Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen levyjen leikkauspalvelut: plasma-, laser-, vesisuihku- ja leikkausominaisuudet

A ruostumaton teräslevyjättää myllyn suureksi litteäksi suorakulmioksi. Tuskin kukaan ei tarvitse sitä siinä muodossa. Leikkaus on siis ensimmäinen valmistusvaihe, ja se ratkaisee hiljaa kolme asiaa, joilla on myöhemmin merkitystä: kuinka tarkka kappale on, kuinka leikattu reuna käyttäytyy syövyttävässä käytössä ja kuinka paljon valmis osa maksaa. Tässä artikkelissa verrataan neljää levyprosessorien, plasman, laserin, vesisuihkun ja leikkausmenetelmän käyttämää leikkausmenetelmää tarkkuuden, paksuuden, nopeuden, hinnan, reunan laadun ja korroosionkestävyyden osalta.

Jokainen osio alkaa suoralla vastauksella ja sen takana olevilla todisteilla. Jos näyttöä on rajoitetusti, esimerkiksi jos testitiedot ovat peräisin hiiliteräksestä ruostumattoman teräksen sijaan, sanomme niin.

Mitkä ovat neljä päätapaa ruostumattoman teräslevyn leikkaamiseen?

Plasma- ja laserleikkaus sulattaa metallin voimakkaalla lämmöllä, vesisuihkuleikkaus kuluttaa metallin pois korkeapaineisella vesivirralla ja hiomahiekalla, ja leikkaus leikkaa levyn mekaanisesti kahden terän väliin. Plasma ja laser ovat lämpöprosesseja, vesisuihku on "kylmä" prosessi ja leikkaus on puhtaasti mekaanista.

Ajattele jokaista menetelmää eri työkaluna. Plasma on sähköisesti lämmitetty kaasusuihku, joka sulattaa kapean kanavan levyn läpi. Laser on kohdistettu valonsäde, joka sulattaa metallin kaasuvirran puhaltaessa sulan materiaalin ulos leikkauksesta. Waterjet on paineistettu vesisuihku, joka kuljettaa granaattihiukkasia, jotka syövyttävät levyä, aivan kuten hiekkapuhallus, joka on suunnattu yhteen linjaan. Leikkaaminen toimii kuin jättimäiset sakset: terät työntävät metallia, kunnes se murtuu. Tapa, jolla jokainen työkalu poistaa metallia, selittää melkein kaikki erot seuraavissa taulukoissa.

Lähteet: Flow International -vertailutaulukko [2]; Hypertherm plasma -attribuutit [1]; leikkausreunan kuvaus The Fabricatorilta [10].

Kuinka tarkkoja kukin leikkausmenetelmä ruostumattomasta teräslevystä on?

Laser ja vesisuihku ovat tarkimpia, ja paras tapaustoleranssi on lähellä ±0,025 mm (±0,001 tuumaa). Plasma on vähiten tarkka kolmesta CNC-menetelmästä, noin ±0,4–±0,5 mm (±0,015–±0,020 tuumaa) hyvällä pöydällä. Leikkaustarkkuus riippuu lähinnä koneen ja terän kunnosta, eikä sitä ole luokiteltu ISO 9013:n mukaan.

Julkaistuja toleranssilukuja on kahta erilaista. Laitevalmistajat ilmoittavat parhaat mahdolliset arvot ihanteellisissa olosuhteissa mitattuna. Palveluntarjoajat listaavat, mitä he rutiininomaisesti pitävät hallussaan tuotantotyöstään. Rako näiden kahden välillä on suuri, joten piirustustoleranssi tulee varmistaa prosessorilla sen sijaan, että luet esitteen.

Hyödyllinen määritystyökalu.ISO 9013:2017 luokittelee lämpöleikkaukset laatuluokittain, ja se kattaa plasmaleikkaukset 0,5–150 mm ja laserleikkaukset 0,5–32 mm [3]. Vaaditun ISO 9013 -alueen kirjoittaminen piirustukseen muuttaa "hyvän reunalaadun" joksikin mitattavaksi. Koska standardi koskee vain lämpöleikkausta, vesisuihku- ja leikkaustoleranssit on sovittava erikseen.

Kuinka paksuksi kukin menetelmä voi leikata ruostumatonta teräslevyä?

Laser on käytännöllinen jopa noin 25 mm:n (1 tuuman) ruostumattomasta levystä, plasma on ihanteellinen 50 mm:iin (2 tuumaan) asti ja voi leikata paljon paksumpaa lisäviimeistelyllä, ja vesisuihkulla on laajin valikoima, valmistajat tarjoavat jopa 24 tuumaa. Leikkaus rajoittuu ohuempiin levyihin, koska ruostumaton teräs kestää paljon enemmän leikkaamista kuin hiiliteräs.

