Visoka tehnička škola strukovnih studija Bulevar Zorana Đinđića 152a
Predmet: Mašinski sistemi Seminarski rad
Novi Beograd, 16.11.2012. Student: Aleksandar Lazarević, 35/2010 Profesor: dr. Dragan Živković
SADRŽAJ STRANA 1.
UVOD
3
2.
Istorijske činjenice
4
3.
Obrada plazmom
8
3.1.
Sečenje plazmom
16
4.
Zaključak
17
5.
Literatura
18
2
1.Uvod
Plazma postupak rezanja temelji se na principu plazmenog plina kroz električni luk pri ćemu dolazi do disocijacije i ionizacije plina. Nastale čestice se udaljavanjem od mesta nastanka rekombinuju i pri tome oslobaĎaju veliku količinu toplote što lokalno uzrokuje pojavu temperature od nekoliko desetina hiljada kelvina. Zbog visokih toplotnih opterećenja goriopnici se hlade vodom. Plazma postupkom se mogu rezati i materijali koji ne provode električnu struju. Razmak gorionika i materijala nije bitan. Plazma luk je karakterističan po visokoj koncentraciji energije koja omogućava duboko prodiranje i velike brzine rezanja uz veoma vusoku stabilnost luka. Do pre petnaest godina bilo je gotovo pravilo rezati tanke limove na laseru, srednje debele limove na
plazmi, a limove većih debljina na rezaču. Razlog tome bila su tehnološka ograničenja, postizivi kvalitet rezanja, brzine rezanja i cena opreme svakog pojedinačnog postupka. Razvoj sve tri tehnologije rezanja proteklih godina omogućilo je preklapanja područija rezanja. Lasersko rezanje uvoĎenjem 5 i 6 kW izvora ušlo je u područije većih debljina rezanja. Tehnolgoijaplazma rezanja napredovala je u kvalitetu rezanja što je bio jedini veći nedostatak plazme u odnosu na laser.
Slika 1. Promena primene u vrsti nabavne opreme za rezanje u procentima od 1990. do 2005. godine Tehnologije plazma rezanja FineFocus, Hi Focus i HiFinox daju dobar kvalitet rezanjauz velike brzine i prihvatljivu cenu po metro reza i u područiju rezanja tankih limova sve više istiskuju laser. TakoĎe povećavanje efikasnost i kvaliteta rezanja omogućava upotrebu plazma tehnologije i za rezanje Cr -Ni limova i preko 200 mm debljine. Na Slici 1 vidljivo je kako u poslednjih petnaest godina menjao način odabira opreme za rezanje u
svetu. Dok je 1990. 70% sve prodate opreme imalo ugraĎen plinski rezač, a samo 5% laserski, u 2005. na plinske rezače otpada još svega 20%, a laserski se u nekom od oblika ugraĎuju na gotovo 25% svih prodanih rezača. Evidentrno je da je neki od oblika plazma tehnologije rezanjaugraĎen na više od od pola ovih svih prodatih sistema u 2005. Razlog tome leži upravo u povoljnijoj ceni investicije, velikim brzinama rezanja, dobrom kvalitetu rezanja i širokom rasponu debljina koje može zadovoljavajuće rezati. Na Slici 2 dat je raspon granica područija rezanja Cr - Ni čelika za plazmu, laser i vodeni nož. Očigledno je da plazma postupak efikasno pokriva rezanje ovih materijala od 0,3 do gotovo 200 mm debljine što je i najšire područije debljina u ovoj upotrebi, a takoĎe je i investivija u plazma sisteme višestruko manja nego u laser ili vodeni nož.
