01 PS 6 2018 Grzes Jakubowski 41PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 6/2018 Zniszczenie główki palnika stosowanego podczas   cięcia przecinarką plazmową CNC Destruction of a head of a torch used while cutting with a CNC plasma cutter Dr hab. inż. Jacek Słania, prof. PCz – Politechnika Częstochowska; mgr inż. Paweł Wilk – LOGITERM. Autor korespondencyjny/Corresponding author: jacek_slania@poczta.onet.pl Streszczenie W artykule omówiono wybrane zagadnienia związane ze zniszczeniem końcówki palnika maszynowego, stosowane- go w przecinarkach plazmowych CNC. Ukazano specyfikę cięcia plazmowego i problematykę ciągłej kontroli prowadzo- nego procesu. Zwrócono również uwagę na zachowanie się ciętego materiału w trakcie wprowadzania ciepła, które może powodować m.in. uwalnianie się naprężeń pozostających w materiale po walcowaniu. Artykuł obrazuje jak ważną kwe- stią są praktyczne szkolenia operatorów i programistów nie tylko w zakresie programowania i cięcia detali, ale również w przypadku załadunku i ściągania wycinanych elementów. Słowa kluczowe: cięcie plazmowe; palnik; uszkodzenia Abstract Selected issues related to the destruction of a head of a machine torch used in the CNC plasma cutters are discu- ssed in the article. The specifics of plasma cutting as well as a problem of a continuous control of the process are present- ed. An attention was also paid to the behavior of the mate- rial being cut during the heat input, which may cause, among others, a release of stresses remaining in the material after rolling. What is more, the article illustrates how important the practical training of operators and programmers is, not only in the field of programming and cutting details, but also in the case of loading and downloading of cut-out elements. Keywords: plasma cutting; torch; damages Wstęp Obecnie istnieje wiele możliwości cięcia materiałów prze- wodzących i nieprzewodzących prąd elektryczny. Obserwu- jąc sytuację na rynku zauważa się ciągłą tendencję zmian i ulepszeń przecinarek plazmowych. Należy tutaj wspomnieć o maszynach podstawowych (standardowych), gdzie gazem plazmotwórczym jest sprężone powietrze, Hight Definition, Fine Plasma, cięciu z tzw. mgiełką wodną lub cięciu pod lu- strem wody. To główne rozwiązania, które coraz częściej są stosowane. Cięcie plazmowe jest procesem rozdzielania materiału za pomocą łuku plazmowego, jarzącego się pomiędzy elek- trodą nietopliwą (hafn, tor, cyrkon) a materiałem. Skoncen- trowany łuk elektryczny powstaje dzięki dyszy plazmowej, której niewielki otwór koncentruje ciepło na małej powierzch- ni. Dużą rolę w całym procesie odgrywa silnie zjonizowany gaz plazmotwórczy [1,5,6]. Cięcie plazmowe (rys. 1) przecinarką CNC wiąże się z szeregiem operacji, jakie należy wykonać, aby móc we wła- ściwy, a tym samym w bezpieczny sposób rozpocząć pracę. Począwszy od tych ściśle podstawowych (przygotowaw- czych), do których zaliczają się: włączenie zasilania (elek- trycznego i gazowego), oględziny zewnętrzne urządzenia, skalibrowanie maszyny (czyli wczytanie punktu zerowego), Jacek Słania, Paweł Wilk przeglad Welding Technology Review załadowanie blachy na stół i w razie konieczności odpowied- nie jej ustawienie, aż po główne: wczytanie programu przed- stawiającego zarys danego elementu, wybranie parametrów pracy, rozpoczęcie wypalania i kontrola. Po wycięciu, detale zdejmowane są ręcznie (małe gabaryty) lub za pomocą suw- nicy (w przypadku większych elementów). Ważnym elemen- tem jest również usunięcie odpadów. Rys. 1. Schemat procesu łączenia – główne etapy [2] Fig. 1. Self-piercing riveting outline [2] DOI: http://dx.doi.org/10.26628/ps.v90i6.931 42 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 6/2018 Opisując poszczególne zdarzenia skupiono się na przy- kładzie zakładu produkcyjnego, wyposażonego w przecinarki CNC, których gazem