Služby řezání plechů z nerezové oceli: plazma, laser, vodní paprsek a možnosti stříhání

A nerezová deskaopouští mlýn jako velký plochý obdélník. V této podobě to téměř nikdo nepotřebuje. Řezání je proto prvním výrobním krokem a v tichosti rozhoduje o třech věcech, na kterých později záleží: jak přesný díl je, jak se řezná hrana chová v korozivním provozu a kolik stojí hotový díl. Tento článek porovnává čtyři metody řezání používané procesory desek, plazmou, laserem, vodním paprskem a stříháním, z hlediska přesnosti, tloušťky, rychlosti, ceny, kvality ostří a odolnosti proti korozi.

Každá sekce začíná přímou odpovědí, po níž následují důkazy za ní. Tam, kde jsou důkazy omezené, například tam, kde zkušební data pocházejí z uhlíkové oceli spíše než z nerezové oceli, říkáme to.

Jaké jsou čtyři hlavní způsoby řezání nerezového plechu?

Plazmové a laserové řezání taví kov intenzivním teplem, řezání vodním paprskem opotřebovává kov vysokotlakým proudem vody a abrazivních drtí a stříhání řeže desku mechanicky mezi dvěma čepelemi. Plazma a laser jsou tepelné procesy, vodní paprsek je „studený“ proces a stříhání je čistě mechanické.

Představte si každou metodu jako jiný nástroj. Plazma je elektricky vyhřívaný proud plynu, který taví úzký kanál skrz desku. Laser je soustředěný paprsek světla, který taví kov, zatímco proud plynu vyfukuje roztavený materiál z řezu. Waterjet je tlakový proud vody nesoucí granátovou drť, která eroduje desku, podobně jako pískování zaměřené na jednu linii. Stříhání funguje jako obří nůžky: čepele tlačí kov, dokud se nezlomí. Způsob, jakým každý nástroj odstraňuje kov, vysvětluje téměř každý rozdíl v následujících tabulkách.

Zdroje: Flow International srovnávací tabulka [2]; Vlastnosti plazmy Hypertherm [1]; popis střižné hrany z The Fabricator [10].

Jak přesná je každá metoda řezání na nerezovém plechu?

Laser a vodní paprsek jsou nejpřesnější, s tolerancemi v nejlepším případě blízko ±0,025 mm (±0,001 palce). Plazma je nejméně přesná ze tří CNC metod, zhruba ±0,4 až ±0,5 mm (±0,015 až ±0,020 palce) na dobrém stole. Přesnost stříhání závisí především na stavu stroje a čepele a není hodnocena podle ISO 9013.

Publikovaná toleranční čísla přicházejí ve dvou variantách. Výrobci zařízení uvádějí nejlepší možné hodnoty naměřené za ideálních podmínek. Poskytovatelé služeb uvádějí, co běžně drží na produkční práci. Mezera mezi nimi je velká, takže tolerance výkresu by měla být potvrzena procesorem, spíše než číst v brožuře.

Užitečný nástroj pro specifikaci.ISO 9013:2017 klasifikuje tepelné řezy podle kvalitativního rozsahu, pokrývající plazmové řezy od 0,5 do 150 mm a laserové řezy od 0,5 do 32 mm [3]. Zápis požadovaného rozsahu ISO 9013 na výkres promění „dobrou kvalitu hran“ v něco měřitelného. Protože norma platí pouze pro tepelné řezání, musí být tolerance vodního paprsku a střihu dohodnuty zvlášť.

Jak silná může každá metoda řezat nerezový plech?

Laser je praktický až do tloušťky asi 25 mm (1 palec) nerezové desky, plazma je ideální do 50 mm (2 palce) a dokáže řezat mnohem silnější s extra úpravou a vodní paprsek má nejširší rozsah, výrobci uvádějí až 24 palců. Stříhání je omezeno na tenčí plech, protože nerezová ocel odolává řezání mnohem více než uhlíková ocel.

