Cięcie strumieniem wody umożliwia

Cięcia strumieniem wody Technologia i zastosowania przemysłowe cz. II prof. Andrzej Klimpel PRACOWNIK KATEDRY SPAWALNICTWA NA WYDZIALE MECHANICZNYM TECHNOLOGICZNYM POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ, PRZEWODNICZĄCY RADY NAUKOWEJ INSTYTUTU SPAWALNICTWA W GLIWICACH, CZŁONEK RADY TECHNICZNEJ CZASOPISMA STAL METALE & NOWE TECHNOLOGIE dr inż. Andrzej Stanisław Klimpel PRACOWNIK KATEDRY SPAWALNICTWA NA WYDZIALE MECHANICZNYM TECHNOLOGICZNYM POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Proces cięcia strumieniem wody polega na zastosowaniu silnie sprężonego strumienia wody, o ciśnieniu dochodzącym nawet do 4000-6500 barów i natężeniu przepływu 0,5-25 l/min, przepuszczanego przez dyszę zawężającą wykonaną z rubinu, szafiru, diamentu naturalnego i sztucznego, o średnicy w zakresie 0,05-1,4 mm. Kontynuujemy rozpoczęty w poprzednim numerze czasopisma opis technologii cięcia strumieniem wody oraz cięcia strumieniem wody i proszku. Cięcie strumieniem wody umożliwia cięcie, żłobienie i przebijanie prawie wszystkich materiałów inżynierskich, poza diamentem (tab. 2-4). Ciśnienie strumienia wody tnącej zależy od konstrukcji układu hydraulicznego i głowicy tnącej i dobierane jest w zależności od rodzaju i grubości ciętego materiału (1-15). Ciśnienie wody urządzeń przemysłowych podwaja się praktycznie co 10 lat. W latach 70. ubiegłego wieku stosowano pompy o ciśnieniu 2000-2500 barów, w latach 80. stosowano pompy o ciśnieniu do 3800 barów, a już na początku lat 90. zastosowano pierwsze pompy o ciśnieniu 6900 barów. Obecnie produkowane są urządzenia wyposażone w pompy typu HyperJet o maksymalnym ciśnieniu roboczym 6500 barów (urządzenie Mach 3) (9). Przewiduje się, że w najbliższych latach ciśnienie wody tnącej może osiągnąć 7000-8000 barów (2, 8). Prędkość cięcia a jakość Prędkość cięcia zapewniająca wymaganą jakość cięcia może być regulowana w znacznie szerszym zakresie niż w przypadku cięcia plazmą czy laserem i jest zależna od rodzaju urządzenia (ciśnienia wody), średnicy dyszy zawężającej i dyszy wylotowej, rodzaju, ziarnistości i natężenia podawania proszku. Ponieważ w urządzeniach do cięcia strumieniem ciśnienie strumienia wody tnącej jest stałe, prędkość cięcia jest parametrem decydującym o jakości cięcia (tab. 3, rys. 2 i 3*). Dla przykładu cięcie blachy ze stopu aluminium PA6 o grubości 20 mm, z bardzo małą prędkością 75 mm/min, zapewnia bardzo wysoką jakość cięcia, przy prędkości 137 mm/min uzyskuje się poprawną jakość cięcia (rys. 2*), natomiast krawędzie cięte z prędkością 304 mm/min są nierówne, z głębokimi wyżłobieniami przy dolnej krawędzi cięcia (rys. 3*). Optymalną prędkość cięcia ustala się w zależności od rodzaju i grubości ciętego materiału oraz wymaganej jakości cięcia (rys. 7-9). Strumień wody bez proszku pod dużym ciśnieniem tnie miękkie materiały niemetaliczne, takie jak np.: papier, karton, miękkie tworzywa sztuczne, skórę, miękką gumę, gąbkę, tkaniny czy płytki obwodów scalonych itd., z dużą prędkością, nawet do 150 m/min, a średnica strumienia wody może mieć nawet poniżej 0,1 mm (rys. 10-12, tab. 4). W przypadku materiałów metalowych, cermetali, materiałów ceramicznych takich, jak np. szkło, marmur, beton oraz kompozytów tworzyw sztucznych i twardych tworzyw sztucznych, prędkości cięcia są znacznie niższe, zwykle poniżej 1,0 m/min, a cięcie jest możliwe tylko po wprowadzeniu do strumienia wody drobnego proszku ściernego z garnetu, oliwinu, ze