Tekniker för termisk skärning och hydroabrasiv skärning
Skärning av plåt med varierande, ofta mycket stor tjocklek, är en betydande utmaning för de flesta tillverkningsföretag. Mekanisk skärning, eller eventuellt stansning, fungerar bra för tunna plåtar och används oftast för att skära raka kanter. För tjockare plåt används idag olika tekniker för termisk skärning eller vattenskärning. Dessa är: syreskärning, plasmaskärning, laserskärning och vattenskärning (hydroabrasiv skärning).
Var och en av dessa tekniker har sina särdrag och ett tillämpningsområde där den är mest ekonomisk. När man väljer en termisk eller vattenskärare bör man därför inte bara beakta priset, utan framför allt det spektrum av material som den kan skära, det vill säga t.ex. stålkvaliteter eller eventuellt andra materialtyper, deras tjocklek samt den önskade skärprecisionen. Först när man känner till dessa parametrar kan man välja den mest ekonomiska skärtekniken för de aktuella tillämpningarna.
Gasskärning
Gasskärning, även kallad syreskärning eller autogen skärning, går ut på att först värma upp stålet till antändningstemperatur och därefter oxidera och blåsa bort materialet med hjälp av högtryckssyre med hjälp av maskiner för syreskärning. Denna temperatur uppgår – för rent järn – till 1050 °C, medan den för stål med en kolhalt på 1,5 % kol uppgår den till hela 1380 °C. Av denna anledning kan syreskärning endast användas för konstruktionsstål med låg kolhalt och låg legeringshalt (tillåtna tillsatser: kol – upp till 1,5 %; krom – upp till 2 %; nickel – upp till 3 %; kisel – upp till 4 %). För uppvärmning av materialet kan propan, acetylen, propen eller naturgas användas. Plåt kan även skäras i staplar – staplade på varandra till en tjocklek på cirka 100 mm.
De främsta fördelarna med syreskärning är: ett mycket stort intervall av materialtjocklekar samt vinkelräta skärkanter. Det är också en mycket ekonomisk metod. Nackdelarna är däremot: lång genomborrningstid, ett stort värmepåverkansområde samt att det inte går att skära rostfritt stål och icke-järnmetaller.
Plasmaskärning
Plasma är en joniserad gas där atomerna har sönderdelats till joner och elektroner. En sådan gas är en mycket god strömledare och kan användas för att leda elektrisk ström. Plasmaskärning går ut på att med hjälp av en ljusbåge heta upp materialet till flytande tillstånd och snabbt blåsa bort det med en kraftig gasström (med en hastighet nära ljudhastigheten). Avgörande här är just den starkt joniserade gasen (plasma), som möjliggör en precis ledning av ljusbågen mot det material som skärs. Materialet utsätts för både termisk påverkan (ljusbågen) och mekanisk påverkan (gastryck).
Fördelarna med plasmaskärning är:
- snabb genomborrning och höga skärhastigheter,
- ett brett spektrum av skärbara material – skärning av praktiskt taget alla ledande material,
- en relativt liten värmepåverkad zon,
- ett smalt skärspalt,
- möjlighet att skära tunna material utan att kanterna bränns över.
Nackdelarna med plasmaskärning är:
- fasning av skärkanterna,
- högt buller,
- stora mängder gaser och rök – krav på filtrerad ventilation.
Plasmaskärning kan användas för tunnare material än vid syreskärning, samtidigt som den är många gånger snabbare och en plasmaskärmaskin kan ersätta flera gasbrännare.
Problemet med snedskärning vid plasmaskärning har minimerats tack vare användningen av aggregat och plasmaskärare med virvlande gaser. Den roterande gasen ”omsluter” plasmagasen och smalnar av dess stråle, vilket ger en mindre avfasning och en kant som är mer vinkelrät mot materialets yta. Den mer komplicerade konstruktionen medför högre kostnader för både inköp av utrustningen och skärningen, men det är möjligt att uppnå en skärkvalitet som ligger nära laserskärningens.
Laserskärning
Laserskärning är en relativt ny teknik som möjliggör mycket hög precision och höga skärhastigheter. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) innebär förstärkning av ljus genom stimulerad strålningsemission. Den ljusstråle som alstras har karakteristiska egenskaper som är mycket svåra, eller omöjliga, att uppnå med andra typer av ljuskällor, nämligen: en mycket smal emissionslinjebredd, vilket resulterar i hög effekt inom ett valt spektrumområde. Laserskärmaskiner kan enkelt alstra en polariserad stråle med mycket liten divergens.
Vid laserskärning är den heta laserstrålen och trycksatt teknisk gas det skärande elementet.
Laserkällorna som används i skärmaskinerna kan delas in i följande huvudgrupper:
- gaslasrar (t.ex. koldioxidlasrar, CO₂),
- fastämneslasrar (skivlasrar),
- halvledarlasrar.
I en CO₂-laser, som ofta används i laserskärare, är det aktiva mediet en blandning av koldioxid, kväve, väte och helium. Våglängden är ca 10 µm. Den kännetecknas av stora dimensioner och relativt låg energieffektivitet.
