Vi siete mai chiesti come i produttori ottengano precisione ed efficienza nel taglio dell'acciaio inossidabile? Questo articolo approfondisce sei tecniche avanzate di taglio dell'acciaio inossidabile, evidenziandone i vantaggi e le applicazioni. Dai metodi a fiamma gassosa e al plasma alla scriccatura ad arco di carbonio, ogni tecnica offre vantaggi unici in termini di precisione, velocità e impatto ambientale. La lettura di questo articolo vi permetterà di conoscere i modi più efficaci per trattare questo materiale resistente, migliorando la vostra comprensione dei processi industriali di lavorazione dei metalli.
I componenti saldati in acciaio inossidabile, come contenitori e tubazioni, sono sottoposti a processi che comprendono la tranciatura di lamiere e tubi, la lavorazione della lamiera e la lavorazione delle scanalature di saldatura. Nella produzione di contenitori di stoccaggio, è inevitabile creare pozzetti ed eseguire processi di formatura sulle facce finali delle teste.
Quando si salda su entrambi i lati, il cordone di saldatura inverso deve essere pulito e i difetti nel giunto di saldatura richiedono una rilavorazione e un'ulteriore saldatura. Queste fasi di lavorazione sono indispensabili nel processo di produzione e fabbricazione. La maggior parte delle fasi di lavorazione sono eseguite con metodi meccanici, come la cesoiatura, la piallatura, la fresatura e la tornitura, e richiedono diversi tipi di macchinari per essere completate.
In alcuni casi è opportuno utilizzare scalpelli pneumatici, ma l'elevata intensità di lavoro, il rumore e l'inquinamento dell'ambiente di lavoro sono dannosi per la salute degli operatori.
L'utilizzo di metodi di taglio a fiamma gassosa o al plasma per completare i processi sopra citati presenta molti vantaggi in termini di miglioramento delle condizioni di lavoro, aumento dell'efficienza e riduzione dell'inquinamento ambientale, ma lo svantaggio è che la precisione delle superfici tagliate dopo alcune lavorazioni può non essere pari a quella ottenuta con la lavorazione meccanica.
Esaminiamo le varie tecniche di taglio a fiamma gassosa e al plasma dell'acciaio inossidabile.
Il taglio a gas è un metodo che utilizza l'energia termica di una fiamma di gas per preriscaldare l'area di taglio di un pezzo a una certa temperatura, quindi spruzza un flusso di ossigeno da taglio ad alta velocità per incendiare il metallo e rilasciare calore, ottenendo così un taglio termico.
Il motivo per cui il comune acciaio a basso tenore di carbonio è facile da tagliare e produce una buona qualità di taglio è che gli ossidi generati dalla combustione hanno un punto di fusione inferiore a quello dell'acciaio stesso. Contemporaneamente, il calore della combustione porta gli ossidi allo stato fuso, che vengono poi spazzati via dal flusso di gas.
Quando si taglia l'acciaio inossidabile con fiamma ossidrica, il problema principale è la formazione di ossidi di cromo ad alto punto di fusione sulla superficie di taglio, che impedisce al metallo di bruciare e crea difficoltà per il taglio continuo.
Per tagliare senza problemi l'acciaio inossidabile, oltre a disporre di ossigeno sufficientemente puro a una certa pressione e di un flusso di ossigeno da taglio ben indirizzato (cioè un flusso di ossigeno da taglio cilindrico sufficientemente lungo e potente), è necessario adottare alcune misure di processo speciali.
Il taglio a gas a flusso di ossigeno si riferisce a un processo in cui la polvere di ferro puro o altri fondenti vengono aggiunti al flusso di ossigeno di taglio per utilizzare il loro calore di combustione e gli effetti di produzione di scorie per il taglio a gas. Gli ossidi di ferro fusi e gli ossidi di cromo vengono mescolati, creando scorie diluite e migliorando la fluidità delle scorie.
In caso di aumento significativo del calore, si forma una scoria liquida mista, che viene poi soffiata via dall'ossigeno di taglio dal taglio. Questo processo è noto anche come taglio a iniezione di polvere e può essere utilizzato per tagliare materiali in acciaio inossidabile più spessi e riser in acciaio inossidabile. Esistono due tipi di flussanti: quelli comunemente utilizzati e quelli ad alta efficienza, i cui componenti sono elencati nella Tabella 6-1.
Tabella 6-1: Flussi per il taglio dell'acciaio inossidabile
| Tipo | Composizione dei flussi (frazione di massa, %) | Nota |
| Flussi comuni | Polvere di ferro a basso tenore di carbonio o polvere di ferro a basso tenore di carbonio con polvere di piombo | La dimensione delle particelle per l'alimentazione interna è di 0,5-1,0 mm, mentre quella per l'alimentazione esterna è di 0,1-0,3 mm. |
| Flussi ad alte prestazioni | Polvere di ferro 56 + Polvere di alluminio 17 + Resina epossidica 18,9 + Resina polivinilica 2,97 + Toluene 2,97 + Polietilene amminico 2,16 | Dopo un'accurata miscelazione dei componenti di cui sopra, si ottengono granuli di 0,3-1,2 mm. |
Le apparecchiature per l'ossitaglio possono essere suddivise in due categorie in base al metodo di erogazione del flusso.
La sua caratteristica è quella di utilizzare l'ossigeno da taglio per erogare il flusso dal serbatoio del flusso attraverso i componenti dell'ugello di taglio, come illustrato nella Figura 6-1.
Per evitare che la polvere di ferro si ossidi e bruci all'interno del serbatoio del flusso, viene comunemente utilizzata una polvere di ferro grossolana con una dimensione delle particelle di 0,5-1,0 mm. A causa della grande dimensione delle particelle e della rapida velocità di espulsione, la polvere di ferro non brucia completamente sulla superficie del pezzo durante il taglio. Pertanto, viene comunemente utilizzata per il taglio di pezzi di spessore inferiore a 500 mm.
Per aumentare la velocità di taglio, alla polvere di ferro può essere aggiunta una piccola quantità di polvere di alluminio. Quando si utilizza un'apparecchiatura di alimentazione interna della polvere, è possibile utilizzare il gas naturale come combustibile. I parametri del processo di taglio per il taglio di lamiere di acciaio inossidabile 18-8 utilizzando ugelli di alimentazione interna della polvere sono riportati nella Tabella 6-2.
Tabella 6-2: Parametri di processo per il taglio della piastra in acciaio inox 06Cr18Ni11Ti con l'utilizzo dell'ugello interno di alimentazione della polvere
| Parametri di processo | Spessore in millimetri | |||||
| 10 | 20 | 30 | 40 | 70 | 90 | |
| Dimensione dell'ugello | 1 | 1 | 1 | 2 | 3 | 3 |
| Pressione dell'ossigeno/MPa | 0. 40 | 0. 49 | 0. 54 | 0. 59 | 0. 69 | 0. 78 |
| Consumo di ossigeno/(m3/m) | 1. 1 | 1. 3 | 1. 6 | 1. 75 | 2. 3 | 3. 0 |
| Gas combustibile (gas naturale) Consumo/(m3/m) | 0. 11 | 0. 13 | 0. 15 | 0. 18 | 0. 23 | 0. 29 |
| Consumo di flusso/(kg/m) | 0.7 | 0.8 | 0. 9 | 1. 0 | 2. 0 | 2. 5 |
| Velocità di taglio/(mm/min) | 230 | 190 | 180 | 160 | 120 | 90 |
| Larghezza del cordolo/mm | 10 | 10 | 11 | 11 | 12 | 12 |
Quando all'estero si utilizza il metodo di taglio con alimentazione a polvere interna a combustibile ossigenato, spesso è dotato di un ugello di taglio rapido con spruzzi d'acqua fluente sul bordo esterno dell'ugello. La polvere di ferro ha una dimensione delle particelle compresa tra 0,5 e 1,0 mm, con conseguente planarità relativamente ideale della superficie di taglio. In genere, il taglio non richiede una lavorazione meccanica per soddisfare i requisiti dimensionali.
Il getto d'acqua che scorre intorno al pezzo riduce la deformazione della lamiera d'acciaio durante il taglio, migliora la resistenza alla corrosione del lato finale lavorato e riduce la polvere nell'ambiente di taglio, migliorando così le condizioni di lavoro.
Questo metodo può tagliare lastre di acciaio inossidabile fino a 150 mm di spessore e può anche tagliare lastre di acciaio stratificate (impilate), come 2-3 mm × 40 strati per le normali lastre di acciaio strutturale al carbonio e 2 mm × 40 strati per le lastre di acciaio inossidabile.
La caratteristica del taglio a ossigeno-combustibile con alimentazione a polvere esterna è l'uso di aria o azoto a bassa pressione (0,04-0,06 MPa) per introdurre autonomamente polvere di ferro fine di dimensioni superiori a 130 mesh nella zona di riscaldamento della fiamma all'esterno dell'ugello di taglio, come mostrato nella Figura 6-2.
Grazie alle piccole dimensioni delle particelle della polvere di ferro e alla bassa velocità di espulsione, può essere rapidamente riscaldata fino al punto di accensione e bruciare, rilasciando una grande quantità di calore e rompendo efficacemente la pellicola di ossido sulla superficie del pezzo. Poiché la polvere viene alimentata in modo indipendente, può superare i danni al canale dell'ossigeno causati dal lavaggio.
Pertanto, viene utilizzato per il taglio di materiali in acciaio inossidabile con uno spessore superiore a 500 mm o per il taglio dell'alzata di fusioni in acciaio inossidabile con un diametro di 1000-1300 mm.
I parametri del processo sono i seguenti:
Flusso: polvere di ferro 100%, granulometria della polvere di ferro 0,1-1,3 mm; pressione dell'ossigeno di preriscaldamento 0,8-1,0 MPa; pressione dell'ossigeno di taglio 0,8 MPa, consumo di ossigeno di taglio 200 m3/h; pressione dell'acetilene >0,01 MPa, consumo di acetilene 20 m3/h; il gas di trasporto della polvere è azoto e la portata del flusso è di 18 kg/h; la velocità di taglio è di 20-25 mm/min.
Il taglio a gas con vibrazione è un metodo semplice e pratico per tagliare l'acciaio inossidabile utilizzando la vibrazione di una torcia da taglio a gas a ossigeno.
L'essenza del metodo di taglio a gas vibrante consiste nel far vibrare la torcia da taglio durante il processo di taglio per rompere la pellicola di ossido refrattario prodotta nell'incisione, raggiungendo così lo scopo di separare e tagliare il metallo.
Il processo di taglio è illustrato nella Figura 6-3. All'inizio del taglio, il bordo del pezzo viene preriscaldato fino allo stato fuso, quindi viene avviato il flusso di ossigeno per il taglio e la scoria fuoriesce dall'incisione. A questo punto, l'ugello di taglio deve essere sollevato e devono essere applicate vibrazioni immediate in avanti e indietro e in alto e in basso.
La vibrazione ha un'ampiezza di 10-15 mm e una frequenza di 60-80 volte al minuto. La vibrazione del flusso di ossigeno di taglio rompe l'ossido di cromo ad alto punto di fusione nell'incisione, consentendo al ferro di continuare a bruciare. Con l'aiuto dell'impatto avanti e indietro e su e giù del flusso di ossigeno, si raggiunge l'obiettivo di un taglio continuo.
Per la torcia di taglio si utilizza un cannello ossiacetilenico generico, come il tipo G01-300. Rispetto al taglio dell'acciaio al carbonio dello stesso spessore, la fiamma di preriscaldamento deve essere più grande e più concentrata e la pressione dell'ossigeno deve essere aumentata di circa 15% a 20%.
Questo tipo di taglio a gas vibrante viene comunemente utilizzato per tagliare le alzate di fusioni in acciaio inox con un diametro non superiore a 500 mm, raggiungendo lo scopo del taglio, ma la qualità dell'incisione è molto scarsa.
Con lo sviluppo della tecnologia, il taglio a fiamma di gas ossigenato è raramente utilizzato per il taglio di lastre di acciaio inossidabile, mentre viene impiegato soprattutto per il taglio delle alzate delle fusioni di acciaio inossidabile.