skruszonego szkła lub z krzemionki (rys. 1 i 6*). Z reguły im twardszy i grubszy jest cięty materiał, tym niższa musi być prędkość cięcia. Podobnie też w celu zwiększenia jakości cięcia konieczne jest zmniejszenie prędkości cięcia (rys. 2-3*, 7-9). Właściwy dobór dysz zwężających Dysze zawężające do cięcia czystą wodą mają zwykle średnice w zakresie 0,08-0,56 mm i są wykonywane z rubinu lub szafiru (mogą osiągać trwałość rzędu 200-500 h). Z kolei do cięcia strumieniem wody z proszkiem ściernym zalecane są dysze diamentowe o trwałości ponad 1000 h, lecz ich cena jest 5-10 razy wyższa (rys. 5* i 7) (1-3, 7). W procesie cięcie strumieniem wody z dodatkowym proszkiem ściernym wymagane są dysze wylotowe (dysze mieszania) z materiałów o wysokiej odporności na ścieranie, typu materiał ceramiczny metal. Zadaniem dysz jest dokładne wymieszanie wody z proszkiem ściernym i ustabilizowanie strumienia tnącego (rys. 1*). Najczęściej stosowane materiały na dysze wylotowe to wolfram lub węgliki spiekane, np. z węglików boru czy wę- 18 M A R Z E C- K W I E C I E Ń 2013

RODZAJ MATERIAŁU CECHY TECHNOLOGICZNE Cięcie z materiałem ściernym Cięcie bez materiału ściernego Maks. grubość cięcia [mm] Szerokość szczeliny w zakresie 0,5-1,2 [mm] Szerokość szczeliny < 0,25 [mm] Stale węglowe i stopowe TAK NIE 300-500 TAK Stale narzędziowe TAK NIE 250 TAK Stale austenityczne TAK NIE 300 TAK Stopy Ni TAK NIE 300 TAK Stopy Al TAK TAK*/NIE 400 TAK Stopy Cu TAK NIE 250 TAK Stopy tytanu TAK NIE 380 TAK Materiały kompozytowe TAK NIE 150 TAK Materiały ceramiczne TAK NIE 200 TAK Tworzywa sztuczne piankowe komórki otwarte NIE TAK 750 TAK Tworzywa sztuczne piankowe komórki zamknięte NIE TAK 500 TAK Szkło TAK NIE 180 TAK Marmur TAK NIE 150 TAK Granit TAK NIE 150 TAK Porcelana TAK NIE 50 TAK Tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem szklanym, węglowym lub aramidem FRP TAK NIE 75 TAK Materiały uszczelniające NIE TAK 50 TAK Akryl TAK NIE 100 TAK Teflon TAK NIE 150 TAK Płyty mineralno-akrylowe CORIAN TAK NIE 150 TAK Tworzywa sztuczne fenolowe TAK NIE 200 TAK GUMA TAK**/NIE TAK 250 TAK PAPIER NIE TAK 750 TAK Tab. 2. Cechy technologiczne cięcia strumieniem wody różnych materiałów inżynierskich Uwagi: *cienkie blachy z miękkich stopów aluminium i aluminium technicznego; **tylko wyroby z gumy o małej twardości M A R Z E C- K W I E C I E Ń 2013 19

RODZAJ METALU GRUBOŚĆ MATE- RIAŁU [mm] ŚREDNICA DYSZY ZAWĘŻAJĄCEJ 0,25 mm (0,010 ) 0, 36 mm (0,014 ) 6 1,45 2,42 Aluminium 13 0,625 1,05 25 0,25 0,42 6 0,50 0,82 Stale odporne na korozję 13 0,22 0,35 25 0,075 0,15 6 0,58 0,98 Tytan 13 0,25 0,42 25 0,10 0,18 Natężenie podawania proszku ściernego, garnetu 0,4 0,8 [kg/min] Tab. 3. Wpływ średnicy dyszy zawężającej na prędkość cięcia w m/min różnych materiałów metalowych, ciśnienie wody tnącej 6200 barów (12) RODZAJ MATERIAŁU GRUBOŚĆ MATERIAŁU PRĘDKOŚĆ CIĘCIA [mm] [m/min] Tworzywo sztuczne ABS 2,0 2,0 Karton 1,4 6,0 Karton falisty 6,4 3,0 Płytka obwodu scalonego 2,6 25,4 Skóra 1,6 96,0 Pleksiglas 3,0 0,90 Guma 1,3 90,0 Dywan z podkładką gumową 9,5 150,0 Drewno 3,2 1,00 Tab. 4. Typowe prędkości cięcia czystym strumieniem wody o ciśnieniu 3000-4000 barów różnych materiałów konstrukcyjnych (7-17) RODZAJ MATERIAŁU GRUBOŚĆ MATERIAŁU PRĘDKOŚĆ CIĘCIA [mm] [m/min] Stopy aluminium 3,2 1,0 12,5 0,48 19,0 0,12 Stop Cu-Sn 3,2 0,50 Stop Cu-Zn 10,8 0,12 Mosiądz 25,4 0,03 Miedź 1,6 0,90 16,0 0,18 Ołów 50,0 0,18 Stal węglowa 19,0 0,18 Żeliwo 38,0 0,03 Stale austenityczne