plazmotwórczym jest sprężone powie- trze. Wykonywane przez firmę wyroby wymuszają koniecz- ność umieszczania na blasze wielu elementów (również w celu maksymalnego wyeliminowania odpadów) o różnych gabarytach z regularnymi zmianami grubości ciętych mate- riałów (najczęściej 1÷6 mm a sporadycznie do 20 mm). Taka sytuacja powoduje, że stół (ustawienie żeber, na których leży blacha) musi być uniwersalny, czyli może być stosowa- ny przy cięciu zarówno przy małych, jak i dużych detali. Praca na stanowisku operatora przecinarki plazmowej CNC (rys. 1) wiąże się zatem z koniecznością ciągłej kon- troli (nadzoru) realizowanego procesu. Warto wspomnieć, że w zależności od grubości przecinanego materiału, pręd- kość cięcia zmienia się; czyli im grubsza blacha tym pręd- kość cięcia będzie mniejsza. Nie znaczy to, że pracownik może opuścić stanowisko zostawiając uruchomione urzą- dzenie; niebezpieczne w niektórych przypadkach mogą być przyspieszone przejazdy pomiędzy wycinanymi elementami. Sam proces cięcia plazmowego składa się z kilku etapów [2]: • najazd ruchem przyspieszonym w odpowiednie miejsce na arkuszu, od którego rozpocznie się cięcie; • obniżenie palnika, dotknięcie blachy i podniesienie go do wysokości umożliwiającej zajarzenie łuku pilotującego; • zajarzenie łuku głównego; • przebicie blachy przez łuk plazmowy; • kontrola i stabilizacja łuku plazmowego; • kontrola i regulacja odpowiedniej wysokości palnika od blachy; • rozpoczęcie ciecia; • kontrola procesu; • zakończenie cięcia; • podniesienie palnika; • przejazd ruchem przyspieszonym w kolejne miejsce. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy schemat ru- chów palnika po rozpoczęciu cięcia. W związku z tym, że podczas procesu cięcia dochodzi do szeregu zjawisk, istnieje pewne niebezpieczeństwo uszko- dzeń czy zniszczenia palnika (rys. 3). Najczęściej są one spo- wodowane: • błędem ludzkim: nieodpowiednio przygotowany program, nieprzystosowany program w stosunku do usytuowania żeber, na których leży materiał czy uderzenie zakładaną lub ściąganą blachą (detalem); • czynnikiem zewnętrznym: uwolnieniem naprężeń w ma- teriale podczas cięcia, niekontrolowanym zachowaniem urządzenia (błędem); • mają charakter przypadkowy. Zniszczenie główki palnika, najczęściej wiąże się ko- niecznością jego wymiany na nowy. Jakiekolwiek próby regeneracji są zabronione i grożą utratą gwarancji, a nawet uszkodzeniem urządzenia. Zniszczenie palnika  spowodowane przegrzaniem Jeśli nie ma zapewnionego całodobowego ogrzewania hali produkcyjnej (miejsca, w którym znajduje się przecinar- ka) do chłodzenia należy zastosować płyn niezamarzający na bazie glikolu lub innego składnika, zgodnie z zaleceniem producenta źródła prądu. Przy długo utrzymującej się tem- peraturze ujemnej na zewnątrz oraz w przypadku dłuższego zatrzymania produkcji np. w okresie między świątecznym, może dojść do zamarznięcia cieczy chłodzącej w cienkich przewodach, łączących agregat plazmotwórczy z palnikiem. Rozpoczęcie cięcia spowoduje szybkie przegrzanie palnika, a tym samym jego zniszczenie. Aby temu zapobiec operator powinien włączyć zasilanie agregatu i sprawdzić, czy pompa transportuje ciecz do zbior- niczka. Nieuczynienie tego skutkowało awarią urządzenia i zniszczeniem palnika (rys. 4). Inny palnik, który został uszkodzony w podobnych okolicznościach przedstawiono na rysunku 5. Rys. 2. Schemat ruchów palnika po zainicjowaniu cięcia [2] Fig. 2. Diagram of a torch motions after initiating a cutting process [2] Rys. 3. Nowy palnik do ciecia plazmowego chłodzony cieczą Fig. 3. New liquid-cooled plasma cutting torch Rys. 4. Efekt pracy bez chłodzenia palnika – widoczny brak głowicy Fig. 4. Effect of work without cooling a torch – a lack of a head is visible Rys. 5. Nowy palnik do ciecia plazmowego chłodzony cieczą Fig. 5. New liquid-cooled plasma cutting torch Zniszczenie