La scriccatura ad arco di carbonio utilizza una barra di grafite o di carbonio come elettrodo per generare un arco elettrico tra il pezzo da lavorare, fondendo il metallo, e poi utilizza aria compressa per soffiare via il metallo fuso, creando così scanalature superficiali.
Durante la scriccatura, l'arco elettrico raggiunge temperature di 6000-7000°C, generando un calore sufficiente a fondere la superficie del pezzo. Il metallo fuso e le scorie prodotte vengono soffiate via dall'aria compressa (0,4-0,6 MPa) espulsa dall'ugello di scriccatura ad arco di carbonio. La combustione continua dell'arco elettrico e il continuo soffio di aria compressa rimuovono il materiale fuso, ottenendo la scanalatura richiesta sulla superficie del metallo.
Questa tecnica di scriccatura viene utilizzata principalmente per la scriccatura del dorso nelle saldature a doppia faccia, per eliminare i difetti nei cordoni di saldatura e può essere utilizzata anche per la smussatura di saldature in pezzi singoli o irregolari.
Le capacità di lavorazione della scriccatura ad arco di carbonio, rispetto ai metodi di scheggiatura o mola, presentano le seguenti caratteristiche:
1) La scriccatura manuale ad arco di carbonio offre una maggiore flessibilità, consentendo di operare in tutte le posizioni.
2) Quando si rimuovono i difetti nei cordoni di saldatura o nelle fusioni, è possibile osservare chiaramente la forma e la profondità dei difetti.
3) Il rumore durante il funzionamento è inferiore a quello della cippatura, con conseguente maggiore efficienza produttiva.
4) In aree ristrette o difficili da raggiungere, la scriccatura ad arco di carbonio è più adatta all'operazione.
5) La scriccatura ad arco di carbonio produce fumo e polvere, che possono inquinare l'ambiente, e richiede un livello superiore di abilità operativa.
La scriccatura ad aria ad arco di carbonio comprende una fonte di alimentazione, un'alimentazione di aria compressa, una torcia di scriccatura, aste di carbonio, cavi e tubi flessibili, come mostrato nella Figura 6-4.
La fonte di alimentazione utilizza un raddrizzatore con una caratteristica di caduta ripida e la sua corrente nominale deve essere superiore alla corrente richiesta per la scultura ad aria ad arco di carbonio. Ad esempio, quando si utilizza un'asta di carbonio circolare da 7 mm, la corrente di taglio richiesta per la scriccatura ad arco di carbonio è di 350A, ed è consigliabile scegliere un raddrizzatore con una corrente nominale di 500A.
La torcia di scriccatura per la scriccatura ad aria ad arco di carbonio viene utilizzata principalmente per bloccare l'asta di carbonio e soffiare aria compressa. Le torce di scriccatura comunemente utilizzate sono rappresentate nella Figura 6-5 e sono disponibili in due forme: ad alimentazione laterale e ad alimentazione circolare.
Le barre di carbonio devono possedere caratteristiche di resistenza alle alte temperature, buona conduttività e resistenza alla rottura. Per migliorarne la conduttività e la resistenza superficiale, sulla superficie delle barre di carbonio viene spesso placcato uno strato di rame puro. Le barre di carbonio sono disponibili in due forme: circolare e piatta (sezione rettangolare).
Le barre di carbonio circolari sono utilizzate principalmente per la scriccatura dei cordoni di saldatura, mentre le barre di carbonio piatte possono essere utilizzate per la smussatura, la scriccatura dei cordoni di saldatura e il taglio di grandi quantità di metallo.
1-Rettificatore di saldatura ad arco 2-Cavo di messa a terra 3-Aria compressa 4-Condotto dell'aria 5-Cavo della torcia di saldatura 6-Torcia di scriccatura 7-Barra di carbonio
8 pezzi
a) Pistola di scriccatura ad aria laterale b) Pistola di scriccatura ad aria circonferenziale
Per ottenere una scriccatura di alta qualità, è necessario garantire parametri di processo corretti. I fattori che influenzano la qualità della scriccatura ad aria sono i seguenti:
1.Polarità dell'alimentazione:
Quando si sgorbia l'acciaio inossidabile con l'arco al carbonio, si utilizza un collegamento in corrente continua a polarità inversa (elettrodo collegato al polo positivo dell'alimentazione). In questo modo si ottiene un arco stabile durante la scriccatura, una velocità di scriccatura uniforme, un suono continuo di spazzolatura dell'arco e una larghezza costante su entrambi i lati della sgorbia con una superficie liscia e brillante.
Se si utilizza un collegamento in corrente continua a polarità positiva (asta di carbonio collegata al polo negativo dell'alimentazione), l'arco avrà un'oscillazione, emettendo suoni intermittenti di sputtering, e i lati della sgorbia presenteranno una forma d'arco corrispondente all'oscillazione durante la sgorbia. Se si verifica questo fenomeno, è necessario invertire la polarità prima di eseguire nuovamente la sgorbia.
2. Corrente di scriccatura e diametro della barra di carbonio:
Quando la corrente di scriccatura aumenta, aumentano anche l'ampiezza, la profondità e la velocità di scriccatura, con il risultato di una qualità di scriccatura più uniforme. Tuttavia, se la corrente di scriccatura è troppo alta, la barra di carbonio si brucia rapidamente o addirittura si fonde, causando gravi infiltrazioni di carbonio e una superficie di scriccatura ruvida.
Se la corrente di scriccatura è troppo bassa, l'arco sarà instabile, con il risultato di una scriccatura piccola e poco profonda, una velocità di scriccatura instabile, una bassa efficienza e la tendenza a causare l'adesione della scoria. La Tabella 6-3 presenta i parametri dell'arco di carbonio comunemente utilizzato per la scriccatura in aria.
Tabella 6-3: Parametri comuni per la scriccatura ad arco di carbonio
| Forma della sezione trasversale dell'elettrodo di carbonio | Specifiche/ mm | Corrente applicabile/ A | Pressione dell'aria compressa/MPa | Elettrodo al carbonio Lunghezza di estensione/ mm | Angolo tra elettrodo al carbonio e pezzo (°) |
| Circolare | Φ3. 2 | 150 ~ 180 | 0.4~0.6 | 30 ~70 | 30 ~ 45 |
| Φ3. 5 | |||||
| Φ4. 0 | 150 ~ 200 | ||||
| Φ5. 0 | 180 ~ 210 | ||||
| Φ6. 0 | 180 ~ 300 | ||||
| Φ7. 0 | 200 ~ 350 | ||||
| Φ8.0 | 250 ~ 400 | ||||
| Φ9. 0 | 350 ~ 500 | ||||
| Φ10. 0 | 400 ~ 550 | ||||
| Piatto | 3×8 | 200 ~ 250 | 0.4~0.6 | 30 ~70 | 30 ~ 45 |
| 4 ×6 | |||||
| 4×8 | 200 ~ 300 | ||||
| 4 ×12 | 300 ~ 350 | ||||
| 5 ×10 | 300 ~ 400 | ||||
| 5 ×15 | 400 ~ 500 |
La scelta del diametro dell'asta di carbonio è correlata allo spessore della piastra d'acciaio, come indicato nella Tabella 6-4. È inoltre correlata alla larghezza della scanalatura richiesta. È anche correlata alla larghezza della scanalatura richiesta; maggiore è il diametro dell'asta di carbonio, più ampia è la scanalatura. In generale, il diametro dell'asta di carbonio dovrebbe essere inferiore di 2-4 mm rispetto alla larghezza della scanalatura richiesta.
Tabella 6-4: Selezione del diametro della barra di carbonio
| Spessore della piastra d'acciaio | 4 ~6 | 6~8 | 8 ~ 12 | >10 | >18 |
| Diametro della barra di carbonio | 4 | 5 ~6 | 6~7 | 7 ~ 10 | 10 |
3.Velocità di taglio
Deve essere adattato alla corrente di scriccatura e alla pressione dell'aria per garantire il normale processo di scriccatura. Una velocità eccessiva o un movimento aggressivo verso il basso della barra di carbone può causare il contatto della testa dell'elettrodo di carbone con metallo liquido o metallo non fuso, con conseguente spegnimento dell'arco a causa di un cortocircuito.
Una velocità eccessiva può anche causare il distacco della testa dell'elettrodo al carbonio e il suo attaccamento al metallo non fuso, con conseguenti difetti di inclusione di carbonio. In questi casi, l'arco deve essere ristabilito sulla parte anteriore del difetto e uno strato deve essere delicatamente scrostato a mano per rimuovere il difetto prima di continuare la scanalatura.
Se la velocità di scriccatura è troppo bassa, l'arco si allunga, causando archi instabili o addirittura lo spegnimento dell'arco. In genere, si consiglia una velocità di taglio di 0,8-1,2 m/min.
4.Pressione dell'aria compressa
La pressione dell'aria compressa influisce direttamente sulla velocità di taglio e sulla qualità della superficie della scanalatura. Una pressione più elevata può aumentare la velocità di taglio e la levigatezza della superficie della scanalatura, mentre una pressione troppo bassa può causare l'adesione di scorie sulla superficie della scanalatura. In genere, la pressione dell'aria compressa dovrebbe essere mantenuta a 0,4-0,6 MPa.
L'umidità e l'olio contenuti nell'aria compressa possono essere limitati da filtri installati nelle tubazioni dell'aria; è consigliabile utilizzare un gel di silicone nuovo come mezzo filtrante.
5.Carbonio Lunghezza di estensione dell'elettrodo
Una lunghezza di estensione di 30-70 mm è ottimale per l'elettrodo al carbonio. Una lunghezza di estensione eccessiva aumenta la resistenza e porta a gravi bruciature della barra di carbonio, mentre una lunghezza troppo corta spesso provoca cortocircuiti dovuti al contatto delle parti metalliche della pistola scriccatrice con il pezzo, causando instabilità dell'arco.
Durante il processo di scriccatura, è normale che l'asta di carbonio si bruci e la lunghezza della prolunga deve essere regolata periodicamente. Quando la lunghezza della prolunga è inferiore a 25 mm, deve essere regolata a 70-80 mm.
6.Angolo tra barra di carbonio e pezzo da lavorare
L'angolo tra la barra di carbonio e il pezzo influisce principalmente sulla profondità della scanalatura e sulla velocità di taglio. Un aumento dell'angolo porta a una maggiore profondità della scanalatura e a una minore velocità di taglio, mentre una diminuzione dell'angolo porta a scanalature meno profonde e a una maggiore velocità di taglio. In generale, l'angolo consigliato per la scriccatura manuale ad arco di carbonio è di 30°-45°.
7.Lunghezza dell'arco per la scriccatura ad arco di carbonio
Durante il processo di scriccatura, è consigliabile mantenere la lunghezza dell'arco relativamente breve, intorno ai 2-3 mm. Una lunghezza d'arco troppo corta può portare a difetti di inclusione di carbonio, mentre una lunghezza d'arco troppo lunga può far sì che l'arco venga soffiato via dall'aria fredda, con conseguente instabilità dell'arco o addirittura spegnimento.
Una lunghezza eccessiva dell'arco può anche far sì che l'aria compressa non sia sufficientemente concentrata e che il metallo fuso non venga soffiato via in tempo, ampliando la zona termicamente interessata della sgorbia e deteriorando la rugosità superficiale della scanalatura. Inoltre, durante il processo di scriccatura, la barra di carbonio non deve essere fatta oscillare, ma deve essere spostata in avanti con un angolo prestabilito per garantire dimensioni uniformi della scanalatura.
Quando l'arco di carbonio scava l'acciaio inossidabile, può influenzare la superficie del metallo scavato attraverso la carburazione e l'azione termica, portando al deterioramento della resistenza alla corrosione intergranulare dei giunti di saldatura in acciaio inossidabile. La Tabella 6-5 presenta l'analisi del contenuto di carbonio durante la scriccatura ad arco di carbonio ad aria compressa dell'acciaio inossidabile 18-8.
