Servicii de tăiere a plăcilor din oțel inoxidabil: plasmă, laser, jet de apă și capacități de forfecare

A placa din otel inoxidabillasă moara ca un dreptunghi mare, plat. Aproape nimeni nu are nevoie de el în această formă. Tăierea este, prin urmare, primul pas de fabricație și decide în liniște trei lucruri care contează mai târziu: cât de precisă este piesa, cum se comportă muchia tăiată în timpul serviciului coroziv și cât costă piesa finită. Acest articol compară cele patru metode de tăiere utilizate de procesoarele de plăci, plasmă, laser, jet de apă și forfecare, în funcție de precizie, grosime, viteză, cost, calitate a marginilor și rezistență la coroziune.

Fiecare secțiune se deschide cu un răspuns direct, urmat de dovezile din spatele acestuia. Acolo unde dovezile sunt limitate, de exemplu, acolo unde datele de testare provin din oțel carbon mai degrabă decât din oțel inoxidabil, așa spunem.

Care sunt cele patru moduri principale de a tăia placa de oțel inoxidabil?

Tăierea cu plasmă și laser topește metalul cu căldură intensă, tăierea cu jet de apă uzează metalul cu un curent de apă la presiune ridicată și nisip abraziv, iar forfecarea taie placa mecanic între două lame. Plasma și laserul sunt procese termice, jetul de apă este un proces „rece”, iar forfecarea este pur mecanică.

Gândiți-vă la fiecare metodă ca la un instrument diferit. Plasma este un jet de gaz încălzit electric care topește un canal îngust prin placă. Laserul este un fascicul de lumină focalizat care topește metalul, în timp ce un curent de gaz elimină materialul topit din tăietură. Jetul de apă este un flux de apă sub presiune care transportă nisip granat care erodează placa, la fel ca sablare cu nisip care vizează o singură linie. Forfecarea funcționează ca niște foarfece uriașe: lamele împing metalul până se rupe. Modul în care fiecare unealtă îndepărtează metalul explică aproape fiecare diferență din tabelele care urmează.

Surse: Tabel de comparație Flow International [2]; Atributele plasma Hypertherm [1]; descrierea marginii de forfecare din The Fabricator [10].

Cât de precisă este fiecare metodă de tăiere pe placa de oțel inoxidabil?

Laserul și jetul de apă sunt cele mai precise, cu toleranțe în cel mai bun caz aproape de ±0,025 mm (±0,001 inchi). Plasma este cea mai puțin precisă dintre cele trei metode CNC, la aproximativ ±0,4 până la ±0,5 mm (±0,015 până la ±0,020 inchi) pe o masă bună. Precizia de forfecare depinde în principal de starea mașinii și a lamei și nu este evaluată de ISO 9013.

Numerele de toleranță publicate vin în două variante. Producătorii de echipamente citează cele mai bune valori măsurate în condiții ideale. Furnizorii de servicii listează ceea ce dețin în mod obișnuit în activitatea de producție. Distanța dintre cele două este mare, așa că o toleranță la desen ar trebui să fie confirmată cu procesorul, mai degrabă decât să citiți o broșură.

Un instrument util de specificare.ISO 9013:2017 clasifică tăieturile termice după intervalul de calitate, acoperind tăieri cu plasmă de la 0,5 la 150 mm și tăieri cu laser de la 0,5 la 32 mm [3]. Scrierea intervalului necesar ISO 9013 pe un desen transformă „calitate bună a marginilor” în ceva măsurabil. Deoarece standardul se aplică numai tăierii termice, toleranțele pentru jet de apă și forfecare trebuie convenite separat.

Cât de gros poate tăia fiecare metodă placa de oțel inoxidabil?

Laserul este practic până la aproximativ 25 mm (1 inchi) de placă inoxidabilă, plasma este ideală până la 50 mm (2 inchi) și poate tăia mult mai groasă cu un finisaj suplimentar, iar jetul de apă are cea mai largă gamă, producătorii citând până la 24 inchi. Forfecarea este limitată la plăci mai subțiri deoarece oțelul inoxidabil rezistă mult mai mult la tăiere decât oțelul carbon.

