Metody cięcia blachy stalowej -
dobór technologii do materiału i detalu

Wybór metody cięcia rzadko jest wyborem między technologią lepszą a gorszą. Laser światłowodowy o mocy 6 kW tnie stal konstrukcyjną do 25 mm, plazma wysokiej klasy prowadzi cięcie bezzadziorowe do 38 mm i przecinanie do 80 mm, a cięcie tlenowe pracuje na grubościach sięgających 500 mm. Każda z tych metod daje inną jakość krawędzi, inną dokładność i inny koszt jednostkowy. O wyniku decyduje zestawienie grubości, gatunku, wymaganej tolerancji i liczby detali, a nie sama nazwa technologii.

Cięcie laserowe

Laser światłowodowy zdominował cięcie blach cienkich i średnich, głównie dzięki dokładności i jakości krawędzi. Zakresy grubości zależą wprost od mocy rezonatora. Dla maszyny w wersji podstawowej jednego z czołowych producentów europejskich wygląda to następująco.

Wzrost mocy nie przekłada się liniowo na wzrost grubości ciętej. Powyżej pewnego progu rośnie przede wszystkim prędkość cięcia w zakresie grubości średnich, a nie maksymalna grubość. To istotne przy ocenie ofert usługowych: maszyna o wyższej mocy zwykle oznacza krótszy czas realizacji, niekoniecznie szerszy zakres materiałowy.

Znaczenie ma także gaz tnący i technologia procesu. Producenci maszyn rozwijają rozwiązania ograniczające zużycie gazu, deklarując redukcje sięgające 70 procent, co przy dużych seriach realnie wpływa na koszt jednostkowy detalu.

Pod względem jakości krawędzi cięcie laserowe plasuje się typowo w zakresach 2-4 według EN ISO 9013, czyli w górnej części skali dostępnej dla metod termicznych.

Cięcie plazmowe

Plazma jest metodą o najszerszym przedziale zastosowań wśród technologii termicznych. Systemy przemysłowe wysokiej klasy osiągają dla stali węglowej cięcie bezzadziorowe do 38 mm, przecinanie produkcyjne do 50 mm i przecinanie maksymalne do 80 mm. Dla stali nierdzewnej odpowiednio 75 mm przy przecinaniu produkcyjnym i 160 mm przy przecinaniu maksymalnym. Systemy precyzyjne innych producentów deklarują zakres dla stali węglowej od 0,45 mm do 152 mm.

Dokładność zależy przede wszystkim od klasy wyposażenia maszyny, a nie od samego źródła plazmy.

Strefa wpływu ciepła przy cięciu plazmowym jest wąska, typowo poniżej 0,25 mm. Odchyłka kąta krawędzi wynosi 2-3 stopnie dla materiału poniżej 10 mm i spada poniżej 1 stopnia przy grubości 50 mm, co bywa zaskakujące dla projektantów przyzwyczajonych do odwrotnej zależności.

Standardowe cięcie plazmowe mieści się zwykle w zakresie 5 według EN ISO 9013, a systemy precyzyjne osiągają zakresy 2-4 przy odchyłce kąta rzędu 2 stopni, czyli poziom porównywalny z cięciem laserowym. Dostępne są także warianty cięcia pod wodą, ograniczające hałas i emisję, oraz cięcie ukosowe, przygotowujące krawędź pod spawanie w jednej operacji.

Cięcie tlenowe

Cięcie tlenowe pozostaje metodą pierwszego wyboru dla materiałów najgrubszych. Maszynowe palniki hutnicze pracują na grubościach do 500 mm i do 600 mm w zależności od wykonania, z wykorzystaniem propanu lub gazu ziemnego w mieszaninie z tlenem.

Ograniczeniem metody jest sam mechanizm procesu, oparty na egzotermicznym spalaniu żelaza w strumieniu tlenu. Działa on w stali niestopowej i niskostopowej. Producenci maszyn wprost określają przeznaczenie tych urządzeń do materiału niestopowego. W stalach wysokostopowych i w aluminium proces nie przebiega prawidłowo, dlatego materiały te tnie się plazmą, laserem lub strumieniem wody.