palnika spowodowane  uderzeniem  podczas  załadunku  blachy/ zdejmowania wypalonych detali  Z reguły na portale (stoły) plazmowa blacha o większych gabarytach jest transportowana za pomocą suwnicy. W takim przypadku przed załadunkiem/zdjęciem należy oddalić się suportem na skrajnie najdalsze położenie, aby przygotować miejsce do manewrowania blachą. W omawianej sytuacji pra- cownik zatrzymał suport zbyt blisko ciętych blach, dodatkowo wózek wciągarki suwnicy nie znajdował się w osi ściąganego detalu; podczas podnoszenia elementu nastąpiło uderzenie blachą o palnik (niewiele brakowało, a zostałby uszkodzony suport). Siła uderzenia doprowadziła do złamania (rys. 6) i roz- szczelnienia palnika, a także wycieku płynu chłodzącego. 43PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 6/2018 Zniszczenie palnika spowodowanego  zderzeniem (zahaczeniem) o wycięty  wcześniej element podczas cięcia Cięcie plazmowe pozwala na cięcie dużej liczby elemen- tów o skomplikowanych kształtach, które można umieścić na arkuszu blachy. Oczywiście, aby cięcie było najbardziej ekonomiczne (z minimalną ilością odpadu), miejsca nieza- gospodarowane elementami głównymi uzupełnia się mniej- szymi detalami (potrzebnymi w dalszym toku produkcji). Wycięte części mogą mieć skłonność do przechylania się i wpadania pomiędzy żebra, na których leży blacha. W za- leżności od producenta urządzenia, a także potrzeb produk- cyjnych danego zakładu, żebra te mają różne kształty i kie- runki (mogą być skierowane również pod różnymi kątami), jak również odległości pomiędzy nimi mogą być inne. Do zniszczenia palnika doszło w momencie, gdy wycięty wcześniej detal przechylił się i wystając ponad blachę na- chodził na pozostałą (nieobrobioną jeszcze) część arkusza. Operator tego nie zauważył i podczas cięcia kolejnego ele- mentu (sąsiadującego), palnik najechał na wystający detal, efektem czego było jego skrzywienie. W związku z tym, że prędkość cięcia była niewielka, ope- rator miał możliwość wyłączenia i zatrzymania procesu – ale akurat w momencie kolizji był zajęty rozmową z in- nym pracownikiem. Palnik po dokładnych oględzinach i stwierdzeniu poważ- nych uszkodzeń wewnętrznych został skierowany do zezło- mowania, podobnie jak połamana tuba (rys. 7). Odległości pomiędzy żebrami powinny być dostosowane do wielkości wycinanych elementów, np. przy wycinaniu drob- nych detali odstępy muszą być dużo mniejsze, tak aby zapo- biec wpadaniu ich pomiędzy (ryzyko uszkodzenia palnika lub wspomnianych części poprzez nacięcia itp.). Niewielkie odległości stwarzają konieczność szybszej ich wymiany z racji intensywniejszego nacinania łukiem plaz- mowym, a dodatkowo wymuszają częstsze czyszczenie przestrzeni między nimi (nieusuwana wypływka wraz z in- nymi odpadami utrudnią właściwą wentylację stołu plazmo- wego, a także powodują problemy z równym, płaskim ułoże- niem blachy). W niektórych miejscach arkusz może nie mieć podparcia (rys. 8). Rys. 6. Złamany palnik Fig. 6. Broken torch Rys. 8. Brak równomiernego podparcia ciętego materiału, spowodo- wana m.in. nadmierną ilością wypływki nagromadzonej na żebrach Fig. 8. Lack of a steady support of the material being cut, caused by, among others, an excessive amount of flashing accumulated on the fins Rys. 7. Uszkodzony palnik i tuba przytrzymująca go w suporcie Fig. 7. Damaged torch and a tube holding it in the support Zniszczenie palnika spowodowane  zahaczeniem o wystający element  przy przejeździe ruchem przyspieszonym Tak jak wspomniano, cięcie plazmowe wymaga nie tylko czujności operatora, ale również determinuje programistę do przemyślanego tworzenia programów. Osoba programu- jąca ułożenie detali na arkuszu podczas projektowania musi wiedzieć jak zbudowane jest urządzenie. Dodatkowo powinna przewidywać, co może się stać w danej chwili i czy w ogóle przecinarka, a także operator, są