Grosimea este primul filtru în alegerea unei metode deoarece fiecare proces lovește un perete fizic. Un laser trebuie să topească toată grosimea cu un fascicul foarte îngust și să curețe metalul topit cu gaz. Asta devine mai greu pe măsură ce placa se îngroașă. Plasma transportă mai multă energie per tăietură și continuă să lucreze pe placa groasă. Jetul de apă este limitat în principal de cât de înalt poate călători capul mașinii. Pentru forfecare, limita este forța pe care o poate furniza mașina.

Care metodă de tăiere este cea mai rapidă și cel mai scăzut cost pentru placa de oțel inoxidabil?

Forfecarea este cea mai rapidă și mai ieftină opțiune pentru tăieri drepte în plăci subțiri. Pentru piesele modelate, laserul este cel mai rapid pe oțel inoxidabil subțire, plasma devine mai rapidă și mai ieftină per tăietură pe măsură ce placa devine mai groasă, iar jetul de apă este cel mai lent, dar deseori elimină nevoia de finisare secundară.

Viteza și costul se mișcă împreună, dar nu în linie dreaptă. Un institut polonez de sudare a măsurat calitatea muchiei pe o placă de oțel de 10 mm cu fiecare proces. Ratele de tăiere au diferit cu un ordin de mărime, după cum se arată mai jos.

Oțelul inoxidabil schimbă imaginea termică. Cu oțelul carbon, oxigenul arde metalul și adaugă căldură, ceea ce accelerează tăierea. Oțelul inoxidabil este în mod normal tăiat cu laser cu azot inert, astfel încât fasciculul trebuie să furnizeze toată energia, iar viteza de tăiere cu laser cu fibră scade brusc dincolo de aproximativ 4 mm de grosime, până la niveluri aproximative ale laserului CO2 [7].

Avantajul plasmei crește cu grosimea. Hypertherm raportează că, pe oțel moale, plasma este mai rapidă decât un laser de 15 kW peste 16 mm, mai rapid decât un laser de 20 kW peste 20 mm și mai rapid decât un laser de 30 kW peste 30 mm [1]. Aceasta este comparația unui producător de plasmă, dar direcția este clară: punctul de încrucișare crește pe măsură ce puterea laserului crește.

Costul echipamentelor influențează și prețul serviciului. Flow International enumeră intervale de costuri de capital cuprinse între 60.000 USD și 300.000 USD sau mai mult pentru plasmă și pentru jet de apă și 200.000 USD - 1.000.000 USD sau mai mult pentru laser [2]. Pentru un cumpărător, întrebarea de cost mai bună este prețul piesei finite: lungimea de tăiere, numărul de perforații și orice șlefuire, decapare sau aplatizare necesară după tăiere. O tăietură ieftină care necesită o curățare grea a marginilor poate costa mai mult decât o tăietură mai scumpă care nu are nevoie.

Tăierea cu plasmă și laser dăunează rezistenței la coroziune a oțelului inoxidabil?

Ei pot, doar la marginea tăiată. Căldura lasă un strat de oxid și o piele subțire sărăcită de crom, care rezistă la coroziune mai puțin decât suprafața originală, iar acestea trebuie îndepărtate pentru cea mai bună performanță la coroziune. Jetul de apă și forfecarea mecanică nu adaugă căldură, iar tăierea cu laser asistată de azot produce o margine strălucitoare, fără oxizi.

Oțelul inoxidabil rezistă la rugină deoarece cromul formează o peliculă protectoare subțire, invizibilă la suprafață. Căldura de la tăiere îngroașă oxidul și trage cromul din metalul de sub el. Institutul de cercetare pentru sudare TWI afirmă că atât scara de oxid, cât și stratul sărăcit de crom trebuie îndepărtate pentru a menține rezistența optimă la coroziune. Îndrumarea sa este că măcinarea urmată de decaparea acidă oferă cel mai bun rezultat, cu abraziv cu granulație 360 ​​sau mai fină, iar periajul manual cu sârmă este mai puțin eficient deoarece nu îndepărtează stratul epuizat [5]. Sfatul lui TWI se referă la nuanța termică a sudurii.

