Termisk skärning Särtryck på en artikelserie som varit införd i tidskriften Fogningsteknik under 1998.

Transkript

1 Termisk skärning Särtryck på en artikelserie som varit införd i tidskriften Fogningsteknik under 1998.

2 Termisk skäring är det sammanfattande namnet på ett antal metoder att dela material genom att materialet smälts. Det smälta materialet blåses bort från snittet med hjälp av gas eller luft. Skärning sker främst i plåt och rör. Värmen åstadkommes genom kemisk reaktion vid gasskärning, genom elektrisk ljusbåge vid plasmaskärning eller genom laserljus vid laserskärning. I en artikelserie i Fogningsteknik behandlade Gunnar Lindén och Lennart Andréasson vid Air Liquide Gas AB de olika termiska skärmetoderna och de konkurrerande metoder som utnyttjar vattenstråle och stans- eller klippverktyg. I artiklarna beskrivs principerna för de olika metoderna och metodernas särskilda fördelar och begränsningar. Skärsnittens utseende och möjligheten att svetsa i skärsnitten tas upp. Ekonomiska aspekter diskuteras också. Dessutom ges synpunkter på gasförsörjningen till de olika utrustningarna och säkerhetsfrågor i samband med gasanvändningen. Har du frågor vad gäller innehållet eller med anknytning till termisk skärning, är du välkommen att höra av dig till författarna. Gunnar Lindén Lennart Andréasson

3 Termisk skärning del 1 Gasskärning en n metod Det är lätt att förledas att tro att gasskärning är en smältprocess. Vid en hastig blick ser man en låga och smält metall som strömmar fram under arbetsstycket. Men skenet bedrar. Bränngasskärning är en förbränningsprocess, där metallen förbrännes i oxygen (syre). Lennart Andréasson och Gunnar Lindén vid Air Liquide Gas AB inleder härmed vår årslånga serie om termisk skärning. Antändningstemperaturen för metallen i oxygen måste vara lägre än dess smältpunkt, annars rinner metallen undan innan förbränningen startar. Vid förbränningen frigörs energi, som höjer värmen i snittet. Vid skärning av stål bildas järnoxider vid förbränningen. Järnoxiderna bildar flytande slagg, som sedan lätt med hjälp av skäroxygenet blåses bort ur skärsnittet. Smälttemperaturen för oxiderna måste ligga lägre än för grundmaterialet. Järn är ett av ett fåtal material som detta gäller för. Smälttemperaturen för rent järn är ca 1530 C, medan den för oxiderna är som lägst ca 1400 C. Som jämförelse kan nämnas att det finns aluminiumoxider med en smältpunkt på ca 2050 C, där ren aluminium smälter redan vid ca 650 C. Mängden legeringsämnen och framför allt vilka ämnen som ingår påverkar i mycket hög grad möjligheten att gasskära. Kolhalten i stålet höjer antändningstemperaturen och sänker smälttemperaturen. Ökad kolhalt försämrar därmed brännskärningen. Vissa legeringsämnen kan vara lösta i järnet och kan då vid förbränningen bilda oxider som omöjliggör skärning p g a för hög smältpunkt. Krom och nickel är två sådana legeringsämnen. Detta medför att det inte går att brännskära rostfritt stål utan speciella åtgärder. Största delen av förbränningsprodukterna ska dessutom vara flytande eftersom gasformiga rester annars förorenar skäroxygenet, något som minskar skärhastigheten drastiskt det kan även medföra att förbränningsprocessen upphör. Renheten på skäroxygenet är nämligen av största betydelse. Redan 1% sämre renhet i skäroxygenet gör att skärhastigheten kan minska ända upp till 20%, beroende av tjockleken på godset. Grovt gods är känsligare. Vid bränngasskärningen måste tillräcklig värme bildas för att förbränningen ska fortgå kontinuerligt. Denna värme tillförs delvis av värmelågan, men framför allt av värmen som bildas vid förbränningen. Värmelågan värmer materialet till antändningstemperaturen innan skäroxygenet sätts på, men är också igång under skärningen. Generellt kan sägas att ju tjockare gods desto större del av värmen kommer från förbränningen. Med hänsyn till ovanstående förutsättningar används gasskärning främst till olegerade och låglegerade stål. Värmelågan värmer materialet till antändningstemperatur och rengör ytan från rost, valshud etc. Materialet förbränns av skäroxygenstrålen. UTRUSTNING Bränngasskärning utförs antingen manuellt, mekaniserat eller i robot. Brännarna är i princip av två typer med gasblandning i injektor eller i munstycket (högtrycksbrännare). Det bör poängteras att dessa brännartyper av säkerhetsskäl tänds och släcks på olika sätt: Injektorblandning (den vanligaste) Öppna alltid oxygenventilen först, sedan bränngasen, så att oxygenet med sitt högre tryck suger med sig bränngasen ut. Stäng alltid bränngasen först, oxygenet sist, så att ingen bränngas finns kvar i brännaren. Munstycksblandning Öppna bränngasen först, sedan oxygenet. Stäng oxygenet först, sedan bränngasen. Munstycken är en vetenskap i sig. Utformningen av munstycken är helt beroende av gastyp, tryck och gasflöde som behövs. Flamhastigheten är den hastighet som flamman rör sig med i en bränngas/oxygenblandning. Olika bränngaser har olika flamhastigheter, något som gör att utloppet för värmelågan ges olika utformning. Framför allt får nedre delen av munstycket sin bestämda utformning för att optimera flammans utseende och därmed processens effektivitet. BRÄNNGASER Ett flertal bränngaser kan användas vid skärning. I Sverige är det främst acetylen och propan (gasol) som används; andra bränngaser är naturgas, hydrogen (vätgas), enskilda eller blandningar av kolväten såsom propen och tetren. Valet av bränngas styrs av olika faktorer: Priset propan är billigt räknat per kilo. Räknar man in en ökad förbrukning av oxygen och det faktum att det åtgår ca 2 kg propan för 1 m 3 bränngas är inte skillnaden mot acetylen i praktiken så stor. Acetylen ger högre skärhastighet på tunt material, medan propan har fördelar i grövre tjocklekar. Dessutom är temperaturen i värmelågan avsevärt högre än Några typiska data för olika bränngaser (förutom acetylen och propan har naturgas tagits med som jämförelse) Tjocklek mm Skärhastighet mm/min Skäroxygentryck bar Acetylen Propan Naturgas Acetylen Propan Naturgas Acetylen Propan ,5-10 Naturgas , 5 Acetylen Propan ,5-11 Naturgas ,5-6