odporne na korozję 2,5 1,50 25,4 0,12 100,0 0,03 Inconel 16,0 0,18 32,0 0,03 Tytan 0,6 1,50 12,7 0,30 Ceramika na osnowie aluminium 0,6 0,15 Szkło 6,4 2,50 19,0 1,00 Włókno szklane 2,5 5,00 6,4 2,50 Kevlar 9,5 1,00 25,4 0,07 Kompozyt na osnowie metalowej 3,2 0,80 Guma 7,6 5,00 Tab. 5. Typowe prędkości cięcia strumieniem wody o ciśnieniu 3000-4000 barów z proszkiem ściernym garnetem, różnych materiałów inżynierskich (7-17) glików krzemu. Najpowszechniej stosowane są dysze wylotowe ze spiekanego węglika boru, które wymagają wymiany zwykle po 100 h cięcia, gdy ziarnistość proszku jest w granicach 150-300 μm. Długość dyszy wylotowej mieszania wody i proszku wynosi zwykle 75-100 mm, a średnica mieści się zwykle w zakresie od 0,5 do nawet 2,0 mm, w zależności od konstrukcji urządzenia i rodzaju ciętego materiału. Im większa jest długość dyszy wylotowej i im mniejsza jest średnica dyszy, tym wyższa jest jakość cięcia, lecz maleją trwałość dyszy i prędkość cięcia (rys. 7). Odległość końcówki dyszy wylotowej od powierzchni ciętego przedmiotu zależy od ciśnienia wody, kształtu i średnicy dyszy zawężającej i dyszy wylotowej, czyli długości odcinka koherentnego strumienia wody tnącej, i mieści się w granicach od 0,75 do 2,0 mm (rys. 1* i 13) (4, 8). Im mniejsza jest ta odległość, tym wyższe są jakość i prędkość cięcia oraz mniejsze jest pochylenie ciętych krawędzi. Możliwe jest jednakże cięcie przy większych odległościach dyszy wylotowej od powierzchni ciętego materiału, zwłaszcza gdy nie jest wymagana wysoka dokładność cięcia. Zbyt bliskie usytuowanie dyszy może spowodować jej zatkanie w wyniku odbicia strumienia tnącego od powierzchni przedmiotu. Najpowszechniej do cięcia metali jest stosowany proszek ścierny z garnetu (granatu) o ziarnistości 150-300 μm, podawany z wydajnością rzędu 0,1-1,5 kg/min, w zależności od rodzaju ciętego metalu i jego grubości (rys. 6* i 7). Gdy wymagana jest wysoka jakość cięcia, zaleca się stosowanie proszku o ziarnistości 100-200 μm (1-14). Jeśli proces cięcia strumieniem wody służy tylko do cięcia zgrubnego i ważna jest duża prędkość cięcia lub cięte są przedmioty o grubości powyżej 40-50 mm, warto stosować proszek o większej ziarnistości, rzędu 200-400 μm. Do cięcia bardzo twardych materiałów ceramicznych zalecany jest proszek ścierny z węglika boru. Wydajność podawania proszku (podawana przez producenta urządzenia) musi być dobrana w zależności od konstrukcji komory mieszania palnika, 20 M A R Z E C- K W I E C I E Ń 2013

średnicy dyszy mieszania oraz ciśnienia wody. Nadmierne natężenie podawania proszku może spowodować zablokowanie dyszy mieszania i spadek jakości cięcia. Zastosowanie przemysłowe Cięcie czystym strumieniem wody i strumieniem wody z proszkiem jest stosowane wyłącznie jako proces cięcia automatycznego lub zrobotyzowanego, przy użyciu podobnych układów sterowania, jakie są stosowane do cięcia plazmowego i laserowego. W procesie cięcia strumieniem wody głowica tnąca jest zamocowana w uchwycie kiści robota lub uchwycie urządzenia automatycznego, sterowanego numerycznie. Możliwe jest cięcie po torze prostym, kołowym, krzywoliniowym i w przestrzeni 3D (rys. 10-12, 14-16). W przypadku zrobotyzowanego cięcia 3D na automatycznych stanowiskach cięcia kierunek ruchu wzdłuż osi X, Y i Z zapewnia sterowanie stołem roboczym, na którym zamocowany jest cięty przedmiot; ruch obrotowy i wahadłowy wykonuje uchwyt głowicy tnącej (rys. 10). Możliwe jest również ukosowanie i żłobienie przedmiotów, wymagane