Dalla tabella si può osservare che la scoria metallica prodotta dalla scriccatura ad arco di carbonio ha un contenuto di carbonio (w(C)) fino a 1,3%. Tuttavia, la carburazione del metallo liquido durante il processo di scriccatura viene rapidamente spazzata via dall'aria compressa, con un contenuto di carbonio superficiale (w(C)) di soli 0,075%. Pertanto, l'effetto di carburazione della scriccatura ad aria ad arco di carbonio sull'acciaio inossidabile 18-8 è estremamente minimo.
In base alle misurazioni effettive, la profondità dello strato carburato sulla superficie del metallo dopo la scriccatura varia generalmente da 0,02 a 0,05 mm, con il punto più profondo che non supera 0,11 mm, e lo strato carburato è costituito da metallo fuso intermittente.
Sebbene la scriccatura ad aria ad arco di carbonio abbia un effetto di riscaldamento sulla superficie scriccata, il metallo liquido ad alta temperatura formatosi sotto la colonna d'arco viene rapidamente spazzato via e non continua a riscaldare la superficie scriccata. Si può affermare che la zona di influenza termica della scriccatura ad aria ad arco di carbonio è più piccola di quella della saldatura ad arco con elettrodo e, in presenza di specifiche operative corrette, la zona di influenza termica è solo di circa 1 mm.
Pertanto, si può notare che la carburazione e gli effetti termici della scriccatura ad aria ad arco di carbonio sull'acciaio inossidabile 18-8 sono molto deboli.
Tabella 6-5: Analisi del contenuto di carbonio dell'acciaio inossidabile 18-8 dopo scriccatura ad aria ad arco di carbonio
| Luoghi di campionamento | Frazione di massa del carbonio (%) |
| Spruzzi di metallo causati da scricchiolii ad arco di carbonio | 1. 3 |
| Scorie aderenti al bordo della scanalatura | 1. 2 |
| Strato superficiale della scanalatura: 0,2~0,3mm | 0. 075 |
| Metallo di base | 0. 05 ~ 0. 075 |
Come è noto, i fumi e le polveri generati durante il processo di scriccatura ad arco di carbonio inquinano gravemente l'ambiente e compromettono la salute dei lavoratori. Questa situazione è particolarmente grave quando la scriccatura ad arco di carbonio è condotta in contenitori chiusi, in quanto gli operatori sono inclini ad avvertire oppressione al petto e mancanza di respiro.
A causa della natura mobile delle operazioni di scriccatura ad arco di carbonio, le misure convenzionali di scarico e ventilazione sono insufficienti per affrontare i problemi di inquinamento nelle aree di lavoro degli operatori.
Per controllare l'inquinamento da fumo e polvere causato dalla scriccatura ad arco di carbonio, è stato adottato il processo di scriccatura ad arco di carbonio a spruzzo d'acqua, basato sul principio che la nebbia d'acqua può eliminare fumo e polvere.
Il processo di scriccatura ad aria ad arco di carbonio a spruzzo d'acqua prevede l'equipaggiamento di una pistola ad aria ad arco di carbonio standard con un dispositivo di spruzzatura d'acqua. L'aria compressa viene utilizzata per spruzzare acqua intorno all'asta di carbonio dalla pistola, creando una nebbia d'acqua consistente e uniformemente dispersa. L'effetto schermante della nebbia d'acqua contribuisce a ridurre la diffusione di fumo e polvere.
Inoltre, l'effetto di raffreddamento della nebbia d'acqua riduce le lunghezze riscaldate e fuse della barra di carbonio, riducendone il consumo. L'acqua nebulizzata impedisce inoltre al metallo fuso di aderire facilmente ai bordi della scanalatura del pezzo, facilitando la rimozione delle scorie.
L'attrezzatura per la scriccatura ad arco di carbonio ad acqua è composta da un alimentatore, un dispositivo di alimentazione dell'acqua, aria compressa e la pistola per scriccatura ad arco di carbonio, come illustrato nella Figura 6-6.
Il dispositivo di alimentazione dell'acqua, un componente essenziale dell'apparecchiatura di scriccatura ad aria compressa ad arco di carbonio a spruzzo d'acqua, è rappresentato nella Figura 6-7. In questo schema, l'aria compressa è collegata al contenitore tramite la tubazione 1, mentre l'acqua viene introdotta nel contenitore attraverso il tubo di ingresso 3 fino a quando il livello dell'acqua raggiunge l'altezza H (inferiore al fondo del tubo di uscita dell'aria 4), a quel punto la valvola di ingresso viene chiusa.
Quando la valvola di ingresso della conduttura dell'aria compressa 1 viene aperta, viene erogata aria compressa, mentre se la valvola della conduttura di uscita dell'aria 4 viene aperta, l'aria compressa viene rilasciata dalla conduttura di uscita. Se la valvola del tubo di uscita dell'acqua 5 viene aperta mentre la valvola del tubo di uscita dell'aria 4 è chiusa, l'acqua pressurizzata viene spruzzata dal tubo di uscita dell'acqua.
Aprendo contemporaneamente le valvole del tubo di uscita dell'aria 4 e del tubo di uscita dell'acqua 5, l'aria compressa e l'acqua pressurizzata vengono miscelate nel giunto a tre vie 6 e nebulizzate. Regolando l'apertura delle valvole del tubo di uscita dell'aria 4 e del tubo di uscita dell'acqua 5 è possibile modificare il flusso d'aria e la dimensione della nebbia d'acqua. Quando il livello dell'acqua nel contenitore di alimentazione è inferiore a h, non viene spruzzata alcuna nebbia d'acqua.
In questo caso, è possibile aggiungere acqua al contenitore attraverso il tubo di ingresso 3 per riprendere il funzionamento. La chiave per la nebulizzazione dell'arco di carbonio ad acqua sta nella creazione di un gruppo di alimentazione dell'acqua ben progettato per ottenere una nebbia d'acqua uniforme e dispersa.
Inoltre, il giunto a tre vie 6 per la miscelazione dell'aria compressa e dell'acqua in pressione deve essere posizionato il più vicino possibile alla pistola per sgorbie ad aria compressa (generalmente entro 10 m) per ridurre al minimo le perdite di pressione nella tubazione, assicurando che la pistola spruzzi una nebbia d'acqua sufficientemente robusta.
Una pistola ad aria compressa ad arco di carbonio standard può essere facilmente modificata per essere utilizzata come pistola ad aria compressa ad arco di carbonio a spruzzo d'acqua con piccoli aggiustamenti. Come illustrato nella Figura 6-8, il corpo interno 4 e il manicotto interno 2 della pistola per scriccatura ad aria compressa circolare sono brasati insieme all'estremità sinistra con rame, assicurando un'estremità sigillata.
Inoltre, il diametro interno del foro di passaggio dell'aria 5 sul corpo interno 4 è aumentato da 1 mm a 1,5 mm, consentendo di utilizzarlo per la nebulizzazione dell'acqua.
1-Pezzo di lavoro 2-Pistola ad aria compressa 3-Alimentazione elettrica 4-Dispositivo di alimentazione dell'acqua 5-Compressore d'aria
1-Tubo di aspirazione per aria compressa 2-Contenitore 3-Tubo di ingresso per acqua 4-Tubo di uscita per aria compressa 5-Tubo di uscita per acqua 6-Giunto a tre vie per acqua e aria miscelata
1-Punto di brasatura 2-Bussola interna 3-Bussola esterna isolante 4-Corpo interno 5-Orifizio di passaggio aria
Il metodo operativo e i fattori che influenzano la qualità dell'aratura ad arco di carbonio a getto d'acqua sono gli stessi dell'aratura ad arco di carbonio. I parametri di processo per la lastra di acciaio inossidabile 18-8 con l'aratura ad arco di carbonio a getto d'acqua sono riportati nella Tabella 6-6 e consentono di ottenere una buona qualità superficiale della scanalatura.
Tabella 6-6 Parametri di processo per l'aratura ad arco di carbonio a getto d'acqua di una lastra di acciaio inossidabile 18-8
| Diametro della barra di carbonio (mm) | 7 | Volume di spruzzo d'acqua (mL/min) | 65 ~ 80 |
| Arco di carbonio Corrente d'aria (A) | 400 ~ 500 | Profondità della scanalatura (mm) | 4~6 |
| Pressione dell'aria (MPa) | 0. 45 ~ 0. 60 | Larghezza della scanalatura (mm) | 9 ~ 11 |
L'aratro ad arco di carbonio a getto d'acqua per l'acciaio inossidabile 18-8 non solo supera i rischi di inquinamento ambientale causati dall'aratro ad arco di carbonio ma, grazie all'effetto di raffreddamento dell'acqua, riduce anche il calore sulla superficie della scanalatura, evitando una diminuzione della resistenza alla corrosione.
Le misure della polvere generata con l'uso dell'aratro ad arco di carbonio a getto d'acqua e dell'aratro ad arco di carbonio sono presentate nella Tabella 6-7. Dai risultati delle misurazioni riportate nella tabella, è evidente che il metodo di aratura ad arco di carbonio a getto d'acqua riduce significativamente il contenuto di polvere nell'ambiente di lavoro. I vantaggi sono ancora più evidenti quando si utilizza il metodo dell'aratro ad arco di carbonio a getto d'acqua per l'aratura all'interno di un contenitore sigillato.
Tabella 6-7: Misura della polvere generata dalla scriccatura ad aria con arco di carbonio
| Posizione delle misure | Misura della polvere/ (mg/m³) | Livello di riduzione della sgorbia ad arco di carbonio a getto d'acqua rispetto alla sgorbia ad arco di carbonio ad aria compressa | |
| Scriccatura ad aria ad arco di carbonio | Scriccatura ad arco di carbonio a getto d'acqua | ||
| 1,0 m direttamente di fronte e 0,5 m sopra la piastra di prova durante la sgorbia. | 56.3 | 13.8 | 75. 5% |
| Area del casco dietro la piastra di prova durante la saldatura. | 11.5 | 1.15 | 90% |
Questo metodo di taglio, rispetto al taglio a fiamma ossidrica, presenta i vantaggi della semplicità di funzionamento, del basso costo e dell'elevata efficienza produttiva.
Il metodo di taglio ad arco con elettrodo di fusione a getto d'acqua si basa sull'accensione dell'arco elettrico mediante il contatto del filo da taglio con il pezzo da tagliare, che fonde il metallo, per poi rimuoverlo rapidamente mediante l'impatto del getto d'acqua ad alta pressione e ad alta velocità, formando l'incisione mentre la torcia di taglio si muove.
Grazie all'effetto del getto d'acqua ad alta pressione, la zona interessata dal calore dell'incisione è ridotta, il che è estremamente vantaggioso per il taglio di lamiere di acciaio inossidabile 18-8, in quanto può ridurre o prevenire l'insorgere della corrosione intergranulare. Rispetto alla scriccatura ad arco di carbonio, può anche ridurre l'inquinamento atmosferico nell'area di lavoro e migliorare l'ambiente operativo.
L'apparecchiatura per il taglio degli elettrodi di fusione a getto d'acqua può essere modificata rispetto alla saldatrice ad arco sommerso originale MZ-1000 (EA-1000).
Dopo la modifica, la velocità di alimentazione del filo è di 740-2000 mm/min, la velocità di avanzamento è di 73-1600 mm/min e la caratteristica di potenza della saldatrice è passata da una caratteristica di pendenza a una caratteristica piatta. Inoltre, una pompa dell'acqua a vortice 40W-40 (5,4 m) è stata installata in un impianto di saldatura.3/La pressione dell'acqua è controllata dal drenaggio.
Esistono alcuni requisiti per l'ugello di taglio: il getto d'acqua deve essere concentrato e colonnare, con una forza d'impatto sufficiente. Il getto d'acqua e il filo da taglio devono essere coassiali e perpendicolari alla superficie del pezzo. Le dimensioni strutturali dell'ugello di taglio sono riportate nella Figura 6-9.
La tenuta dell'ugello conduttivo 3 durante il taglio è fondamentale e spesso si verificano guasti dovuti a una tenuta inadeguata.
