Лазерное бурение бетона


Сухое сверление бетона

В состав бетонных смесей, используемых при строительстве, входят такие крупнозернистые материалы, как щебень и гравий. Кроме того, бетонные конструкции армируют. Поэтому инструмент при сверлении должен преодолевать металлические и каменные преграды. Качество отверстия, просверленного в бетоне, напрямую зависит от правильного выбора инструмента и способа сверления.

Сухой способ сверления бетона – это процесс формирования отверстия без применения воды или какой-либо другой охлаждающей жидкости. На сегодняшний день сложно себе представить более надежный, безопасный и точный метод, чем сверление бетонных поверхностей инструментами с алмазным напылением. Такое сверление выполняется специальными установками, которые в свою очередь требуют определенных навыков обращения с ними. Поэтому за помощью лучше обращаться к профессионалам, которые хорошо знают, как это сделать быстро и качественно.

Алмазный инструмент позволяет сверлить отверстий диаметром от 15 до 1000 мм и глубиной до 5 м

Перечень задач, решаемых с помощью сверления, очень широк.

В основном, алмазное сверление используют при создании отверстий в перекрытиях и стенах для:

  • труб отопления, газоснабжения, электроснабжения;
  • систем противопожарной безопасности;
  • вентиляционных систем и кондиционеров;
  • различных коммуникаций (интернет, телефон и пр.);
  • установки ограждений и перил на лестничных проемах;
  • монтажа химических анкеров;
  • монтажа оборудования для бассейнов.

С помощью технологии алмазного сверления можно также выполнять резку проемов в перекрытиях и стенах под вентиляционные короба, двери, окна и прочие нужды в том случае, когда нет возможности использовать для этого специальное оборудование для резки бетона.

Технология данного метода заключается в том, что по периметру будущего проема высверливаются отверстия диаметром 130-200 мм. Затем края проема выравниваются с помощью перфоратора или цементно-песчаной смеси. Несмотря на то, что этот способ требует больших затрат времени, результат практически ничем не отличается от резки. Называется такая технология строчным алмазным сверлением.

Сверление бетона без удара

Технология алмазного сверления основывается на уникальной особенности алмаза – его непревзойденной твердости. Режущая кромка сверлильного инструмента покрыта алмазосодержащим напылением, так называемой «матрицей». В процессе сверления алмазные сегменты инструмента производят в зоне реза безударное локальное разрушение. Одновременно с разрушением бетона происходит истирание и самой матрицы, но так как она многослойна, то на ее поверхность выступают новые алмазные зерна и рабочая кромка долгое время остается острой.

Алмазное сверление имеет одно очень важное преимущество – полное отсутствие жестких воздействий на бетонную поверхность и невыносимого шума. Такие положительные качества делают алмазную технологию незаменимой при проведении ремонтных работ в квартирах многоэтажных домов. Алмазное сверление позволяет избежать образования трещин на поверхностях стен, которые рано или поздно приводят к полной утрате их несущих способностей, снижению уровня тепло- и звукоизоляции, ухудшению прочностных характеристик.

Поскольку при монолитном строительстве невозможно заранее заложить все технологические отверстия под различные нужды, сверление алмазным инструментом становится единственным способом создания проемов при прокладке труб отопления, водоснабжения и прочих коммуникаций. Использование отбойного молотка для подобной работы является не только экономически невыгодным, но и крайне небезопасным, поскольку динамические нагрузки на армирующие пояса способны вызвать образование трещин в бетонных поверхностях.

Алмазный инструмент популярен благодаря такому его достоинству, как способность сверлить бетон с любой степенью армирования

Алмазное сверление может производиться двумя способами: с применением воды, уменьшающей нагрев инструмента, а также «всухую». Технологически сухое сверление намного проще и поэтому удобнее. Выполняют его с помощью специальных коронок, называемых «сухорезами». В корпусе этих коронок имеются сквозные отверстия, обеспечивающие отвод тепла и уменьшающие риск деформации.

В отличие от инструмента для «мокрого сверления», алмазные сегменты которого крепятся к рабочей поверхности с помощью припоя, коронки для сухого сверления изготавливают исключительно с применением лазерной сварки.

Почему так важна лазерная сварка алмазных сегментов при сухом способе сверления? Ответ очень прост: температура в зоне сверления без использования охлаждающей жидкости очень быстро поднимается до 600 градусов.

Такая температура является точкой плавления обычного припоя, поэтому сегмент, припаянный с его помощью, напросто отлетает и остается в отверстии. Для продолжения работы сегмент необходимо достать из отверстия, поскольку просверлить его невозможно. Инструмент с сегментами, приваренными лазерной сваркой, способен выдерживать достаточно высокие температуры и не «засаливается» во время работы.

Идею сухого сверления отверстий в бетонных поверхностях одной из первых предложила компания Husqvarna. Ею был разработан для этого способа специальный переходник с возможностью подключения к пылесосу.

Пылесос вытягивает пыль, образовавшуюся в ходе сверления, и одновременно охлаждает коронку. Так как переходник подключается к основанию коронки, то пыль собирается непосредственно в зоне сверления и не распространяется по всему помещению.

Преимущества сухого сверления

Основное преимущество сухого алмазного сверления – возможность использования данного способа в тех случаях, когда применение водяного охлаждения недопустимо. Кроме того, установку для сухого сверления можно использовать в относительно небольших помещениях. Установка для мокрого способа занимает намного большую площадь, поскольку она оснащена, как правило, довольно внушительной емкостью для воды, используемой для охлаждения инструмента.

Сухой способ сверления отверстий в бетоне особенно актуален тогда, когда работы проводятся:

  • в непосредственной близости от электропроводки;
  • на объектах, где отсутствует водоснабжение;
  • в помещениях с чистовой отделкой;
  • с риском затопления водой нижних помещений.

К сожалению, сухой способ имеет немало недостатков. Главный из них – невозможность работы с максимальной производительностью и степенью нагрузки. Это связано с быстрым нагревом алмазных сегментов, что приводит к снижению ресурсоемкости инструмента и его быстрому выходу из строя. При сухом способе процесс сверления периодически прерывается для охлаждения инструмента воздушно-вихревыми потоками.

Сухое сверление имеет ограничения по диаметру и глубине отверстий

Таким образом, мокрое сверление является преимущественным способом, несмотря на то, что его применение влечет дополнительные усилия по организации работ, а именно, необходимо заботиться о подаче и отводе воды. Однако, при проведении работ достаточно большого объема, дополнительные усилия, связанные с подачей воды, будут не так обременительны по сравнению с издержками сухого способа. Иначе говоря, намного легче позаботиться о подаче и отводе воды, чем производить сверление с большими затратами усилий и времени.

Используемый инструмент для обработки

Для сухого сверления используют алмазные коронки, не нуждающиеся в дополнительном охлаждении. Они охлаждаются за счет воздушных потоков и качественной смазки. Коронка имеет вид пустотелого металлического цилиндра. На одном конце этого стакана располагается режущая кромка с алмазным напылением. Другая или тыльная сторона коронки предназначена для крепления в используемом оборудовании и имеет заглушку.

Коронка во время сверления производит круговые режущие движения. Эти движения происходят на большой скорости и под давлением, поэтому инструмент очень точно разрушает нужный участок бетонной поверхности. От силы давления напрямую зависит скорость сверления и изнашиваемость инструмента. Очень высокое давление приводит к быстрому разрушению инструмента, а очень низкое существенно снижает скорость сверлильных работ. Поэтому очень важен правильный расчет силы механического воздействия. При расчете этой силы необходимо учитывать общую площадь алмазных сегментов и тип обрабатываемого материала.

Существует огромное количество разновидностей алмазных коронок. В зависимости от размеров их делят на:

  • малогабаритные;
  • средние;
  • крупногабаритные;
  • сверхрупные.

К малогабаритным относят коронки диаметром 4-12 мм. Их, в основном, используют для сверления небольших отверстий под электропроводку. Средние насадки имеют диаметр 35-82 мм и используются для сверления отверстий под розетки, небольшие трубы и т. п.