4 Skärsnittets utseende beroende av olika inställningar. ed anor Korrekt utseende på skärsnittet Övre och undre kanter är vassa, släta i ytan med små spår. Oxiden (glödskalet) är lättborttagen. För låg skärhastighet Övre kant är smält och avrundad. Undre kant är mycket ojämn med grova spår. för propan. Detta ger en rundning av överkanten i snittet vid skärning i grövre material. Den högre temperaturen i acetylenlågan medför också att det går snabbare att slå hål i plåten med acetylen jämfört med propan. Acetylen kan också vara att föredra vid skärning i belagd plåt eller plåt med valshud eller rost. Skillnader i flamhastigheter gör att det är näst intill omöjligt att i dagligt bruk få bakslag i brännaren när propan används. Vid låga eller mycket låga utetemperaturer kan vissa problem med gasförsörjningen uppstå. Acetylentrycket i gasflaskan/ flaskpaketet sjunker med temperaturen, vilket gör att all gas inte kan nyttjas. Propan förångas sämre när temperaturen faller, vilket också ställer till problem med för låga arbetstryck. SKÄRSNITTETS UTSEENDE Snittkvaliteten som erhålls är beroende på använd gas, gastryck, skärhastighet, munstycke o s v, men framför allt på hur operatören kan ställa in utrustningen. Det är han eller hon som till syvende och sidst ser när avvikelser uppträder, så att rätt korrigeringar görs och därmed optimalt skärresultat erhålles. Avvikelser, d v s felaktigheter i snittkvaliteten, kan uppstå av många orsaker. Bilderna intill visar några typiska fel och vad de beror på. Snittbredden vid gasskärning är direkt beroende av skäroxygenstrålens bredd. Den värmepåverkade zonen HAZ påverkas av bredden på munstycket, d v s värmelågans diameter och skärhastigheten hur länge värmningen och förbränningen påverkar omgivningen. Vid tunna material har denna uppvärmning en kraftig effekt, då den medför att plåten deformeras (slår sig). För att i viss mån minimera detta oönskade resultat används olika metoder av olika brännartillverkare, men gemensamt är att alla på något sätt försöker kyla plåten vid sidan av snittet. MILJÖ OCH SÄKERHET Termisk skärning medför att luftföroreningar bildas. Förutom rök bildas nitrösa gaser vid de höga temperaturer som bränngaslågan har, speciellt vid fribrinnande låga där problemet är störst. Idag vet man ganska bra hur man ska skydda sig. Skärning kan göras med plåten i vattenytan eller just under, varvid man undviker damm. Andra skärbord har utsug under objektet där utsuget blir effektivast. Särskilt vid användning av acetylen måste man vara uppmärksam på risken att gasblandningen brinner bakåt i slangen (bakslag). Propan är tyngre än luft och kan vid läckage samla sig i lågt liggande områden. Detta medför explosionsrisk. Acetylen är däremot lättare än luft. För hög skärhastighet Övre kanten är inte skarp eller räfflad. Spåren lutar bakåt upp mot övre delen, s k eftersläpning. Kontrollera skäroxygentryck, sänk eventuellt skärhastigheten. Munstycket för långt från materialet Övre kant alltför avrundad och uppsmält. Spår i övre delen. Munstycket för nära materialet Övre kant avrundad medan snittytan är relativt jämn. För högt oxygentryck Övre kant avrundad, snittet för brett i överkanten, eventuellt med spår. För kraftig värmelåga Övre kant ojämn. Ytan är tillräckligt jämn, men konisk från topp till botten. Slagg kan sitta ganska hårt. UTVECKLING Jakten på rationellare produktion för att minska produktionskostnaderna har även påverkat gasskärningen. Idag är flertalet maskinskärutrustningar försedda med numerisk styrning. För att öka skärhastigheten ersätter man idag äldre maskinbrännare med nya av högtryckstyp, där skärtrycket har ökat från kanske max 8-9 bar upp till bar. Höjdavkänning för att optimera värme- och skärlågan används allmänt. Flera brännare kan utnyttjas samtidigt i samma maskin och därmed ökar produktiviteten.

5 Termisk skärning del 2 Plasmaskärning stort användni hög produktivitet En av begränsningarna med gasskärning är att enbart olegerat och låglegerat stål kan skäras. Behöver man skära rostfritt stål eller aluminium kan man istället använda plasmaskärning. Lennart Andréasson och Gunnar Lindén från Air Liquide Gas AB fortsätter här med del två i sin serie om termisk skärning. Innan laserskärningen kom fram var plasmaskärning den bästa möjlighet som fanns för rostfritt stål och aluminium. Plasmaskärningens höga produktivitet gav den också ökad användning för olegerat och låglegerat stål. Utvecklingen idag syftar till att åstadkomma en ännu mera koncentrerad plasmabåge och därigenom höja kvaliteten hos snittytan i kombination med hög skärhastighet. I många fall blir då metoden en konkurrent till laserskärning. PLASMASKÄRNINGENS PRINCIP Plasmaskärning utnyttjar en elektrisk ljusbåge mellan en elektrod som inte smälter, t ex volfram, och ett arbetsstycke. Elektroden är kopplad till minuspol på samma sätt som vid TIG-svetsning. Materialet ska därför vara elektriskt ledande. Ljusbågen blir koncentrerad genom att den omges av en vattenkyld dysa med trång öppning. Genom dysan strömmar en plasmagas. Temperaturen i plasmaljusbågen kan bli mycket hög, typiskt upp till ca C beroende på den gas och de parametrar som används (bild 1). En pilotljusbåge med låg effekt är inledningsvis tänd mellan elektroden och dysan. När skärhuvudet närmas till arbetsstycket överföres ljusbågen automatiskt till arbetsstycket, effekten ökar och ljusbågen skär genom arbetsstycket. Det Bild 1. Plasmaskärning. Strömkälla + Högfrekvenstillsats Bild 2. Munstyckstyper: a) enkelt munstycke smälta materialet blåses bort ur skärsnittet av den kraftiga plasmagasströmmen. Strömkällan har samma karakteristik som vid TIG- och plasmasvetsning, men har möjlighet att ge högre ström och spänning. Dessa högre värden behövs vid skärning i grövre material. Tjocklekar från under 1 mm upp till över 100 mm kan skäras, men upp till ca 25 mm är vanligast. Plasmaskärning kan utföras i alla de vanliga metalliska materialen. Tidigare var användningen i rostfritt och aluminium mest förekommande, beroende på att gasskärningen inte kunde användas för dessa material. Numera är olegerat stål också vanligt att plasmaskära tack vare de höga skärhastigheter som kan uppnås. UTRUSTNING Raka skärsnitt eller kontursnitt kan naturligtvis skäras i numeriskt styrda skärmaskiner, men plasmabrännaren kan också placeras i en robot. Fasning kan också utföras. Det krävs skärbord med tillräcklig noggrannhet och styrning för att klara de högre skärhastigheterna jämfört med gasskärning. För att minska luftföroreningar kan skärningen utföras med vattendusch på plåten, med plåten strax ovanför en vattenyta i skärbordet eller under vattenytan. Förutom arbetsmiljöförbättringar minskar också deformationerna orsakade av värmen från skärprocessen. Plasmaskärning med luft utförs inte bara automatiserat utan också manuellt. Brännarna kan ha olika utformning (bild 2 a, b, c). Man kan utnyttja en sekundär gas som omger själva ljusbågen för att höja skärhastigheten. Vatten kan också in- Elektrod jiceras mot ljusbågen för att fokusera den. Plasmagas Under senare Dysa år har det tagits fram brännare där man ytterligare koncentrerat ljusbågen genom att plasmagasen roteras inuti dysan och en sekundär gas tillsättes utanför den. Metoden brukar kallas finstråleplasma. Ljusbågen blir mycket koncentrerad och ger ett smalt snitt med hög hastighet och god kvalitet. För att få en bra kvalitet i snittet krävs höjdhållning i utrustningarna. GASER VID PLASMASKÄRNING Plasmagasens uppgift är att tillföra så mycket värme som möjligt på samma gång som gasen ska ha tillräcklig rörelseenergi för att blåsa bort det smälta materialet ur snittet. Används volframelektrod måste man utnyttja inerta eller reducerande gaser för att skydda elektroden. Argon är en inert gas som har hög densitet, men som i gengäld inte har så stort energiinnehåll i ljusbågen. Genom att kombinera med hydrogen, som är en lätt gas men har högt energiinnehåll, kan en optimal lösning erhållas. Upp till ca 35% hydrogen i argon kan utnyttjas. Argon/hydrogen-blandningarna används främst för skärning i austenitiskt rostfritt stål och aluminium. Nitrogen kan också användas som plasmagas för flertalet material och fungerar som ett mellanting mellan argon och hydrogen. Kvaliteten på snittet kan bli något sämre. Elektrodlivslängden förbättras om gasen har låga föroreningshalter av oxygen och fukt. Tillsammans med den ovannämnda injektionen av vatten kan ytterligare koncentration av ljusbågen uppnås. Använder man luft behövs en annan typ av elektrod. Om volframelektroden ersätts med hafnium eller zirkonium bildas ett stabilt skikt av oxider och nitrider på elektrodytan, som därigenom skyddas under skärningen. Däremot begränsas livslängden av antalet starter. Kylningen av elek-