3
Slika 2: Granice područija rezanja Cr - Ni čelika (Plasma Jet Machining - PJM) se koristi za realizaciju proizvodnihhoperacija koje zahtevaju visokuukoncentraciju toplotne energije. To su procesi itopljenja, zavarivanja, sečenja topljenja, zavarivanja, sečenja metala i nemetala, nanošenja
prevlakametala i nemetala, nanošenja prevlakaitd.Propuštanjem plazma gasova (radnihPropuštanjem plazma gasova (radnihgasova kao što su argon, vodonik, kiseonik gasova kao što su argon, vodonik, kiseonik i sl.) preko električnog luka, stvorenogi sl.) preko električnog luka, stvorenog izmeĎu anode i katode, formira se buktinjau anode i katode, formira se buktinja-- plazma. Pojava visokih temperatura u plazma. Pojava visokih temperatura u plazma luku, uz veliku brzinu kretanja plazma luku, uz veliku brzinu kretanja čestica u struji plazme, omogućuje čestica u struji plazme, omogućuje izvoĎenje proizvodnih operacija kao što su:enje proizvodnih operacija kao što sustruganje, sečenje metala i nemetala,struganje, sečenje metala i nemetala,zavarivanje, nanošenje prevlaka, izradazavarivanje, nanošenje prevlaka, izrada delova različitih konfiguracija od materijaladelova različitih konfiguracija od materijalau vidu praha, topljenjeu vidu praha, topljenjeitd. 2. Istorijske činjenice
Rezanje plazmom je započelo 1950-tih godina dvadesetog veka, da bi se od 1957. počeo primenjivati suvi postupak. Koristio je vrlo skupe mešavine argona i vodonika, koje su prolazile pored Volframove electrode, i kroz sapunicu bi se plin sabijao. Volframova elektroda je bila negativna katoda, a radni komad je bio pozitivna anoda. Pištolj za rezanje se morao postaviti što je moguće bliže radnom
predmetu. Nedostatak je bila pojava nakošenja i zaobljenja rubova reza, zbog rasipanja toplotne energije na vrhu noža. Obično su se rezali limovi do 50 mm debljine.
4
Slika 2.1. Plazma je četvrto agregatno stanje
5
Slika 3. Plazma pištolj
6
Od 1962. se počeo primenjivati luk plazme sa dvostrukim tokom. Kod ovog tipa rezanja, dodan je sekundarni plin oko mlaznice sa plazmom. Sekundarni plin je pokrivao zonu rezanja i poboljšavao kvalitet i brzinu rezan ja, a takoĎe je i hladio mlaznicu i keramičku zaštitu. Obično se za rezanje koristio azot, a sekundarni plin je zavisio od materijala koji se reže, recimo kiseonik za meke čelike, ugljen dioksid za nerĎajuće čelike, a argon i vodonik za alumijim. Brzina čelika je bila bolja za meke čelike, ali ne i za nerĎajuće čelike i aluminijum. Ni kvalitet rezanja nije bio zadovoljavajući za sve primene.
Slika 4. Ručni plazma pištolj sa vodenim hlaĎenjem, koji je moga da izdrži do 1000 A, bio je najnovija tehnologija ranih 1960-ih godina. Zbog vrlo malo znanja o tome kakve uticaje plazma ima na ljudsko telo, izvoĎači radova bi nosili odela kao ekstremnu meru zaštite. .
Od 1965. je počelo rezanje plazmom sa vodenom zaštitom, koja je slična tehnici sa dvostrukim tokom, ali se u mesto zaštitnog plina koristilavoda. Izgled reza i vek mlaza su poboljšani zbog efekta hlaĎenja vodom.
Slika 5. Gorionik i izvor struje od 400 A sa vodenim hlaĎenjem iz ranih 1970-ih
7
Od 1977. je razvijeno rezanje plazmom ispod vode, koje koriste snage struje iznad 100 A, pa je postal
vrlo popularno. Radni komad se potopi u vodu od 50 do 75 mm, pa se onda vrši process rezanja. Prednost ovaga je u tome što je smanjena buka, eliminisan je dim i bljesak električnog luka je znatno smanjen. Nedostatak je smanjenje brzine rezanja, nemogućnost ocene kvaliteta rezanja po zvuku plazme, odatle razlaganje vode na vodonik i kiseonik. Kiseonik teži da se spaja sa rastopljenim metalom ( osim kod aluminijuma i lakih metala), odatle se stvaraju metalni oksidi. Vodonik ostaje u
void, zbog čega se voda stalno mora mešati, da ne doĎe do nakupljanja vodonika i malih ekspozija u dodiru sa plazmom. Od 1985. postoji i postupak rezanja plazmom sa ubrizgavanjem kiseonika. Za rezanje se koristi azot, a
kiseonik se ubrizgava na izlazu iz mlaza. Isključivo se koristi za meke čelike i nešto je povećao brzinu rezanja. Nedostatak je nepravilan oblik rezanja i ograničena primena. Savremena oprema koristi rezanje plazmom sa FF (Fine Focus) gorionicima sa kovitlajućim sekundarnim plinom. Kod ove tehnologije moguće je i suvo rezanje i rezanje pod vodom, i prema ome
se koristi razna kombinacija plinova za plazma rezanje i za zaštitu, a često se koristi i vazduh.