Крупногабаритные коронки диаметром 150-400 мм применяют для сверления отверстий в капитальных железобетонных конструкциях, например, для ввода высоковольтных электрокабелей или канализации. Насадки с диаметрами 400-1400 мм находят применение при разработке довольно мощных объектов инфраструктуры. На самом деле и 1400 мм для коронок – не предел.

Под заказ можно сделать и более крупную насадку. Важным параметром является также длина сверлильного инструмента. Длина самых коротких насадок не превышает 15 см. Длина коронок среднего класса составляет 400-500 см.

В зависимости от формы режущей поверхности различают корончатые сверла по бетону следующих видов:

  • кольцевые. Имеют вид сплошной алмазной матрицы в форме кольца, прикрепленной к корпусу. Обычно такие сверла имеют небольшой диаметр, но бывают и исключения;
  • зубчатые являются самым распространенным видом корончатых сверл. ;
  • комбинированные. Такие коронки используются, в основном, для специальных видов работ по бетону.

Режущая часть зубчатых коронок состоит из отдельных алмазных элементов, которых может быть от 3 до 32

Материал, из которого изготавливаются сегменты и в котором закрепляются алмазы, называют связкой, а на языке профессионалов – матрицей. Она придает алмазному сегменту форму и прочность. Матрица во время практического применения должна изнашиваться таким образом, чтобы «рабочие» алмазы после затупления отламывались, а в качестве их «замены» на режущую поверхность выступали новые и острые алмазы.

В зависимости от расположения алмазов в матрице режущих сегментов коронки делятся на:

  • однослойные. Матрица в этом случае имеет всего один поверхностный слой алмазных резцов. Их плотность составляет не более 60 шт/карат. Однослойные алмазные насадки считаются самыми недолговечными. Их применяют, в основном, для сверления бетона без арматуры;
  • многослойные. Плотность микрорезцов в таких матрицах может составлять до 120 шт/карат. Многослойные коронки называют также самозатачивающимися. При износе поверхностного слоя алмазов обнажается следующий слой;
  • импрегнированные. Такие коронки также имеют матрицу с несколькими слоями алмазных зерен, но их плотность составляет около 40-60 шт/карат.

Несмотря на разнообразие типов алмазного инструмента, структура его конструкции идентична. Как правило, он состоит из несущего металлического корпуса и алмазосодержащего слоя, который непосредственно взаимодействует с материалом и является основой инструмента. Этот слой представляет собой связку из алмазов и металлического порошка.

Чем более точно подобран состав связки, тем эффективнее и качественнее будет работать алмазный инструмент в целом. Стандартной рецептуры изготовления связки не существует.

Каждый крупный производитель разрабатывает собственную формулу алмазоносного слоя для каждого инструмента и тем самым обеспечивает ему уникальность.

Наибольшей популярностью сейчас пользуются расходные материалы следующих производителей:

  • Bosh. Продукция, выпускаемая под этим брендом, обеспечивает высококачественное проведение строительных работ, поскольку отличается надежностью и продолжительным сроком эксплуатации;
  • Husqvarna. Этот производитель славится тем, что при изготовлении алмазного инструмента использует инновационные технологии;
  • Cedima является одним из ведущих производителей режущего инструмента для бетона;
  • Rothenberger. Данная компания занимается производством алмазного оборудования для сверления и комплектующих частей к нему;
  • Hilti специализируется на производстве оборудования очень высокого качества и постоянно совершенствует процесс своего производства;
  • Энкор – отечественная компания. Изначально она занималась продажей иностранного оборудования, но с 2007 года стала производить собственные инструменты.

Фирма Husqvarna является пионером в области алмазного сверления промышленного бетона

Вращение коронки происходит за счет силы оборудования для сверления. Коронку можно устанавливать как на обычной дрели, так и на специальной установке. Установка вращает инструмент с высокой скоростью, но при этом отсутствуют ударные воздействия. Насадка просто вращается и постепенно давит на бетонную поверхность. Таким образом, она миллиметр за миллиметром вгрызается в толщу бетона.

Поскольку коронка внутри пустотелая, то в бетон врезаются только ее стенки. Это существенно ускоряет и упрощает рабочий процесс. В поверхность стены коронка углубится до необходимого положения уже за несколько минут и тогда ее надо будет просто выдернуть вместе с вырезанным куском бетона.

Основные этапы техпроцесса

Алгоритм работы по сверлению бетонных конструкций выглядит следующим образом:

  • подбор коронки;
  • сборка сверлильной установки;
  • подготовка рабочей площадки;
  • разметка рабочей поверхности с точным указанием центра сверления;
  • монтаж установки на рабочей поверхности;
  • установка сверлильной коронки;
  • выполнение сверления;
  • завершение сверления;
  • проверка качества работы.

Установку необходимо собирать очень тщательно. Особенное внимание рекомендуется обращать на крепление сверлильного инструмента. Очень важно, чтобы во время сверления вокруг не было ничего лишнего, поэтому рабочую площадку необходимо очистить от мусора и прочих ненужных предметов. Разметку рабочей поверхности начинают с вычерчивания двух пересекающихся перпендикулярных линий. Затем от их центра строят окружность необходимого диаметра. Эта окружность и будет местом установки коронки.

Во время сверления также необходимо учитывать некоторые нюансы. Для начала коронку необходимо очень тщательно отрегулировать, поместив точно в нарисованную окружность. Сначала на протяжении 4-8 секунд производят пробное сверление. Таким образом, создается небольшой канал, который упрощает установку коронки и выполнение капитального сверления.

В конце рабочего процесса коронку вынимают и проверяют степень ее изношенности. Центральная часть вырезанного отверстия удаляется вместе с коронкой, но иногда бывает необходимо немножко поддеть ее ломом или перфоратором. Интересен также тот факт, что изношенную насадку можно отремонтировать в специальной мастерской. Качество выполненной работы напрямую зависит от качества используемого оборудования. Одними из лучших считаются бурильные установки от таких производителей, как Hilti, Husqvarna, Cedima, Tyrolit.

Ресурс алмазного инструмента зависит во многом от типа материала, в котором сверлится отверстие, от типа алмазного сегмента и от правильности использования бурильной установки. Как правило, коронки большого диаметра имеют и больший рабочий ресурс, что связано с большим количеством алмазных сегментов. Средний ресурс алмазных коронок диаметром 200 мм с хорошей насыщенностью режущих сегментов составляет при сверлении железобетона порядка 18-20 погонных метров.

Нежесткое крепление установки и нструмента приводят к отламыванию режущих сегментов инструмента

При этом основной расход алмазных сегментов приходится на преодоление арматуры. Такие факторы, как чрезмерно сильная или неравномерная подача коронки или ее биение при нежестком закреплении опорной стойки, могут очень сильно сократить ресурс насадки или даже вовсе вывести ее из строя.

Лазерное сверление бетона

Промышленное сверление отверстий лазером началось вскоре после его изобретения. Сообщение об использовании лазера для сверления небольших отверстий в алмазных зернах появилось еще в 1966 году. Достоинство лазерного сверления наиболее ярко проявляется при создании отверстий глубиной до 10 мм и диаметром в десятые-сотые доли миллиметра. Именно в таком диапазоне размеров, а также при сверлении хрупких и твердых материалов преимущество лазерной технологии неоспоримо.

Сверлить отверстия лазером можно в любых материалах. Для этой цели используют, как правило, импульсные лазеры с энергией импульса 0,1-30 Дж. С помощью лазера можно сверлить глухие и сквозные отверстия с разными формами поперечного сечения. На качество и точность изготовления отверстия влияют такие временные параметры импульса излучения, как крутизна его переднего и заднего фронтов, а также его пространственные характеристики, обусловленные угловым распределением в пределах диаграммы направленности и распределением интенсивности излучения в плоскости лазерной апертуры.

На данный момент существуют специальные методы формирования вышеперечисленных параметров, которые позволяют создавать отверстия различной формы, например, треугольные и точно соответствующие заданным качественным характеристикам. На пространственную форму отверстий в их продольном сечении существенное влияние оказывает расположение фокальной плоскости объектива относительно поверхности мишени, а также параметры фокусирующей системы. Таким образом, можно создавать цилиндрические, конические и даже бочкообразные отверстия.