jest tylko sterowanie kątem pochylenia głowicy tnącej. Wraz ze wzrostem prędkości cięcia, przy danej mocy cięcia równej iloczynowi ciśnienia wody i prędkości podawania proszku, maleje szerokość szczeliny cięcia, szczelina cięcia przyjmuje kształt litery V, a ostatecznie nie dochodzi do przecięcia. Cięcie strumieniem wody pozwala na cięcie w zasadzie wszystkich materiałów inżynierskich (tab. 1*-5). Przy ciśnieniu wody 4000-6500 barów i dyszy o średnicy 1,0-2,0 mm możliwe jest cięcie blach stalowych o grubości Rys. 7. Wpływ ciśnienia strumienia wody, średnicy dyszy zawężającej d z i dyszy wylotowej d w oraz natężenia podawania proszku z garnetu o ziarnistości 150-300 μm Q na prędkość cięcia blachy ze stali austenitycznej AISI 304 o grubości 12,5 mm (8) Rys. 8. Wpływ prędkości cięcia strumieniem wody płyty aluminiowej o grubości 100 mm na jakość cięcia: Q1 prędkość cięcia 0,018 m/min, Q5 0,107 m/min (8) Rys. 9. Wpływ prędkości cięcia strumieniem wody płyty aluminiowej o grubości 100 mm na pochylenie ciętych krawędzi (8) Rys. 10. Widok stanowiska do zrobotyzowanego cięcia strumieniem wody bez proszku bieżnika opon samochodowych w przestrzeni 3D (9) Rys. 11. Widok głowicy do automatycznego cięcia strumieniem wody w przestrzeni 3D wentylatora z tworzywa sztucznego (6) M A R Z E C- K W I E C I E Ń 2013 21

Rys. 12. Stanowisko do zrobotyzowanego cięcia w przestrzeni 3D strumieniem wody z materiałem ściernym marmuru i szkła (11) głości dyszy od ciętego przedmiotu i odpowiedniego zmniejszenia prędkości cięcia. Możliwe jest cięcie strumieniem wody w warunkach zagrożenia wybuchem, jak np. cięcie pocisków wybuchowych. Niewielkie oddziaływanie na proces ma również zagrożenie pożarem i porażeniem prądem. Poważnymi problemami przy cięciu strumieniem wody są natomiast wysoki poziom hałasu, przekraczający 120 db, oraz szlam tworzący się w procesie cięcia (mieszanina wody, proszku ściernego i cząsteczki ciętego materiału) (1-3). W przypadku cięcia z proszkiem ściernym konieczne jest rozładowanie energii strumienia wody z proszkiem ściernym w specjalnych wannach z wodą i ułożonymi na ich dnie kulkami stalowymi lub kamieniami rzecznymi, co również jest dodatkowym źródłem hałasu. Zastosowanie garnetu jako materiału ściernego, który nie jest materiałem toksycznym, pozwala na jego odzyskiwanie ze szlamu i ponowne zastosowanie, podobnie jak i wody tnącej (7-17). Rys. 13. Wpływ odległości dyszy wylotowej od górnej powierzchni blachy ze stopu aluminium o grubości 20 mm, ciętej strumieniem wody z proszkiem, przy tej samej prędkości cięcia, na jakość (pochylenie) ciętych krawędzi (8) do 300-500 mm z prędkością ok. 0,01-0,08 m/min i szerokością szczeliny ok. 2,0-3,0 mm. Cięcie strumieniem wody jest stosowane do cięcia tych materiałów, które są trudne do przecięcia innymi metodami, jak: materiały ceramiczne, cermetale, twarde napoiny stellitowe, materiały kompozytowe, KEVLAR (brak zwęglenia), szkło, tworzywa sztuczne (tab. 2-5). Próby ustalenia maksymalnych grubości możliwych do przecięcia strumieniem wody z proszkiem ściernym wykazały, że w przypadku stali niestopowych granica ta wynosi nawet 500 mm (rys. 16), w przypadku aluminium 300 mm, tytanu 380 mm, natomiast przy cięciu kompozytu grafit żywica epoksydowa tylko 50-70 mm (8-17). Możliwe jest również cięcie pakietów blach wykonanych z tego samego lub wyraźnie różnych materiałów. Cięcie twardych materiałów takich jak stale narzędziowe wymaga znacznego zmniejszenia prędkości cięcia. Niska