Paksuus on ensimmäinen suodatin menetelmää valittaessa, koska jokainen prosessi osuu fyysiseen seinään. Laserin tulee sulattaa koko paksuus hyvin kapealla säteellä ja puhdistaa sula metalli kaasulla. Siitä tulee vaikeampaa, kun levy paksunee. Plasma kuljettaa enemmän energiaa leikkausta kohti ja jatkaa työskentelyä paksulla levyllä. Vesisuihkua rajoittaa pääasiassa koneen pään korkeus. Leikkauksen rajana on voima, jonka kone voi tuottaa.

Mikä leikkausmenetelmä on ruostumattoman teräslevyn nopein ja edullisin?

Leikkaaminen on nopein ja halvin vaihtoehto suorille leikkauksille ohuessa levyssä. Muotoiltuissa osissa laser on nopein ohuella ruostumattomalla teräksellä, plasmasta tulee nopeampaa ja halvempaa leikkausta kohden levyn paksuntuessa ja vesisuihku on hitain, mutta usein se poistaa toissijaisen viimeistelyn tarpeen.

Nopeus ja hinta liikkuvat yhdessä, mutta eivät suorassa linjassa. Puolalainen hitsauslaitos mittasi reunan laadun 10 mm:n teräslevyllä jokaisessa prosessissa. Leikkuumäärät erosivat suuruusluokkaa, kuten alla on esitetty.

Ruostumaton teräs muuttaa lämpökuvaa. Hiiliteräksessä happi polttaa metallia ja lisää lämpöä, mikä nopeuttaa leikkausta. Ruostumaton teräs leikataan tavallisesti laserilla inertillä typellä, joten säteen on toimitettava kaikki energia ja kuitulaserleikkausnopeus laskee jyrkästi yli noin 4 mm:n paksuuden, karkeasti CO2-lasertasolle [7].

Plasman etu kasvaa paksuuden myötä. Hypertherm raportoi, että miedolla teräksellä plasma on nopeampi kuin 15 kW laser yli 16 mm, nopeampi kuin 20 kW laser yli 20 mm ja nopeampi kuin 30 kW laser yli 30 mm [1]. Tämä on plasmavalmistajan vertailu, mutta suunta on selvä: jakopiste nousee lasertehon kasvaessa.

Laitekustannukset muokkaavat myös palvelun hinnoittelua. Flow International listaa pääomakustannusalueet 60 000–300 000 dollaria tai enemmän plasmalle ja vesisuihkulle ja 200 000–1 000 000 dollaria tai enemmän laserille [2]. Ostajalle parempi kustannuskysymys on valmiin osan hinta: leikkauspituus, rei'itysten määrä sekä leikkauksen jälkeen tarvittava hionta, peittaus tai tasoitus. Halpa leikkaus, joka vaatii voimakasta reunapuhdistusta, voi maksaa enemmän kuin kalliimpi leikkaus, joka ei tarvitse mitään.

Haittaako plasma- ja laserleikkaus ruostumattoman teräksen korroosionkestävyyttä?

Ne voivat, vain leikatussa reunassa. Lämpö jättää oksidikerroksen ja ohuen kromipitoisen kuoren, joka kestää korroosiota huonommin kuin alkuperäinen pinta, ja ne on poistettava parhaan korroosiokyvyn saavuttamiseksi. Vesisuihku ja mekaaninen leikkaus eivät lisää lämpöä, ja typpiavusteinen laserleikkaus tuottaa kirkkaan, oksidittoman reunan.

Ruostumaton teräs kestää ruostetta, koska kromi muodostaa pinnalle ohuen, näkymättömän suojakalvon. Leikkauksesta syntyvä lämpö paksuntaa oksidia ja vetää kromia ulos sen alla olevasta metallista. Hitsaustutkimuslaitos TWI toteaa, että sekä oksidihilse että kromivapaa kerros on poistettava optimaalisen korroosionkestävyyden ylläpitämiseksi. Sen ohjeistus on, että hionta ja happopeittaus antaa parhaan tuloksen 360-karkeudella tai hienommalla hioma-aineella ja että käsin teräsharjaus on vähemmän tehokasta, koska se ei poista kulunutta kerrosta [5]. TWI:n neuvot koskevat hitsin lämpösävyä.