Același mecanism de epuizare a oxidului și cromului se aplică marginilor tăiate afectate de căldură, care este extensia noastră a acestei ghidări. Întrebări și răspunsuri tehnice pentru finisarea metalului asupra pieselor inoxidabile tăiate cu laser cu urme albastre de ars ajunge la o concluzie practică similară: o baie de pasivare nitrică nu face o treabă bună în îndepărtarea oxidului albastru, care necesită decapare sau îndepărtare abrazivă [6].

Fiecare proces diferă în ceea ce privește cantitatea de oxid pe care o lasă:

• Laser cu azot:Gazul de asistență inert menține muchia tăiată curată și neoxidată [7]. Air Assist lasă o nuanță aurie, albastră sau maro pe marginile din inox [8].
• plasma:Hypertherm afirmă că HAZ este de obicei sub 0,25 mm și că selectarea corectă a procesului și a gazului oferă o întărire minimă a marginilor și o bună sudabilitate [1]. Flow notează că gazul de asistență utilizat modifică adâncimea HAZ [2].
• Jet de apă:fără sursă de căldură, astfel încât microstructura nu se modifică. În testul polonez, duritatea marginii cu jet de apă s-a potrivit cu metalul de bază (aproximativ 140 HV10) [4].
• Tunderea:fără căldură, deci fără oxid termic, dar marginea tăiată este deformată plastic și întărită la lucru [10].

Ceea ce dovezile nu arată.Nu am găsit date publicate de pitting cap la cap sau de temperatură critică pentru marginile din oțel inoxidabil tăiate prin fiecare metodă. Datele de duritate de mai sus provin din oțel carbon S355, nu din oțel inoxidabil. Calitățile inoxidabile austenitice nu se întăresc atunci când sunt răcite rapid așa cum o fac oțelurile carbon, așa că pentru inoxidabil preocuparea practică este epuizarea oxidului și a cromului, mai degrabă decât o margine dură fragilă. Un studiu de caz publicat de furnizor pe o placă 304 cu grosimea de 40 mm a raportat margini cu jet de apă mai netede, mai puțin conice decât laserul, cu marginile tăiate cu laser arătând HAZ și oxid [15]. Acest test se situează deasupra intervalului laser de 32 mm în ISO 9013 [3], așa că nu ar trebui citit ca performanță tipică a laserului.

Îndrumări practice pentru plăci cu aliaje superioare.Pentru plăcile duplex, super duplex și din aliaj de nichel, unde aportul de căldură și starea marginilor contează mai mult pe măsură ce conținutul de aliaj crește, o abordare conservatoare este de a specifica jet de apă sau de a solicita îndepărtarea marginilor după tăiere și un test de acceptare convenit atunci când este utilizată tăierea termică.

Se poate tăia placa din oțel inoxidabil și care sunt limitele?

Da. Forfecarea este o modalitate economică de a face tăieturi drepte în plăci inoxidabile subțiri până la moderate, dar o forfecare trebuie să aibă o grosime cu aproximativ 40% mai mică decât este pentru oțelul carbon, iar muchia tăiată poartă o bandă întărită la lucru.

Oțelul inoxidabil este mai rezistent decât oțelul moale, iar clasele austenitice se întăresc și ele: cu cât metalul este mai deformat, cu atât devine mai dur. Împreună, acestea înseamnă că o ghilotină are nevoie de mai multă putere pentru aceeași grosime. Îndrumarea reprodusă din literatura de fabricație a inoxului spune că echipamentele convenționale de presă și ghilotină ar trebui în mod normal să fie reduse cu 40% față de ratingul său din oțel carbon, iar lamele trebuie să rămână ascuțite, deoarece tragerea metalului peste o lamă tocită o întărește și mai mult [11].

Două liste de mașini independente se potrivesc cu acest ghid. O mașină clasificată foarfece 3/8 in oțel moale, dar numai 1/4 in inoxidabil [12], iar o alta foarfece 6 mm oțel moale dar 4 mm inoxidabil [14]. Ambele sunt cu aproximativ o treime mai mici, în aceeași direcție ca regula generală a 40%.