Skivlasrar har ett aktivt medium – Y3Al5O12-kristall (YAG) – en neodym-dopad aluminium-yttrium-granat. Den avger strålning med en våglängd på 1064 nm, som kan överföras via optiska fibrer. De kännetecknas av relativt kort livslängd och låg energieffektivitet.
Den senaste Fiber-tekniken, som bygger på att använda halvledarlaser för att skapa en laserstråle direkt i den ledande optiska fibern, är en lösning som eliminerar de flesta nackdelarna hos tidigare lösningar. I Fiber-källan är den aktiva delen en optisk fiber som är dopad med joner av sällsynta jordartsmetaller såsom erbium, ytterbium, neodym etc. och som pumpas av halvledarlaserdioder. Denna teknik kännetecknas av hög verkningsgrad och utmärkt strålkvalitet.
Den erhållna laservåglängden är tio gånger kortare än hos en CO₂-laser, vilket gör det möjligt att uppnå en högre energikoncentration och skära i mer reflekterande material som tidigare tekniker inte klarat av.
Fördelarna med laserskärning är:
- mycket hög precision,
- smalt skärspalt,
- höga skärhastigheter,
- låga enhetskostnader vid stora produktionsserier,
- minimal värmepåverkad zon.
Nackdelar:
- hög anskaffningskostnad för utrustningen,
- utbudet av skärbara material beror på vilken laserkälla som används.
Vattenskärning (hydroabrasiv skärning)
Vatten är ett material som man inte förknippar med hårdhet och skärförmåga, men när det används under högt tryck kan det tränga igenom vilket material som helst. Vattenskärning går ut på att materialet eroderas av en vattenstråle med mycket högt tryck. För mjuka material, såsom gummi, kartong m.m., används rent vatten, medan man för hårdare material, i syfte att öka skärhastigheten, använder ett slipmedel – granat med noggrant specificerad viktenhet och kantkvalitet.
Vattenskärning är en ”kall” teknik, dvs. det uppstår ingen värmepåverkad zon, till skillnad från de tidigare beskrivna teknikerna. Därför kan den användas överallt där det inte är tillåtet att materialet värms upp för mycket, t.ex. på grund av risken för avhärdning. Det finns heller inga begränsningar när det gäller vilka material som kan skäras – från de mjukaste, såsom papper och skum, till de hårdaste, såsom stål, sten eller titan.
Med hjälp av vatten kan man få olika skäreggar – beroende på behov – genom att justera mängden och typen av slipmedel samt skärhastigheten. Separationsskärning är snabbast, men skärkanten blir relativt ojämn. Vid kvalitetsskärning blir kanten av utmärkt kvalitet, men på bekostnad av lägre skärhastighet, vilket direkt påverkar kostnaderna.
Vattenskärningstekniken använder speciella vattenskärningsmaskiner, som kan uppnå det höga tryck som krävs för skärning med hjälp av HP-pumpar (High Pressure). Det finns två typer av sådana pumpar: förstärkningspumpar och kolvpumpar.
Fördelar med vattenskärning:
- hög skärprecision,
- ett brett spektrum av material som kan skäras,
- möjlighet att skära stora tjocklekar,
- tyst och dammfri teknik – miljövänlig,
- ingen värmepåverkan på det skurna materialet – inga problem uppstår t.ex. i samband med materialens värmeutvidgning.
Nackdelar:
- relativt låg skärhastighet,
- höga driftskostnader.
Jämförelse av skärtekniker:
| Skärteknik | Oxy-skärning | Plasmaskärning | Vattenskärning | Laserskärning |
| maskin |
|
|
|
|
| utbud av skärbara material | endast svartstål, lämpar sig inte för skärning av legerat stål och icke-järnmetaller | svartstål, legerat stål, icke-järnmetaller och deras legeringar | alla material | svartstål, legerat stål, icke-järnmetaller och deras legeringar (omfattningen varierar beroende på källteknik) |
| skärningsegenskaper |
|
|
|
|
| skärhastighet |
|
|
|
|
| kostnader | ekonomisk och kvalitetsmässigt bra metod för konstruktionsstål med en tjocklek över 30 mm | kostnadseffektiv och kvalitetsmässigt bra metod för konstruktionsstål med en tjocklek under 30 mm, legerat stål och icke-järnmetaller. Utmärkt förhållande mellan hastighet, kvalitet och pris | en kostnadseffektiv och kvalitetsmässigt bra metod för enstaka detaljer. En helt universell metod | skärkostnaden beror på vilken källteknik som används. Mycket låga enhetskostnader vid långa serier. En kostnadseffektiv metod med god kvalitet för konstruktionsstål med en tjocklek under 6–8 mm, legerat stål och icke-järnmetaller |
| service | Enklare underhållsarbeten kan i många fall utföras av personalen på underhållsavdelningen | Underhåll av medelhög komplexitet: underhåll av många delar utgör inga svårigheter | Underhållsåtgärder med hög svårighetsgrad kräver insats av specialiserade tekniker | Underhållsåtgärder med hög svårighetsgrad kräver insats av specialiserade tekniker. Arbetsomfånget beror på laserkällan |
| skärtjockleksområde | 3–300 mm | 0,5–100 mm | 0,5–500 mm | 0,5–30 mm |