w stanie wyciąć dany element (grupę elementów) bez komplikacji. Podobnie jest z pracow- nikiem; myślący operator (fachowiec) po spojrzeniu na roz- mieszczenie detali i umieszczeniu zajarzeń łuku potrafi okre- ślić potencjalne miejsca, gdzie mogą pojawić się problemy. W omawianym przypadku doszło do nałożenia się na sie- bie kilku kwestii. Nieprawidłowo rozlokowane podłużne elementy na arku- szu, obszary cięcia umieszczone w nieodpowiednim miej- scu, ustawienie żeber (rys. 9) na stole przecinarki równole- gle do dłuższego boku i brak kontroli osoby realizującej pro- gram cięcia. Palnik z punktu zerowego przejechał w okolicę środka pierwszego detalu, aby go napunktować. Następnie prze- mieścił się do miejsca wcięcia i zaczął wycinać element. Po wycięciu, zgodnie z ustaloną trajektorią miał przejechać ruchem przyspieszonym do środka detalu drugiego, aby go napunktować. W tym samym momencie wycięty element 1 wpadając między żebra spowodował natychmiastowe za- blokowanie palnika, jego rozszczelnienie, naruszenie miejsc przyłączenia przewodów elektrycznych i zniszczenie tuby (rys. 10). Trwało to ułamek sekundy i nie było żadnej możli- wości zatrzymania procesu. Siła uderzenia (zahaczenia) była tak duża, że spowo- dowała rozszczelnienie łącznika doprowadzającego ciecz chłodzącą do palnika. 44 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 6/2018 Aby uniknąć takiego zdarzenia, detale powinny być usta- wione prostopadle do żeber, a jeśli nie ma takiej możliwości, należy zmienić punkt wcięcia łuku plazmowego. Najlep- szym rozwiązaniem jest jednak zmiana ustawienia żeber i przestawienie ich o pewien kąt np. 45° (rys. 11). Takie usy- tuowanie zapobiegnie wpadaniu dłuższych, ale smuklej- szych detali. Rys.  9.  Po lewej: Wydruk z programu WRYKRYS (ustawienie ele- mentów wzdłuż stołu); Po prawej: umiejscowienie żeber na portalu przecinarki plazmowej Fig. 9. On the left: a print from the WRYKRYS programme (setting elements along the table); on the right: placement of the fins on the plasma cutting portal Rys. 12. Dysze plazmowe: po lewej – uszkodzenie spowodowane chwilowym zetknięciem dyszy z materiałem; po prawej – widoczne dwa rowki, które są wynikiem kontaktem o wystające elementy Fig. 12. Plasma nozzles: on the left – a damage caused by a tempo- rary contact of a nozzle with the material; on the right – two visible grooves, which are the result of a contact with protruding elements Rys. 13. Głowice osłonowe Fig. 13. Cover heads Rys. 10. Zgięty palnik i zniszczona tuba Fig. 10. Bent torch and a destroyed tube Rys. 11. Użebrowanie stołu plazmowego – kąt ok. 45° Fig. 11. Plasma table finning – angle of about 45° Miejsce wcięcia Punkt 0,0Miejsce napunktowania Zniszczenie dyszy plazmowej  i osłony głowicy Cięcie plazmowe powoduje wprowadzenie do materiału dużej ilości ciepła. Uzależnione jest to od grubości blachy, a także prędkości samego procesu. Ciepło połączone z roz- dzielaniem materiału na mniejsze elementy niejednokrotnie powoduje, że w trakcie ujawniają się naprężenia znajdu- jące się w stali. Uwolnienie ich prowadzi do odkształceń poszczególnych detali. Bardzo często w takiej sytuacji po za- kończeniu cięcia element energicznym ruchem odbija i ude- rza w palnik od spodu, uszkadzając tym samym dyszę gazo- wą. Nagłe zmiany wysokości stwarzają możliwość zetknięcia otworu dyszy z materiałem, co spowoduje jej uszkodzenie (rys. 12). Inny element, jakim jest głowica osłonowa, zużywa się poprzez oddziaływanie wysokiej temperatury, jak również przez uszkodzenia mechaniczne (zahaczanie bokami o wy- stające, rozgrzane elementy)(rys. 13). Zachowanie wyciętego elementu może być bardzo różne. Wiele zależy od gatunku materiału, grubości, a także od pro- cesu wytwarzania. Dzięki odpowiednim czujnikom palnik obniża się (lub podnosi), tak aby zachować podaną długość łuku plazmowego albo wartość