1-Ugello 2-Camera della testa 3-Ugello conduttivo 4-Giunto 5-Dado 6-Tubo dell'acqua 7-Testa del filo guida
Per il taglio di lastre di acciaio inossidabile, è necessario utilizzare una fonte di alimentazione a corrente continua con collegamento a polarità inversa. La tensione a vuoto deve essere di 60-70V e la tensione dell'arco deve essere di 40-60V. Lo spazio tra l'ugello e il pezzo da tagliare deve essere di 10-15 mm. Il filo di ferro ordinario con un diametro di 2,6 mm deve essere scelto come filo da taglio. Altri parametri di processo sono riportati nella Tabella 6-8.
Lo spessore dell'acciaio inossidabile da tagliare non deve superare i 30 mm. È possibile eseguire il taglio di lastre di acciaio a singolo strato, oppure impilare e tagliare insieme due o tre strati di lastre di acciaio.
Tabella 6-8 Parametri per il taglio ad arco a getto d'acqua con elettrodo fuso
| Spessore della piastra (mm) | Corrente di taglio (A) | Velocità di taglio (mm/min) | Velocità di avanzamento del filo (m/min) | Pressione dell'acqua (MPa) |
| 30 | 750 | 340 | 8~12 | 1.5 |
| 17 | 600 | 420 | 8~12 | 1.5 |
| 10 | 800 | 450 | 8~12 | 1.5 |
| 6 | 650-700 | 165 | 1.8 | 0.6 |
| 6 (due strati) | 500-700 | 73 | 1.89 | 0.45 |
| 5 (due strati) | 800 | 139 | 1.78 | 0.5 |
| 4 (tre strati) | 900 | 381 | 1.83 | 0.5 |
Quando si utilizza questo metodo di taglio, per evitare l'accumulo di scorie concentrate su un lato del fondo, è importante regolare il più possibile la coassialità del filo di taglio e del getto d'acqua prima del taglio e garantire la perpendicolarità del filo di taglio al pezzo.
Quando si tagliano pezzi circolari, occorre prestare attenzione a mantenere un buon isolamento tra il carrello dell'ugello e il meccanismo di alimentazione del filo e il pezzo da tagliare, per garantire che la corrente passi solo attraverso il percorso più breve, evitando così la conduzione multipla del filo da taglio, che potrebbe compromettere la stabilità e la qualità del taglio.
Quando si tagliano piastre di acciaio inossidabile, la selezione di parametri di taglio appropriati e l'impiego di metodi operativi corretti possono portare a incisioni strette e lisce, senza alcuna evidente zona colpita dal calore. Il raffreddamento rapido mediante getto d'acqua ad alta pressione determina una combustione minima e ordinata del metallo sul bordo dell'incisione e riduce l'accumulo di scorie sul fondo dell'incisione.
Il metodo di taglio ad arco con elettrodo fuso a getto d'acqua è stato ampiamente adottato come mezzo di tranciatura di piastre di acciaio inossidabile 18-8.
Il taglio ad arco plasma è un metodo di taglio di materiali metallici che utilizza l'energia termica di un arco plasma. L'arco di plasma è un arco elettrico compresso che si forma all'interno della torcia di taglio attraverso tre effetti di compressione: compressione meccanica, contrazione termica e contrazione magnetica.
In questo modo si comprime la sezione trasversale della colonna d'arco all'interno dell'ugello, ottenendo caratteristiche quali energia concentrata, temperatura elevata e velocità di fiamma controllabile.
La velocità del flusso d'aria nella colonna dell'arco al plasma è estremamente elevata e la temperatura del nucleo raggiunge i 15000-30000℃, superando di gran lunga i punti di fusione di tutti i metalli e non metalli. Utilizzando questa fonte di calore, è possibile tagliare metalli e non metalli resistenti alle alte temperature, con buona conducibilità termica e facilmente ossidabili.
In produzione, è ampiamente utilizzato per tagliare acciaio inossidabile, rame, alluminio e le loro leghe. Il processo di taglio al plasma non si basa su reazioni di ossidazione per tagliare i metalli, bensì sul calore dell'arco elettrico stesso per fondere il metallo da tagliare, rimuovendo al contempo le scorie attraverso un flusso d'aria ad alta velocità.
Il suo campo di applicazione è più ampio rispetto al taglio a fiamma ossidrica, in quanto può essere utilizzato per vari materiali, tagliando pezzi di diverso diametro e varie parti curve con l'ausilio di dispositivi di contornatura e controllo numerico. Inoltre, è caratterizzato da una velocità di taglio elevata e da una deformazione minima durante il taglio.
A seconda della forma dell'arco elettrico compresso, gli archi al plasma possono essere classificati in archi trasferiti e non trasferiti. In genere, per tagliare i materiali metallici si utilizza una macchina per il taglio al plasma ad arco trasferito. Il principio di taglio e una tipica torcia di taglio sono illustrati nella Figura 6-10.
La macchina per il taglio al plasma ad arco si divide in manuale e meccanica. L'apparecchiatura è composta da alimentazione, torcia di taglio, sistema di controllo, sistema di gas e sistema di raffreddamento ad acqua.
La macchina da taglio meccanica è dotata di un carrello di taglio a velocità regolabile. Attualmente, le macchine da taglio manuali come il modello LG-400 possono essere utilizzate per il taglio manuale di linee rette e varie forme geometriche, con uno spessore massimo di taglio dell'acciaio inossidabile di 40 mm.
La macchina di taglio al plasma meccanico ad arco, come il modello LG3-400, può tagliare automaticamente linee rette e cerchi. Può inoltre tagliare qualsiasi forma di pezzo grazie a dispositivi di taglio dei profili e di controllo numerico, con uno spessore massimo di taglio dell'acciaio inossidabile di 40-60 mm.
Il diametro di taglio del cerchio varia da 200 mm a 1000 mm. I parametri tecnici di diverse macchine per il taglio al plasma ad arco di produzione nazionale sono elencati nella Tabella 6-9.
a) Principio di taglio b) Tipica torcia da taglio 1-Gas 2-Elettrodo 3-Eugello 4-Acqua di raffreddamento 5-Arco 6-Pezzo da lavorare 7-Corpo torcia inferiore 8-Dado isolante 9-Corpo torcia superiore 10-Dado di regolazione
Tabella 6-9: Parametri tecnici di diverse macchine per il taglio al plasma ad arco
| Modelli di prodotto | Tensione/V | Tensione a vuoto/V | Tensione di funzionamento/V | Corrente di taglio nominale/A | Intervallo di regolazione corrente/A |
| LG-100 | 380 | 150 | 100 ~ 150 | 100 | 10 ~ 100 |
| LG400 | 220 | 180 ~ 270 | 70 ~ 120 | 400 | 120 ~ 400 |
| LG3400 | 220 o 380 | 180 ~ 270 | 80 ~ 180 | 400 | 125 ~ 400 |
| LG500 | 380 | 400 | 100 ~ 250 | 500 | 100 ~ 500 |
| Modelli di prodotto | Tasso di continuità del carico (%) | Diametro dell'elettrodo (mm) | Velocità di taglio (m/h) | Spessore di taglio (mm) |
| LG-100 | 60 | 2.5 | 6-170 | 2.5-25 |
| LG400 | 60 | 5.5 | Manuale | 40 |
| LG3400 | 60 | 5.5 | 3-150 | 40-60 |
| LG500 | 60 | 6.0 | 15 | 100-150 |
La torcia di taglio al plasma è simile alla torcia di saldatura al plasma. È generalmente composta da un elettrodo, un portaelettrodo, un ugello, una camicia di raffreddamento ad acqua, un isolatore centrale e tubi per il gas e l'acqua. Il gas di lavoro può essere introdotto assialmente o tangenzialmente, o una combinazione di entrambi. Il metodo più comunemente utilizzato è il soffiaggio tangenziale, che fornisce il miglior effetto di compressione per l'arco al plasma.
L'elettrodo della torcia da taglio deve essere coassiale con l'ugello e quest'ultimo deve passare contemporaneamente attraverso il gas di lavoro e il gas di taglio, pertanto i requisiti di qualità dell'ugello sono elevati. Ciò riguarda la capacità di taglio, la qualità del taglio e la durata dell'ugello.
In passato, le barre di tungsteno toriato (grado WT-15 o WT-20) erano comunemente utilizzate come materiali per elettrodi, ma a causa dell'impatto sulla salute degli elementi radioattivi, il loro uso è stato interrotto. Si raccomanda invece di utilizzare barre di tungsteno cerato (da WCe-20 a WCe-40) e di tungsteno renio (W-1Re o W-3Re). La scelta del diametro dell'elettrodo è correlata alla corrente massima consentita, come mostrato nella Tabella 6-10.
Tabella 6-10: Corrente ammissibile per elettrodi di diametro diverso
| Diametro dell'elettrodo (mm) | 4 | 5 | 6 |
| Corrente massima consentita (A) | 250 | 360 | 550 |
Selezione del gas
Attualmente, i gas comunemente utilizzati per il taglio al plasma includono azoto, idrogeno, argon e le loro miscele, come mostrato nella Tabella 6-11. Tra questi, l'azoto è il più economico, presenta rischi minimi durante l'uso e gode di un'applicazione più ampia. Tra questi, l'azoto è il più economico, presenta rischi minimi durante l'uso e gode della più ampia applicazione. È importante scegliere un gas di azoto conforme allo standard nazionale (GB/T3864-2008) per evitare danni all'ugello e all'elettrodo.
Il gas da taglio funge da isolante termico e da isolante tra la colonna dell'arco e la parete dell'ugello, comprimendo l'arco per garantire una combustione stabile. Allo stesso tempo, funge da mezzo ionizzante e da conduttore del calore dell'arco, fondendo rapidamente il pezzo dopo il riscaldamento.
Inoltre, il gas introdotto serve anche a raffreddare l'elettrodo. In condizioni di processo simili e con parametri di processo comparabili, l'influenza del flusso di azoto gassoso sulla qualità del taglio è riportata nella Tabella 6-12.
Tabella 6-11: Gas comunemente usati per il taglio al plasma ad arco
| Spessore del pezzo (mm) | Tipi di gas | Tensione a circuito aperto (V) | Tensione di taglio (V) |
| ≤120 | N2 | Da 250 a 350 | Da 150 a 200 |
| ≤150 | N2 + Ar (φN2 60% ~ 80%) | Da 200 a 300 | Da 120 a 200 |
| ≤200 | N2 + H2 (φN2 50% ~ 80%) | Da 300 a 500 | Da 180 a 300 |
| ≤200 | Ar + H2 (φH2 0 ~ 35%) | Da 250 a 500 | Da 150 a 300 |
Tabella 6-12: Effetto della portata di azoto sulla qualità del taglio
| Corrente di taglio (A) | Tensione di taglio (V) | Portata del gas (L/h) | Larghezza di taglio (mm) | Qualità della superficie del cordolo |
| 240 | 84 | 2050 | 12.5 | Scorie eccessive |
| 225 | 88 | 2200 | 8.5 | Alcune scorie |
| 225 | 88 | 2600 | 8 | Scorie leggere |
| 230 | 88 | 2700 | 6.5 | Nessuna scoria |
| 235 | 82 | 3300 | 10 | Alcune scorie |
| 230 | 84 | 3500 | Non completamente tagliato |
Parametri di processo
Quando si utilizza il taglio ad arco plasma per l'acciaio inossidabile, è fondamentale selezionare i parametri di processo appropriati per garantire una superficie metallica liscia, scorie minime e una larghezza di taglio ridotta.
I parametri di processo rilevanti per il taglio di lastre di acciaio inossidabile sono riportati nella Tabella 6-13. Una scelta impropria dei parametri non solo mette a rischio la qualità del taglio, ma provoca anche un doppio arco elettrico durante il processo di taglio e, nei casi più gravi, può causare l'interruzione del taglio e danni significativi all'ugello e all'elettrodo.
