Autogeeninen leikkaus – yksi vanhimmista metallin leikkausmenetelmistä
Mitä on polttoleikkaus ja miten se tarkalleen ottaen toimii?
Autogeeninen polttoleikkaus on menetelmä yleisten rakenneterästen leikkaamiseen. Sitä käytetään sekä manuaalisesti (käsikäyttöinen leikkauspoltin, yleensä katkaisuleikkaukset) että koneellisesti (polttoleikkauskone, laatuleikkaukset). Autogeeninen leikkausmenetelmä (mekaaninen) on menettänyt merkitystään korkealujuuksisten terästen ja muiden leikkausmenetelmien, kuten laserleikkauksen ja plasmaleikkauksen, kehittymisen myötä. Siitä huolimatta se on edelleen taloudellinen leikkausmenetelmä yli 20 mm:n paksuisille levyille. Autogeeninen leikkaus on palamis-/hapetusprosessi (hapettumisen aikana metallit reagoivat hapen kanssa), jossa merkittävä osa prosessiin tarvittavasta energiasta saadaan materiaalin palamisesta. Autogeeninen leikkaus mahdollistaa useiden leikkauspolttimien samanaikaisen käytön.
Lämmitysliekki, joka on palavan kaasun ja hapen seos, lämmittää leikkauskohdan syttymislämpötilaan. Kun tämä lämpötila on saavutettu, lisätään leikkaushappi ja leikkausprosessi käynnistyy. Leikkaushapen suihkussa teräs palaa rautaoksidiksi (kuonaksi). Leikkaushapen suihkun paine ja virtausnopeus ajavat kuonan pois leikkausraosta. Polttoleikkausprosessin suorittamiseksi teräksen on oltava "polttoleikattavaa". Perusedellytys on siis, että syttymislämpötila (~1 150 °C) on alhaisempi kuin sulamislämpötila (~1 500 °C).
Mitä polttokaasua tulisi käyttää – ja vaikuttaako hapen puhtaus prosessiin?
Polttokaasut leikkausprosessia varten
Leikkausprosessin liekkiin voidaan käyttää "tavallisia" palavia kaasuja:
- Asetyleeni
- Propaani
- Maakaasu (metaani)
- Etyleeni
Mekaanisessa polttoleikkausprosessissa taloudellisuus on olennainen kriteeri, mutta myös toiminnalliset olosuhteet, kuten kaasun saanti, kaasun hinta, kaasun kulutus jne. Leikkausprosessin aloittamiseksi ja polttoleikkauksen jatkamiseksi on tärkeää, että liekki (polttoainekaasu) on tehokas.
Hiilivetyyhdisteiden palaminen tapahtuu kahdessa vaiheessa. Ensisijaisessa liekissä tapahtuu epätäydellinen palaminen syötetyn lämmityshapen avulla. Kun happea otetaan ympäröivästä ilmasta, polttoaine kaasut palavat kokonaan toissijaisessa liekissä. Polttoaine kaasut eroavat toisistaan liekin lämpötilan ja syttymis- ja palamisnopeuden sekä siten ensisijaisen liekin tehon (kJ/cm2 . S) suhteen.
Autogeenisissä prosesseissa primääri liekin vaikutus on erityisen tärkeä.
Asetyleeni
- Korkein liekin lämpötila ja ensisijaisen liekin teho
- Korkea leikkausteho verrattuna muihin palaviin kaasuihin
- Jos kaasun kulutus on jatkuvasti > 500 l/h, useita kaasupulloja on kytkettävä toisiinsa (pulloniput). Siksi kaasun syöttö on monimutkaisempaa kuin propaanin/etyleenin tapauksessa
Propaani
- Pienempi primaarinen liekkiteho; siten pienempi leikkausteho (erityisesti viistoleikkauksissa)
- Pitkät lämpenemis- ja rei'itysaajat
- Happikulutus lämmittävälle liekille on noin neljä kertaa suurempi kuin asetyleenille
- Propaani varastoidaan nestemäisessä muodossa, joten käytettävissä on suurempia kaasumääriä
Hapen tehtävät
Leikkaushappi
Leikkaushappi on prosessikaasu, jolla on seuraavat tehtävät:
- teräksen hapettaminen (polttaminen)
- reaktiotuotteiden (kuona, rautaoksidit) poistaminen leikkausraosta ja siten leikkausraon muodostaminen
Lämmityshappi
Lämmityshappi tarvitaan polttokaasun polttamiseen (lämmitysliekki). Korkea liekkiteho tehostaa polttoleikkausta. Hapen vakiopuhtaus/laatu on 99,5 tilavuusprosenttia (2,5). Tämä laatu riittää polttoleikkausprosessiin. Korkeammalla hapen puhtaudella, esim. 99,95 tilavuusprosenttia (3,5), saavutetaan suurempi leikkausteho ja parempi leikkauslaatu.