napięcia. Odległość palnika jest wprost proporcjonalna do długości łuku – im odległość jest większa, tym napięcie jest większe i odwrotnie. Wspomniane zjawiska dotyczące uwalniania się naprę- żeń własnych spowodowane są poprzez lokalne nagrze- wanie blachy [3], a także są wynikiem procesu walcowania blachy w hucie [4]. Należy podkreślić, że odkształcenia deta- li podczas cięcia są kwestią problematyczną z kilku powo- dów: utrudniają cięcie, mogą powodować przesuwanie się danych elementów na stole plazmowym (uszkadzając je), czy doprowadzić do zniszczenia palnika lub jego elementów. Problem z odkształcaniem blach jest spotykany głównie przy cięciu cieńszych materiałów – oczywiście istotne są również ich gabaryty, im blacha grubsza tym jej sztywność jest większa. Występowanie naprężeń i odkształceń nie jest jednak tak oczywiste i powtarzalne. Wielokrotnie nie poja- wiają się żadne komplikacje podczas pracy, innym razem od- kształcenia mogą sięgać nawet kilkudziesięciu milimetrów w pionie, co powoduje konieczność zatrzymywania i ponow- nego wznawiania pracy (rys. 14). Jest to uciążliwe i może powodować zdeformowanie/uszkodzenie powierzchni cię- cia, co z kolei wymusi zastosowanie obróbki mechanicznej, a w niekorzystnych okolicznościach konieczność naprawy (poprzez napawanie) lub ostatecznie zezłomowanie. 45PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 6/2018 Rys. 14. Znaczne odkształcenie wypalanych blach o grubości 1 mm Fig. 14. Significant deformation of burnt sheet metal of 1 mm thick Rys. 15. Zbyt niskie opuszczenie osłon mogą uniemożliwiać dobrą obserwację Fig. 15. Moving down the covers too low may prevent a proper ob- servation Zabezpieczenie przed kolizją z materiałem jest bardzo trudne, ponieważ czym innym jest lekkie, wolne dotknięcie albo zbliżenie się materiału do palnika (wówczas najczę- ściej zadziała system antykolizyjny, jeśli dane urządzenie jest wyposażone), a czym innym zaś nagłe uderzenie z dołu lub boku. W związku z powyższym ważna jest odległość dzieląca osłonę od materiału ciętego (której zadaniem jest zasłonię- cie łuku plazmowego), ponieważ jeśli jest zbyt blisko blachy to uniemożliwia operatorowi zaobserwowanie nieprawidło- wości (rys. 15). Podsumowanie  Reasumując, cięcie plazmowe jest operacją, podczas której może dojść do zniszczenia palnika, jego elementów a czasem także ciętego materiału. Częstym powodem takiego stanu rzeczy są błędy ludzkie, m.in. brak wyobraźni, nieumiejętność przewidywania pewnych zachowań zarówno urządzenia, jak i materiału ciętego, czy w końcu nieodpowiednia kontrola same- go procesu. Omówione zdarzenia mogą generować niepotrzebne koszty związane z wymianą główki palnika (podzespołów), straty związane z ewentualnym złomowaniem danego detalu, jak również konieczność zatrzymania toku produkcyjnego i przeprowadzenie naprawy. Dobrym zwyczajem jest wprowadzenie zasady, aby po każdym takim zdarzeniu, przeanalizować sytuację i określić, dlaczego do tego doszło i jak w przyszłości można temu zapobiec. Nie bez znaczenia są także szkolenia poszczególnych pracowników i uczulanie ich na konkretne sytuacje. Literatura [1] Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera Spawalnictwo, Tom 2, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2003. [2] Instrukcja obsługi przecinarki plazmowej STIGAL VX STANDARD [3] Słania J.: Plany spawania. Teoria i praktyka. Agenda Wydawnicza SIMP Redakcja Przegląd Spawalnictwa, Warszawa 2013. [4] Ferenc K., Ferenc J.: Konstrukcje spawane. Połączenia. Wydawnictwa Na- ukowo-Techniczne, Warszawa 2006. [5] Vanschen W.: Plasmaschneiden – Teil 1Prinzip, Düsengeometrien, Gase. DER PRAKTIKER, 2004, t. 56, nr 1, s. 22-24. [6] Vanschen W.: Plasmaschneiden – Teil 2 Leistungs - und Qualitätsbeein- flussungen, Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz. DER PRAKTIKER, 2004, t. 56, nr 2, s. 48-51.