Cięcie strumieniem wody

Cięcie strumieniem wody ze ścierniwem obejmuje praktycznie wszystkie materiały i grubości do około 200 mm. Jego wyróżnikiem jest brak oddziaływania cieplnego, co eliminuje strefę wpływu ciepła i zmiany struktury w obszarze krawędzi.

Porównanie z laserem, podawane przez producenta maszyn obu typów, jest instruktywne. Dla stali czarnej i nierdzewnej do grubości około 2 mm lepszą jakość krawędzi daje laser. Powyżej tej grubości przewagę jakościową ma strumień wody. Laser pozostaje jednak zdecydowanie szybszy: przy blasze 3 mm od pięciu do dziesięciu razy, przy 10 mm od trzech do pięciu razy. Orientacyjny koszt operacyjny obu technologii jest zbliżony i mieści się w przedziale kilkudziesięciu złotych za godzinę pracy maszyny.

Wniosek praktyczny: strumień wody wybiera się wtedy, gdy krytyczne jest niedopuszczenie do zmian cieplnych w materiale lub gdy cięty materiał wyklucza metody termiczne, a nie wtedy, gdy liczy się wydajność.

Cięcie mechaniczne i przygotowanie materiału

Osobną grupę stanowią metody, które nie wycinają kształtu, lecz przygotowują materiał do dalszej obróbki.

Nożyce gilotynowe dają szybkie i tanie cięcie prostoliniowe. Krawędź ma charakterystyczny przełom z zadziorem, a materiał w strefie cięcia ulega lokalnemu odkształceniu, co ma znaczenie przy detalach wymagających równej krawędzi pod spawanie lub lakierowanie.

Wykrawanie na prasach rewolwerowych sprawdza się przy detalach powtarzalnych z dużą liczbą otworów, gdzie przewaga wynika z liczby operacji wykonywanych w jednym przejściu.

Cięcie wzdłużne kręgu, czyli slitting, oraz cięcie poprzeczne na linii cut to length to operacje centrum serwisowego, a nie zakładu przetwórczego. W polskich warunkach linie cięcia wzdłużnego obsługują typowo materiał o grubości od 0,2 do 3,0 mm i szerokości do około 1500 mm, przy minimalnej szerokości taśmy rzędu kilkunastu milimetrów i średnicach wewnętrznych kręgu 508 lub 610 mm. Tolerancje szerokości po cięciu określa EN 10051: dla krawędzi obcinanej wynoszą od 0 do +3 mm przy szerokości poniżej 1200 mm, od 0 do +5 mm dla przedziału 1200-1500 mm i od 0 do +6 mm powyżej 1500 mm. Tolerancje grubości opisuje osobny artykuł o tolerancjach grubości blachy.

Dobór formy dostawy materiału, czyli kręgu, taśmy lub arkusza, rozstrzyga się na tym etapie i wpływa na uzysk z tony bardziej niż późniejsza metoda wycinania detalu.

Jakość krawędzi w zamówieniu

Cięcie termiczne ma własną normę jakości. EN ISO 9013 opisuje powierzchnię cięcia dwoma parametrami: tolerancją prostopadłości i pochylenia, oznaczaną jako u, oraz średnią wysokością nierówności profilu, oznaczaną jako Rz5. Na tej podstawie definiuje zakresy jakości, do których można się odwołać w zamówieniu zamiast opisowych sformułowań o czystej krawędzi.

Warto nie mylić tej normy z ISO 17916, która dotyczy bezpieczeństwa maszyn do cięcia termicznego, a nie jakości cięcia. To pomyłka spotykana w materiałach branżowych.

W konstrukcjach objętych EN 1090-2 wymagania są sformułowane wprost. Norma odnosi wyniki badań chropowatości i prostopadłości krawędzi ciętej termicznie do klas wykonania konstrukcji. Dla najczęściej wymaganych klas EXC3 i EXC4 obowiązuje zakres 4 zarówno dla chropowatości, jak i dla prostopadłości. Norma przewiduje również badanie twardości w strefie cięcia dla stali podatnych na utwardzanie, z limitem 450 HV10 dla stali S460, oraz ocenę wizualną krawędzi.