Sama oksidin ja kromin poistomekanismi pätee lämpövaikutteisiin leikkausreunoihin, mikä on tämän ohjeen laajennus. Metallin viimeistely tekninen kysymys ja vastaus laserleikatuista ruostumattomista osista, joissa on sinisiä palamisjälkiä, päätyy samanlaiseen käytännön johtopäätökseen: typpipassivointikylpy ei poista sinistä oksidia, joka vaatii peittausta tai hankausta [6].

Jokainen prosessi eroaa siitä, kuinka paljon oksidia se jättää:

• Laser typellä:inertti apukaasu pitää leikkuureunan puhtaana ja hapettumattomana [7]. Ilmaavustin jättää ruostumattomiin reunoihin kullan, sinisen tai ruskean sävyn [8].
• Plasma:Hypertermi toteaa, että HAZ on tyypillisesti alle 0,25 mm ja että oikea prosessi- ja kaasuvalinta antaa minimaalisen reunan kovettumisen ja hyvän hitsattavuuden [1]. Flow toteaa, että käytetty apukaasu muuttaa HAZ-syvyyttä [2].
• Vesisuihku:ei lämmönlähdettä, joten mikrorakenne ei muutu. Puolan kokeessa vesisuihkun reunan kovuus vastasi perusmetallia (noin 140 HV10) [4].
• Leikkaus:ei lämpöä, joten ei lämpöoksidia, mutta leikattu reuna on plastisesti muotoutunut ja työstökarkaistu [10].

Mitä todisteet eivät osoita.Emme löytäneet julkaistuja pistekorvaus- tai kriittisiä lämpötiloja koskevia tietoja kullakin menetelmällä leikatuista ruostumattomasta teräksestä valmistettujen reunojen osalta. Yllä olevat kovuustiedot ovat peräisin S355-hiiliteräksestä, ei ruostumattomasta teräksestä. Austeniittiset ruostumattomat teräslajit eivät kovettu jäähdytettäessä nopeasti hiiliterästen tapaan, joten ruostumattoman teräksen kohdalla käytännön huolenaihe on oksidin ja kromin ehtyminen hauraan kova reunan sijaan. Toimittajan julkaisemassa tapaustutkimuksessa 40 mm paksusta 304-levystä raportoitiin sileämmät, vähemmän kapenevat vesisuihkureunat kuin laserilla, ja laserleikatut reunat osoittavat HAZ:a ja oksideja [15]. Tämä testi on ISO 9013:n [3] 32 mm:n laseralueen yläpuolella, joten sitä ei pitäisi lukea tyypillisenä lasersuorituskykynä.

Käytännön opastus korkeammille seoslevyille.Duplex-, superduplex- ja nikkeliseoslevyille, joissa lämmöntuonti ja reunan kunto vaikuttavat enemmän seosainepitoisuuden kasvaessa, konservatiivinen lähestymistapa on määrittää vesisuihku tai vaatia leikkaamisen jälkeistä reunan poistoa ja sovittua hyväksymistestiä, kun käytetään lämpöleikkausta.

Voiko ruostumatonta teräslevyä leikata, ja mitkä ovat rajat?

Kyllä. Leikkaaminen on taloudellinen tapa tehdä suoria leikkauksia ohuessa tai kohtalaisessa ruostumattomassa levyssä, mutta leikkaus on mitoitettu noin 40 % pienemmälle paksuudelle kuin hiiliteräkselle, ja leikkausreunassa on työkarkaistu nauha.

Ruostumaton teräs on vahvempaa kuin mieto teräs, ja myös austeniittiset teräslajit kovettuvat: mitä enemmän metalli vääntyy, sitä kovempaa se tulee. Yhdessä nämä tarkoittavat, että giljotiini tarvitsee enemmän tehoa samalle paksuudelle. Ruostumattoman teräksen valmistuskirjallisuudesta toistetut ohjeet sanovat, että tavanomaisia ​​puristus- ja giljotiinilaitteita tulisi normaalisti laskea 40 % hiiliteräsluokitukseen verrattuna, ja terien on pysyttävä terävinä, koska metallin vetäminen tylsän terän yli kovettaa sitä edelleen [11].

Kaksi erillistä koneluetteloa sopii tähän ohjeeseen. Yksi mitoitettu kone leikkaa 3/8 pehmeää terästä, mutta vain 1/4 ruostumatonta [12], ja toinen leikkaa 6 mm pehmeää terästä mutta 4 mm ruostumatonta [14]. Molemmat ovat noin kolmanneksen alempana, samaan suuntaan kuin 40 %:n peukalosääntö.