6 ngsområde och Elektrod Bild 2. b) munstycke med sekundär gas (skyddsgas) eller vatten Elektrod Plasmagas Sekundärgas /Vatten Plasmagas Dysa Bild 2. c) munstycke med vatteninjektion. troderna är viktig p g a att smältpunkterna är lägre än för volfram. Luftplasmaskärning används främst för olika stål och aluminium. Enbart oxygen används också för skärning i olegerade och låglegerade stål. Vid finstråleplasma av olegerat stål kan höga skärhastigheter uppnås i material upp till ca 12 mm. Oxygenet påverkar flytbarheten hos det smälta materialet och kan eventuellt höja temperaturen genom att delta i förbränningen av järnet. Ur produktivitetssynvinkel har plasmaskärning i olegerat och låglegerat stål avsevärt högre skärhastighet än gasskärning under ca 15 mm tjocklek. SKÄRSNITTETS KVALITET Den höga skärhastigheten vid plasmaskärning medför att svetsdeformationerna blir låga jämfört med gasskärning. Används skärning med vattendusch på plåtytan eller skärning under vatten kan deformationerna minskas ytterligare. Likaså blir den värmepåverkade zonen smalare jämfört med gasskärning. Däremot uppträder en vinkelav- vikelse i skärsnittet (bild 3). Effekterna blir mest märkbara vid grövre tjocklekar. Vinkelavvikelsen är störst med nitrogen och luft som plasmagas. Vatteninjektionsplasma ger osymmetriskt snitt och genom att lägga rätt sida av snittet på den del som ska Vatteninjektion Vatteninjektionsplasma Gasplasma Bättre sida 2 4 Bild 3. Vinkelavvikelse med olika skärmunstycken. utnyttjas kan problemet minskas. Finstråleplasma med sin koncentrerade ljusbåge ger små vinkelavvikelser. På samma sätt som vid gasskärning måste man ta hänsyn till att det blir en eftersläpning i snittet (bild 4). Detta blir viktigt vid höga skärhastigheter i kurvor eller vid kanter. För att kompensera eftersläpningen och bibehålla kvaliteten måste skärhastigheten sänkas. Snittbredden med normal plasmaskärning blir avsevärt större än för gasskärning. Vid luftplasmaskärning och skärning med nitrogen som plasmagas blir snittkanten övermättad med nitrogen i ett tunt ytskikt, ca 20 µm. Svetsar man med MAG-svetsning eller pulverbågsvetsning uppträder porositet i svetsen. Skiktet måste därför avlägsnas före svetsning. Detta kan göras genom slipning. Man kan också välja svetsparametrar som ger tid för gasen att avges under svetsningen. Värmning av ytskiktet har också angetts som en möjlighet att avlägsna nitrogen. MILJÖ OCH SÄKERHET Plasmaskärning orsakar olika miljöproblem. Metoden ger stark ljus- och värmestrålning till följd av den höga temperaturen i ljusbågen. Det bildas också rök och gaser bl a nitrösa gaser och ozon. För att 3 8 Eftersläpning minimera mängden kan skärningen ske med vattendusch, med plåten över en vattenyta eller under vattenytan i ett skärbord. Undersökningar vid IVF har visat att skärning under vatten kan minska rökemissionen till 1/100 och kväveoxidemissionen till 1/4 jämfört med plasmaskärning utan vatten. Det är viktigt att ha lämplig utsugning och god ventilation. Till följd av den höga gashastigheten alstras buller. Problemen är stora främst vid skärning i grovt material. Nivåer upp till 115 db har 8 10 Sämre sida uppmätts. Detta kräver bullerdämpande åtgärder och personlig skydds utrustning. Stora anläggningar är ibland inbyggda i ett särskilt rum där det går att avskärma plasmaskärningen från den övriga verkstaden och att ha bra utsugning av luftföroreningarna. Ur säkerhetssynvinkel är den höga spänningen en potentiell risk. Tomgångsspänningen kan var högre än 200 V. Utrustningarna är tillverkade på ett sådant sätt att riskerna under normal användning ska vara mycket små. Gör man ingrepp i utrustningen måste man se till att denna inte är spänningsförande. Användning av hydrogenhaltiga gaser som är brännbara måste också särskilt uppmärksammas p g a risken för antändning. Bild 4. Eftersläpning innebär att borttransporten av det smälta materialet försvåras i nedre delen av snittet. Skärriktningen är markerad. UTVECKLING Plasmaskärning har ett brett användningsområde och har till viss del övertagit tidigare gasskärningsapplikationer. I tunnare material har finstråleplasma ökat under senare år, genom att metoden ger hög skärhastighet i kombination med en kvalitet hos snitten som nästan motsvarar vad som kan uppnås vid laserskärning. Investeringskostnaden är avsevärt lägre än för motsvarande laserskärutrustning.