Tloušťka je prvním filtrem při výběru metody, protože každý proces narazí na fyzickou stěnu. Laser musí roztavit celou tloušťku velmi úzkým paprskem a vyčistit roztavený kov plynem. To je těžší, jak deska houstne. Plazma přenáší více energie na řez a pokračuje v práci na tlustém plechu. Vodní paprsek je omezen především tím, jak vysoko se může pohybovat hlava stroje. Pro stříhání je limitem síla, kterou může stroj vyvinout.

Která metoda řezání je nejrychlejší a cenově nejvýhodnější pro plech z nerezové oceli?

Stříhání je nejrychlejší a nejlevnější varianta pro rovné řezy tenkého plechu. U tvarovaných dílů je laser nejrychlejší na tenké nerezové oceli, plazma se stává rychlejší a levnější na řez, jak se deska zvětšuje, a vodní paprsek je nejpomalejší, ale často odstraňuje potřebu sekundárního dokončování.

Rychlost a náklady se pohybují společně, ale ne přímočaře. Polský svářečský institut měřil kvalitu hran na 10 mm ocelovém plechu při každém procesu. Řezné rychlosti se lišily o řád, jak je uvedeno níže.

Nerezová ocel mění tepelný obraz. U uhlíkové oceli kyslík spaluje kov a přidává teplo, což urychluje řez. Nerezová ocel je normálně řezána laserem s inertním dusíkem, takže paprsek musí dodat veškerou energii a rychlost řezání vláknovým laserem prudce klesne za tloušťku asi 4 mm, zhruba na úroveň CO2 laseru [7].

Výhoda plazmy roste s tloušťkou. Hypertherm uvádí, že na měkké oceli je plazma rychlejší než 15 kW laser nad 16 mm, rychlejší než 20 kW laser nad 20 mm a rychlejší než 30 kW laser nad 30 mm [1]. Toto je srovnání výrobce plazmy, ale směr je jasný: bod křížení stoupá s rostoucím výkonem laseru.

Cena zařízení také ovlivňuje cenu služeb. Flow International uvádí rozsahy kapitálových nákladů 60 000 až 300 000 USD nebo více pro plazmu a vodní paprsek a 200 000 až 1 000 000 USD nebo více pro laser [2]. Pro kupujícího je lepší nákladovou otázkou cena hotového dílu: délka řezu, počet proražení a případné broušení, moření nebo zploštění potřebné po řezu. Levný řez, který vyžaduje těžké čištění hran, může stát více než dražší řez, který nepotřebuje žádné.

Poškozuje řezání plazmou a laserem odolnost nerezové oceli proti korozi?

Mohou, pouze na řezné hraně. Teplo zanechává vrstvu oxidu a tenkou vrstvu ochuzenou chrómem, které odolávají korozi hůře než původní povrch, a tyto musí být odstraněny, aby se dosáhlo co nejlepšího korozního výkonu. Vodní paprsek a mechanické stříhání nepřidávají žádné teplo a řezání laserem s pomocí dusíku vytváří jasnou hranu bez oxidů.

Nerezová ocel odolává korozi, protože chrom vytváří na povrchu tenký, neviditelný ochranný film. Teplo z řezání zahušťuje oxid a vytahuje chrom z kovu těsně pod ním. Svařovací výzkumný ústav TWI uvádí, že pro zachování optimální odolnosti proti korozi musí být odstraněny jak oxidové okují, tak i vrstva ochuzená o chrom. Jejím vodítkem je, že broušení s následným mořením kyselinou poskytuje nejlepší výsledek s brusivem o zrnitosti 360 nebo jemnějším a že ruční kartáčování drátěným kartáčem je méně účinné, protože neodstraní vyčerpanou vrstvu [5]. Rada TWI se týká tepelného odstínu svaru.

Stejný mechanismus ochuzování o oxid a chrom platí pro řezné hrany ovlivněné teplem, což je naše rozšíření tohoto vedení. Technická Q&A při povrchové úpravě kovů laserem řezaných nerezových dílů s modrými stopami vznícení dospívá k podobnému praktickému závěru: dusitanová pasivační lázeň neodvádí dobrou práci při odstraňování modrého oxidu, který potřebuje moření nebo abrazivní odstranění [6].