Slika 6. CNC plazma sečenje
8
3. Obrada plazmom
Obrada plazmom (Plasma Jet Machining, PJM) se koristi za realizaciju proizvodnih operacija koje zahtevaju visoku koncentraciju toplotne energije, slika 7. To su postupci topljenja, zavarivanja,
sečenja metala i nemetala, nanošenja prevlaka, topljenje itd. Propuštanjem plazma gasova (radnih gasova kao što su argon, vodonik, kiseonik i sl.) preko električnog luka, stvorenog izmeĎu anode i katode, formira se buktinja- plazma. Plazma je, u suštini, svaka materija zagrejana na visoku temperaturu da se pretvori u jonizovano gasno stanje (četvrto agregatno stanje). U takvom stanju materija se ponaša po zakonima karakterisičnim za normalne gasove, a njene osnovne karakteristike su: veoma visoka temperature pojedinih zona, energetska nestabilnost, elektroprovodljivost, vrlo
velika brzina kretanja čestica koje sačinjavaju plazmu itd. Pri nanošenju prevlaka dodatni material(material prevlake) se, u vidu praha, dovodi u specijalno oblikovani gorionik ili u obliku žice na vrh mlaznice gor ionika. Prah se, u struji plazme, pretvara u tečno stanje i pada u bidu kapljica na osnovni material, razliva se po njemu i formira prevlaku koja može biti naneta na metale i nemetale.
Slika 7. Šematski prikaz luka plazme i temperaturnih zona
9
Slika 8. Šematski prikaz nastajanja plazme
a) pomoću dve elektrode; b) pomoću elektrode i obratka POSTUPAK
PLAZMA PLIN
VRTLOŽNI PLIN
KARAKTERISTIKE
Glatke, sjajne površine reza Argon/vodonik (65% Ar, 35% H2)
Standardni postupak odnosno « standardna plazma» bez uporabe sekundarnih plinova
(vrtložnih plinova) Koristi se za debljine materijala 5 do 160 mm
Argon / vodik / azot
-
do 35 mm debljine materijala, blago oksidirane. Razlike u kutnosti do debljine 10 mm Uputna primjena do debljine 15 mm. Glatke i sjajne
-
površine reza sa malo ili bez srha. Azot
smanjuje životni vek volframove katode.
Hrapave i oksidirane površine Vazduh
Formir plin F10 (90% N2/10% H2) Formir plin F5, F20
-
reza. Primjenjuje se do debljine 60 mm i struje rezanja 300A.
Glatke i sjajne površine reza
do 15 mm debljine materijala, malo srha ni mala odstupanja kutnosti. Tablica 1. Uticaj vrste plazma rezanja na karakteristike procesa rezanja kod standardnog postupka plazma rezanja.Položaj materijala koji se reže i geometrija gorionika. UtvrĎeno je da direktno utiče na -
nagib reza te širinu reza i istaljenost gornjeg ruba reza. 10
Slika 9. Uticaj stanja potrošenosti sapnice na stanje rezne površine i prijavu habanja s naličja reza.
POSTUPAK
PLAZMA PLIN
VRTLOŽNI PLIN
KARAKTERISTIKE
Glatke, sjajne površine reza do 45 mm debljine Argon / vodik
Azot
plin smanjuje odnosno ukida srh od debljine 8 mm te smanjuje razlike u kutnosti.
Plazma postupak rezanja sa sekundarnim medijem
(vrtložni plin) «Fine Focus – plazma» Koristi se za debljine materijala 4 do 80 mm
materijala. Dušik kao vrtložni
Uputna primjena do debljine 15 mm. Glatke i sjajne Argon / vodik / azot
Azot
površine reza sa malo ili bez srha od debljine 5 mm. Dušik smanjuje životni vek volframove katode. Razlike u kutnosti ispod debljine 5 mm
Hrapave i oksidirane površine Vazduh
Vazduh
reza, malo srha. Maksimalno se primjenjuje do debljine 60 mm.