De asemenea, jocul lamei contează. La același spațiu, zona netedă lustruită de pe marginea tăiată este de aproximativ 30% din grosimea oțelului inoxidabil, dar aproximativ 50% la oțel cu conținut scăzut de carbon, astfel încât inoxidabilul are nevoie de un spațiu mai strâns pentru a obține aceeași muchie [10]. O margine tăiată prezintă în mod normal răsturnare, o bandă lustruită, o zonă de fractură mai aspră, o bavură și întărire prin lucru, iar o margine întărită se poate crăpa dacă piesa este formată ulterior [10]. Planificați condiționarea marginilor atunci când un semifabricat forfecat va fi îndoit, trasat adânc sau sudat.

Cum se compară calitatea marginilor și nevoile de finisare între metode?

Jetul de apă produce cea mai netedă margine direct de pe masă, tăierea cu laser cu azot produce o margine curată, fără bavuri pe placa mai subțire, marginile cu plasmă necesită de obicei șlefuire, iar marginile tăiate arată răsturnare și bavuri.

Condiția marginii decide cât de mult se lucrează după tăiere. Tabelul rezumă rezultatele tipice.

Surse: [1] Hypertherm; [2] Flow International (vânzător); [4] Węglowski și Pfeifer (oțel carbon); [6] Întrebări și răspunsuri privind finisarea produselor; [7] Laser Focus World; [8] Produse metalice Lanier; [10] Fabricatorul; [15] Studiu de caz GMA Garnet (furnizor).

Cum aleg între plasmă, laser, jet de apă și forfecare pentru proiectul meu?

Începeți cu grosimea și sensibilitatea la căldură. Folosiți forfecare pentru tăieri drepte în plăci subțiri, laser pentru piese cu formă precisă de până la aproximativ 25 mm, plasmă pentru plăci mai groase unde marginile vor fi prelucrate sau șlefuite și jet de apă atunci când trebuie evitată intrarea de căldură sau placa este foarte groasă.

Ce ar trebui să includ atunci când solicit o ofertă pentru plăci tăiate din oțel inoxidabil?

Trimiteți gradul și specificațiile, grosimea, desenul, cerințele de toleranță, starea marginilor și nevoile de documentare. Aceste șase elemente permit unui procesor să selecteze metoda potrivită și să coteze cu precizie.

Cele mai multe întârzieri de cotare provin din lipsa marginilor sau a cerințelor de documentare. O cerere completă trebuie să menționeze:

• Material:calitatea și specificațiile, de exemplu placă ASTM A240 304L, 316L sau 2205 și finisajul.
• Grosimea si cantitatea:grosimea plăcii, numărul de piese și dacă imbricarea din foi întregi este acceptabilă.
• Geometrie:un desen DXF sau DWG pentru piese modelate sau lungimi și lățimi pentru tăieturi drepte.
• Toleranţă:un interval ISO 9013 pentru tăieturi termice [3] sau o toleranță plus-minus pentru jet de apă și forfecare, plus orice limită de planeitate după tăiere.
• Stare marginea:dacă sunt necesare muchii fără oxizi și dacă este necesară șlefuirea, decaparea sau pasivarea conform ASTM A967 sau A380 după tăiere.
• Documentare:dacă marcarea numărului de căldură și certificatele de material EN 10204 3.1 trebuie să fie transmise până la piesele tăiate.

Întrebări frecvente

Î: Ce metodă de tăiere oferă cea mai curată margine pe placa de oțel inoxidabil?

A: Jetul de apă oferă o margine netedă ca satinat, fără nuanță de căldură și, de obicei, nu necesită lucrări secundare [2]. Tăierea cu laser cu ajutorul azotului oferă, de asemenea, o margine strălucitoare, fără oxizi, pe placa mai subțire [7].

Î: Tăierea cu plasmă distruge oțelul inoxidabil?

A: Nu. Tăierea cu plasmă creează o zonă îngustă afectată de căldură, de obicei sub 0,25 mm pe oțel [1]. La marginea tăiată, oxidul format la căldură și stratul sărăcit de crom trebuie îndepărtate dacă piesa va fi corozivă [5].

Î: Placa din oțel inoxidabil mai groasă de 25 mm poate fi tăiată cu laser?

A: Uneori, cu putere mare a laserului, și ISO 9013 acoperă tăieturi cu laser de până la 32 mm [3]. Costul și conicitatea marginii cresc odată cu grosimea, astfel încât plasmă sau jet de apă sunt de obicei alegerea mai practică peste aproximativ 25 mm.