7 Termisk skärning del 3 Laserskärning ny men redan etablerad teknik Med användningen av laser har en ny energikälla kommit in i verkstadsindustrin. Genom att utnyttja laserljuset och fokusera det på arbetsstycket kan uppvärmningen bli mycket intensiv. Skärning blir möjlig med hög hastighet, bra yta hos skärsnittet och smalt värmepåverkat område. Gunnar Lindén tar sig an lasertekniken med del tre i Air Liquides serie om termisk skärning. Laserutrustningarna har utvecklats till att bli mycket tillförlitliga. Detta kan man också se på antalet lasrar, som ökat starkt under senare år. Utvecklingen går mot att med laser också skära grövre material med hög skärhastighet. Nya utrustningar har bl a högre verkningsgrad, lägre gasförbrukning och bättre hanteringssystem för plåtarna. Tredimensionell skärning är också möjlig. Den stora investeringskostnaden innebär att laseranläggningarna normalt måste köras i flera skift. Många företag har specialiserat sig på laserskärning och erbjuder kunderna kostnadseffektiva lösningar på plåtskärning. LASERSKÄRNINGENS PRINCIP Lasern består av ett lasrande medium, en energikälla (t ex med blixtlampor eller elektriska urladdningar) samt ett spegelarrangemang. Det lasrande mediet kan vara en gasblandning eller en kristall. Genom den tillförda energin alstras en laserstråle som går ut genom en delvis genomsläppande spegel. Laserstrålen utmärks av att vara: Monokromatisk, d v s en bestämd våglängd Låg divergens, d v s strålen har mycket liten spridning Koherent, d v s ljusvågorna är i fas. Laserstrålen kan fokuseras till mycket hög effekttäthet, ca 10 7 W/cm 2. Genom den höga effekttätheten blir uppvärmningen mycket intensiv och skärsnittet smalt. Det material som finns intill skärsnittet värms upp ganska lite, d v s den värmepåverkade zonen är liten. KOLDIOXIDLASER I verkstadstillämpningar används främst två typer av laserkällor. Koldioxidlasern är en gaslaser som innehåller helium, nitrogen och koldioxid i laserkaviteten. En typisk sammansättning är 81% He, 15,6% N 2 och 3,4% CO 2. Varje lasertillverkare specificerar sin gassammansättning. Våglängden för laserstrålningen är 10,6 µm d v s strålning i det infraröda området vilket innebär att ljuset är osynligt för ögat. Vanligt använda koldioxidlasrar för skärning har en effekt på upp till ca 3 kw, men mycket större lasrar används (främst för svetsning). Detta är endast en liten del av den effekt som måste tillföras lasern; verkningsgraden är upp till ca 10%. Koldioxidlasern har ett brett användningsområde vad gäller material. Både metalliska och ickemetalliska material, t ex trä och plast, kan skäras med hög skärhastighet. Material som kraftigt reflekterar laserljuset är svåra att skära, t ex aluminium och koppar. För dessa material krävs högre effekter och tjockleken som kan skäras blir begränsad. I olegerat stål kan idag en tjocklek på drygt 20 mm skäras för rostfritt stål och aluminium är maximal tjocklek avsevärt lägre. Laserstrålen kan endast avlänkas och fokuseras med speglar eller linser. Detta ställer särskilda krav och begränsningar på uppbyggnaden av anläggningar främst vid tredimensionell skärning. ND:YAG-LASER Neodym-YAG-laser har en laserkälla som består av en kristall den behöver således inte någon lasrande gas. Strålningen har en Bild 1. Laserskärningens princip. våglängd på 1,06 µm, som också ligger i det infraröda området och således inte är synlig för ögat. Under senaste tiden har presenterats lasrar med effekter på 4 kw och högre, främst avsedda för svetsning. Verkningsgraden är sämre än för koldioxidlasrar, däremot absorberas strålningen bättre i bl a aluminium och koppar. Strålningen kan ledas till skärstället med hjälp av optisk fiber. Detta ger stor flexibilitet främst vid tredimensionell bearbetning. Strålens kvalitet är också mycket hög vilket gör Nd:YAG-lasern särskilt bra för arbeten med krav på hög precision, t ex borrning. Däremot är skärhastigheten normalt lägre. Vid laserskärning fokuseras strålen på eller strax under ytan på plåten med hjälp av en lins. I laserhuvudet går processgas med högt tryck genom en trång dysa mot arbetsstycket (bild 1). UTRUSTNING Raka skärsnitt eller kontursnitt kan skäras i numeriskt styrda skärmaskiner. Vanligast är koldioxidlasrar i dessa utrustningar. Antingen kan skärbordet röra sig eller rörs laserhuvudet över plåten i det senare fallet krävs bra spegelsystem, eftersom laserkällan måste stå stilla och strålen länkas ut till skärstället via rörliga speglar. Kraven på skärbordens noggrannhet måste också anpassas till höga hastigheter och till den noggrannhet som laserstrålen medger. Robotskärning med laser görs med fördel med Nd:YAG-laser, där optiska fibrer används för strålen. Det är också möjligt att använda koldioxidlaser vid robotskärning, men detta kräver ett avancerat spegelsystem. Fasning kan utföras vid skärning i grovt material, men är inte vanligt förekommande. För att få bra kvalitet i snittet krävs höjdhållning i utrustningarna. Läget hos fokalpunkten är mycket viktigt för snittets kvalitet. Från produktivitetssynpunkt krävs förutom hög skärhastighet också effektiv hantering av plåten, t ex genom växelbord, inoch utmatning av plåt eller rör. Omställningen mellan olika ma-

8 terialdimensioner och material måste också kunna utföras snabbt. Bild 2. Skärhastigheten i olegerat stål beror på oxygenets renhet Lasal 2003 är oxygen med hög renhet, d v s låga halter av främst nitrogen och argon. GASER VID LASERSKÄRNING Den lasrande gasen till koldioxidlaser tillförs antingen som enskilda gaser som blandas i utrustningen, eller som en färdigblandad gas. Kraven på renhet i den lasrande gasblandningen är stor, eftersom laserns effekt och långtidsstabilitet påverkas. Speglarna ska inte förorenas av beläggningar från sönderdelningsprodukter i gasen. Det ställs därför krav på låga halter av särskilt fukt och kolväten, som visat sig vara de ämnen som ger mest negativa effekter. Partikelhalten måste också vara låg. För både koldioxid- och Nd:YAG-laser används processgaser. De har följande funktioner: Kemisk gasen reagerar kemiskt med det material som ska skäras Mekanisk gasen blåser bort det smälta materialet Skyddande skyddar linsen från föroreningar som stänk och rök. Oxygenet reagerar med det olegerade stålet under avgivning av energi, vilket höjer värmeeffekten. Dessutom påverkas flytbarheten i smältan och det smälta materialet blåses lättare bort ur skärsnittet. Skärhastigheten ökar och det blir möjligt att skära grövre material. Hög renhet hos oxygenet gör processen effektivare (bild 2). För rostfritt material kan också oxygen användas som processgas, men oxidationen av snittet blir avsevärd. Dessutom blir snittet mycket ojämnt. Rostfria stål används oftast i produkter med krav på liten oxidation. Använder man högrent nitrogen kan man få helt skäggfria snitt med god ytjämnhet. Däremot blir hastigheten avsevärt lägre. För att få helt oxidfria snitt krävs höga tryck (bild 3). Detta beror på den högre viskositeten i smältan jämfört med olegerade stål. För aluminium gäller samma som för rostfritt stål, d v s ökad produktivitet med oxygen som processgas medan kvaliteten blir bättre med nitrogen. Svårigheten att laserskära aluminium beror på att laserstrålen reflekteras kraftigt i ytan, att värmeledningen i aluminium är hög och att det finns ett oxidskikt med hög smältpunkt på ytan. KVALITET HOS SKURNA SNITT Ett bra lasersnitt utmärks av mycket hög ytjämnhet med frihet från skägg i underkanten. Skärsnittet är mycket smalt smalast av alla termiska skärmetoder oftast några få tiondels millimeter. Snittets rätvinklighet är också god. Dessutom är den värmepåverkade zonen smal, vilket i sin tur leder till små deformationer i detaljerna. För att uppnå kvalitetskraven krävs en rätt inställning av strålen bl a vad gäller fokusering och fokalpunktens läge på arbetsstycket, rätt val av skärhastighet och rätt val av processgas med tillhörande parametrar. Processgasparametrarna är förutom gasens renhet och tryck också dysans diameter och utformning. Dysans avstånd till arbetsstycket, ofta ca 1 mm, måste också ställas in noggrant. Bild 3. För skärning i rostfritt stål används främst nitrogen. Det krävs högt tryck för att blåsa bort det smälta materialet. MILJÖ OCH SÄKERHET Det är viktigt att vara medveten om de risker som förknippas med laseranvändning. Hud och ögon är känsliga för strålning; huden kan få brännskador. Strålningen från koldioxidlasern påverkar hornhinnan, medan Nd:YAG-laserstrålningen är ännu farligare genom att näthinnan kan få bestående skador vid exponering. Nd:YAG-laserinstallationer är därför ofta inbyggda och för att vistas nära strålen måste man bära särskilda ögonskydd anpassade till strålningens våglängd. Skyddsglasögon ska också användas som skydd mot reflekterande strålning vid koldioxidlaser. Andra risker vid laseranvändning är avgivning av hälsovådliga ämnen, t ex vid skärning i ytbeläggningar eller plaster. Ytterligare information finns exempelvis i AFS 1994:8 Laser och i SS-EN Laser-Säkerhet-Laserbearbetningsmaskiner. UTVECKLINGSTENDENSER Användningen av laserbearbetning har ökat starkt under senare år. Det finns idag drygt 250 koldioxidlaserinstallationer med hög effekt för skärning i svensk industri. Högre effekter hos lasern och strålkvalitet anpassad för skärning utvecklas fortlöpande. Nya typer av mera kompakta laserkällor har tagits fram. Lägre gasförbrukning har också blivit resultatet av denna utveckling. Optimering av munstycken gör att processgasförbrukningen kan bli lägre vid bibehållen produktivitet och kvalitet. Valet av skärgas och skärgaskvalitet påverkar också produktiviteten. Dessutom har stålkvaliteter anpassats till laserskärning genom att styra stålets kemiska sammansättning, ytegenskaper och dimensioner för att minimera materialvariationer.