Tabella 6-13: Parametri di processo per il taglio al plasma dell'acciaio inossidabile
| Spessore della piastra d'acciaio (mm) | Diametro ugello (mm) | Tensione di taglio (V) | Corrente di taglio (A) | Portata di azoto (L/h) | Velocità di taglio (m/h) | Larghezza di taglio (mm) |
| 8 | 3 | 120 | 185 | Da 2100 a 2300 | 40 ~ 50 | 4.2 |
| 12 | Da 120 a 130 | Da 200 a 210 | Da 2300 a 2400 | 40 | 4.2 ~ 5.0 | |
| 16 | Da 120 a 130 | Da 210 a 220 | Da 2400 a 2600 | 40 | 4.5 ~ 5.5 | |
| 20 | Da 120 a 130 | Da 230 a 240 | Da 2500 a 2700 | 32 ~ 40 | 4.5 ~ 5.5 | |
| 25 | Da 125 a 135 | Da 260 a 280 | Da 2500 a 2700 | 45 ~ 55 | 5 ~ 6 | |
| 30 | Da 135 a 140 | Da 280 a 300 | Da 2500 a 2700 | 35 ~ 40 | 5.5 ~ 6.5 | |
| 40 | 3.5 | Da 140 a 145 | Da 320 a 340 | Da 2500 a 2700 | 35 | 6.5 ~ 8.0 |
| 45 | 3.5 | 145 | Da 320 a 340 | Da 2400 a 2600 | 20 ~ 25 | 6.5 ~ 8.0 |
| 100 | 4.5 | 145 | 380 | 2500 | - | - |
La velocità di taglio è un fattore cruciale che influisce sulla qualità del taglio. Mantenendo costante la potenza, l'aumento della velocità di taglio può determinare una zona termicamente alterata più piccola, un taglio più stretto e un'area di impatto termico ridotta. Tuttavia, una velocità di taglio eccessivamente elevata potrebbe non penetrare nel pezzo.
Se la velocità di taglio è troppo bassa, non solo riduce l'efficienza di produzione, ma porta anche a superfici ruvide e scorie sospese. L'impatto della velocità di taglio sulla qualità di taglio è illustrato nella Tabella 6-14.
Tabella 6-14: Impatto della velocità di taglio sulla qualità di taglio
| Corrente di taglio (A) | Tensione di taglio (V) | Velocità di taglio (m/h) | Larghezza di taglio (mm) | Qualità della superficie del cordolo |
| 160 | 110 | 60 | 5 | Lievi scorie |
| 150 | 115 | 80 | 4.0 ~ 5.0 | Senza scorie |
| 160 | 110 | 104 | 3.4 ~ 4.0 | Liscio e senza scorie |
| 160 | 110 | 110 | Scoria | |
| 160 | 110 | 115 | Impossibile tagliare la strada |
Tecniche operative
Prima del taglio, il punto di partenza deve essere pulito a fondo per mantenere una buona conduttività elettrica. Per i pezzi spessi, è meglio preriscaldare il punto di partenza con un piccolo arco prima del taglio.
Il taglio deve iniziare dal bordo del pezzo e la torcia di taglio deve essere spostata dopo che il bordo è stato perforato. Se non è possibile effettuare il taglio dal bordo della lastra, è necessario praticare un piccolo foro del diametro di circa 1-5 mm nel punto di partenza della lastra d'acciaio per evitare schizzi di scorie dovuti alla forte forza di soffiaggio dell'arco plasma, che altrimenti renderebbero difficile l'operazione.
La distanza tra la punta dell'elettrodo e la faccia terminale dell'ugello deve essere controllata entro 10-15 mm. Una distanza adeguata consente all'arco di essere ben compresso all'interno dell'ugello, concentrando l'energia e aumentando così la temperatura dell'arco di plasma e migliorando la capacità di taglio.
La distanza tra l'ugello e il pezzo non deve superare i 10 mm. Una distanza troppo grande compromette l'effettivo utilizzo della potenza dell'arco, riducendo la capacità di taglio, mentre una distanza troppo piccola rende difficile il controllo da parte dell'operatore.
Durante l'intero processo di taglio, la torcia di taglio deve essere mantenuta perpendicolare alla superficie del pezzo per evitare tagli obliqui e non uniformi, nonché la formazione di scorie sulla superficie inferiore del taglio.
Per migliorare la qualità del taglio e aumentare l'efficienza della produzione, la torcia di taglio può essere inclinata di un angolo (0-45 gradi) nel piano in cui si trova il taglio, in direzione opposta al taglio stesso. Quando si tagliano lastre sottili, si dovrebbe utilizzare un angolo di inclinazione all'indietro maggiore, mentre quando si tagliano lastre spesse è più appropriato un angolo di inclinazione all'indietro minore.
Il principio del taglio al plasma ad aria compressa con acqua è illustrato nella Figura 6-11. Oltre a spruzzare il gas di lavoro dalla torcia di taglio, è accompagnato da un getto d'acqua ad alta velocità per espellere rapidamente il metallo fuso.
a) Principio di taglio con ingresso radiale dell'acqua
b) Principio di taglio con ingresso assiale dell'acqua
Il flusso d'acqua ad alta pressione e ad alta velocità nella torcia di taglio serve a raffreddare l'ugello da un lato e a ricompattare l'arco dall'altro, formando una colonna d'arco di plasma altamente compressa con un'alta densità di energia, che si precipita direttamente verso il pezzo da tagliare.
L'acqua spruzzata su entrambi i lati del taglio impedisce un'eccessiva fusione, riduce la zona termicamente colpita dal taglio verticale e parte dell'acqua iniettata nel taglio viene decomposta dall'alta temperatura dell'arco plasma in idrogeno e ossigeno che, insieme al gas di lavoro, formano il gas di taglio, conferendo all'arco plasma una maggiore energia.
L'acqua non evaporata e non decomposta ha un forte effetto di raffreddamento sull'arco, concentrando l'energia dell'arco al plasma e aumentando così la velocità di taglio.
L'ingresso del flusso d'acqua ad alta velocità nell'ugello può avvenire in due modi: uno è l'ingresso radiale del flusso d'acqua ad alta pressione nell'orifizio dell'ugello e la successiva fuoriuscita dal centro dell'ugello di taglio, mentre l'altro è l'ingresso assiale, con l'ingresso dal passaggio anulare periferico dell'ugello e la successiva fuoriuscita dalla torcia di taglio.
La torcia da taglio di tipo ad acqua ad ingresso assiale è illustrata nella Figura 6-12. L'elettrodo utilizza un elettrodo di tungsteno al cerio di 6 mm di diametro, rettificato con lo stesso angolo dell'ugello interno (30°) e saldato all'ugello dell'elettrodo con materiale brasante a base di argento, quindi saldato al manicotto di raffreddamento.
1- Ugello esterno 2- Ugello interno 3- Ghiera inferiore 4- Ugello dell'elettrodo 5- Schermo d'acqua 6- Anello di tenuta 7- Anello di tenuta 8- Anello di tenuta 9- Camicia di raffreddamento 10- Camicia d'acqua del corpo pistola inferiore 11- Tubo dell'acqua di raffreddamento interno 12- Tubo di ingresso 13- Guaina isolante 14- Ghiera superiore 15- Corpo pistola superiore
16- Vite di centraggio 17- Manicotto centrale 18- Dado fisso 19- Dado di regolazione 20- Ugello di uscita dell'acqua 21- Tubo di ingresso 22- Tubo di ingresso dell'aria 23- Tubo di uscita 24- Foro di ingresso dell'aria omnidirezionale 25- Elettrodo 26- Anello di tenuta 27- Tubo dell'acqua di ricompressione
Queste saldature non devono presentare perdite. L'acqua di raffreddamento entra dal tubo dell'acqua fredda e fuoriesce dalla fessura tra il tubo dell'acqua di raffreddamento interno e il manicotto di raffreddamento. Con questo metodo di raffreddamento, finché l'acqua di raffreddamento è sufficiente, la superficie dell'elettrodo rimane lucida e brillante dopo diverse ore di funzionamento, con pochissime tracce di bruciatura.
La torcia di taglio al plasma ad aria compressa ad acqua aggiunge un ugello esterno, che allunga efficacemente il canale di compressione dell'arco plasma e migliora l'effetto di compressione sull'arco. Durante il processo di taglio, l'ugello esterno è vicino al metallo da tagliare, il che può causare schizzi di metallo e provocare un doppio arco.
Per evitare ciò, uno strato isolante di Al2O3circa 0,2 mm di spessore, viene spruzzato sulla superficie esterna dell'ugello in rame puro o, idealmente, viene utilizzato un materiale ceramico per l'ugello esterno.
È possibile utilizzare una fonte di alimentazione per il taglio al plasma ad arco rettificato, con una tensione a vuoto di 400V o superiore, fino a 600V, a seconda delle condizioni di taglio. Quando si taglia l'acciaio inossidabile utilizzando una fonte di alimentazione con una tensione di esercizio di 100-250V e una corrente di esercizio di 100-150A, è possibile eliminare completamente lo slagging, il bordo superiore del taglio è affilato e forma un taglio stretto con una verticalità conforme ai requisiti.
Per il taglio di lastre di acciaio inossidabile 18-8 di 8 mm di spessore, la larghezza di taglio è di 4 mm, senza scolorimento sulla superficie di taglio e con una lucentezza metallica originale.
Quando si utilizza il taglio al plasma con aria compressa ad acqua, la portata di azoto deve essere leggermente inferiore a quella utilizzata per il taglio al plasma normale.
In determinate condizioni di potenza, l'aumento del flusso d'acqua compressa rende il taglio visibilmente più brillante e lineare, ma esiste anche una portata d'acqua ottimale.
Quando il flusso d'acqua è troppo elevato, l'eccessiva compressione dell'arco porta a un'eccessiva dissipazione di calore, causando l'instabilità e l'accorciamento dell'arco, l'aumento delle scorie e persino l'impossibilità di tagliare. In genere, il consumo di acqua compressa è di 0,5-1,5 l/min, che può essere fornita dall'acqua del rubinetto.
La corrente e la tensione di taglio hanno un impatto significativo sulla qualità del taglio: all'aumentare della potenza di taglio dell'arco plasma, aumentano anche la velocità e lo spessore del taglio. È stato dimostrato che, con la premessa di riuscire a tagliare, l'utilizzo di un'elevata potenza di ingresso per il taglio ad alta velocità determina un taglio di qualità superiore rispetto all'utilizzo di una bassa potenza di ingresso per il taglio lento.
Quando si aumenta lo spessore di taglio, se si aumenta solo la corrente di taglio, la colonna d'arco diventa più spessa e rischia di danneggiare l'ugello. Se, aumentando la corrente di taglio, si aumenta anche il flusso di gas e di acqua compressa, anche la tensione dell'arco viene modificata in modo significativo, con un evidente aumento della capacità di taglio e il mantenimento di una buona qualità di taglio.
All'inizio del taglio, la distanza tra l'ugello e la superficie del pezzo non deve essere generalmente inferiore a 6 mm, ma è difficile avviare l'arco quando supera i 10 mm. Durante il processo di taglio, la distanza tra l'ugello e la superficie del pezzo può variare, con una distanza massima di 20 mm. A questo punto, l'arco rimane stabile e la qualità del taglio rimane costante.
I parametri tipici per il taglio di vari metalli con il taglio al plasma ad acqua e aria compressa sono riportati nella Tabella 6-15.
