Cięcie termiczne

Cięcie laserowe jest procesem, w który w energia wiązki promieniowania elektromagnetycznego powoduje miejscowe stapianie i odparowanie ubytku materiału ze szczeliny cięcia. Podczas operacji cięcia laserowego stosuje się gaz reaktywny lub obojętny o dużej czystości, którego zadaniem jest wydmuchanie ciekłego materiału z miejsca cięcia oraz utrzymanie stałych parametrów cięcia. Wyróżnia się trzy metody cięcia laserowego i są nimi:

• cięcie przez wytapianie szczeliny – lokalnie roztopiony materiał zostaje wydmuchany przez doprowadzony do szczeliny cięcia obojętny gaz, którym najczęściej jest azot;
• cięcie przez spalanie – do szczeliny cięcia doprowadzony jest tlen (lub mieszanka gazów zawierzająca tlen), który dodatkowo oddziałuje na materiał rozgrzany przez promień lasera do temperatury zapłonu, materiał spala się w strumieniu tlenu, co znacznie przyspiesza proces cięcia laserowego;
• cięcie sublimacyjne – materiał w obszarze cięcia ulega odparowaniu w atmosferze gazu obojętnego; metoda ta umożliwia cięcie materiału do grubości zbliżonej średnicy strumienia;

Cięcie łukiem plazmowym jest procesem polegającym na stapianiu i wyrzuceniu metalu ze szczeliny cięcia poprzez silnie skoncentrowany plazmowy łuk elektryczny. Łuk ten powstaje między elektrodą nietopliwą a ciętym materiałem i jest to silnie zjonizowany gaz plazmowy o dużej energii kinetycznej. Gaz ten przemieszcza się z dyszy plazmowej w kierunku szczeliny cięcia i może osiągać prędkość bliską prędkości dźwięku, a temperatura strumienia plazmy dochodzi do 30 000 K. Gaz ochronny zapobiega dostawaniu się powietrza w obszar cięcia a także chłodzi szczelinę cięcia zmniejszając odkształcenia cieplne materiału. Zwiększenie prędkości cięcia przy tych samych parametrach prądowych jest możliwe poprzez zastosowanie palnika tnącego z dodatkowym zawężeniem łuku plazmowego gazem ochronnym, które zwiększa stopień zawężenia plazmy i podnosi jej temperaturę. Temperatura jaki i prędkość wypływu strumienia plazmy zależą m.in. od natężenia prądu, średnicy i kształtu dyszy, rodzaju gazu plazmowego i jego ciśnienia. Cięcie plazmowe jest modyfikacją procesu spawania plazmowego przy użyciu elektrody nietopliwej.

Metoda cięcia łukiem plazmowym umożliwia obróbkę wszystkich materiałów konstrukcyjnych przewodzących prąd elektryczny. Możliwe jest również cięcie materiałów niemetalicznych dzięki zastosowaniu palnika plazmowego o łuku nieżelaznym.

Podstawowymi elementami urządzeń przeznaczonych do cięcia plazmowego jest zasilacz prądu stałego, obwód zajarzenia łuku oraz palnik plazmowy. Napięcie obwodu otwartego wynosi 240 ÷ 400V DC. Zasilacz odpowiedzialny jest za dostarczanie wymaganej ilości energii niezbędnej do utrzymania jarzącego się łuku elektrycznego. Generator wysokich częstotliwości umożliwia zajarzenie łuku plazmowego. Generator ten wytwarza napięcie prądu przemiennego do 10 000V przy częstotliwości sięgającej 2MHz. Napięcie to jonizując gaz tworzy łuk plazmowy. Palnik składa się m.in. z dyszy i elektrody, które są odpowiedzialne za zawężanie i utrzymywanie łuku plazmowego.

Grubość elementów ciętych plazmowo zależy od rodzaju materiału, a ten z kolei decyduje o zastosowanym gazie plazmowym. Głównie jako gaz plazmowy używa się tlenu, powietrza, azotu, argonu oraz mieszanek argonu z wodorem i azotu z wodorem. Rodzaj gazu ochronnego także zależy od rodzaju ciętego materiału i może nim być powietrze, tlen lub azot. Dysze plazmowe dobierane są do mocy łuku plazmowego i wymaganej szczeliny cięcia. Wraz ze zmniejszeniem średnicy dyszy uzyskuje się większą prędkość cięcia oraz zmniejszenie szerokości szczeliny lecz jej trwałość znacznie się pogarsza. Duży wpływ na trwałość dyszy ma również liczba ponownych zajarzeń i wygaszeń łuku elektrycznego oraz natężenie prądu.

Cięcie tlenem (cięcie gazowe) możliwe jest jedynie metali o osnowie żelaza – stal konstrukcyjna niskowęglowa i niskostopowa. Proces ten polega na doprowadzeniu obszaru cięcia do temperatury zapłonu, powyżej której następują reakcje egzotermiczna tlenu z żelazem. Podgrzewanie obszaru cięcia do temperatury topnienia umożliwia spalanie gazu palnego – acetylenu, propanu, propylenu, czy gazu ziemnego. Strumień tlenu utlenia i nadtapia pogrzany materiał na całej jego grubości, a ciekły metal i produkty reakcji utleniania wyrzucane są ze szczeliny cięcia. Ciągły proces cięcia tlenem zapewnia przesuwanie palnika wzdłuż linii cięcia tak aby umożliwić ciągłe usuwanie wąskiej warstewki metalu na całej grubości ciętego przedmiotu. Szerokość szczeliny cięcia jest zależna od grubości materiału i wzrasta wraz ze wzrostem grubości ciętej blachy. Czynnikiem krytycznym procesu cięcia jest czystość (powyżej 99,5%) tlenu tnącego. Gaz ten decyduje o sprawności i jakości procesu cięcia.