Tablica 2. Uticaj kombinacije plazmenog i vrtložnog plina na karakteristike procesa rezanja kod FineFocus postupka rezanja plazmom.
11
POSTUPAK
PLAZMA PLIN
VRTLOŽNI PLIN
KARAKTERISTIKE
Sjajne površine reza do 40 mm debljine materijala, Argon / vodik
Azot
Plazma postupak rezanja sa sekundarnim
medijem (vrtložni plin) ispod vode «Podvodno – plazma rezanje» Koristi se za debljine materijala 5 do 80 mm
Azot
Azot
nešto ve ahrapavost površine reza. Manja zona uticaja topline nego kod rezanja na suvo. Koristi se za rezanje do debljina materijala 40 mm. Svetle i relativno glatke
površine reza do debljine 30 mm sa malo do ništa srha. Manja zona utjecaja topline nego kod rezanja na suvo. Koristi se za rezanje do debljina materijala 40 mm.
Vazduh
Vazduh
Površina reza je blago oksidirana i nešto je grublja površina. Manja zona utjecaja topline nego kod rezanja na suho.
Tablica 3. Uticaj kombinacije plazminog i vrtložnog plina na karakteristike rezanja kod FineFocus podvodnog postupka rezanja.
12
POSTUPAK
PLAZMA PLIN
VRTLOŽNI PLIN
KARAKTERISTIKE HiFinox – 0,5 do 6 mm
Glatke i svetle površine reza Azot
Azot / vodonik
Plazma postupak rezanja sa sekundarnim medijem
(vrtložni plin) «HiFocus i HiFinox
–
Kiseonik Kiseonik
Kiseonik Azot
(1.4301). Bez srha od debljina 2 mm. Male razlike u kutnosti ispod debljine 4 mm HiFocus – 1 do 6 mm Uputno koristiti do debljina materijala 3 mm.
Oksidirane površine, bez srha.
plazma» Koristi se za debljine materijala 0,5 do 35 mm
Gotovo uspravne površine reza. HiFocus F – 5 do 35 mm *oznaka F; njem. fligendes = Argon / vodik
Azot / azotvodonik (F5)
leteći Glatke, svijetle i gotovo okomite
površine reza. Bez srha do debljina 20 mm.
Tablica 4. Uticaj kombinacije plazminog i vrtložnog plina na karakteristike rezanja kod HiFinox, HiFocus F postupka plazma rezanja.
Slike različitih ureĎaja za sečenje plazmom UreĎaj za sečenje plazmom gasa je prikazan na slici, asastoji se od centralne jedinicekoja generiše gas pod visokim pritiskom (5-10 bara), visokootpornog creva kojespr ov od iga s do pištol ja sa dizn om, gd e se vrši joni zacija gasa kojim se reže metal.
Slika 10. UreĎaj za ručno sečenje plazmom gasa 13
Slika 11. UreĎaj za ručno sečenje plazmom gasa
Slika 12. UreĎaji za automatsko sečenje plazmom gasa
Slika 13. Pištolji i dizne za aparate za sečenje plazmom gasa
Slika 14. Rezultati sečenja plazmom gasa
Slika 15. Majstor radi na plazma sekaču
15
Slika 16. Strukturna šema postrojenja za obradu plazmom 3.1. Sečenje plazmom
Sečenje metalnih i nemetalnih materijala, koji se drugimpostupcima obrade teško mogu obraĎivati, jedna je od najčešćih proizvodnih operacija. Ovim postupkommogu se seći čelici čija debljina može da ide i do 150 mm. Najčešće se koristi u brodogradnji,industriji sudova pod vi-sokimpritiskom(cisterne, rezervoari i sl.), mostogradnji, teškoj mašinogradnji, jednomrečju svuda gde se koriste metalni limovi velikih debljina. Na slici 17 dat je šematski prikaz instalacijezasečenje materijala plazmom sa osnovnim elementima. Rezovi mogu biti bilo koje konfiguracije, znači i vrlo složene, što se kod savreme-nih instalacija ostvaruje sistemima sa numeričkimupravljanjem. Na slici 8.5/b prikazan je primer jedne takve obrade, a odnosi se na sečenje i izradu nepravilnih otvora na cevi.