9 Termisk skärning del 4 Gasförsörjning vid termisk skärning I avsikt att erhålla ett bra skärresultat är det en gammal sanning att man måste finjustera skärprocessen t ex låga, tryck, framföringshastighet. Att kvaliteten på den gas som används har betydelse för skärresultatet är däremot inte lika känt. Det gäller också att bibehålla kvaliteten ända fram till förbrukningsstället. Dessutom måste man välja lämpligaste leveransform för gasen. Lennart Andréasson och Gunnar Lindén vid Air Liquide Gas AB utreder i sin serie om termisk skärning hur olika typer av gasförsörjning kan påverka effektivitet och kvalitet på samma gång som den kan skapa en säker arbetsmiljö. Den gas som förbrukas av skärutrustningen kan levereras gasformigt i lösa flaskor, i flaskpaket med ett antal sammankopplade flaskor eller i flytande tillstånd under låg temperatur från mobila eller stationära tankar av varierande storlek. Ledorden för vilken form som bör användas är Ekonomi Produktivitet Säkerhet. Ekonomi: Förbrukningen av gas är den parameter som mest styr hur gasen levereras. Småförbrukare använder normalt lösa flaskor; vid stora förbrukningar är tank billigast. Acetylen kan av tekniska skäl endast levereras i flaskor eller paket. Produktivitet: Att ofta hantera många lösa gasflaskor är inte rationellt. Det är tungt och tar tid. Tiden för ett gasflaskbyte kan lätt ta både femton och tjugo minuter. Omräknat i pengar blir det en hel del under ett år. Säkerhet: Gasflaskor i en verkstad innebär alltid ett riskmoment vid t ex en brand. Av detta skäl kräver idag Räddningstjänsten i många kommuner att gasflaskorna måste hanteras och förvaras på utsidan byggnaden. Tankar placeras också utomhus. FÖRSÖRJNING MED GASFLASKOR Flaskor som hanteras (som är i drift eller transporteras) ska alltid behandlas med försiktighet. En fylld gasflaska kan väga upp mot drygt 70 kg. Därför ska flaskorna alltid vara förankrade, mot vägg eller dylikt, eller i gaskärra för att undvika att de ramlar och skadas eller orsakar skador. Trycket i flaskorna är upp till 200 bar för oxygen och skyddsgas. Vid transport ska enligt lag armaturen kopplas ifrån och skyddshuv måste vara på. Förflyttning inom ett verkstadsområde räknas dock inte som transport. Gasflaskor för brännbara gaser och acetylen kräver särskilda åtgärder. I drift ska enligt lag bakslagsskydd vara monterat i direkt anslutning till acetylenflaskan, d v s det monteras direkt efter regulatorn. Avsikten med detta är att förhindra att en eventuell brand bakåt i slangen s k bakslag ska tränga in i gasflaskan med de risker för explosion detta skulle innebära. Bakslagsskydd på oxygenflaskan är inget krav, men är att rekommendera. Det har förekommit att det tagit eld i flaskregulatorn också i oxygenflaskan. Oxygen i sig brinner inte, men allting annat brinner med mycket hög hastighet i ren oxygen. Därför måste också flaskventiler, regulatorer etc hållas helt fria från främst metallspån och fett som lätt kan antändas vid snabba tryckstötar av oxygen. Packningsmaterial måste vara avsett för användning tillsammans med oxygen. Flaskventiler ska också öppnas långsamt och försiktigt. Höga tryckstötar av oxygen tillsammans med exempelvis organiskt material kan förorsaka självantändning. Det är lag på att det på brännaren ska finnas backventiler både på bränngas- och oxygenanslutningen för att förhindra bakströmning av gas in i slangarna och därmed risk för slangexplosion. Observera att detta gäller också för t ex gasol och naturgas. I Arbetarskyddsstyrelsens och Sprängämnesinspektionens föreskrifter (samma som lag) finns krav på regelbunden täthetsprovning och/eller funktionskontroll av t ex regulator, bakslagsskydd, slangar, backventiler och brännare. FÖRSÖRJNING VIA CENTRALSYSTEM Om gasförsörjningen finns på utsidan (flaskor, flaskpaket eller tank) förs gasen fram Gascentralen placeras utanför byggnaden och levererar gas till gasnätet. Centralgassystem är ett sätt att rationellt förse verkstaden med gas. till förbrukningsstället genom ett gasförsörjningssystem, ett s k centralgassystem. Ett sådant system består av en tryckregulator (manuell, halvautomatisk eller helautomatisk) där det höga trycket i flaskorna eller tanken sänks till ett arbetstryck som levereras ut i gasnätet. Byte av flaskor när gasen har tömts kan antingen ske manuellt eller med olika grad av automatik. Gasnätet byggs av metallrör. Vid varje förbrukningsställe finns sedan en uttagspost, där tryck och flöde kan finregleras. Vid projekteringen av ett centralgassystem finns en mängd faktorer att ta hänsyn till. Vilken maximal gasförbrukning förväntas, d v s vilken dimension ska rören ha? Vilken flödeskapacitet krävs av gascentralen och uttagsposterna? Finns speciella egenskaper hos gasen som styr t ex materialval för rör, regulatorer etc. Är renhetskraven sådana att det krävs speciellt rörmaterial, invändig tvättning av rören etc? Centralgassystem för acetylen kräver särskilda säkerhetsåtgärder; tryck (maximum 1,5 bar) och rördiametrar måste begränsas beroende på risken för att acetylen under tryck kan sönderfalla av sig själv och leda till explosion. Koppar och legeringar med mer än 70% koppar får inte användas tillsammans med acetylen p g a risk för kemisk reaktion. Oavsett material och gastyp rekommenderas att det vid svetsning (eller lödning) av rörsystemet används skyddsgas (s k stödgas eller rotskyddsgas) för att förhindra t ex glödskal på insidan av röret. De oxider som kan bildas har en förmåga att lossna, förflytta sig och sedan sätta igen exempelvis filter i uttagsposter. Lagen kräver att gascentralsystem ska