Î: Trebuie să pasiv oțelul inoxidabil după tăiere?

A: Tratamentele de pasivare precum ASTM A967 sau A380 restaurează o suprafață curată după fabricare, dar nu îndepărtează în mod fiabil oxidul albastru sau maro format la căldură. Acel oxid este mai bine îndepărtat mai întâi prin decapare sau metode abrazive [6].

Î: De ce oțelul inoxidabil este mai greu de forfecat decât oțelul moale?

A: Oțelul inoxidabil are o rezistență mai mare, iar clasele austenitice se întăresc pe măsură ce se deformează. Foarfecele sunt în mod normal cotate cu aproximativ 40% în comparație cu ratingul lor din oțel carbon [11].

Î: Care metodă este cea mai bună pentru placa duplex sau din aliaj de nichel?

A: Jetul de apă este alegerea conservatoare, deoarece nu adaugă căldură și folosește aceeași configurație pentru toate materialele [2]. Tăierea termică poate fi folosită și atunci când specificația proiectului o permite și se convine îndepărtarea marginilor post-tăiare și testarea de acceptare.

Surse și referințe

[1] Hypertherm. „Atribute plasmatice”. https://www.hypertherm.com/solutions/technology/plasma-technology/plasma-attributes/ (producător de plasmă)

[2] Flow International. „Tăiere comparativă”. https://www.flowwaterjet.com/explore/waterjet-basics/comparative-cutting (fabricant cu jet de apă)

[3] ISO 9013:2017, Tăiere termică: Clasificarea tăierilor termice, specificația geometrică a produsului și toleranțe de calitate. Domeniul de aplicare publicat de organismele naționale de standardizare, de exemplu https://www.evs.ee/en/iso-9013-2017

[4] Węglowski, MS și Pfeifer, T. „Influența tehnologiei de tăiere asupra proprietăților marginilor tăiate”. Advances in Manufacturing Science and Technology 38(2), 2014. https://journals.pan.pl//Content/104261/PDF/10264-Volume38-Issue2-paper_05.pdf (oțel carbon S355, 10 mm)

[5] TWI. „Cum pot elimina nuanța termică formată în timpul sudării sau tratamentului termic necorespunzător al oțelurilor inoxidabile?” 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] Finisarea produselor. „Sudarea prin lubrifiant pe țevi de oțel laminate la rece/curățare”. https://www.pfonline.com/articles/welding-through-lubricant-on-cold-rolled-steel-tube-cleaning

[7] Laser Focus World. „Tăierea oțelului cu secțiuni groase cu lasere cu fibre.” https://laserfocusworld.com/industrial-laser-solutions/article/14216008/cutting-thick-section-steel-with-fiber-lasers

[8] Lanier Metal Products. „Tăiere cu laser cu fibre”. https://laniermetalproducts.com/laser-cutting (furnizor de servicii)

[10] Fabricatorul. „Îmbunătățirea condițiilor marginilor goale”. https://www.thefabricator.com/thefabricator/article/bending/improving-blank-edge-conditions

[11] Ghid de fabricație „Forfecarea oțelului inoxidabil”. https://www.tubingchina.com/Shearing.htm (reproducere secundară; verificat cu [12] și [14])

[12] Fișa de specificații a mașinii, forfecare model AS375-10. https://machinehub.com/download/MachineFileAttachment/61791

[13] IEEE TechNav. „Turnind”. https://technav.ieee.org/topic/shearing/ (referință rezumat, orientativ)

[14] Lista de dealeri Exapro, forfecare hidraulică Gasparini CO/2004. https://www.exapro.com/gasparini-co2004-p260909273/

[15] GMA Granat. „Studiu comparativ al tăierii cu jet de apă vs. cu laser pentru oțel inoxidabil” (studiu de caz Jacquet Nova). https://gmagarnet.com/resource-hub/comparative-study-of-waterjet-vs.-laser-cutting-for-stainless-steel (furnizor de abrazivi)

[16] SasaMetal. „Tăiere din oțel inoxidabil”. https://www.sakysteel.com/news/stainless-steel-cutting (lista de furnizori inoxidabil, 2018)