendencję do zaciskania, przez co krawędź ciętego wykroju nie jest prostopadła, ale nieznacznie pochylona pod kątem ok. 3-5°. Taki efekt cięcia często może dyskwalifikować dany wykrój. Podobnie zaobserwować można zjawisko plazmowego zaokrąglenia krawędzi ‒ jest ono najbardziej wyraźne w dolnej płaszczyźnie blachy. Kontury blachy są zaokrąglone, nie ma tutaj po cięciu prostopadłych do siebie krawędzi. Prostoliniowość również jest zaburzona ‒ najbardziej widoczne zaburzenie zaobserwowano w miejscu, w którym zaczynał się i kończył proces cięcia. Zjawisko takie jest spowodowane prawdopodobnie niewłaściwym doborem parametrów cięcia.