10 ofta en bortglömd parameter skärning, speciellt vid skärning av rostfritt stål i grövre dimensioner. Den klassiska skärningen med bränngas och oxygen påverkas också av föroreningar, även om det normalt behövs högre halter. Om oxygenet av någon anledning får en försämrad renhet med 1%, kan detta innebära en 20% lägre skärhastighet. Gasrenheten är på samma sätt viktig vid plasmaskärning, både för skärresultat och elektrodslitage. ATT LÄSA VIDARE Utformning av försörjningssystem för gas Svetskommissionen 1989 Flyttbara gasutrustningar Svetskommissionen 1992 Kontrollinstruktion för gasutrustningvid svetsning och skärning (checklista) Svetskommissionen täthetsprovas minst en gång per år. Kontrollen utförs som egenkontroll enligt anvisningar i boken Utformning av försörjningssystem för gas från Svetskommissionen. Egenkontroll utförs av egen, speciellt utbildad personal eller externt företag. Kontrollen ska journalföras. FÖRORENINGAR I GASEN Det finns föroreningar i alla gaser. Den renaste gas som levereras till kund av Air Liquide i Sverige är nitrogen som håller en renhetsgrad av N70, d v s renheten är 99,99999%. Mängden föroreningar är då högst 0,1 ppm, d v s miljondelar. Trots att det finns mycket lite föroreningar kvar önskar elektronikbranschen ändå att renheten ska öka. De olika termiska skärprocesserna har också krav på renheten i olika gaser, dock inte på riktigt samma nivåer som elektroniktillverkarna. Högst renhet krävs i en CO 2 -laser, i kaviteten där laserstrålen bildas. Normalt tre gaser cirkulerar i detta utrymme: CO 2 (koldioxid), He (helium) och N 2 (nitrogen). Om någon eller några av gaserna innehåller en alltför hög halt upp till några ppm av främst fukt och kolväten, kan dessa avsätta sig på speglarna i kaviteten och därmed förkorta livslängden och förorsaka en försämrad laserstråle. Renheten hos processgasen i lasern har också stor betydelse, men här måste man jämföra kostnaderna för den högre renheten med förtjänsten av ökad skärhastighet och/eller hög snittkvalitet. Det är stora mängder processgas som går åt vid laser- ÅTGÄRDER FÖR ATT BEHÅLLA RENHET OCH HÖG SÄKERHET Det finns anledning att ta en extra fundering på gasförsörjningssystemet, inte bara p g a säkerhetskraven utan också för att säkerställa renheten. För all gasförsörjning ska man välja utrustning och material som är väl beprövade och godkända. Rören måste ha en tillfredsställande renhet för att inte bidra med föroreningar. Ett annat exempel är att val av rätt slangmaterial är viktigt för att undvika att föroreningar läcker in genom slangväggen. Även om det är övertryck av en gas i slangen kan olika förorenande gaser ta sig in! Står anläggningen stilla under en viss tid kan det innebära att det finns hög koncentration av föroreningar som t ex fukt när man startar anläggningen igen. Det finns ingen skyldighet att följa vad som anges i svensk standard exempelvis vid val av utrustning, men det är ett gott råd. Är anläggningen i drift ska den kontrolleras varje dag av operatören, inte bara av säkerhetsskäl utan också av tekniska skäl. En sprucken slang kan exempelvis genom s k injektorverkan suga in föroreningar i gasen med försämrat skärresultat som följd. I verkstaden är gasflaskorna ersatta med uttagsposter för de gasslag som behövs. En otät anslutning kan läcka ut bränngas och explosionen kan vara ett faktum. Skälen för att kontrollera gäller både centralgassystem och enskilda flaskor, men följderna blir mera allvarliga både säkerhetsmässigt och ekonomiskt vid större system. Om man planerar att installera ett centralgassystem finns två goda regler att följa: 1 Välj utrustning, rör, kopplingar etc från en leverantör som är välkänd med beprövade, godkända produkter och som har tillgång till en fungerande service 2 Kontrollera att entreprenören/installatören verkligen vet vad installationen ställer för krav på material, provning, efterkontroll och har väl utbildad installationspersonal (det har hänt att man i gasinstallationer har funnit lin som tätningsmedel ). TRENDER Utvecklingen går alltmer mot centralgassystem i verkstäder med ett antal arbetsplatser, även för mindre förbrukare. Skälen är flera. Ekonomiskt blir ett flaskbyte dyrare och dyrare för varje år. Att installera ett centralgassystem betalar sig utan överdrift i en normal produktion på 1-2 år. Om man därtill lägger arbetsmiljövinsten med att slippa transportera och kanske också lyfta gasflaskor blir det ekonomiska utbytet rejält. Ofta innebär också en övergång till central gasförsörjning att antalet gasflaskor kan minskas. Säkerheten är ett argument som väger tungt i diskussioner om centralgassystem. Att ha gasflaskorna utanför byggnaden, oftast i ett eget låsbart utrymme, innebär att det vid en olycka eller brand blir mindre risker och räddningsinsatserna underlättas. Man ser också mycket positivt på detta från Räddningstjänsten och försäkringsbolagen. Det kan krävas att gascentral installeras vid nybygge eller utbyggnader av verkstäder.

11 Termisk skärning del 5 Komplement och alternativ till termiska skärmetoder I vissa fall kan man uppnå tekniska eller ekonomiska fördelar genom att använda andra metoder än gasskärning, plasmaskärning eller laserskärning. I denna artikel ger Gunnar Lindén och Lennart Andréasson från Air Liquide Gas AB en översikt över några av alternativen. De metoder som tas upp är stansning/nibbling, klippning och vattenstråleskärning. Liksom de termiska skärmetoderna är alternativen avsedda för bearbetning i plåtmaterial, men utan att använda värme. Påverkan på materialet blir därför annorlunda genom att materialet inte varit i smält tillstånd eller upphettats. STANSNING OCH NIBBLING Stansning innebär att det slås ett hål i plåten med hjälp av en stans som går mot en dyna. Plåten hålls fast under slaget (bild 1). Stansens utseende och storlek avgör vilka hålbilder som kan utföras. Stansmaskinerna är utrustade med många verktyg med olika form, t ex runda och rektangulära, och med olika storlek. Genom den numeriska styrningen och de snabba förflyttningarna av plåten på skärbordet kan stansningen ske med stor hastighet och hög noggrannhet. Gör man upprepade stansningar efter varandra kant i kant blir det möjligt att med hög hastighet göra raka snitt. Detta kallas nibbling. Ytjämnheten i dessa snitt beror på hur stansverktygen ser ut och hur nära varandra man placerar de olika stansningarna. Det finns också särskilda metodvarianter att åstadkomma mycket hög ytjämnhet på snitten. Snitten har mycket liten vinkelavvikelse och ingen termisk påverkan på snittytan, t ex oxidation. Stansning utförs i material med en tjocklek upp till ca 10 mm för stål och aluminium. Materialets hållfasthetsegenskaper och maskinens kapacitet avgör maximal tjocklek och uppnåbar kvalitet. Genom den mekaniska påverkan begränsas användningen för höghållfasta stål. Minsta avstånd mellan hålen bestäms också av material och plåttjocklek. De termiska skärmetoderna ger däremot ingen mekanisk påverkan på plåten. En av svårigheterna med stansning/nibb- ling är att göra godtyckliga konturer med tillräcklig noggrannhet. Laser- och plasmaskärning ger denna möjlighet. Däremot har stansningen stora fördelar vid framtagning av hålbilder med många hål. Det finns utrustningar som förutom stansverktyg också kan utföra laser- eller plasmaskärning, s k kombinationsmaskiner. Nackdelen blir de högre investeringskostnaderna i en maskin med två olika processer. Stansning/nibbling. Det finns också plåtbearbetningsmaskiner som utrustas med verktyg för att exempelvis sätta fast stansmuttrar, göra speciella formningar av plåten, gänga hål etc. Generellt kan sägas att stansning/nibbling kompletterar främst laserskärning och eventuellt plasmaskärning i tjockleksområden upp till normalt ca 8 mm främst objekt med många hål kan stansas med stansmaskiner. Laserskärningen är bra för konturskärning. Genom att den inte ger någon mekanisk påverkan kan avstånden mellan olika utskurna delar vara mycket liten. Snittbredden är också liten med laserskärning. Däremot är den tjocklek som kan laserskäras materialberoende; upp till ca 20 mm för olegerat stål, 6-8 mm för aluminium och rostfritt stål. KLIPPNING Klippning i gradsax användes främst för raka snitt. Användbarheten är således mycket mindre flexibel än med de termiska skärmetoderna. Metoden kan användas både i tunn- och grovplåt. Klippning i verktyg är utan jämförelse den snabbaste metoden att bearbeta plåt. Investeringskostnaderna är höga och metoden används därför bara vid stora serier. Klippverktygen är ofta monterade i presslinjer tillsammans med pressverktyg. Tredimensionella detaljer med komplicerade former kan klippas, men klippningen måste då delas upp i flera tempon med skyttlar och mötesklipp. Verktyget består av stans och dyna, som passar till varandra med ett spel på några tiondels millimeter. Om spelet ökar kommer klippets utseende att ändras så att en zon med blankt utseende blir mindre och brottzonen större. Finklippning ger ett klipp med nästan enbart blankzon och därigenom största precision på detaljerna. Underhållskostnaden för verktygen ökar däremot. En nackdel med metoden är förutom investeringskostnaden att ändringar av verktygen blir dyrbara och tidskrävande. VATTENSTRÅLESKÄRNING Att använda en vattenstråle med högt tryck för skärning i plåt är en relativt sent utvecklad teknik. Enbart vatten användes först för skärning i mjukare material, t ex trä och plast. När tekniken med att tillsätta slipmedel till vattenstrålen utvecklades blev det möjligt att bearbeta metaller, sten, glas, kompositmaterial etc. Vattenstrålen åstadkoms av en högtryckspump och trycket är maximalt ca 4000 bar. Strålen bildas i ett munstycke på upp till 0,5 mm diameter (bild 2). Till strålen tillsätts ett slippulver, som accelereras i ett långt munstycke. Strålen blir tillräckligt energirik för att slipa bort materialet. Denna metodvariant kallas abrasiv vattenstråleskärning. Kritiska komponenter är munstyckena, som måste motstå den kraftiga nötningen. Den stråle som går genom materialet måste bromsas upp och slipmedel och bortslipat material tas om hand. Vattenstråleskärning ger också upphov till höga ljudnivåer. Om skärningen sker mot en vattenyta reduceras ljudet och materialet samlas upp. Metoden är således användbar för flertalet material upp till stora godstjocklekar, ca 100 mm. Genom att metoden är kall kan man undvika materialpåverkan, vilket är viktigt för exempelvis kompositmaterial, keramer och belagda material. I vissa fall är