За последние двадцать лет произошел резкий скачок мощности излучения лазеров. Связано это с появлением и дальнейшим развитием компактных лазеров новой архитектуры (волоконных и диодных лазеров). Относительная дешевизна излучателей, мощность которых составляет более 1 кВт, обеспечила их коммерческую доступность для специалистов, занимающихся исследованиями в различных сферах. В результате этих исследований мощное лазерное излучение стали применять для резки и сверления таких твердых материалов, как бетон и природные камни.

Лазерные технологии, свободные от шума и вибраций, наиболее эффективно применяются в сейсмических районах при создании отверстий в уже существующих бетонных зданиях. Их там используют для укрепления аварийных домов с помощью стальной стяжки, а также при реставрации памятников архитектуры. В атомной отрасли мощное лазерное излучение широко используют для дезактивации бетонных ядерных сооружений, которые уже выведены из эксплуатации. Пользователей в этом случае привлекает низкое пылевыделение во время обработки бетонных конструкций. Важную роль играет также дистанционное управление процессом, т. е. удаленное расположение оборудования от объекта.

Для сверления отверстий в бетонных стенах и прочих поверхностях используют лазерную электродрель. Состоит она из электродвигателя, редуктора, шпиндель-вала, лазерного устройства, инструмента для сверления. Последний имеет вид шнека, который непосредственно связан с корпусом редуктора. На одном конце этого шнека закреплена высокотемпературная коронка, а другой его конец соединен со шпиндель-валом. Лазерное устройство располагается в верхней части корпуса редуктора.

Лазерный луч существенно увеличивает скорость сверления в твердых бетонных стенах и гранитных блоках

Меры безопасности

Во время сверления отверстий в бетонных конструкциях следует использовать индивидуальные средства защиты. К ним относятся очки, брезентовые рукавицы, респиратор. Оператор должен быть одет в рабочую одежду из плотной ткани и резиновую обувь. Во время работы надо следить, чтобы какие-либо элементы одежды не попали в движущиеся части сверлильного оборудования.

По статистике наибольшее количество травм получают рабочие на стройплощадках из-за неисправности электроинструмента или его неправильного использования. Поэтому электроинструмент должен быть исправен. Кроме того, перед каждым его применением необходимо проверять питающий кабель на наличие повреждений. Во время проведения работ кабель должен располагаться так, чтобы его нельзя было каким-либо образом повредить.

Сверлить бетон наиболее безопасно стоя на полу, но, к сожалению, так получается не всегда. Таким образом можно просверлить отверстие лишь на уровне человеческого роста. Если отверстие располагается выше, необходимо использовать дополнительное основание. Основным правилом при этом является надежность основания. Оно должно обеспечивать рабочему во время работы устойчивое ровное положение. Дополнительной мерой безопасности при проведении работ на высоте является удаление любых предметов из рабочей зоны, о которые можно пораниться при случайном падении.

При сверлении отверстий в бетонных стенах высока вероятность повреждения различных коммуникаций. Это может быть электропроводка, трубы центрального отопления и пр. Электрический провод под напряжением можно легко обнаружить с помощью детектора скрытой проводки.

При сверлении отверстий с помощью лазера следует избегать попадания различных частей тела в его зону действия, чтобы не получить ожоги. Нельзя смотреть на сам лазерный луч или его отражение, чтобы не повредить роговицу глаз. По этой же причине необходимо работать только в специальных защитных очках. При работе с лазерным оборудованием следует соблюдать те же правила безопасности, что и при использовании любого электрического инструмента.

Стоимость работ

На формирование цены услуг по сверлению бетона оказывают влияние такие факторы, как:

  • диаметр требуемого отверстия. С увеличением диаметра увеличивается и стоимость сверления;
  • материал поверхности, в которой будет производиться сверление. В железобетонных конструкциях сверление обходится дороже, чем в стенах из кирпича;
  • глубина сверления. Естественно, что чем больше длина будущего отверстия, тем дороже будет стоить само сверление.

На стоимость сверлильных работ могут оказывать влияние и дополнительные факторы. Например, сверление на высоте требует применения дополнительного оборудования. Сверление под углом невозможно выполнить без использования специального инструмента.

Стоимость работ может также увеличиться, если они будут проводиться на открытом воздухе и при неблагоприятных погодных условиях

Ориентировочная стоимость сверления отверстий алмазным инструментом:

Диаметр отверстия, мм Стоимость 1 см сверления, руб
Кирпич Бетон Железобетон
16 – 67 20 26 30
72 – 112 22 28 35
122 – 142 24 30 37
152 – 162 28 35 44
172 – 202 39 50 66
250 57 77 94
300 72 88 110
400 110 135 155
500 135 175 195
600 145 195 210

Выводы

Алмазные технологии сегодня являются, бесспорно, самым безопасным, быстрым и экономически выгодным вариантом сверления отверстий в самых твердых строительных материалах. Используя кольцевые сверла можно создавать отверстия точно соответствующие заданному диаметру. По форме отверстия также получаются идеальными и не требуют никакой дополнительной обработки, что существенно экономит время, а самое главное – средства заказчика услуги.

Такие достоинства алмазного сверления, как отсутствие шума и вибраций дают возможность производить работы не только на больших строительных объектах, но и в жилых помещениях, которые находятся как на стадии ремонта, так и в отделанном (чистовом) состоянии. Благодаря алмазному инструменту и профессиональному оборудованию, настенные и напольные покрытия при проведении работ в чистом помещении полностью сохраняют свой первозданный вид.

Практические нюансы сухого сверления бетона алмазной коронкой представлены в видео:

Поделиться:

Нет комментариев

obetone.com

Лазерное бурение тонких глубоких отверстий в кремнезем содержащих материалах

М. Васильев, В. Журба, В. Митькин, В. Романов, А.Щепкин // Журнал Фотоника, 1, 2013, с: 18-32

Механизмы лазерного разрушения пород зависят от температуры нагрева. В процессе разрушения, как правило, участвуют сразу несколько механизмов, причем преобладающее действие одного из них зависит от материала. На первый взгляд ввод в процедуру лазерного бурения пассивных циклов охлаждения и механического измельчения материала уменьшает его производительность. Но это справедливо лишь при нагреве до температур, превышающих температуру кипения материала. При нагреве до меньших значений ведущую роль в механизме разрушения начинает играть ослабленный слой.

Manufacturing Equipment and TechologyТехнологическое оборудование и технологии M. Vasiliev, V. Zhurba, V. Mit’kin, V. Romanov, A. Schepkin Laser Drilling of Small Diameter Deep Holes in Silica-Containing Materials Mechanism of laser destruction of a rock depends on heating temperature. The destruction is usually effected by several mechanisms all at once, their prevalence depends on the material. At first sight, introduction of passive cooling and mechanical grinding cycles to laser drilling process leads to reduced performance. But this is the case only when the material is heated above its boiling point. At lower heating temperatures, prevalent destruction mechanism is associated with weakened layer.