Slika 17. Sečenjepomoću plazme a) šemaureĎajazasečenje; b) primer isecanja nepravilnih otvora nacevipomoću plazme 1. plazmatron; 2. generator statičkog luka; 3. generator visokofrekventnog električnog polja; 4. materijal
16
4. Zaključak Na osnovu navedenih podataka, dijagrama, tablica i slika mogu se izvesti slijedeći zaključci: -
Glavne tehnologije za rezanje metalnih materijala bile su i ostaju laser, plazma i plinsko
rezanje. Svaka od njih ima svoje područje optimalne primene i svoje troškove uvoĎenja i
korištenja. -
U poslednjih 10 godina proizvoĎanja serskih i plazma izvora unapredili su ih tako da mogu
kvalitetno rezati sve tanje i sve deblje limove. -
Tehnologije FineFocus i HiFocus premostile su razliku u kvaliteti reza izmeĎu lasera i
plazme. -
Više od pola svih rezanja koji se prodaju u svetu ima na sebi instaliran neki od plazma
postupaka rezanja. -
Cena instalacije plazma rezanja višestruko je manja od instalacije laserskog rezanja istovetne
funkcionalnosti. -
Plazma tehnologija rezanja efikasno pokriva najveći raspon debljina rezanja nerĎajućih
čelika kad se u poreĎuje s laserom i vodenim mlazom. -
Osim u području debljina do 6 mm gde je rezanje laserom najbrže, na svim ostalim
debljinama ner Ďajućih čelika najbrže se reže plazma postupkom kad se uporeĎuje s laserom i vodenim mlazom. -
Rezanje plazmom pod vodom omogućava manje zagaĎenje štetnim plinovima i prašinom,
manju buku, manje unošenje topline u materijale koji se režu i manju zonu utiecaja topline oko linije reza. -
Činioce koji značajno utiču na kvalitet reza delimo na one koji utiče na stabilnost
plazmenog luka i one koji utiče na sustav voĎenja i upravljanja. - Najveći uticaj na svojstva postupka rezanja i kvalitetu reza ima kombinacija plazmenih i
vrtložnih plinova.
17
5. Literatura:
Uvod: 1. 2. 3. 4.
Hugo Simler: Plasmafeinstrahlschneiden von CrNi-Staehlen, Kjellberg Finsterwalde 2006. Laboratorijski izveštaji Kjellberg Finsterwalde 2006. Izvještaji i slučajevi iz prakse, Servus d.o.o. ,Čakovec 2007. www.kjellberg.de
Istorijske činjenice: http://hr.wikipedia.org/wiki/Rezanje_plazmom Slika 3. http://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:Plasma_Cutter.jpg Slika 4. http://image.thefabricator.com/a/the-life-and-times-of-plasma-cutting-water-cooled-handtorch.jpg Slika 5. http://image.thefabricator.com/a/the-life-and-times-of-plasma-cutting-400-amp-powersource.jpg Slika 6. http://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:Cnc_plasma_cutting.jpg Obrada plazmom:
Knjiga Tehnički sistemi, Dušana Regodića , Beograd, 2011. Slika 7. Slika 12.6 iz Knjige Tehnički sistemi Dušana Regodića Tablica 1. Izvučena iz dokumenta o plazma rezanju ne rĎajućih čelika Hrvatske firme SERVUS Slika 8,16,17 i naslov 3.1. Su iz knjige Dragoje Milikić;NEKONVENCIONALNI POSTUPCI OBRADE, PRIRUČNIK ZA STUDIJE I PRAKSU ;Univerziteta u Novom Sadu; izdanje iz 2002 Slika 9. Izvučena iz dokumenta o plazma rezanju ne rĎajućih čelika Hrvatske firme SERVUS
Tablica 2. Izvučena iz dokumenta o plazma rezanju ne rĎajućih čelika Hrvatske firme SERVUS Tablica 3. Izvučena iz dokumenta o plazma rezanju ne rĎajućih čelika Hrvatske firme SERVUS Slike od 10 do 14. Preuzete sa predavanja Proces proizvodnje u fabric 3.1 Faze izrade čelične konstrukcije http://www.scribd.com/doc/96742440/Fabrik-A Slika 15. http://www.mdminoxs.rs/srb/storitve/cat/260/sub/277/
18