12 Abrasiv vattenstråleskärning. detta också betydelsefullt i metalliska material. På samma sätt som vid laserskärning kan man använda numeriskt styrda maskiner och uppnå hög dimensionsnoggrannhet. De material som inte kan skäras med termiska metoder t ex där tjockleken är för stor för laserskärning p g a att laserstrålen reflekteras eller där materialen är värmekänsliga kan med fördel skäras med vattenstråleskärning. Skärsnittets kvalitet kan bli mycket hög, däremot är skärhastigheten låg jämfört med de andra metoderna vid motsvarande tjocklek. Skärsnittets bredd beror på skärparametrarna. Prioriteras skärhastighet blir kvaliteten på snittet sämre och tvärtom. Sammanfattningsvis kan sägas att vattenskärning har tillämpningar som gör den intressant som ett komplement främst till laserskärning, där hög kvalitet hos snittet kombineras med ett större spektrum av material och godstjocklekar. TRENDER Stans- och nibblingsmaskiner har i många fall ersatts av främst laser, i andra hand av finstråleplasmaskärning. Däremot utvecklas stans- och nibblingsmaskinerna till att innehålla alltfler funktioner. Naturligtvis blir investeringarna större, men för de rätta tillämpningarna blir detta mycket effektiva lösningar. Vattenstråleskärning har ökat under senare år, ofta som ett komplement till laserskärning för andra material och godstjocklekar än de som är möjliga med laserskärning. Dessutom är ett helt oxidfritt snitt utan termisk påverkan önskvärt i många fall.

13 Termisk skärning del 6 Att välja skärmetod I denna avslutande artikel ger Gunnar Lindén och Lennart Andréasson från Air Liquide AB synpunkter på val av termisk skärmetod inbördes och jämfört med de övriga alternativa metoder som finns att tillgå. Valet begränsas alltid av tekniska förutsättningar, men i slutfasen avgörs det naturligtvis också av investeringsmöjligheter, tillgång till kompetent arbetskraft, marknadsförutsättningar etc. Aspekterna i ingressen är helt företagsberoende. De olika metoderna värderas därför utifrån sådana faktorer som de tekniska möjligheterna, produktivitet, kvalitet hos det skurna snittet, miljöpåverkan, driftskostnader etc. MATERIAL OCH MATERIALDIMENSIONER Gasskärning begränsas för de vanliga materialen till olegerade och låglegerade stål, men i ett stort tjockleksområde från tunt till grovt. I materialtjocklekar från ca 15 mm brukar man anse att metoden är särskilt konkurrenskraftig vad gäller skärhastighet. Bränngasvalet spelar en viss roll, med acetylen att föredra för tunt och propan för grövre tjocklekar. Plasmaskärning kan användas för elektriskt ledande material och har en stor användning för olika stål och aluminium. Den relativt nya metoden med finstråleplasma används upp till drygt 10 mm tjocklek. Laserskärning har ett ännu bredare användningsområde som sträcker sig också till icke-metalliska material. Det är främst koldioxidlaser som används. I olegerat stål kan man idag med god skärhastighet skära upp till ca 20 mm, medan det för rostfritt och aluminium begränsas till avsevärt lägre tjocklekar ca 10 mm respektive 6 mm. De mekaniska metoderna har inte någon materialbegränsning för de vanligare materialen. Stansning/nibbling har användning inom samma område som laser och plasma upp till ca 10 mm. Abrasiv vattenstråleskärning har särskilt intresse för grova dimensioner, där andra metoder inte fungerar särskilt bra. KONTURSKÄRNING Alla de termiska skärmetoderna utnyttjas i NC-styrda utrustningar. Därigenom kan godtyckliga kurvor skäras. Metoderna utnyttjas ibland också i robotar. Fasning för svetsning görs också med alla metoderna. Önskar man mycket skarpa hörn lyckas man bäst med laser. Med normal plasmaoch gasskärning blir det s k eftersläpning, vilket sätter ner möjligheterna att få skarpa hörn. Finstråleplasma är bättre i detta avseende. Stansning/nibbling har begränsningar beroende på verktygens utseende. Detsamma gäller klippning. Vattenstråleskärning ger däremot utmärkta möjligheter att åstadkomma mycket noggranna, skarpa hörn även i grövre dimensioner. DIMENSIONSNOGGRANNHET SNITTBREDD Dimensionsnoggrannheten beror till väsentlig del på programmeringen och de använda utrustningarna. Högre hastigheter ställer större krav på styrsystem och mekaniska system. Laserskärning och finstråleplasma sker med höga hastigheter i tunnare dimensioner. Den koncentrerade värmetillförseln vid laserskärning gör att värmepåverkan i snittet blir liten, vilket gör att deformationerna i materialet blir små. Därför blir också noggrannheten i dimensionerna och rakheten hos långa snitt bra. Själva snittbredden är också liten. Jämfört med gasskärning är snittbredden för normal plasmaskärning större, medan värmepåverkan är mindre. Vid gasskärning är värmepåverkan stor (se bild 1). Större värmepåverkan betyder att hänsyn till deformationerna måste tas i programmeringen, på så sätt att största möjliga värmebalans ska eftersträvas. Ett sätt vid gasskärning är att utnyttja flera brännare som skär parallella snitt. Kompensation för snittbredden måste göras vid programmeringen. Snittbredd och noggrannhet påverkas också av slitage i dysor och elektroder. Detta problem undviks vid laserskärning. Stansning/nibbling ger ingen termisk påverkan. Vattenstråleskärning ger hög dimensionsnoggrannhet men också större snittbredd än laserskärning. Snittbredden beror på vilken dysa som används och slitaget i dysan. SKÄRSNITTETS UTSEENDE Med rätt inställning av skärparametrarna blir den gasskurna kanten rak (d v s 90 ) med skarp över- och underkant. Bränngasvalet påverkar rakheten. Ytjämnheten kan bli hög. För plasmaskärning finns det alltid en vinkelavvikelse på några grader. Denna avvikelse beror också på skärriktningen. I vissa fall måste man därför i programmeringen hålla ordning på skärriktningen för att få den minsta avvikelsen på arbetsstycket och den största avvikelsen på skrotbiten. Denna metodik blir svårare att utnyttja om man gör gemensamma snitt, d v s ska utnyttja plåtarna på båda sidor av snittet. Vinkelavvikelsen har störst betydelse vid grövre plåttjocklekar. Snittets ytjämnhet är bra vid plasmaskärning. Finstråleplasma har en mycket liten vinkelavvikelse och bra ytjämnhet, i många fall jämförbar med laserskärning. Det laserskurna snittet är rakt med god ytjämnhet, förutsatt rätt inställda parametrar och optimalt val av processgas. Vattenstråleskärning kan ge ett rakt snitt med god ytfinhet. De mekaniska metoderna ger alltid snitt med viss ojämnhet. Denna tilltar om verktygen slits. Beroende på typ av verktyg som används vid nibbling blir det också ojämnheter i snittet, t ex om en rund stans används för att skära en längre sträcka.