В последние двадцать лет наблюдается резкий скачок роста мощности излучения твердотельных лазеров. Это связано с появлением и развитием компактных лазеров новой архитектуры (лазеров с диодной накачкой, диодных и волоконных лазеров). Относительная дешевизна излучателей с мощностью свыше киловатта обеспечила их коммерческую доступность для исследователей широкого профиля. Мощное лазерное излучение стало применяться для резки и бурения толстых и объемных материалов (бетон, природные камни и т.д.) [1–5]. Например, в гражданском строительстве [1] применение лазерных технологий, свободных от шума и вибраций, наиболее эффективно в сейсмических районах для бурения отверстий в существующих бетонных зданиях. Там их используют для укрепления с помощью стальных стяжек или подобных деталей аварийных домов, а также при реставрации старинных зданий и их элементов [5]. Пригодна эта технология и в задачах предотвращения обвалов [1] при бурении отверстий в опасных отвесных участках горной породы для размещения в них взрывчатых веществ и разрушения взрывом. В атомной отрасли [2] мощное лазерное излучение используют для дезактивации выведенных из эксплуатации бетонных ядерных сооружений. В таком случае пользователей привлекает низкое пылевыделение, сопровождающее процесс лазерного снятия загрязненного поверхностного слоя и резку бетона. Важную роль играет дистанционное управление процессом, то есть удаленное размещение оборудования от объекта. Волоконно-оптические средства доставки лазерного излучения в зону обработки позволяют успешно применить лазерные технологии для бурения тонких диагностических отверстий в многометровых бетонных стенах могильников с захоронениями радиоактивных веществ [5]. В нефтегазовой отрасли [3] мощное лазерное излучение используется для реанимации заброшенных скважин и повышения эффективности вскрытия существующих скважин. Для этого выполняют перфорацию обсадных труб и сквозь отверстия бурят скважины в окружающей породе (цементированном агрегате, песчанике, известняке, сланеце и др.). Выбор оптимального и наиболее эффективного режима лазерной термообработки материалов зависит от конкретной цели. Необходимо четко представлять физические процессы и механизмы разрушения, происходящие в материалах в процессе лазерного воздействия на них. Механизмы лазерного разрушения пород зависят как от нагрева материала из-за поглощения излучения, так и от градиента температуры в материале, вызванного процессом теплопроводности. Поэтому их условно можно разделить на низкотемпературные и высокотемпературные механизмы разрушения. Условия для низкотемпературного механизма реализуются в области температур упруго-хрупкого состояния материала на стадиях нагрева и охлаждения. Так, при высокоскоростном нагреве поверхности образца в глубине тонкого приповерхностного слоя неизбежно возникает градиент температур. За счет него в слое появляются температурные касательные напряжения растяжения. В случае превышения предела прочности материала происходит локальное разрушение в виде шелушения и термического скола. К шелушению поверхности приводит также изменение давления от резкого расширения свободной воды (при температуре около 200˚С вода находится в пористой структуре приповерхностного слоя бетона) и частично выделяемой основной части химически связанной воды, входящей в состав цемента (в области температур 800–900˚С). При охлаждении нагретой поверхности под действием градиента температуры уже на ней самой возникают растягивающие напряжения. Они также могут превысить предел прочности материала и разрушить его, образуя на поверхности трещины. Высокотемпературный механизм разрушения реализуется в области температур размягчения материала в виде плавления, испарения или термического разложения. Таким образом, при воздействии мощного лазерного излучения на породы их разрушение происходит как за счет скалывания приповерхностного слоя материала из-за перепада температур и флуктуаций внутреннего давления, так и за счет плавления, испарения или термического разложения материала в области воздействия лазерного пятна. Для повышения эффективности лазерного разрушения используют струю газа высокого давления для выноса расплава из зоны обработки, а для быстрого охлаждения расплава и растрескивания затвердевшей остеклованной массы (шлака) в струю газа впрыскивают жидкость. Действия дополняют механическим дроблением и удалением шлака, введением в зону обработки порошков восстановителей для уменьшения температуры плавления кремнезема и т.д. В процессе разрушения, как правило, участвуют сразу несколько механизмов, причем преобладающее действие одного из них зависит от состава наполнителей материала. Так, в разрушении бетона, содержащего агрегаты из кварцита или базальта, мощным лазерным излучением превалирует эффект плавления над эффектами внутреннего давления. В то же время в бетоне с агрегатами из известняка разрушение носит взрывной характер, сопровождающийся выбросом кусков бетона без проявления следов плавления обработанной поверхности [2]. Для каждой породы характерно свое значение удельной энергии разрушения [3, 5]. Эффект теплового разупрочнения кремнеземсодержащих материалов Рассмотрим результаты лазерного бурения тонких глубоких отверстий в кремнеземсодержащих материалах (на примере бетона). При этом сделаем акцент на проявлении низкотемпературных механизмов разрушения при бурении пород, особенно на механизме теплового ослабления материала. Механизм теплового разупрочнения кремнеземсодержащих материалов, а к ним относятся практически все горные породы и искусственные строительные материалы, подробно описан в работе [6]. Обратимое превращение в кремнеземе низкотемпературного β-кварца в высокотемпературный α-кварц при переходе через температуру 573˚С приводит к разупрочнению [7]. Это превращение относится к типу превращений смещения, происходит без разрыва связей и сопровождается увеличением объема примерно на 0,86%, что свидетельствует о незначительных изменениях в структуре. Однако незначительные изменения структуры кремнезема приводят к заметным изменениям различных физических свойств материала в интервале температур превращения. Поэтому при температуре, соответствующей температуре перехода, внутри кристалла возникают напряжения большой величины [7]. Превращению при нагреве β-кварца в α-кварц соответствует медленное изменение физических свойств в некотором температурном интервале. Это связано с постепенным увеличением доли α-кварца в β-кварце вплоть до полного его замещения в точке перехода (при ~573˚С). Поэтому наблюдаемое при нагреве увеличение внутренних напряжений в точке перехода не вызывает растрескивания кристаллов. Этот факт экспериментально зафиксирован [7] при нагреве образцов размером 0,3–5 мм со скоростью до 100 град/мин. Обратному же при охлаждении превращению α-кварца в β-кварц соответствует резкое изменение физических свойств в точке перехода. А это уже приводит к растрескиванию кристаллов из-за резкого уменьшения их объема, вызывающего всплеск величины внутренних напряжений выше предела прочности. Заметим, что из-за высоких скоростей нагрева при лазерном бурении вероятно возникновение растрескивания и в процессе нагрева. Однако это требует экспериментального подтверждения. В работе [6] разупрочнение было продемонстрировано на примере бетона, кирпича, гранита и цементно-песчаной смеси как при омическом нагреве, так и при лазерном нагреве тонких и объемных деталей с последующим их охлаждением. Особенно ярко эффект такого разупрочнения был продемонстрирован в следующем эксперименте. Излучение волоконного лазера мощностью 100 Вт падало на плитку бетона толщиной 30 мм (диаметр пятна воздействия на внешней поверхности образца 10 мм). С тыльной стороны пластины по оси лазерного пучка была закреплена термопара для измерения температуры поверхности образца. Когда температура достигала 700˚С, облучение прекращали и охлаждали образец естественным образом на воздухе. В момент выключения излучения температура на внешней поверхности в пятне воздействия согласно расчетам для данной скорости нагрева (200 град/с) достигала величины начала плавления материала. Это заметно при появлении на внешней поверхности образца оплавленной зоны диаметром 8 мм (рис.1а). По мере охлаждения определяли твердость материала на тыльной поверхности образца, процарапывая ее позади оплавленного фронтального пятна. Только после остывания до температур ниже ~130˚С было зафиксировано разупрочнение материала, что позволило деревянной палочкой выскоблить материал в пятне диаметром, примерно равным 8 мм (рис.1б). Полученный результат показал, что и при лазерном облучении с присущими ему высокими скоростями нагрева разупрочнение кремнеземсодержащих материалов происходит также на стадии их охлаждения. Следовательно, для бурения кремнеземсодержащих материалов не обязательно использовать локальный нагрев до высоких температур плавления и испарения. Достаточно нагреть обрабатываемый материал до температур, немного превышающих 600˚С, а после – охладить его для ослабления структуры, затем механически измельчить и удалить из канала струей воздуха продукты разрушения. Высокотемпературное бурение Эксперименты по бурению глубоких отверстий начинались с исследования высокотемпературного режима разрушения. При таком методе бурение представляет собой этапы лазерного нагрева локальной площади материала до температуры плавления, последующего испарения и удаления с ее поверхности продуктов разрушения, например воздушной струей. Следующие слои последовательно нагреваются и также претерпевают плавление и испарение. Граница теплового воздействия лазерного излучения в результате поглощения перемещается вглубь материала вдоль оси пучка, и в результате теплопроводности, – в стороны от контура лазерного пятна. Объектами наших исследований в экспериментах служили образцы из гранита и бетона, а в качестве первоначального лазерного источника – 120-Вт волоконный лазер. Излучение после коллиматора фокусировалось длиннофокусной ( F = 375 мм ) линзой. Продольное перемещение образца относительно линзы в пределах расстояний от нее 200–330 мм позволяло менять плотность мощности излучения в зоне его воздействия. В область обработки с помощью тонкой трубки под минимально возможным углом к оси излучения подавали сжатый воздух под давлением 1,8 атм. На рис.2 приведена зависимость времени образования сквозных отверстий в бетоне от толщины образца при использовании непрерывного режима облучения. При выбранной геометрии эксперимента диаметр отверстия на входной поверхности образца составлял ~2 мм, а на выходной ~ 1 мм. При использовании фокусирующей линзы для доставки излучения в зону обработки в объемном образце формируется отверстие, глубина которого соизмерима с длиной перетяжки сфокусированного лазерного пучка. Длина этой фокальной перетяжки и определяет величину предельной глубины бурения, ограничивая достижение глубоких отверстий в монолитных породах. Поэтому для преодоления этого фактора необходимо последовательно перемещать плоскость с необходимой плотностью излучения вдоль оси формируемого лазерного канала. Продольное перемещение такой плоскости возможно только при использовании волоконно-оптических средств доставки лазерного излучения в зону обработки [4]. Если режим облучения одноточечный, то для обеспечения такого продвижения диаметр формируемого отверстия должен превышать диаметр волоконно-оптического кабеля. При этом вынужденно увеличивается мощность излучения. Размер пятна засветки на материале определяет диаметр формируемого отверстия. В этом случае расстояние между торцом излучающего волокна и плоскостью материала регулирует размер этого пятна. Расстояние необходимо поддерживать постоянным по мере углубления отверстия. Дальнейшие эксперименты мы проводили с лазерами повышенной мощности излучения, совмещенными с волоконно-оптическими средствами доставки лазерного излучения в зону бурения. В качестве средства использовали магистральное кварц-кварцевое оптическое волокно диаметром 600 мкм, в которое можно было эффективно ввести излучение и волоконного, и твердотельного лазера. При использовании твердотельного лазера ЛТИ-500 мощность излучения на выходе волокна составляла 360 Вт. Первоначальная конструкция головной рабочей части бура представляла собой систему из двух тесно прижатых друг к другу трубок диаметром 2 мм (общий поперечный размер 4 мм). Устройство предназначено для позиционирования на поверхности образца, формирования на ней требуемых пространственных параметров лазерного излучения и требуемого потока хладагента. В одной трубке помещали излучающее волокно с продувом воздуха в зазоре (для защиты торца от отработанного материала), а через другую трубку в зону обработки подавали охлаждающую струю воздуха или воздушно-капельной смеси. В цикл обработки входили период лазерного облучения, последующий период охлаждения воздухом и период впрыскивания в струю воздуха воды в момент окончания периода лазерного облучения. При величине мощности излучения 360 Вт получали отверстия диаметром только до 2,5 мм. В бетонных образцах толщиной 10–15 мм на формирование сквозных отверстий требовалось 30–40 с. То есть скорость проходки примерно та же, что и выше (~22 мм/мин), несмотря на удлинение процедуры бурения из-за введения дополнительных этапов охлаждения. Для увеличения поперечного размера формируемого канала в этом случае применяли поперечное сканирование лазерным пучком по площади предполагаемого сечения. Экспериментально опробовали двухкоординатное сканирование, при котором форма сечения образующегося канала получалась близкой к прямоугольной (см. рис.3). Режим обработки тот же. За один цикл сканирования снимали слой материала толщиной 5–7 мм. Из-за того, что площадь обрабатываемой поверхности много больше площади сканирующего пятна излучения, скорость бурения в методе сплошного сканирования существенно ниже. Высокотемпературное бурение сопровождает нагрев материала вокруг формируемого отверстия. Даже при используемом режиме бурения с водяным вспрыскиванием в зону обработки температура материала у поверхности отверстия после окончания бурения достигала 100–120˚С. Нагрев материала, в свою очередь, ведет к появлению в объеме образца температурного градиента за счет процессов теплопроводности. В этом случае тонкое отверстие может стать концентратором возникающих температурных напряжений, что способно привести к разрыву образца по линии отверстия (рис.4а). Кроме этого, углубляя отверстие разными методами облучения (одноточечным или методом поперечного сканирования пятном излучения по площади забоя отверстия), мы встречаемся с трудностями удаления расплавленного материала, что требует повышения мощности лазерного излучения. В свою очередь, из-за теплопроводности и теплоизлучения от расплавленной зоны материал вокруг отверстия нагревается. И поперечный размер расплава на забое глубокого отверстия может превысить не только диаметр лазерного пятна, но и диаметр коронки. Тогда образуется менее вязкий материал, трудный для извлечения. С ростом глубины бурения растет вероятность закупорки отверстия из-за неизбежного загрязнения поверхностей бура и отверстия пролетающими в зазоре между ними остывающими частицами расплава (рис.4б). По всей видимости, именно перечисленные выше причины преградили путь к успеху проводимым ранее многократным попыткам бурения глубоких отверстий в бетоне с увеличенной мощностью лазерного излучения. Использование чисто высокотемпературного механизма разрушения в бурении глубоких отверстий ограничено.