Kaasunkulutus riippuu polttimen koosta. Leikkaustabellit ovat tärkeitä asiakirjoja leikkauslaadun ja leikkaustehon varmistamiseksi – ne ovat perusta parametrien määrittämiselle autogeenisessä polttoleikkauksessa.
Mitä materiaaleja voidaan leikata polttamalla ja mitä hiiliekvivalentti kertoo?
Materiaalit, jotka täyttävät polttoleikkausolosuhteet, ovat:
- Seostamaton teräs
- Matala-seostettu teräs
- Valurauta
- Titaani
Terässeosten leikattavuus:
Leikattavuuteen vaikuttaa paitsi hiilipitoisuus myös muiden seosaineiden lukumäärä ja määrä:
Seosaineet | Ominaisuudet |
| Hiili | Kaikki seostamattomat, puhtaat hiiliteräkset, myös teräkset, joiden C-pitoisuus on enintään 0,3 %. Korkeampi C-pitoisuus vaatii myös korkeamman esilämmityslämpötilan, C:n yläraja on 2 %. |
| Pii | Teräkset, joiden Si-pitoisuus on enintään 2,5 % ja C-pitoisuus enintään 0,25 %. |
| Mangaani | Puhtaat mangaaniteräkset, joiden Mn-pitoisuus on enintään 13 % ja C-pitoisuus enintään 1,3 %. |
| Krom | Kromipitoisuuden kasvu heikentää leikattavuutta, enintään 2,2 % Cr. Lämpöliekki polttoleikkauksessa kromiteräksillä, joissa on hieman ylimääräistä asetyleeniä. |
| Nikkeli | Teräkset, joiden Ni-pitoisuus on enintään 5 %, voidaan leikata polttamalla ilman ongelmia. |
| Kupari | Teräkset, joiden Cu-pitoisuus on enintään 0,7 %. |
| Tungsten | W-pitoisuus voi olla enintään 10 %, kun C-pitoisuus on 0,8 %. |
| Molybdeeni | Mo heikentää polttoleikkausominaisuuksia, on verrattavissa Cr:ään. |
| Al | Tavalliset Al-pitoisuudet eivät vaikuta leikattavuuteen. |
Hiiliekvivalentti CÄQ:
Noin 80 % rakenneteräksistä voidaan leikata polttamalla ongelmitta, eli ilman lisäkuumennusta. Levyn paksuuden ollessa > 30 mm esilämmitys on syytä ottaa huomioon. Esilämmityksen määrittämiseen voidaan käyttää hiiliekvivalenttikaavaa. Hiiliekvivalenttia teräksille voidaan käyttää arvioimaan, mistä levyn paksuudesta tai mistä materiaalista alkaen esilämmitys on tarpeen kovettumisen estämiseksi.
Työturvallisuus leikkauspoltossa
Polttoleikkauksessa voi esiintyä useita työterveysriskejä:
| Altistumisen tyyppi | Kuvaus ja raja-arvot |
| Savut, pölyt | Happi reagoi teräksen tai seosten (oksidien) kanssa ja muodostaa savua ja pölyä. Savu: Kaasumainen palamisen jäämä, joka voi sisältää noki- ja oksidipartikkeleita. Pöly: on yleisnimitys kaasujen, erityisesti ilman, sisältämille hienojakoisille kiinteille hiukkasille. MAK-arvo: 5,0 mg/m³ |
| Nitrosit kaasut tai typpioksidit (NOx) | Lämmitysliekistä lähtevä N₂:n ja O₂:n reaktio (terminen NOx, NO + NO₂). NOx-pitoisuuksien nousu hengitysilman NOx-pitoisuuksien nousu vaikuttaa negatiivisesti keuhkojen toimintaan. MAK-arvo: NO₂: 3 ppm, NO: 25 ppm |
| Optinen säteily | Lämmitysliekistä lähtevä optinen säteily voi vahingoittaa silmiä. Suojalasien käyttö suojatasolla 4–5 on pakollista. |
| Melu | Polttoleikkauksen melutaso, erityisesti suuritehoisilla suuttimilla, voi olla yli 85 dB (altistumisen raja-arvo). On suositeltavaa käyttää kuulonsuojaimia. |
Haitalliset kaasut, höyryt, savu ja pöly on imettävä pois, erityisesti ahtaissa tiloissa.