14 PÅVERKAN PÅ MATERIALEGENSKAPERNA I SNITTET Värmepåverkan i snittytan påverkar materialet metallurgiskt. Det kan bli hårda strukturer nära ytan, som kan leda till sprickbildning i stål med högre legeringsinnehåll. Gasskärning kan också orsaka förhöjd kolhalt i ytskiktet, som kan kräva slipning. Slipningen avlägsnar också oxiden på ytan, något som oftast är nödvändigt före svetsning. Plasma- och laserskärning ger mindre värmepåverkade zoner. Vid plasmaskärning med luft som plasmagas tar materialet upp nitrogen (kväve), som ger en mycket hård yta. Dessutom kan det bli porositet vid PRODUKTIVITETSPÅVERKANDE FAKTORER När man väl utvärderat de tekniska möjligheterna för att uppnå rätt kvalitet, bestäms det fortsatta valet mellan metoderna av produktivitet, investeringskostnader, driftskostnader, miljökrav etc. Här kommer att ges några generella synpunkter för värderingen. Gasskärning har sin starka sida vid skärning av grövre dimensioner i olegerat och låglegerat stål. Genom att använda många brännare i samma maskin kan ett antal identiska detaljer skäras samtidigt. Investeringskostnaderna för brännarenheterna är måttliga, men skärbord och styrsystem är dyrbarare. Detta gäller också för de andra metoderna. Av driftskostnaderna ska man beakta Laseranläggningar medför höga investeringskostnader, men ger i gengäld höga skärhastigheter och mycket hög kvalitet. Genom att skärhastigheterna är höga krävs också stabila skärbord med bra styrsystem. I driftskostnaderna kan inräknas kostnader för elektricitet och kylning (låg verkningsgrad), lasrande gaser och processgaser, dysor, speglar och linser. Abrasiv vattenstråleskärning ställs oftast inte mot de ovannämnda metoderna, eftersom skärhastigheten är låg. Driftskostnaderna innefattar förutom elektricitet, dysor etc också sand för skärningen. Omhändertagande av sand inblandat med metallpulver efter skärningen måste också beaktas. Klippning och stansning/nibbling ger höga bearbetningshastigheter. Dessutom är stansning det snabbaste sättet att slå hål. Driftskostnaderna innefattar bl a verktyg. Bild 1. Jämförelse mellan snittbredd och värmepåverkad zon för stål med tjockleken 3,5 mm skuret med a) gasskärning, b) plasmaskärning, c) laserskärning/koldioxidlaser (IIW Comm I ). efterföljande svetsning. Det vanligaste sättet är att avlägsna den kväverika zonen är med slipning före svetsning. Laserskärning ger också oxiderade snitt om oxygen används som processgas. Före svetsning och målning bör oxiden avlägsnas färgen kan annars släppa. Laserskärning med nitrogen som processgas ger helt oxidfria snitt. Klippning och stansning/nibbling kan ge kalldeformation och mikrosprickor i materialet. För vissa material, tjocklekar och tillämpningar kan dessa bli utgångspunkt för sprickbildning. Skarpa kanter med grader kan också ge svårigheter vid efterföljande målning, om inte kanterna brutits. kostnaderna för bränngaser och oxygen, munstycken etc. Gasvalet påverkar exempelvis hålslagningstiden, som är särskilt viktig vid utskärning av många detaljer ur varje plåt. Plasmaskärning ger för olegerat stål större skärhastigheter än gasskärning upp till ca 15 mm. I andra material fungerar inte gasskärning tekniskt. Investeringskostnaderna är högre än för gasskärning. Finstråleplasma ger bättre kvalitet, men till högre kostnad. Driftskostnaderna för plasmaskärning är bl a kostnader för elektricitet och gas, dysor och elektroder. Används oxiderande gaser ökar slitaget på elektroderna. Antalet tändningar är avgörande. MILJÖASPEKTER De termiska metoderna orsakar till följd av höga temperaturer och gasflöden bildning av luftföroreningar som måste tas om hand. Genom att skära över vattenbad eller under vatten (plasmaskärning) kan rök och damm delvis tas om hand. Ventilation måste ordnas och den luft som släpps ut måste renas. Exempel på gaser som bildas är nitrösa gaser och ozon. Vid gasskärning i primerbelagd plåt bildas också skadliga ämnen från förbränning av färgen. Bullerproblemen är stora vid plasmaoch vattenstråleskärning. Anläggningar byggs oftast in. Strålning från plasmaskärningsanläggningar måste avskärmas. Detta är ännu viktigare vid laserskärning. Skärhuvudet ligger så nära plåten att strålen delvis avskärmas, men reflekterad strålning kan också vara skadlig. Omhändertagande av damm och skärrester från de termiska metoderna respektive sand från vattenstråleskärning måste göras miljövänligt. SAMMANFATTNING De termiska skärmetoderna både kompletterar och konkurrerar med varandra. Utveckling sker särskilt inom finstråleplasmaskärning och laserskärning, två metoder som har sina styrkor inom tunn och medelgrov plåt. Detta är ett tjockleksområde som finns i många industrier. Stansning/nibbling används i tunnare plåtdimensioner och kombineras i många fall med andra tillverkningsoperationer. Detta gör att produkternas genomloppstid kortas. Andra metoder har sina speciella fördelar, som gör att de behåller sin ställning inom bestämda användningsområden eller löser problem, som tidigare har varit svåra att lösa av kvalitets- eller produktivitetsskäl.

15 Air Liquide är med sina bolag i ett 60-tal länder inte bara världens största gasföretag, utan även det ledande när det gäller utvecklingen av gaser, utrustning och tillämpningar bildades en skandinavisk organisation, där vi tillsammans med vårt systerföretag Hede Nielsen i Danmark och Norge har resurser att erbjuda alla kunder en mycket god service även över landsgränserna. Våra kunder finns inom de flesta områden, t ex industri, sjukvård, miljövård och elektronik. Vi hjälper dig att utnyttja gasteknikens unika möjligheter på bästa sätt. Från inledande behovsanalys, provkörning, installation och utbildning fram till optimalt intrimmad process. Därutöver kan vi erbjuda en rad olika tjänster inom utbildning, service och underhåll. Tack vare vår effektiva transportorganisation och mer än 350 försäljningsställen levererar vi snabbt och säkert över hela Skandinavien. Kontakta något av våra kontor för ytterligare information. Lundavägen Malmö Tel Fax Box 58, Malaxgatan Kista Tel Fax Metallvägen Mölnlycke Tel Fax Energigatan Västerås Tel Fax Huvudkontor Air Liquide Gas AB, Lundavägen 151, MALMÖ Tel , fax Art.nr