Низкотемпературное бурение Бурение, использующее только низкотемпературные механизмы разрушения, это процесс циклического воздействия на зону обработки периодов нагрева и охлаждения. При этом температуры нагрева не превышают температуру плавления материала. Приповерхностный слой в зоне обработки в этом случае подвергается действию знакопеременных напряжений и внутренних давлений, разрушение проявляется в виде отслаивания мелких фрагментов. Мы опробовали такое бурение на кубических образцах из смеси цемента марки 400 с кварцевым песком, выдержанных не менее 60 дней, размером 35×35×35 мм. Источник лазерного излучения – твердотельный лазер ЛТИ-500 (длительность импульса излучения 2 мс, частота следования импульсов 30 Гц, средняя мощность излучения на выходе волокна – 190 Вт). Цикл обработки длительностью около 4 с состоял из периода лазерного облучения рабочей зоны, периода импульсного впрыска воды в зону обработки в момент окончания периода облучения и периода охлаждения воздухом под давлением 4 атм. Циклы повторяли до формирования отверстия заданной глубины. В образце получили сквозное отверстие диаметром 5 мм на входной поверхности и 2 мм – на выходной. При таком режиме сильного накопления тепла в материале не наблюдалось, и температура образца не превышала 45˚С. Поверхность нагревалась до температуры ниже плавления за весьма короткое время, это снижало глубину прогрева материала и, следовательно, воздействию знакопеременных напряжений подвергался приповерхностный слой малой толщины. Именно это, в основном, и определяло малую производительность бурения методом, основанным только на низкотемпературном механизме разрушения. Комбинированный лазерно-механический метод бурения В рассмотренных выше методах лазерного бурения бетона в процесс удаления материала не были вовлечены эффекты теплового ослабления микроструктур составляющих его компонентов. При нагреве происходит ослабление цементного камня за счет разрушения водно-химических связей структуры цемента при температурах 800–900˚С, в результате этого уменьшается сила сцепления агрегатов в бетоне. При охлаждении происходит растрескивание кристаллов кремнезема за счет фазового превращения в области температур 550–600˚С внутри объема всех кремнеземсодержащих составляющих бетона (цемент, агрегаты). Процесс локального растрескивания микроструктур никак не проявляется на внешнем состоянии бетона из-за изотропного характера разрушения по объему. То есть эти фазовые превращения структуры кремнезема в слоях не воздействуют механически направленно на массив бетона, что необходимо для деформации или разрушения его поверхности. Требуется механическое вмешательство для снятия ослабленного слоя бетона. Расчетные оценки показывают, что введение в процедуру лазерного бурения операции механического удаления слоя с ослабленным материалом увеличивает в несколько раз глубину отверстия, формируемого за цикл обработки.