Terän välyksellä on myös väliä. Samalla välyksellä leikatun reunan sileä kiillotettu vyöhyke on noin 30 % paksuudesta ruostumattomassa teräksessä, mutta noin 50 % vähähiilisessä teräksessä, joten ruostumaton teräs tarvitsee tiukemman välyksen saadakseen saman reunan [10]. Leikkautuneessa reunassa näkyy normaalisti kaatuminen, kiillotettu nauha, karkeampi murtumisalue, purseet ja työkarkaisu, ja karkaistu reuna voi halkeilla, jos kappale muodostuu jälkikäteen [10]. Suunnittele reunan käsittely, kun leikattua aihiota taivutetaan, syvävedetään tai hitsataan.

Miten reunan laatu ja viimeistelytarpeet vertaavat eri menetelmien välillä?

Vesisuihku tuottaa sileimmän reunan suoraan pöydältä, typpilaserleikkaus tuottaa puhtaan, jäysteettömän reunan ohuemmille levyille, plasmareunat tarvitsevat yleensä hiontaa ja leikatut reunat näyttävät kaatumisen ja purseet.

Reunojen kunto ratkaisee kuinka paljon työtä tapahtuu leikkauksen jälkeen. Taulukossa on yhteenveto tyypillisistä tuloksista.

Lähteet: [1] Hypertherm; [2] Flow International (toimittaja); [4] Węglowski ja Pfeifer (hiiliteräs); [6] Tuotteiden viimeistely Q&A; [7] Laser Focus World; [8] Lanier Metal Products; [10] Valmistaja; [15] GMA Garnet -tapaustutkimus (toimittaja).

Kuinka valitsen projektissani plasman, laserin, vesisuihkun ja leikkaustoiminnon välillä?

Aloita paksuudesta ja lämpöherkkyydestä. Käytä leikkausta suorissa leikkauksissa ohuissa levyissä, laseria tarkasti muotoiltuihin osiin noin 25 mm asti, plasmaa paksummille levyille, joissa reunat työstetään tai hiotaan, ja vesisuihkua, kun lämmön syöttöä on vältettävä tai levy on erittäin paksu.

Mitä minun tulee sisällyttää, kun pyydän tarjousta leikatusta ruostumattomasta teräslevystä?

Lähetä laatu ja erittely, paksuus, piirustus, toleranssivaatimus, reunan kunto ja dokumentointitarpeet. Näiden kuuden kohteen avulla prosessori voi valita oikean menetelmän ja lainata tarkasti.

Useimmat lainausviiveet johtuvat puuttuvista reuna- tai dokumentaatiovaatimuksista. Täydelliseen pyyntöön tulee ilmoittaa:

• Materiaali:laatu ja spesifikaatio, esimerkiksi ASTM A240 304L, 316L tai 2205 levy, ja viimeistely.
• Paksuus ja määrä:levyn paksuus, osien lukumäärä ja se, onko sisäkkäisistä levyistä hyväksyttävää.
• Geometria:DXF- tai DWG-piirustus muotoiltuja osia varten tai pituuksia ja leveyksiä suoria leikkauksia varten.
• Toleranssi:ISO 9013 -sarja lämpöleikkauksille [3] tai plus-miinus -toleranssi vesisuihkulle ja leikkausleikkaukselle sekä mahdolliset tasaisuusrajat leikkauksen jälkeen.
• Reunan kunto:vaaditaanko oksidivapaita reunoja ja tarvitaanko leikkauksen jälkeen hiontaa, peittausta tai passivointia ASTM A967 tai A380 mukaisesti.
• Dokumentaatio:pitääkö lämpönumeromerkinnän ja EN 10204 3.1 materiaalitodistusten kulkea läpi leikattuihin osiin.

Usein kysytyt kysymykset

K: Mikä leikkausmenetelmä antaa ruostumattoman teräslevyn puhtaimman reunan?

A: Vesisuihku antaa satiinipehmeän reunan ilman lämpösävyä eikä yleensä tarvitse sivutyötä [2]. Laserleikkaus typen avulla antaa myös kirkkaan, oksidittoman reunan ohuemmalle levylle [7].

K: Tuhoaako plasmaleikkaus ruostumatonta terästä?

A: Ei. Plasmaleikkaus luo kapean lämpövaikutusalueen, tyypillisesti alle 0,25 mm teräkseen [1]. Leikkausreunasta lämpömuodostunut oksidi- ja kromikerros tulee poistaa, jos osa näkee syövyttävän käytön [5].

K: Voiko ruostumaton teräslevy, joka on paksumpi kuin 25 mm, voidaan leikata laserilla?