Každý proces se liší v tom, kolik oxidu zanechává:

• Laser s dusíkem:inertní asistenční plyn udržuje řeznou hranu čistou a nezoxidovanou [7]. Air assist zanechává na nerezových hranách zlatý, modrý nebo hnědý odstín [8].
• Plazma:Hypertherm uvádí, že HAZ je typicky pod 0,25 mm a že správný proces a výběr plynu poskytuje minimální zpevnění hrany a dobrou svařitelnost [1]. Flow poznamenává, že použitý asistenční plyn mění hloubku HAZ [2].
• vodní paprsek:žádný zdroj tepla, takže se mikrostruktura nemění. V polském testu tvrdost hrany vodním paprskem odpovídala základnímu kovu (asi 140 HV10) [4].
• Stříhání:žádné teplo, tedy žádný tepelný oxid, ale odstřižená hrana je plasticky deformována a mechanicky zpevněna [10].

Co důkazy neukazují.Nenašli jsme publikované údaje o důlcích nebo kritických teplotách pro hrany nerezové oceli řezané každou metodou. Výše uvedené údaje o tvrdosti pocházejí z uhlíkové oceli S355, nikoli z nerezové oceli. Austenitické nerezové třídy netvrdnou při rychlém ochlazení jako uhlíkové oceli, takže u nerezové oceli je praktickým problémem spíše ochuzování o oxid a chrom než křehká tvrdá hrana. Dodavatelem publikovaná případová studie na desce 304 o tloušťce 40 mm uvádí hladší, méně zkosené okraje vodním paprskem než laser, s laserem řezanými okraji vykazujícími HAZ a oxid [15]. Tento test leží nad rozsahem laseru 32 mm v ISO 9013 [3], takže by neměl být považován za typický výkon laseru.

Praktické vedení pro desky z vyšší slitiny.U duplexních, super duplexních a niklových slitinových desek, kde se zvyšujícím se obsahem slitiny více záleží na tepelném příkonu a stavu hrany, je konzervativním přístupem specifikovat vodní paprsek nebo vyžadovat odstranění hrany po řezání a dohodnutý přejímací test při použití tepelného řezání.

Lze nerezový plech stříhat a jaké jsou limity?

Ano. Stříhání je ekonomický způsob, jak provádět rovné řezy v tenkém až středně silném nerezovém plechu, ale nůžky musí být dimenzovány na asi o 40 % menší tloušťky než u uhlíkové oceli a řezná hrana nese mechanicky zpevněný pás.

Nerezová ocel je pevnější než měkká ocel a austenitické třídy také zpevňují: čím více je kov deformován, tím je tvrdší. Společně to znamená, že gilotina potřebuje více energie na stejnou tloušťku. Pokyny reprodukované z literatury o výrobě nerezové oceli říkají, že konvenční lisovací a gilotinová zařízení by měla být normálně snížena o 40 % ve srovnání s hodnocením uhlíkové oceli a čepele musí zůstat ostré, protože přetažení kovu přes tupou čepel ji dále ztvrdne [11].

Tomuto návodu odpovídají dva nezávislé seznamy strojů. Jeden jmenovitý stroj stříhá 3/8 z měkké oceli, ale pouze 1/4 z nerezové oceli [12] a další nůžky z měkké oceli 6 mm, ale 4 mm z nerezové oceli [14]. Oba jsou zhruba o jednu třetinu nižší, ve stejném směru jako pravidlo 40 %.

Důležitá je také vůle čepele. Při stejné vůli je hladká leštěná zóna na řezné hraně asi 30 % tloušťky u nerezové oceli, ale asi 50 % u nízkouhlíkové oceli, takže nerez potřebuje těsnější vůli, aby získal stejnou hranu [10]. Oříznutá hrana normálně vykazuje převalování, leštěný pás, hrubší lomovou zónu, otřepy a mechanické zpevnění a tvrzená hrana může prasknout, pokud je součást vytvořena později [10]. Plánujte úpravu hran, když bude stříhaný polotovar ohýbán, hluboce tažen nebo svařován.