Мы провели эксперименты по бурению с помощью комбинированного лазерно-механического метода, который включал в себя стадии лазерного локального нагрева материала до температур его испарения, последующего охлаждения и механического воздействия. Локальный нагрев до температур испарения формирует кратер с расплавом материала в его полости (несмотря на испарение материала, больший его объем в кратере все же находится в жидкой фазе). Охлаждение, во-первых, остужает расплав в полости кратера до стеклообразного состояния. Во-вторых, создает условия для низкотемпературного структурного превращения кремнезема в массе материала вокруг кратера (за фронтом плавления в слоях материала с более низкими температурами нагрева), ведущего к ослаблению материала. Механическое воздействие направлено на дополнительное увеличение глубины отверстия измельчением ослабленного материала и удалением шлама из зоны обработки воздушной струей. Присутствие слоя ослабленного материала вокруг оплавленной зоны кратера позволяет использовать режущую коронку большего диаметра, чем диаметр пятна излучения. Тогда объем удаляемого материала увеличивается. С учетом этого факта наиболее технологичным способом бурения отверстий с круговым сечением в методе поперечного сканирования стал метод многоточечного последовательного воздействия лазерного пучка определенного диаметра по круговому периметру отверстия (метод вскрытия). При этом одноточечный характер облучения сохраняется. Периодический поворот за время 80 с манипулятора (колонковая трубка с ребристой коронкой на рабочем конце) вокруг своей продольной оси на ±360˚ обеспечивает поперечное перемещение лазерного пятна по обрабатываемой поверхности материала. При этом излучающее волокно, закрепленное на внутренней поверхности колонковой трубки, перемещалось по круговой траектории по периметру кольца диаметром 10 мм. Это дало возможность перекрыть материал в осевой части отверстия тепловыми зонами ослабления от локальных пятен лазерного воздействия. Торец волокна отстоял от обрабатываемой поверхности на 10 мм. Режим лазерной обработки был циклическим: нагрев излучением (мощностью 340 Вт, за время 2 с), последующее охлаждение потоком воздуха (за время 2,5 с) с одновременным впрыскиванием воды в воздушный поток в момент окончания лазерного облучения. В момент лазерного воздействия из зоны обработки за счет испарения частично выносится материал. Завершал цикл после полного оборота манипулятора этап механической обработки. Колонковая труба с коронкой выдвигалась вперед до касания с материалом и под действием продольного усилия торцевыми и боковыми резцами крошила хрупкую систему из затвердевшего расплава с окружающей ослабленной подложкой материала, продвигаясь вперед (рис.5а). Образующийся столбик ослабленного материала в центре колонковой трубки постепенно с углублением крошился. Измельченный материал выносился из канала потоком подаваемого воздуха. Затем циклы повторялись до получения заданной глубины. Для применения одноточечного лазерного бурения в комбинированном лазерно-механическом методе оказалось достаточно для формирования отверстия диаметром 10–12 мм воздействовать на материал пятном излучения диаметром 6 мм при мощности ~500 Вт. Тонкий пучок за счет испарения материала на оси предполагаемого отверстия формирует кратер с характерным суживающимся в продольном направлении радиальным профилем, близким по форме к радиальному распределению плотности энергии в сечении пучка излучения (рис.6). В материале вокруг затвердевшего кратера в процессе охлаждения образуется зона с ослабленной структурой. По направлению оси кратера и внедряется вращающаяся режущая головка большего диаметра, легко разрушая с торца наклонные хрупкие слои материала разной прочности и формируя отверстие с ровной боковой поверхностью. Из рис.7 видно, что при чисто лазерном бурении отверстие имеет оплавленную неровную боковую поверхность, а лазерно-механический метод создает отверстие с четко сформированной, ровной, и главное – проницаемой поверхностью. Такое качество важно в ряде применений, например в нефтегазовой отрасли для повышения эффективности вскрытия скважин локальным бурением в породе, окружающей боковые отверстия. Головная часть лазерного бура, используемого в эксперименте, представляет собой колонковую трубу с ребристой коронкой с тугоплавкими резцами. Вдоль ее оси в металлической трубке размещено оптическое волокно. Для охранного обдува его выходного торца по трубке постоянно подается воздух. В период механической обработки материала поток воздуха в трубке усиливается для выноса измельченных частиц материала из зоны обработки. Частицы уносятся через зазор между внутренней поверхностью колонковой трубы и внешней поверхностью трубки. Этот зазор можно также использовать для подачи в зону обработки воздушно-водяной смеси, ускоряющей процесс остывания материала. Колонковая труба с коронкой вращалась с постоянной угловой скоростью ∼1 оборот/с. Волокно не вращается, его торец отдален от поверхности материала на такое расстояние, что диаметр пятна излучения на поверхности равен ∼6 мм. После облучения и охлаждения забоя отверстия бур продвигался вперед, механически измельчая ослабленный материал. После продвижения на расчетную глубину бур вдвигался обратно и цикл повторялся.

Экспериментальная отработка комбинированного лазерного инструмента производилась на стенде (рис.8а). Образцы для бурения – блоки 300×150×120 мм из бетона марки 300. Элементы тесно укладывались последовательно друг за другом на оптический рельс и фиксировались стальными стяжками, набирая длину материала. В качестве источника лазерного излучения использовали волоконный лазер YLR-500. Магистральное оптическое волокно диаметром 400 мкм и длиной 15 м с охлаждаемым оптическим разъемом доставляло излучение в зону обработки. Мощность излучения на выходном торце магистрального волокна составляла 490 Вт. Облучение длилось 6 с, затем работал сильный охлаждающий воздушный поток в течение 10 с, после чего механически измельчали материал и потоком воздуха удаляли шлам. Формирование скважины глубиной 3–5 мм проходило за один цикл бурения длительностью 30–40 с. На первый взгляд, ввод в процедуру лазерного бурения пассивных циклов охлаждения и механического измельчения материала уменьшает производительность комбинированного лазерно-механического метода по сравнению с активным высокотемпературным методом на основе испарения и плавления. Да, это справедливо для режимов нагрева поверхности до температур, намного превышающих температуру кипения материала. Однако при нагреве ниже этих температур, согласно расчетам, по производительности оба метода бурения соизмеримы, а в случае обеспечения наибольшей толщины расплавленного слоя эффективность лазерно-механического метода выше. Так, при нагреве поверхности до температуры кипения кремнезема 2800˚С пятном излучения диаметром 6 мм с плотностью тепловой мощности 100 Вт/см2 глубина залегания теплового фронта с температурой 600˚С равна ~3,5 мм и объемная скорость удаления материала составляет ~395 см3/(ч·кВт) при диаметре коронки 10 мм и ~575 см3/(ч·кВт) при диаметре коронки 12 мм (поперечные размеры ослабленной зоны допускают такой размер).

Объемная скорость удаления материала только выдувом расплава (толщина расплавленного слоя 0,9 мм) из отверстия диаметром 6 мм для данного режима почти в два раза меньше и составляет ≈250 см3/(ч·кВт). С уменьшением плотности тепловой мощности увеличивается толщина ослабленного слоя, что создает преимущества для использования комбинированного лазерно-механического метода. Анализ четко указывает на необходимость оптимизации режимов лазерно-механической обработки для достижения максимальной производительности бурения. Кроме того, в области температур нагрева поверхности 2000–2800˚С производительность этого метода превышает величину производительности для чисто высокотемпературного метода бурения, применение которого чревато закупоркой отверстия шлаками в случае его большой глубины. Вне указанной области температур производительность комбинированного метода бурения падает.

Только лазерно-механический метод бурения обеспечил возможность получения в бетоне глубоких отверстий диаметром 10 мм и длиной до 10 м (рис.8б). Метод позволяет в процессе бурения регулярно удалять тепло из забоя отверстия, то есть вероятность разрушения на тонком отверстии массива материала из-за возможного его перегрева снижается. Это позволяет бурить отверстия в изделиях с относительно малыми поперечными размерами. Следует отметить, что при обработке бетонных образцов скорость бурения резко менялась с продвижением в зависимости от наличия заполнителей разной твердости на пути лазерного бура. В цементном растворе скорость бурения возрастала, а при попадании бура на участки со светлыми кварцевыми включениями резко падала. Для восстановления скоростных показателей бурения в последнем случае вдвое увеличивали как длительность нагрева, так и период охлаждения перед процессом механической обработки. Загрязнение поверхности отверстия (нарастание материала на поверхности) пролетающими расплавленными частицами по мере его углубления устраняли механически при каждом проходе режущей коронки.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/3/article_3580_189.pdf

Похожие записи

Page 2

В России разрабатывается новое мощное «пучковое» оружие, для геополитических противников нашей страны это означает осуществление самого кошмарного сценария.