A: Joskus suurella laserteholla ja ISO 9013 kattaa laserleikkaukset jopa 32 mm [3]. Kustannukset ja reunat kapenevat paksuuden kasvaessa, joten plasma tai vesisuihku on yleensä käytännöllisempi valinta yli noin 25 mm.

K: Pitääkö ruostumaton teräs passivoida leikkauksen jälkeen?

A: Passivointikäsittelyt, kuten ASTM A967 tai A380, palauttavat puhtaan pinnan valmistuksen jälkeen, mutta ne eivät poista luotettavasti lämpömuodostunutta sinistä tai ruskeaa oksidia. Tämä oksidi on parempi poistaa ensin peittauksella tai hiomamenetelmillä [6].

K: Miksi ruostumatonta terästä on vaikeampi leikata kuin lievää terästä?

A: Ruostumattomalla teräksellä on suurempi lujuus, ja austeniittiset teräslajit kovettuvat, kun ne muotoutuvat. Leikkurit ovat tavallisesti noin 40 % alempana verrattuna niiden hiiliteräsluokitukseen [11].

K: Mikä menetelmä on paras duplex- tai nikkeliseoslevylle?

A: Vesisuihku on konservatiivinen valinta, koska se ei lisää lämpöä ja käyttää samaa asetusta kaikille materiaaleille [2]. Myös lämpöleikkausta voidaan käyttää, kun projektispesifikaatio sen sallii ja leikatun reunan poisto ja vastaanottotestaus on sovittu.

Lähteet ja viittaukset

[1] Hypertherm. "Plasman ominaisuudet." https://www.hypertherm.com/solutions/technology/plasma-technology/plasma-attributes/ (plasmanvalmistaja)

[2] Flow International. "Vertaileva leikkaus." https://www.flowwaterjet.com/explore/waterjet-basics/comparative-cutting (vesisuihkukone)

[3] ISO 9013:2017, lämpöleikkaus: lämpöleikkausten luokittelu, geometrinen tuotespesifikaatio ja laatutoleranssit. Laajuus kansallisten standardointielinten julkaisemana, esim. https://www.evs.ee/en/iso-9013-2017

[4] Węglowski, MS ja Pfeifer, T. "Leikkaustekniikan vaikutus leikattujen reunojen ominaisuuksiin." Advances in Manufacturing Science and Technology 38(2), 2014. https://journals.pan.pl//Content/104261/PDF/10264-Volume38-Issue2-paper_05.pdf (S355 hiiliteräs, 10 mm)

[5] TWI. "Kuinka poistan ruostumattomien terästen hitsauksen tai väärän lämpökäsittelyn aikana syntyneen lämpösävyn?" 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] Tuotteet Viimeistely. "Kylmävalssatun teräsputken voiteluaineen hitsaus/puhdistus." https://www.pfonline.com/articles/welding-through-lubricant-on-cold-rolled-steel-tube-cleaning

[7] Laser Focus World. "Paksun profiilin teräksen leikkaaminen kuitulasereilla." https://laserfocusworld.com/industrial-laser-solutions/article/14216008/cutting-thick-section-steel-with-fiber-lasers

[8] Lanier Metal Products. "Kuitu laserleikkaus." https://laniermetalproducts.com/laser-cutting (palveluntarjoaja)

[10] Valmistaja. "Tyhjän reunan olosuhteiden parantaminen." https://www.thefabricator.com/thefabricator/article/bending/improving-blank-edge-conditions

[11] "Rostumattoman teräksen leikkaus" -valmistusohjeet. https://www.tubingchina.com/Shearing.htm (toissijainen kopio; ristiintarkistettu [12] ja [14])

[12] Koneen tekniset tiedot, malli AS375-10 leikkausleikkaus. https://machinehub.com/download/MachineFileAttachment/61791

[13] IEEE TechNav. "Leikkaus." https://technav.ieee.org/topic/shearing/ (viiteyhteenveto, ohjeellinen)

[14] Exapro-jälleenmyyjäluettelo, Gasparini CO/2004 hydraulinen leikkuri. https://www.exapro.com/gasparini-co2004-p260909273/

[15] GMA-granaatti. "Vertaileva tutkimus ruostumattoman teräksen vesisuihkuleikkauksesta vs. laserleikkaukseen" (Jacquet Novan tapaustutkimus). https://gmagarnet.com/resource-hub/comparative-study-of-waterjet-vs.-laser-cutting-for-stainless-steel (hioma-aineiden toimittaja)

[16] SasaMetal. "Rostumattoman teräksen leikkaus." https://www.sakysteel.com/news/stainless-steel-cutting (ruostumattoman teräksen toimittajaluettelo, 2018)