Jak se kvalita hran a potřeby povrchové úpravy porovnávají napříč metodami?

Vodní paprsek vytváří nejhladší hranu přímo na stole, řezání dusíkem laserem vytváří čistou hranu bez otřepů na tenčí desce, plazmové hrany obvykle vyžadují broušení a oříznuté hrany vykazují převalování a otřepy.

Stav hran rozhoduje o tom, kolik práce se stane po řezání. Tabulka shrnuje typické výsledky.

Zdroje: [1] Hypertherm; [2] Flow International (prodejce); [4] Węglowski a Pfeifer (uhlíková ocel); [6] Otázky a odpovědi týkající se dokončování produktů; [7] Svět laserového ostření; [8] Lanier Metal Products; [10] Výrobce; [15] Případová studie GMA Garnet (dodavatel).

Jak si pro svůj projekt mohu vybrat mezi plazmou, laserem, vodním paprskem a stříháním?

Začněte s tloušťkou a citlivostí na teplo. Použijte stříhání pro rovné řezy v tenkém plechu, laser pro přesné tvarové díly do cca 25 mm, plazmu pro silnější plechy, kde se budou opracovávat nebo brousit hrany, a vodní paprsek, když je nutné zabránit vnikání tepla nebo je plech velmi silný.

Co mám uvést při žádosti o cenovou nabídku na řezaný nerezový plech?

Pošlete jakost a specifikaci, tloušťku, výkres, požadavek na toleranci, stav hrany a potřeby dokumentace. Těchto šest položek umožňuje zpracovateli vybrat správnou metodu a přesně citovat.

Většina zpoždění cenových nabídek pochází z chybějících okrajů nebo požadavků na dokumentaci. Úplná žádost by měla obsahovat:

• Materiál:jakost a specifikace, například deska ASTM A240 304L, 316L nebo 2205, a povrchová úprava.
• Tloušťka a množství:tloušťka plechu, počet dílů a zda je přijatelné skládání z celých plechů.
• Geometrie:výkres DXF nebo DWG pro tvarové díly nebo délky a šířky pro rovné řezy.
• Tolerance:rozsah ISO 9013 pro tepelné řezy [3] nebo plus-mínus tolerance pro vodní paprsek a střih, plus jakýkoli limit rovinnosti po řezání.
• Stav hrany:zda jsou požadovány hrany bez oxidů a zda je po řezání nutné broušení, moření nebo pasivace podle ASTM A967 nebo A380.
• Dokumentace:zda se označení tepelného čísla a certifikáty EN 10204 3.1 materiálu musí promítnout do řezaných dílů.

Často kladené otázky

Otázka: Která metoda řezání poskytuje nejčistší okraj na nerezovém plechu?

A: Vodní paprsek poskytuje saténově hladký okraj bez tepelného zabarvení a obvykle nevyžaduje žádnou další práci [2]. Řezání laserem s pomocí dusíku také poskytuje na tenčím plechu jasný okraj bez oxidů [7].

Otázka: Ničí plazmové řezání nerezovou ocel?

A: Ne. Plazmové řezání vytváří úzkou tepelně ovlivněnou zónu, typicky pod 0,25 mm na oceli [1]. Na řezné hraně by měly být odstraněny teplem vytvořené oxidy a vrstva ochuzená o chrom, pokud bude součást vystavena korozi [5].

Otázka: Lze laserem řezat plech z nerezové oceli silnější než 25 mm?

A: Někdy s vysokým výkonem laseru a ISO 9013 pokrývá laserové řezy až do 32 mm [3]. Náklady a zkosení hrany rostou s tloušťkou, takže plazma nebo vodní paprsek jsou obvykle praktičtější volbou nad 25 mm.

Otázka: Musím po řezání pasivovat nerezovou ocel?