Tabella 6-15 Parametri di taglio tipici per il taglio al plasma d'aria a ricompressione d'acqua di vari metalli
| I materiali | Spessore della piastra (mm) | Tensione a circuito aperto (V) | Tensione di esercizio (V) | Corrente di taglio (A) | Portata del gas (L/h) | Portata di acqua compressa (L/min) | Velocità di taglio (m/h) | Diametro ugello (mm) | Larghezza del cordolo (mm) | |
| Interno | Esterno | |||||||||
| Lega di alluminio | 17 | 480 | 180 | 260 | 1800 | 0.75 | 54 | 4 | 6 | 3. 5 |
| Lega di alluminio | 26 | 470 | 180 | 260 | 1800 | 1 | 45 | 4 | 6 | 4. 0 |
| Lega di alluminio | 38 | 490 | 190 | 290 | 2100 | 0.75 | 30 | 4 | 6 | 5. 0 |
| Lega di alluminio | 80 | 490 | 200 | 390 | 1350 | 1 | 15 | 4.3 | 6 | 10. 0 |
| Acciaio inox | 14 | 480 | 170 | 200 | 1650 | 1.25 | 54 | 4 | 6 | 4 |
| Acciaio inox | 18 | 480 | 180 | 300 | 1650 | 1.25 | 54 | 4 | 6 | 4 |
| Rame puro | 15 | 490 | 200 | 300 | 1350 | 1 | 54 | 4 | 6 | 4. 0 |
| Acciaio per utensili | 40 | 490 | 200 | 290 | 2100 | 0.75 | 30 | 4 | 6 | 5. 0 |
Analisi della qualità del taglio
Ispezionando la superficie di taglio della piastra di acciaio inossidabile 18-8, la larghezza misurata della zona interessata dal calore è di soli 0,02 mm. Questo restringimento della zona termicamente alterata è attribuibile all'effetto di raffreddamento dell'acqua e alla maggiore velocità di taglio. Il taglio può essere saldato direttamente e il giunto saldato può essere sottoposto a un'ispezione di resistenza alla corrosione, non mostrando alcuna tendenza alla corrosione intergranulare.
Il raffreddamento ad acqua del pezzo in lavorazione consente di ottenere un taglio regolare, una deformazione termica minima del pezzo dopo il taglio e una larghezza del taglio inferiore rispetto al taglio al plasma convenzionale.
Analisi della protezione ambientale
Il taglio al plasma convenzionale genera una grande quantità di vapori metallici, polveri e gas nocivi che, se inalati, possono avere un impatto sulla salute dell'operatore. Anche con l'uso di dispositivi di rimozione delle polveri di scarico, non è possibile eliminare completamente l'inquinamento ambientale e il notevole rumore durante il processo di taglio. L'uso di un banco di lavoro per la purificazione dell'acqua, come mostrato nella Figura 6-13, può risolvere questo problema.
Durante il taglio, il pezzo da lavorare viene posizionato sul serbatoio dell'acqua del banco di purificazione, con l'aggiunta di acqua nel serbatoio. La superficie dell'acqua si trova a circa 20 mm di distanza dal pezzo, finché non entra in contatto con il pezzo stesso. Nel taglio ad arco plasma ad aria compressa assistito da acqua, l'acqua spruzzata dall'ugello forma una cortina d'acqua conica che circonda l'arco plasma.
Il gas ad alta velocità emesso dalla torcia di taglio, insieme alle particelle di ossido generate durante il processo di taglio, entra nell'atmosfera insieme all'acqua, che si deposita sul fondo della vasca e non si disperde nell'aria circostante.
Ad esempio, quando si taglia una lastra di acciaio inossidabile 18-8 di 38 mm di spessore, utilizzando il taglio al plasma ad arco convenzionale, il taglio di una lunghezza di 25 mm produce 10 g di polvere fine; mentre con il taglio al plasma ad arco ad aria compressa assistito da acqua e dotato di un banco di lavoro per la purificazione dell'acqua, la polvere fine prodotta per la stessa lunghezza è di soli 0,11 g.
La miscela di acqua e gas contribuisce inoltre a ridurre il biossido di azoto nocivo. Quando si utilizzano macchine per il taglio al plasma ad aria compressa assistite dall'acqua e banchi di lavoro per la purificazione dell'acqua, il posizionamento ottimale dell'acqua può ridurre l'emissione di biossido di azoto nell'aria circostante di 80%, riducendo anche il rumore durante il taglio al plasma.
Se il pezzo viene tagliato a circa 200 mm sott'acqua, le caratteristiche dell'acqua possono ridurre il rumore di taglio di circa 15 dB e assorbire l'intensa luce dell'arco, le particelle metalliche, la polvere, il fumo e i raggi ultravioletti generati durante il processo di taglio, migliorando notevolmente la pulizia dell'ambiente di lavoro e giovando alla salute degli operatori.
Naturalmente, in questo scenario, poiché la linea di taglio non è visibile, è possibile utilizzare solo il taglio meccanico, che è anche la direzione in cui si sta evolvendo il taglio ad arco plasma.
Il taglio al plasma ad aria esiste in due forme: ad aria singola e composta. I principi di taglio e la torcia di taglio sono illustrati nella Figura 6-14.
a) Principio del taglio ad aria singola b) Principio del taglio composto c) Torcia da taglio tipica ad aria singola
1 - Acqua di raffreddamento dell'elettrodo
2 - Elettrodo
3 - Aria compressa
4 - Ugello compresso incorporato
5 - Acqua di raffreddamento dell'ugello compressa
6 - Arco
7 - Pezzo da lavorare
8 - Gas di lavoro
9 - Ugello esterno
Questo metodo utilizza l'aria compressa di un compressore d'aria come gas di lavoro per il taglio al plasma. Questa forma di taglio al plasma ad aria compressa è economicamente vantaggiosa e la fonte di gas è facilmente reperibile. L'aria compressa viene riscaldata e ionizzata nell'arco e l'ossigeno generato subisce una reazione chimica esotermica con il metallo da taglio, accelerando la velocità di taglio.
L'elevata entalpia del plasma ad aria completamente ionizzata determina una grande energia dell'arco. Rispetto al taglio al plasma in generale, la velocità di taglio è più elevata e lo rende particolarmente adatto al taglio di acciaio inossidabile, acciaio al carbonio, alluminio e altri materiali con uno spessore di 30 mm o inferiore.
Di seguito sono riportati i parametri tecnici di diverse macchine per il taglio al plasma ad aria compressa prodotte a livello nazionale.
Tabella 6-16 Parametri tecnici di diverse macchine per il taglio al plasma ad aria compressa di produzione nazionale
| Modelli di prodotto | Tensione / V | Tensione a vuoto / V | Tensione di esercizio / V | Corrente di taglio nominale / A | Campo di controllo della corrente / A | Ciclo di lavoro (%) | Diametro dell'elettrodo / mm | Spessore di taglio / mm |
| LGK8-25 | 380 | 250 | 120 | 25 | - | 40 | - | 1~8 |
| LGK8-40 | 380 | 240 | 110 | 40 | 20 ~ 40 | 40 | 3.5 | 10 |
| LGK8-60 | 380 | 230 | 120 | 60 | 40 ~ 60 | 60 | 5 | 25 |
| LGK8-100 | 380 | 220 | 110 | 100 | 50 ~ 100 | 60 | 10 | 30 |
| LGK8-150 | 380 | Meccanico 420 | 150 | 150 | Stile rubinetto | 60 | 30 | |
| Manuale 240 |
L'elettrodo in questo metodo di taglio è soggetto a forte ossidazione e corrosione, con conseguente notevole usura dell'elettrodo, per cui non è possibile utilizzare elettrodi convenzionali di tungsteno puro o di tungsteno torizzato. In genere, si utilizzano elettrodi di zirconio puro o di afnio puro incorporati in una base di rame. Anche quando si utilizzano elettrodi di zirconio puro o di afnio puro, la loro durata è in genere di sole 5-10 ore prima di dover essere sostituiti.
La Tabella 6-17 elenca i parametri di processo per il taglio al plasma ad aria compressa di lastre di acciaio inossidabile.
Tabella 6-17 Parametri di processo per il taglio con arco di plasma ad aria compressa di lastre di acciaio inossidabile
| Spessore del pezzo / mm | Apertura ugello / mm | Tensione a vuoto / V | Tensione di esercizio / V | Corrente di taglio / A | Portata d'aria compressa / (L/min) | Velocità di taglio / (cm/min) |
| 8 | 1 | 210 | 120 | 30 | 8 | 20 |
| 6 | 1 | 210 | 120 | 30 | 8 | 38 |
| 5 | 1 | 210 | 120 | 30 | 8 | 43 |
Oltre al taglio di lastre di acciaio inossidabile, l'arco plasma ad aria compressa può essere utilizzato anche per la pulizia delle radici delle saldature in acciaio inossidabile. La pulitura delle radici con arco al plasma utilizza un plasma ad alta energia per fondere il metallo e poi il metallo fuso viene soffiato via da un gas ionizzato, con l'obiettivo di creare una superficie relativamente liscia della radice senza carburazione, eliminando la necessità di rettifica e consentendo la saldatura diretta.
Una certa azienda ha condotto esperimenti su piastre di acciaio inossidabile martensitico 04Cr13Ni5Mo, con dimensioni del campione di 200mm×80mm×40mm. Hanno utilizzato sia l'arco plasma ad aria che i metodi meccanici per creare smussi con scanalature a V, quindi hanno saldato utilizzando gli stessi materiali e parametri di saldatura, per poi condurre test di criccatura del giunto di testa.
I risultati dei test hanno indicato la comparsa di una piccola quantità di cricche trasversali negli smussi lavorati con entrambi i metodi a temperatura ambiente; tuttavia, non sono comparse cricche quando i campioni sono stati preriscaldati a 50°C e poi saldati. Ciò implica che l'uso dell'arco plasma ad aria compressa per preparare gli smussi non ha effetti negativi sui giunti saldati. L'arco al plasma utilizzato per il taglio è caratterizzato da un'energia altamente concentrata, archi brevi e un arco duro.
Quando viene utilizzato per la pulizia delle radici, l'arco lascia scanalature profonde e strette lungo il suo percorso, rendendo difficile ottenere una superficie liscia a causa della durezza dell'arco. Se l'arco al plasma è troppo morbido, può influire negativamente sull'effetto di compressione dell'ugello.
A causa della scarsa fluidità e conducibilità termica del metallo fuso dell'acciaio inossidabile, la parte inferiore del taglio tende a surriscaldarsi e il metallo fuso non soffiato rimasto nel taglio si fonde con la parte inferiore del taglio, formando cordoni di saldatura difficili da rimuovere dopo la solidificazione.
Per risolvere questi problemi, il personale tecnico dell'azienda ha sviluppato, dopo numerose prove e discussioni, un ugello adatto che consente una moderata morbidezza e durezza dell'arco plasma, mantenendo una lunghezza d'arco sufficiente e facilitando la pulizia delle radici. Di conseguenza, l'arco al plasma raggiunge un'elevata efficienza di pulizia delle radici e un'alta stabilità dell'arco, producendo inoltre una superficie di taglio relativamente liscia senza cordoni di saldatura e con una facile rimozione delle scorie.
Il principio del processo di taglio al plasma ad aria composto prevede l'utilizzo di un ugello a doppio strato, con l'ugello interno che fornisce il normale gas di lavoro e l'ugello esterno che fornisce aria compressa.
I vantaggi di questo metodo di taglio sono duplici: da un lato, utilizza l'aria compressa per le reazioni esotermiche nell'area di taglio per aumentare la velocità di taglio; dall'altro, evita il contatto diretto tra l'aria e l'elettrodo, riducendo l'usura dell'elettrodo e consentendo l'uso di elettrodi di tungsteno puro o di tungsteno cerato (tungsteno-renio).
Il taglio al plasma utilizza gas di lavoro come azoto, idrogeno, argon, ossigeno e aria. La tabella 6-18 mostra un confronto delle loro caratteristiche di taglio.