Исследования ведут все мировые державы, но Россия хочет удержать первенство при развитии военной мощи в этом направлении. Статья военного эксперта Константина Душенова в издании «Русь православная» раскрыла некоторые подробности создания нового вида вооружения, пока неизвестно, как оно будет выглядеть.

Известно лишь, физическая природа его действия: пучок частиц: ионов, электронов, протонов или атомов будет двигаться в заданном направлении. Скорость близка к световой, при создании будет применена и кинетическая энергия.

Мощность пучкового оружия в миллионы раз будет превосходить самый сильный лазер. Если раньше пучковое оружие не достигало цели, рассеиваясь в атмосфере. То сейчас технология позволяет “пробить канал” и только после этого, в этом канале распространяется пучок протонов без потери мощности.

Некоторые эксперты уже называют это оружие именем Шойгу, ведь для противника оно намного страшнее ядерного в несколько тысяч раз.

В перспективе внести в государственную программу вооружений 2025 года производство «пучкового оружия».

Источник: http://eer.ru/a/article/u123259/2017/05/20/60740

Похожие записи

xn--80akfo2a.xn--p1ai

Резка бетона. 8 способов резки бетона.

Потребность в резке бетона может возникнуть практически в любом строительстве. Это может быть, как небольшое домашние изменение конфигурации проёмов, так и крупномасштабное сооружение мостов и тоннелей. Для этой цели используют большое разнообразие различного по способу применения и мощности инструмента.

Резка бетона является одним из основных этапов создания дверных и оконных проёмов в стене. Более подробно об устройстве проёмов можно узнать в специальной статье: устройство проёмов в стенах. Здесь мы подробно поговорим именно о резке бетона.

Способы резки бетона

Любая резка бетона неразрывна связана с такими операциями, как:

  • штробление;
  • бурение;
  • дробление;
  • шлифовка.

Все они могут выступать в качестве дополнения или части основного технологического процесса. При этом различаю два основных способа резки: а) сухая;

б) влажная.

Последний способ является наиболее технологически правильным. При его использовании на место трения инструмента и материала подаётся струя воды, задачи которой: а) охлаждать режущий компонент; б) осаживать пыль; в) повышать эффективность резки;

г) позволять непрерывно вести работы и повысить их безопасность.

Однако не всегда есть возможность подачи воды по причине её отсутствия. Нередки случаи, когда вода может стать причиной повреждения инструмента. По этим причинам может применяться резка «на сухую». Она несколько отличается тем, что работы необходимо вести с перерывами, давая остывать режущим элементам. Высокая запылённость работ вынуждает использовать либо пылеотсасывающие устройства, либо прерывать процесс на более продолжительные, чем необходимо для остывания инструмента периоды. Поскольку в закрытых помещениях из-за пыли просто не будет видно места резки и есть риск ошибки при выполнении работы.

При выполнении сухой резки допускается погружать кромку режущего диска на небольшую глубину, поскольку большое боковое трение сильно греет инструмент и может послужить причиной выхода его из строя. Для выполнения глубоких порезов нужно делать несколько боковых углублений и постепенно их расширять, чтобы получался свободный канал для доступа к точке воздействия на бетон.

Особенности подбора инструмента для резки бетона

Приступая к резке бетона, необходимо внимательно его изучить со всех сторон. На что нужно обратить внимание для правильного подбора инструмента?

Во-первых, на структуру материала. Старый бетон намного крепче молодого. Возраст можно определить по внешнему облику всего строения или изделия.

Во-вторых, на состав бетона. Самым главным компонентом любого бетона является его наполнитель. Это может быть керамзит, гранит, песчаник и другие материалы. Чем крепче наполнитель, чем выше его составная доля с общей массе бетона, тем труднее резать бетон. Следует также обратить внимание на зернистость песка. Мелкий мытый песок делает структуру всего материала более плотной. Напротив, крупный песок из скалистых пород режется проще. Всё это возможно определить визуально, отколов при помощи кирки или бура кусок бетона от основного монолита.

В-третьих, на толщину и месторасположения материала. Залитая стяжка и стена режутся разными приспособлениями, хотя могут иметь одинаковую плотность и толщину бетона. При этом малые участки порезки можно выполнить ручным инструментом. Большие, где необходимо выполнить работы не только в большом объёме, но и со значительной степени точностью, производятся специальным профессиональным оборудованием.

Различия резки бетона по виду применяемого инструмента

Резка бетона имеет различия и по типу используемого при этом оборудования, выбор которого будет зависеть от множества факторов, основные из которых перечислены выше.

1. Ручные резчики

Большинство операций ведётся ручным инструментом, который в народе называют «болгарка». Правильное же его название угловая шлифовальная машина или сокращённо УШМ. Они выпускаются различной мощности и под различные размеры насадок, которые крепятся на них при помощи винтовой резьбы. Для резки бетона используют:

  • шлифовально-полировальные круги;
  • алмазные обдирочные диски;
  • алмазные режущие диски.
диски для резки бетона

Последние могут иметь:

  • крупное алмазное напыление;
  • мелкое алмазное напыление.

А также отличаются по краю режущей кромки, которая может иметь ровной и с поперечными вырезами, которые способствуют охлаждению диска при работе. Чем плотнее бетон, тем мельче зерно алмаза нужно выбирать, и отдавать предпочтение кругам с вырезами, но которые не рекомендуется использовать при резке армированного бетона, так как выемки могут цепляться за металлические пруты арматуры, что может повлечь травму работника.

Инструменты для ручной резки бетона.

К плюсам ручной резки можно отнести высокую манёвренность операций, простоту их выполнения в небольших объёмах.

Ручная резка стены из бетонных блоков.

Минусы же в том, что при достаточных объёмах, рабочий может быстро уставать. Точность ручного исполнения процесса может быть достигнута только на малых участках. Необходимость учёта человеческого фактора не даёт возможности выполнения круглосуточного и непрерывного многочасового выполнения работ. Играет также фактор вредности процесса для здоровья исполнителя.

Поэтому, если работы ведутся профессиональными организациями, то целесообразно выполнять их при помощи специальных машин.

2. Стенорезные машины

Использование этих механизмов применяется для выполнения работ по резке проёмов, глубокого штробления и разделения толстых слоёв бетона. Приспособления для стеновой резки внешне схожи с УШМ, только большого размера. В своей конструкции такие механизмы имеют, кроме режущего агрегата, приспособления для крепления всей конструкции к стене.

Машина крепится на поверхности, которая будет резаться на рельсы. По ним она будет перемещаться взад-вперёд во время всего процесса. Диски для таких механизмов используются размером более 25 см в диаметре.

Стенорезная машина. Режущая часть перемещается по специальной направляющей.

К месту пореза подаётся вода через систему шлангов.

Преимущества использования таких машин: а) экономия денег и времени; б) малый уровень шума; в) высокая мощность; г) малая шумность работы; д) относительная чистота выполнения процесса; е) малая вибрация, что важно для дальнейшей целостности поверхности;

ж) надёжное крепление к поверхности.

Стенорезная машина «пилит» бетон.

К минусам можно отнести иногда достаточно высокую цену подобного оборудования, в следствии чего, не всегда имеющуюся доступность.

3. Швонарезчик

Этот механизм применяется при резке: • выполнении деформационных швов; • дорожного бетонного покрытия;

• проёмов в горизонтальных перекрытиях.

Машины эти бывают стационарные и переносные. Последние перемещаются по поверхности работником и позволяют делать резы разной конфигурации. Стационарные используются при работах с прямыми участками и толстыми слоями разрезаемого материала.

Швонарезчик бетона.

Преимущества этих машин, прежде всего, в возможности аккуратной резке глубокоармированного высокопрочного бетона на перекрытиях, где необходимо не только произвести точные вырезы, но сделать это с минимальной вибрацией, чтобы не вызвать разрушение основного изделия.

Однако наиболее часто применяются швонарезчики в дорожном строительстве. Ими сначала делается рез покрытия, а потом отбойными молотками вырубается необходимый участок.

Резка асфальта.