A: Pasivační úpravy jako ASTM A967 nebo A380 obnovují čistý povrch po zhotovení, ale spolehlivě neodstraňují teplem vytvořený modrý nebo hnědý oxid. Tento oxid je lépe odstranit nejprve mořením nebo abrazivními metodami [6].

Otázka: Proč se nerezová ocel hůře stříhá než měkká ocel?

A: Nerezová ocel má vyšší pevnost a austenitické třídy při deformaci ztvrdnou. Nůžky jsou obvykle sníženy o přibližně 40 % ve srovnání s jejich hodnocením uhlíkové oceli [11].

Otázka: Která metoda je nejlepší pro duplex nebo desku ze slitiny niklu?

A: Vodní paprsek je konzervativní volbou, protože nepřidává žádné teplo a používá stejné nastavení pro všechny materiály [2]. Tepelné řezání lze také použít, pokud to umožňuje specifikace projektu a je dohodnuto odstranění hran po řezání a přejímací zkoušky.

Zdroje a odkazy

[1] Hypertherm. "Atributy plazmy." https://www.hypertherm.com/solutions/technology/plasma-technology/plasma-attributes/ (výrobce plazmy)

[2] Flow International. "Srovnávací řezání." https://www.flowwaterjet.com/explore/waterjet-basics/comparative-cutting (výrobce vodního paprsku)

[3] ISO 9013:2017, Tepelné řezání: Klasifikace tepelných řezů, geometrická specifikace výrobku a tolerance kvality. Rozsah zveřejněný národními normalizačními orgány, např. https://www.evs.ee/en/iso-9013-2017

[4] Węglowski, MS a Pfeifer, T. "Vliv technologie řezání na vlastnosti řezných hran." Advances in Manufacturing Science and Technology 38(2), 2014. https://journals.pan.pl//Content/104261/PDF/10264-Volume38-Issue2-paper_05.pdf (uhlíková ocel S355, 10 mm)

[5] TWI. "Jak odstraním tepelný odstín vzniklý při svařování nebo nesprávném tepelném zpracování nerezových ocelí?" https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-how-do-i-remove-heat-tint-formed-during-welding-or-improper-heat-treatment-of-stainless-steels

[6] Konečná úprava výrobků. "Svařování mazivem na ocelové trubce válcované za studena/čištění." https://www.pfonline.com/articles/welding-through-lubricant-on-cold-rolled-steel-tube-cleaning

[7] Svět laserového ostření. "Řezání tlustostěnné oceli vláknovými lasery." https://laserfocusworld.com/industrial-laser-solutions/article/14216008/cutting-thick-section-steel-with-fiber-lasers

[8] Lanier Metal Products. "Řezání vláknovým laserem." https://laniermetalproducts.com/laser-cutting (poskytovatel služeb)

[10] Výrobce. "Zlepšení podmínek prázdné hrany." https://www.thefabricator.com/thefabricator/article/bending/improving-blank-edge-conditions

[11] Návod na výrobu "Smyk z nerezové oceli". https://www.tubingchina.com/Shearing.htm (sekundární reprodukce; porovnáno s [12] a [14])

[12] List specifikace stroje, nůžky Model AS375-10. https://machinehub.com/download/MachineFileAttachment/61791

[13] IEEE TechNav. "Stříhání." https://technav.ieee.org/topic/shearing/ (souhrnný odkaz, orientační)

[14] Seznam prodejců Exapro, hydraulické nůžky Gasparini CO/2004. https://www.exapro.com/gasparini-co2004-p260909273/

[15] GMA granát. "Srovnávací studie řezání vodním paprskem vs. laserové řezání pro nerezovou ocel" (případová studie Jacquet Nova). https://gmagarnet.com/resource-hub/comparative-study-of-waterjet-vs.-laser-cutting-for-stainless-steel (dodavatel brusiva)

[16] SasaMetal. "Řezání nerezové oceli." https://www.sakysteel.com/news/stainless-steel-cutting (seznam dodavatelů nerezu, 2018)