Cięcie blachy powlekanej

Każda metoda termiczna usuwa powłokę w strefie cięcia. Krawędź pozostaje niezabezpieczona, a w wąskim pasie przylegającym do niej powłoka jest uszkodzona przez oddziaływanie ciepła. Dla blach ocynkowanych ma to ograniczone znaczenie praktyczne, ponieważ cynk chroni krawędź katodowo, a zasięg tej ochrony zależy od grubości blachy. W materiale cienkim krawędź może pozostać bez rdzy przez cały okres użytkowania wyrobu, w materiale grubszym wymaga zabezpieczenia.

Cięcie plazmowe blachy ocynkowanej jest technicznie możliwe, ale wymaga zapewnienia wentylacji ze względu na opary cynku uwalniane w strefie cięcia. To ten sam mechanizm, który przy spawaniu prowadzi do powstawania dymu tlenku cynku.

Kryteria doboru

W praktyce zakładowej decyzja układa się w kilka pytań zadawanych w określonej kolejności.

Jaki materiał i jaka grubość. Stal wysokostopowa i aluminium wykluczają cięcie tlenowe. Grubości powyżej 25-30 mm w praktyce wykluczają laser. Grubości powyżej 80 mm kierują w stronę cięcia tlenowego.

Jaka tolerancja detalu. Dokładność rzędu dziesiątych części milimetra osiąga laser i plazma precyzyjna z automatyczną regulacją wysokości palnika. Cięcie ręczne i podstawowe systemy CNC pracują w tolerancjach o rząd wielkości szerszych.

Co dzieje się z krawędzią dalej. Krawędź pod spawanie w konstrukcji objętej EN 1090-2 musi spełniać wymagania zakresu jakości przypisanego do klasy wykonania. Krawędź pod lakierowanie wymaga usunięcia zadziorów. Krawędź, która pozostanie widoczna, stawia dodatkowe wymagania wizualne.

Ile detali i jak powtarzalnych. Przy dużej serii detali powtarzalnych liczy się czas cyklu i koszt gazu. Przy pojedynczych elementach o dużych gabarytach przeważa dostępność i uniwersalność metody.

Czy dopuszczalne jest oddziaływanie cieplne. Jeżeli nie, pozostaje cięcie strumieniem wody lub metody mechaniczne.

Warto pamiętać, że zanim detal trafi na stół do cięcia, przesądzona jest już większość kosztu materiałowego. Dobór formatu arkusza, szerokości taśmy i grubości do konkretnego rozkroju wpływa na uzysk mocniej niż optymalizacja samego procesu cięcia.

Dostępne gatunki stali, rodzaje powłok oraz formaty kręgów, taśm i arkuszy przedstawia oferta blach stalowych HEN-STOL.

Sprawdź jak możemy pomóc

HEN-STOL dobiera formę dostawy i wymiary materiału do planowanego rozkroju, tak aby ograniczyć odpad już na etapie zamówienia. Wystarczy przesłać specyfikację i planowany rozkrój, a sprawdzimy dostępność i zaproponujemy najkorzystniejszy wariant.

+48 664 700 160hs@henstol.pl

Najczęściej zadawane pytania

Źródła

1. EN ISO 9013, Cięcie termiczne - klasyfikacja cięcia termicznego, specyfikacja geometrii wyrobu i tolerancje jakości
2. EN 1090-2, Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych - wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych
3. EN 10051, Taśmy i blachy walcowane na gorąco w sposób ciągły - tolerancje wymiarów i kształtu
4. TRUMPF, dane techniczne maszyn TruLaser serii 1000
5. Hypertherm, dokumentacja systemów HyPerformance oraz materiały o dokładności cięcia plazmowego
6. Kjellberg, dokumentacja systemów HiFocus neo i parametry jakości cięcia
7. Messer Cutting Systems, maszynowe palniki hutnicze do cięcia tlenowego