Tabella 6-18: Confronto delle caratteristiche di taglio dei diversi gas utilizzati nel taglio al plasma ad arco
| Metodo di taglio | Arco di plasma argon-idrogeno | Arco di plasma di azoto | Arco di plasma ad aria | Arco di plasma di ossigeno | Arco al plasma con aria compressa e acqua |
| Caratteristiche di taglio | Eccellenti prestazioni di taglio; superficie di taglio liscia e lucentezza metallica; meno fumo e polvere rispetto al taglio al plasma ad azoto; taglio più stretto. Svantaggi: tendenza all'incollamento delle scorie; la velocità di taglio è da 20% a 30% più lenta rispetto al taglio al plasma ad azoto; non è molto adatto al taglio di lamiere di spessore inferiore a 10 mm. | Buone prestazioni di taglio; buona superficie di taglio; minore incidenza di scorie; facile impostazione dei parametri del processo di taglio; gas più economico rispetto al taglio al plasma con argon e idrogeno; bassi costi operativi. Svantaggi: genera più fumo e NOx; la superficie tagliata presenta uno strato di nitruro, che può portare a porosità durante la saldatura. L'usura dell'elettrodo è più rapida rispetto al taglio al plasma di argon e idrogeno. | Prestazioni di taglio ragionevoli; buona superficie di taglio; velocità di taglio relativamente elevata; possibilità di ottenere facilmente superfici di taglio prive di scorie; gas di lavoro facilmente accessibile; bassi costi operativi. Svantaggi: la superficie di taglio contiene nitruri; ha limitazioni sullo spessore del materiale da tagliare; elettrodi e ugelli sono soggetti a usura. | Prestazioni di taglio ragionevoli; buona superficie di taglio; velocità di taglio elevata; superfici di taglio facilmente esenti da scorie. Svantaggi: limita lo spessore del materiale da tagliare; gli elettrodi e gli ugelli si usurano rapidamente. | Le prestazioni di taglio sono eccellenti; la velocità di taglio è di circa 30% superiore a quella tipica del taglio al plasma ad azoto. La superficie di taglio è liscia e brillante, in grado di ottenere una superficie di taglio verticale (solo su un lato del taglio), con un bordo superiore affilato e senza scorie sul bordo inferiore. La deformazione termica è minima e può sopprimere effetti nocivi come luce, gas tossici e fumo. Ha una forte capacità di taglio, particolarmente vantaggiosa per il taglio di lamiere spesse. Svantaggi: la presenza di uno strato di nitruro sulla superficie di taglio rende difficile vedere le condizioni di taglio. Inoltre, richiede una piattaforma di taglio con un abbeveratoio e una maggiore potenza d'arco. |
Per ovviare all'inquinamento atmosferico e acustico durante il processo di taglio al plasma, un metodo efficace è quello di utilizzare il taglio al plasma subacqueo. Questo metodo consiste nel posizionare il materiale da tagliare in piano in una vasca di taglio riempita d'acqua e nell'utilizzare una speciale pistola di taglio al plasma ad arco per il taglio subacqueo. Durante il taglio, la pistola di taglio al plasma è immersa a circa 100 mm sotto la superficie dell'acqua, isolando i fumi nocivi e riducendo il rumore.
Il taglio subacqueo può anche eliminare la deformazione da taglio delle lamiere sottili, migliorare la qualità del taglio e prevenire la corrosione dell'acciaio inossidabile causata dal taglio termico. Tuttavia, aumenta il costo dell'investimento per le attrezzature, come la necessità di serbatoi d'acqua sigillati specializzati e pompe di circolazione dell'acqua ad alta capacità.
Questo metodo è caratterizzato da un'elevata precisione dimensionale di taglio, da cordoni di taglio stretti e minimamente inclinati, da scorie ridotte, da superfici di taglio lisce e da una deformazione termica minima. Tuttavia, richiede apparecchiature di taglio ad arco plasma di alta precisione, tra cui sorgenti di potenza e torce speciali per il taglio ad arco plasma. La struttura dell'ugello per il taglio plasma fine, rispetto all'ugello per il taglio plasma standard, è illustrata nella Figura 6-15.
Dalla figura si può osservare che la struttura dell'ugello per il taglio al plasma fine è a tre strati e consente un'elevata concentrazione di energia dell'arco di plasma, circa il doppio di quella di un ugello standard.
Inoltre, prolunga la durata di vita dell'ugello e riduce i costi di produzione. Questa apparecchiatura specializzata viene già prodotta da produttori stranieri e ha attirato l'attenzione di imprese nazionali e internazionali impegnate nella produzione di precisione e nella saldatura di strutture.
a) torcia di taglio al plasma convenzionale b) torcia di taglio al plasma di precisione.
Il taglio laser è un nuovo metodo di taglio termico ed è l'astro nascente del taglio dell'acciaio inossidabile. Utilizza l'alta energia di un raggio laser per tagliare termicamente i pezzi. Questo metodo può essere utilizzato per il taglio di materiali metallici e non metallici e alcuni chiamano il raggio laser "lama da taglio", il che non è un'esagerazione.
Nella produzione industriale, i comuni metodi di taglio laser possono essere classificati in base ai meccanismi di taglio in taglio a vaporizzazione laser, taglio a fusione laser e taglio a ossigeno laser. La tabella 6-19 mostra un confronto tra la densità di energia di diversi metodi di taglio termico. Dalla tabella risulta evidente che il taglio laser possiede la densità energetica più elevata.
Tabella 6-19: Confronto delle densità energetiche di diversi metodi di taglio termico
| Metodi di taglio | Densità di energia (W/cm²) | |
| Taglio a fiamma con ossigeno e gas | 5 × 104 | |
| Taglio al plasma ad arco | 105 ~ 1.8 × 106 | |
| Taglio laser | (Continuo) | 10 ~ 106 |
| (Impulso) | 104 ~ 1010 | |
Grazie all'elevata densità di energia di taglio, si ottiene un taglio di precisione con una deformazione minima del pezzo, eliminando la necessità di ulteriori lavorazioni prima dell'uso.
La precisione di taglio può arrivare a 0,1-0,2 mm, con una rugosità della superficie di taglio di circa una dozzina di micrometri (Ra). Il kerf è molto stretto, soprattutto con una larghezza della zona interessata dal calore di soli 0,01-0,1 mm, che non influisce sulle proprietà del materiale.
Quando si utilizza una taglierina laser da 2 kW per tagliare lastre di acciaio di spessore inferiore a 10 mm, la velocità di taglio può essere pari a quella del taglio ad arco al plasma.
Può tagliare non solo acciaio e materiali non ferrosi, ma anche materiali non metallici come plastica, pelle e tessuto.
Durante il taglio, non ci sono forti radiazioni, rumore o inquinamento ambientale, creando così un ambiente di lavoro migliore per la salute dell'operatore.
Il confronto tra le prestazioni del taglio laser e quelle dell'ossiacetilene o del taglio alla fiamma e del taglio al plasma è riportato nella Tabella 6-20.
Tabella 6-20: Confronto delle prestazioni di taglio dei vari metodi di taglio
| Metodo di taglio | Taglio a gas (ugello di taglio ad acetilene a pari pressione) | Taglio al plasma ad arco (arco al plasma di azoto 230A) | Taglio laser (CO2, laser a gas, 1kW) | ||
| Fonte di calore | Calore di combustione ferro-ossigeno | Energia elettrica | Energia luminosa | ||
| Principali materiali applicabili | Acciaio a basso tenore di carbonio, acciaio a bassa lega | Acciaio a basso tenore di carbonio, acciaio debolmente legato, acciaio inossidabile e altri metalli non ferrosi | Vari acciai, la maggior parte dei metalli non ferrosi, oltre a ceramica, plastica, legno, cuoio e altri non metalli. | ||
| Larghezza del cordolo | Medio | Grande | Molto piccolo | ||
| Precisione delle dimensioni di taglio | Scarso (deviazione 1-2 mm) | Discreto (deviazione 0,5-1,0 mm) | Molto alto (deviazione 0,1-0,2 mm) | ||
| Verticalità della superficie di taglio | Non significativo | Grande | Piccolo | ||
| Ruvidità della superficie di taglio | In generale | Buono | Buono | ||
| Profondità di fusione del bordo della superficie di taglio | Non significativo | Relativamente grande | Piccolo | ||
| Profondità della zona interessata dal calore | Significativo | Medio | Piccolo | ||
| Velocità di taglio (mm/min) | Spessore della piastra (mm) | <1 | 1 | 1 | >5000 |
| 2 | 1 | 1 | 3500 | ||
| 6 | 600 | 3700 | 1000 | ||
| 12 | 500 | 2700 | 300 | ||
| 25 | 450 | 1200 | - | ||
| 50 | 300 | 250 | - | ||
| >100 | <150 | - | - | ||
L'apparecchiatura di taglio comprende il sistema di controllo delle emissioni di CO2 laser a gas e laser a stato solido con granato di ittrio e alluminio, le cui principali caratteristiche tecniche sono riportate nella Tabella 6-21.
Tabella 6-21: Tipi di taglierine laser e parametri tecnici chiave
| Tipi | Lunghezza d'onda/μm | Forma di oscillazione | Gamma di potenza di uscita | |
| Stato solido | Granato di ittrio e alluminio | 1.065 | Continuo | 5 ~ 750 W |
| Gas | CO2 | 10.63 | Continuo | 1 W ~ 1,5 kW |
I tipi di gas di assistenza variano a seconda dei materiali. Nel caso del taglio di materiali infiammabili e di metalli in cui è necessario evitare l'ossidazione, si utilizzano gas inerti o neutri. Per il taglio di materiali metallici generici si può utilizzare l'ossigeno. Il taglio laser ad ossigeno è comunemente utilizzato per tagliare materiali metallici come l'acciaio al carbonio, l'acciaio inossidabile, il titanio e le leghe di titanio, l'alluminio e le leghe di alluminio.
Il taglio laser a ossigeno è simile al taglio a fiamma ossidrica, in cui l'energia laser viene utilizzata per riscaldare il materiale fino al suo punto di accensione e quindi brucia in un flusso di ossigeno. Le scorie fuse che ne derivano vengono poi rimosse dal taglio grazie al flusso di ossigeno.
Il calore aggiuntivo della reazione di ossidazione migliora significativamente la velocità e la qualità del taglio. Per i metalli che possono essere completamente ossidati, la velocità di taglio può essere aumentata di circa 10 volte rispetto al taglio con fiamma ossidrica. La Figura 6-16 mostra uno schema tipico di una torcia di taglio laser a ossigeno.
I parametri di processo per il taglio laser a ossigeno dell'acciaio inossidabile sono riportati nella Tabella 6-22.
1 - Pezzo da lavorare 2 - Ugello di taglio 3 - Tubo di ingresso dell'ossigeno 4 - Manometro dell'ossigeno 5 - Tubo dell'acqua di raffreddamento della lente 6 - Lente di focalizzazione 7 - Raggio laser 8 - Tubo dell'acqua di raffreddamento dello specchio riflettente 9 - Specchio riflettente 10 - Servomotore 11 - Vite a ricircolo di sfere 12 - Circuito di controllo e azionamento dell'amplificazione 13 - Sensore di posizione
Tabella 6-22: Caratteristiche e applicazioni del taglio laser all'ossigeno per l'acciaio inossidabile
| Spessore del pezzo (mm) | Potenza laser (W) | Velocità di taglio (cm/min) | Gas da taglio | Caratteristiche e applicazioni |
| 0.5 | 250 | 450 | Ossigeno | Nessuna deformazione, risparmio di materiale e di manodopera. Utilizzato nella produzione di parti di aerei, componenti di rotori di elicotteri e parti simili. |
| 2 | 250 | 25 | ||
| 3.175 | 500 | 180 | ||
| 1 | 1000 | 800 | ||
| 1.57 | 1000 | 456 | ||
| 6 | 1000 | 80 | ||
| 4.8 | 2000 | 100 | ||
| 6.3 | 2000 | 150 | ||
| 12 | 2000 | 40 |
Grazie ai vantaggi dell'elevata precisione di taglio, dell'alta qualità e della velocità di taglio, le macchine da taglio laser sono ampiamente utilizzate sia a livello nazionale che internazionale. Le macchine da taglio laser manuali e meccaniche ordinarie non sono ancora entrate nella fase pratica industriale, e tutte le applicazioni attuali utilizzano sistemi controllati da un controllo numerico (NC).
I componenti principali di una macchina per il taglio laser CNC comprendono il telaio a portale, il laser, il sistema ottico, la testa di taglio laser, il sistema di controllo e di azionamento CNC, il sistema di alimentazione del gas, il sistema di scarico dei fumi e di rimozione delle polveri, tra gli altri.