4. Канатный резчик

Применяется эта машина для разделения бетона при помощи алмазного каната, имеющего вид покрытого резиной троса, имеющего в своей структуре специальные алмазные элементы, которые называются «перлины». Для резки канатом охватывают бетон, продевают канат в машину и скрепляют. Агрегат приводит режущую часть в движение и происходит резка.

Канатный резчик бетона. Резка бетона канатным резчиком.

Это самый тихий, но самый технологически сложный процесс. Наибольшее применения этот вид получил при разделении бетонных блоков или труб большого диаметра, а также при демонтажных работах.

5. Установки для алмазного бурения

Этот вид применяется, когда необходимо сделать разные по размеру отверстия в толстых слоях бетона, например, при прокладке коммуникаций или для забора проб материала из глубины конструкции.

Алмазное бурение. Установка для алмазного бурения.

Установки бывают электрическими и гидравлическими. Последние более мощные.

Состоит приспособление из мотора и станины, на которой он крепится. В качестве режущего инструмента используются колонковые буры.

6. Аппарат для резки водой

Такой вид резки бетона называют гидроабразивным. В качестве режущего инструмента в этом механизме применяется струя воды с абразивным материалом или без него. Идея построения таких машин взята у самой природы.

Аппарат для резки бетона водой. Фигурная резка бетона струёй воды.

Как правило, основной областью применения такого вида является обработка разных материалов, в том числе камня и бетона. В строительных работах гидроабразивная резка используется редко, в основном для производства художественных работ на поверхностях полов или стен.

7. Лазерные газоразрядные установки

Этот вид оборудования пока мало распространён в силу своей дороговизны. Совсем недавно такие станки имели большой вес и могли использоваться только стационарно, что не удобно при обработке бетона. Сейчас такое оборудование стало более компактным.

Резка бетона ведётся путём воздействия не него теплового луча. Такие способы применяются в труднодосягаемых местах, где нельзя установить другое профессиональное оборудование или делать это опасно.

Лазерная резка является самым дорогим видом подобных работ и используется только в случаях с большими объёмами или острой необходимости.

Лазерная резка бетона.

8. Сверление бетона

Эта процедура хорошо известна даже домашним мастерам. Для её выполнения необходимы ударная дрель или перфоратор. В качестве инструмента для непосредственного разрушения бетона используются победитовые ударные свёрла или буры, а также всевозможные алмазные коронки по бетону.

Сверление бетона. Приспособления для сверления бетона.

Для бурения больших отверстий используется специальное оборудование, о котором рассказывалось выше.

Итог.

Выбирая каким оборудованием проводить резку бетона, всегда следует учитывать не только все особенности материала и оборудования, предназначенного для его обработки, но и экономическую целесообразность выбора того или иного оборудования, условий его эксплуатации, наличие квалифицированного персонала.

Не менее важным является факт подготовленности места работ, обеспечения механизмов подачей воды и заземлённого источника электропитания, а также наличия всех необходимых средств личной безопасности сотрудников, которые будут задействованы в резке бетона.

dompodrobno.ru

Алмазное бурение: полезные советы

Железобетон, представляющий собой сочетание бетонного раствора и стальной арматуры, тяжело поддается резке и сверлению. Большинство инструментов, которые легко расправляются с бетоном, пасуют перед сталью и наоборот. К счастью, алмаз является исключением из этого правила. Если Вы столкнулись с необходимостью бурения высокоармированного железобетона, то должны знать, что сколь-нибудь серьезной альтернативы коронкам с алмазными сегментами для выполнения этой работы сегодня просто не существует. Но использование алмазных коронок имеет свои особенности и тонкости. Их знание поможет Вам не только быстро справиться с работой, но и продлить срок службы своего инструмента.

Охлаждение

Если рассматривать алмаз в качестве режущего материала, то у него есть только один недостаток – относительно низкая термостойкость, которая составляет 700-900 °C. Для сравнения: термостойкость карбида кремния находится в диапазоне 1200-1300 °C. А самую высокую устойчивость к нагреву имеет эльбор – 1300-1500 °C.

Но дело не только в самом алмазе. Режущие сегменты коронки представляют собой алмазные частицы, вкрапленные в связку. Последняя имеет разную твердость и устойчивость к повышенной температуре. При перегреве связка теряет свои прочность и подвергается эрозии, что приводит к быстрому выкрашиванию алмазов.

Чтобы не допустить перегрева и разрушения алмазных сегментов, коронку охлаждают водой. Кроме охлаждения, вода еще и подавливает пыль, улучшая условия работы оператора.

Воды нужно подавать в зону реза ровно столько, сколько требуется. При малом количестве охлаждающей влаги алмазные сегменты перегреваются, при слишком большом – засаливаются. Оптимальную подачу воды можно определить по цвету суспензии, которая выходит из зоны реза. В норме она должна быть молочного оттенка. Если вода слишком чистая, значит нужно уменьшить ее подачу, если грязная – увеличить.

Иногда чисто технологически требуется сохранять место реза сухим. В этом случае используется алмазный инструмент, специально предназначенный для сухой резки, с особыми свойствами связки. Такой инструмент, в частности, можно применять для бурения кирпичных или бетонных конструкций, не содержащих армирования.

Забивка режущей кромки шламом

Обычно это происходит при недостаточной подаче охлаждающей воды, нужно просто увеличить ее количество. Справиться со шламом помогает и прерывистая подача инструмента. Если выполнять работу, делая периодически 2-х-3-х секундные остановки подачи инструмента, то этого времени хватает на то, чтобы вода удалила шлам с режущей части.

Борьба с засаливанием

Резка очень твердого материала может приводить к засаливанию режущей кромки. Это лишает ее остроты, и делает бурение неэффективным. Чтобы избавиться от засаливания, нужно уменьшить подачу воды. Если это не помогает, можно воспользоваться другим способом очистки – немного побурить силикатный кирпич. Такая операция снимает слой засалившейся связки и обнажает алмазы.

Перерывы в работе

При беспрерывной интенсивной работе бурильная машина может перегреться или даже выйти из строя. Поэтому опытные операторы делают перерывы в работе для охлаждения бурильной установки и алмазной коронки. Чем тверже обрабатываемый материал, тем чаще нужно делать перерывы. Чтобы не мучиться сомнениями, как часто и какой продолжительности делать остановки, нужно просто ознакомиться с руководством по эксплуатации бурильного аппарата. В нем описываются все рабочие режимы и продолжительность остановок.

Не экономьте на инструменте

Алмазные сегменты крепятся к коронке двумя способами – лазерной сваркой или пайкой серебряным припоем. Первый способ делает инструмент прочнее и выносливей, но стоит он дороже. При резке высокоармированного железобетона специалисты советуют использовать инструмент с лазерной сваркой. А с резкой неармированного бетона или кирпича вполне справится инструмент с серебряной пайкой.

Еще советы

Вводить коронку в соприкосновение с обрабатываемым материалом нужно осторожно и плавно – чтобы не произошло резкого удара и отрыва сегментов.

Углубляться в материал нужно медленно. Вначале внедриться на высоту режущих сегментов (1-2 см), и дать поработать инструменту без нагрузки. Это необходимо для заточки сегментов (обнажения алмазов). И только после этого можно начинать работать в нормальном режиме.

При работе нельзя допускать значительного падения оборотов двигателя бурильной машины. Если это происходит, нужно уменьшить подачу. Особенно осторожно нужно проходить арматуру. В этих местах обычно раздается особый металлический звук, и начинает светлеть вода, выходящая из зоны реза. Может начаться вибрация установки. Во всех этих случаях нужно уменьшить подачу инструмента на время прохождения арматуры.

Одна из серьезных проблем, возникающая иногда при бурении – заклинивание коронки в отверстии или даже ее облом. Особенно опасны в этом отношении глубокие отверстия. Если коронка обломилась и застряла в материале, ее извлечение может превратиться в серьезную проблему. Самый действенный способ в этом случае – использование обратного молотка. А вообще, чтобы избежать поломок и/или заклинивания инструмента, при сверлении глубоких отверстий нужно проявлять особую аккуратность.

Большое значение имеет правильный подбор коронок. В частности, нужно учитывать твердость связки алмазных сегментов, она должна соответствовать свойствам обрабатываемого материала.

Смотрите также:

www.betonbur.ru


Смотрите также