jakość cięcia twardych materiałów sprawia, że efektywniejsze staje się cięcie laserowe, plazmowe lub cięcie mechaniczne. Przy cięciu materiałów o grubości powyżej 10-15 mm zawsze występuje odchylenie krawędzi cięcia od pionu, wywołane rozbieżnością strumienia tnącego poza odcinkiem koherentnym, co jest przyczyną spadku dokładności cięcia (rys. 9 i 13). Przy cięciu blach o dużej grubości często konieczne jest zastosowanie techniki cięcia w kilku przejściach. Wymaga to zwiększenia odle- Podsumowanie Analiza zakresu zastosowań przemysłowych technologii cięcia strumieniem wody wskazuje, że choć niesłusznie przypisana technologiom spawalniczym (jest to w rzeczywistości cięcie mechaniczne), stanowi bardzo przydatne narzędzie cięcia wszystkich znanych materiałów inżynierskich. Nie należy, zdaniem autorów, traktować tej technologii jako konkurencji dla spawalniczych technologii cięcia termicznego. Zwykle stosowane parametry porównawcze to koszt urządzenia, wydajność (ekonomiczność) procesu cięcia oraz jakość ciętych krawędzi. Brak widocznego oddziaływania cieplnego na cięty materiał (SWC) oraz naprężeń i odkształceń w obszarze krawędzi elementów ciętych strumieniem wody zapewnia zdecydowaną przewagę nad procesami cięcia tlenem i łukiem plazmowym. Uważne obserwacje mikroskopowe obszaru krawędzi blachy ze stali austenitycznej wskazują wyraźne zmiany wielkości ziarna w wąskiej strefie przy samej krawędzi (rys. 2*), które są wywołane znacznym obciążeniem mechanicznym strumieniem wody. Oznacza to, że w obszarze ciętej 22 M A R Z E C- K W I E C I E Ń 2013

krawędzi muszą występować naprężenia szczątkowe, podobne do naprężeń tworzących się w procesach cięcia termicznego, które mogą inicjować kruche pęknięcia w przypadku np. cięcia blach i płyt ze stali drobnoziarnistych o wysokiej granicy plastyczności. Technologia cięcia strumieniem wody znacznie przewyższa cięcie laserowe w porównaniu z cięciem materiałów o niskim współczynniku absorpcji promieniowania laserowego: stopów aluminium i stopów miedzi oraz stali wysokostopowych o dużej zawartości molibdenu (np. stali duplex). Jeśli bez względu na rodzaj technologii cięcia wymagana jest obróbka mechaniczna oraz gdy cięcie musi być prowadzone ręcznie w warunkach polowych, nadal niezastąpione jest cięcie tlenem i łukiem plazmowym. Podobnych przykładów można by mnożyć. Tak więc, każdą z technologii cięcia materiałów inżynierskich cechuje zakres zastosowań spełniający określone przez inżyniera kryteria techniczne i ekonomiczne. *Rys. 1-6 oraz tab. 1 znajdują się w pierwsze części artykułu: STAL Metale & Nowe Technologie nr 1-2/2013, s. 80-83. Rys. 14. Stanowisko do automatycznego cięcia strumieniem wody z materiałem ściernym płyt ze stopu aluminium o grubości 160 mm, trzema głowicami jednocześnie oraz widok przedmiotów wyciętych strumieniem wody z materiałem ściernym (10) Rys. 15. Widok cięcia strumieniem wody z materiałem ściernym płyty ze stali stopowej o grubości 120 mm (17) Rys. 17. Widok cięcia strumieniem wody z materiałem ściernym płyty ze stali stopowej o grubości 120 mm (17) Rys. 18. Koło zębate o zębach wyciętych strumieniem wody z materiałem ściernym, w walcu odkuwki ze stali stopowej o grubości 500 mm (17) Rys. 16. Stanowisko do automatycznego cięcia strumieniem wody z materiałem ściernym płyt ze stopu aluminium o grubości 160 mm, trzema głowicami jednocześnie oraz widok przedmiotów wyciętych strumieniem wody z materiałem ściernym (10) M A R Z E C- K W I E C I E Ń 2013 23