Rinomati produttori di apparecchiature per la saldatura e il taglio, sia a livello nazionale che estero, sono in grado di produrre apparecchiature di taglio laser CNC di alta qualità, con uno spessore massimo per il taglio dell'acciaio inossidabile che raggiunge i 16 mm.
Attualmente, i laser a stato solido a ittrio-alluminio-granato hanno in genere una potenza di diverse centinaia di watt (utilizzati principalmente per la saldatura) e possono tagliare solo lamiere sottili con uno spessore di 1-2 mm.
Recentemente, gli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo tipo di laser a stato solido all'ittrio-alluminio-granato, in grado di generare un raggio laser sul pezzo in lavorazione con una densità di energia 40 volte superiore a quella dei laser strutturali convenzionali, migliorando notevolmente la capacità di taglio. Può tagliare materiali in superlega fino a 38 mm di spessore o perforare parti metalliche di 25,4 mm di spessore (con un tempo di perforazione di soli 2 secondi).
I laser a gas CO2 hanno generalmente una potenza di uscita inferiore a 1,5kW e possono essere utilizzati per tagliare acciaio al carbonio e vari metalli non ferrosi con uno spessore inferiore a 10mm. Il Giappone ha sviluppato un laser a gas CO2 da 5 kW, con una lunghezza d'onda pari a circa la metà di quella dei laser a gas CO2 e una densità di energia quattro volte superiore a questi ultimi, che consente di tagliare lamiere spesse.
Per promuovere l'applicazione della tecnologia di taglio laser, sono stati compiuti progressi significativi nelle apparecchiature di taglio. Esistono torce di taglio fisse e frese con piattaforma mobile. Le piattaforme hanno 2-5 gradi di libertà e il movimento della piattaforma utilizza il controllo numerico e metodi pre-programmabili e può essere collegato a un sistema di progettazione assistita da computer (CAD).
La macchina da taglio sviluppata nel Regno Unito è un dispositivo di taglio laser CO2 che si muove su un portale, anch'esso a controllo numerico. La testa di taglio laser può muoversi in cinque gradi di libertà (movimento lineare lungo le coordinate X, Y, Z, rotazione e inclinazione), consentendo il taglio in tre direzioni.
Il taglio laser è ampiamente utilizzato per tagliare acciaio inossidabile, titanio e leghe di titanio, alluminio e leghe di alluminio e superleghe. È ampiamente applicato nell'industria nucleare e in quella aerospaziale e, recentemente, la tecnologia di taglio laser ha iniziato a essere utilizzata anche per il taglio dei pannelli della carrozzeria delle automobili, gestito da robot.
Il taglio a getto d'acqua è un nuovo tipo di tecnologia di lavorazione a freddo che può essere utilizzata in ambienti difficili e vietati dal fuoco e ha ricevuto un'ampia attenzione. Integra tecnologie meccaniche, elettroniche, informatiche e di controllo automatico, rappresentando un risultato di alta tecnologia, e negli ultimi anni è emerso come nuovo metodo di lavorazione dei materiali.
Il principio del taglio a getto d'acqua prevede l'utilizzo di acqua pura ad alta pressione o di una fanghiglia liquida con abrasivi da taglio, che vengono espulsi attraverso un ugello di taglio per formare una colonna liquida ad alta densità, tagliando il pezzo direttamente attraverso l'impatto. A seconda della pressione dell'acqua, il taglio a getto d'acqua può essere classificato in taglio a bassa e ad alta pressione. Le figure 6-17 e 6-18 illustrano i principi del processo di taglio a getto d'acqua.
La tecnologia di taglio a getto d'acqua presenta le seguenti caratteristiche:
La pressione del getto d'acqua varia da decine a centinaia di megapascal, generando un'enorme densità di energia a 2 o 3 volte la velocità del suono per tagliare gli oggetti. L'aumento di temperatura al taglio del pezzo è molto basso, generalmente non superiore a 100°C, e questo è il vantaggio principale rispetto ad altri processi di taglio termico.
Questo elimina la possibilità di deformazione del pezzo, le zone di impatto termico e le alterazioni strutturali in corrispondenza del taglio, rendendolo sicuro e affidabile per l'uso in ambienti vietati al fuoco come le piattaforme di perforazione petrolifera offshore, le raffinerie, i grandi serbatoi di petrolio e gli oleodotti e gasdotti.
La superficie di taglio è liscia, priva di bave e residui di ossido, e lo spazio di taglio è molto stretto, tipicamente controllato entro 0,1 mm con l'acqua pura per il taglio, e tra 1,2 e 2,0 mm con l'aggiunta di abrasivi da taglio. Il taglio non richiede lavorazioni secondarie, semplificando il processo di lavorazione.
Il taglio a getto d'acqua ha un'ampia gamma di spessori di taglio, con uno spessore massimo superiore a 100 mm. Per le piastre di acciaio speciale con uno spessore di 2,0 mm, la velocità di taglio può raggiungere i 100 cm/min. Sebbene la velocità di taglio del taglio a getto d'acqua sia leggermente inferiore a quella del taglio laser, non genera una grande quantità di calore durante il processo di taglio, rendendo il taglio a getto d'acqua più vantaggioso nelle applicazioni pratiche.
Questo metodo di taglio è adatto non solo per metalli e non metalli, ma anche per la lavorazione di materiali compositi e materiali sensibili al calore.
Durante il taglio a getto d'acqua, non ci sono radiazioni, né schizzi di particelle, né polvere, evitando così l'inquinamento ambientale. Anche nel taglio a getto d'acqua abrasivo, la polvere e i detriti di taglio possono essere lavati via direttamente dal flusso d'acqua in un collettore, garantendo la salute dell'operatore. Può essere considerato un metodo di lavorazione ecologico.
Grazie ai vantaggi citati, il taglio a getto d'acqua ha ampie prospettive in settori quali l'aerospaziale, l'energia nucleare, il petrolio, l'ingegneria chimica, l'ingegneria subacquea e l'edilizia.
Attualmente esistono due metodi di taglio a getto d'acqua: il taglio a bassa pressione e quello ad alta pressione.
Il taglio a getto d'acqua a bassa pressione prevede la premiscelazione di acqua ad alta pressione (14~69MPa) e abrasivi da taglio in un serbatoio pressurizzato, quindi l'erogazione dell'impasto abrasivo miscelato attraverso un tubo flessibile direttamente alla pistola di taglio per il processo di taglio, come mostrato nella Figura 6-17. Il pezzo da tagliare può essere tagliato a 500 m di distanza dalla fonte di alimentazione o sott'acqua.
Il taglio a getto d'acqua ad alta pressione prevede il trasporto separato di acqua ad alta pressione (superiore a 240MPa) e di abrasivi secchi attraverso i rispettivi tubi flessibili, quindi la loro miscelazione nella camera di miscelazione della pistola di taglio per completare il processo di taglio del pezzo, come mostrato nella Figura 6-18. Il pezzo da tagliare si trova generalmente vicino alla fonte di alimentazione del taglio.
Quando il taglio a getto d'acqua a bassa e ad alta pressione viene eseguito nelle stesse condizioni, il consumo di acqua e di abrasivi da taglio nel primo caso è solo 1/8-1/3 del secondo.
Dal punto di vista della struttura della pistola da taglio, la pistola da taglio del taglio a getto d'acqua a bassa pressione è relativamente più semplice. In termini di consumo energetico, il taglio a getto d'acqua a bassa pressione consuma meno energia. Pertanto, il taglio a getto d'acqua a bassa pressione è attualmente il processo di taglio più efficace.
Gli abrasivi utilizzati nel taglio a getto d'acqua includono principalmente diamante, olivina, granato, scorie di fusione del rame e ossidi. Tra questi, le scorie di fusione del rame sono relativamente ideali. Innanzitutto, il suo prezzo è basso, solo 1/8~1/10 del prezzo della sabbia d'acciaio; inoltre, la sua velocità di taglio è 30% più veloce del diamante. Questo perché le particelle delle scorie di fusione del rame sono relativamente affilate.
Durante il processo di taglio, quando entrano in collisione con il pezzo, si rompono, formando altri bordi di taglio. Inoltre, quando si utilizza il diamante per il taglio a getto d'acqua, gli abrasivi da taglio sono facilmente incorporati nel materiale di base, il che può influire negativamente su alcune proprietà dell'area di taglio, come le proprietà meccaniche del giunto di saldatura. L'utilizzo di scorie di fusione di rame come abrasivo da taglio può ovviare a questo inconveniente.
La dimensione delle particelle dell'abrasivo da taglio è generalmente di 0,2~1,5 mm, che dipende principalmente dal diametro dell'ugello della pistola da taglio. Gli abrasivi da taglio possono essere riciclati e riutilizzati 2-3 volte, quindi setacciati per rimuovere gli abrasivi troppo fini.
Per gli ugelli da taglio, oltre alla sufficiente tenacità e durezza, l'aspetto più importante è la buona resistenza all'usura, che riduce efficacemente l'usura dell'ugello da taglio e ne migliora la durata.
A causa dell'usura del diametro interno dell'ugello, lo spazio del taglio si allarga, portando a una diminuzione della perpendicolarità della sezione di taglio. Come materiali per gli ugelli da taglio vengono solitamente scelti tungsteno, silicio o leghe dure, ma la loro durata non è ideale. Attualmente, si ritiene più opportuno utilizzare lo zaffiro come materiale per l'ugello.
Per i materiali da taglio comunemente utilizzati e i relativi parametri del processo di taglio per il taglio a getto d'acqua, fare riferimento alla Tabella 6-23.
Tabella 6-23: Velocità di taglio a getto d'acqua per materiali comuni
| I materiali | Spessore di taglio | Pressione dell'acqua/MPa | Diametro ugello/Acqua/Abrasivo/mm | Velocità di taglio/(m/min) |
| Acciaio al carbonio | 12 | 350 | 0. 25 / 0. 76 | 0. 4 |
| 50 | 0. 1 | |||
| Acciaio inox | 13 | 350 | 0. 25 / 0. 76 | 0. 4 |
| 25 | 0. 2 | |||
| Titanio | 3. 2 | 350 | 0. 25 / 0. 76 | 0.8 |
| 6. 4 | 0.6 | |||
| Alluminio | 12 | 350 | 0. 25 / 0. 76 | 0. 6 |
| 100 | 0. 12 | |||
| Ferro duttile | 15 | 350 | 0. 25 / 0. 76 | 0. 4 |
| Materiale composito | 12 | 309 | 0.25 | 3. 5 |
| Cartone di gesso | 15 | 294 | 0. 15 | 20 |
| Gomma | 15 | 377 | 0. 17 | 12 |
| Gomma di silicone | 12 | 377 | 0. 12 | 3 |
| Gomma dura | 19 | 309 | 0. 25 | 6 |
| Tessuto | 20 | 309 | 0. 18 | 3 |
| Tessuto | 20 | 377 | 0.2 | 6 |
| Pelle | 1 | 343 | 0. 15 | 30 |
Sono stati condotti esperimenti sul taglio di lastre di acciaio inossidabile austenitico di diverso spessore utilizzando il processo di taglio a getto d'acqua a bassa pressione. Il diametro dell'ugello di taglio era di 1 mm, la pressione dell'acqua di 69 MPa e le relazioni tra la velocità di taglio, la profondità di taglio e la quantità di abrasivo utilizzato sono rappresentate nelle Figure 6-19 e 6-20 (materiale: acciaio inossidabile 18-8, spessore della piastra: 3 mm).
Poiché il taglio a getto d'acqua si è evoluto in un processo di lavorazione di precisione, richiede un'elevata precisione da parte dell'attrezzatura, rendendo la macchina di taglio a getto d'acqua uno strumento di lavorazione di precisione.
Le caratteristiche tecniche di questa apparecchiatura sono equivalenti a quelle di una macchina di taglio laser di precisione. È composta da un generatore di getto d'acqua ad alta pressione (dispositivo di pressurizzazione), da una testa di taglio a getto d'acqua, da una piattaforma di taglio CNC, da un sistema di controllo CNC, nonché da un computer e da apparecchiature ausiliarie per il controllo della sabbia.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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