Cięcie plazmowe – o nim słów kilka

Jak w tytule, o cięciu plazmą słów kilka. Tak więc zacznijmy informacjami ze „źródeł” naukowych.

Cięcie plazmowe – proces cięcia metali (stali, stopów aluminium, stopów miedzi itp.) przy zastosowaniu łuku plazmowego. Cięcie plazmowe prowadzone jest w sposób zmechanizowany lub ręczny.

plazma1

Przed utworzeniem głównego łuku plazmowego może być wytwarzany łuk pilotujący (pomocniczy), który jarzy się między elektrodą a dyszą plazmową. Duża gęstość energii cieplnej charakteryzująca łuk plazmowy umożliwia prowadzenie cięcia z prędkościami dochodzącymi do 10 m/min. Prędkość cięcia oraz przebijalność blach uwarunkowana jest głównie parametrami prądowymi łuku plazmowego oraz gatunkiem i grubością ciętego metalu. Stosowane obecnie źródła plazmy umożliwiają przebijanie blach ze stali niskowęglowych o grubości do ok. 60 mm. W przypadku cięcia stali nierdzewnych, kwasoodpornych itp. przebijalność spada o ok. 20%. Łuk plazmowy generowany jest przez źródło plazmy. Źródła plazmy stosowane przy cięciu zmechanizowanym umożliwiają uzyskanie wysokiej jakości krawędzi ciętego metalu m.in. poprzez zastosowanie dodatkowych gazów wirujących, których zadaniem jest dodatkowe zawężenie łuku plazmowego w plazmotronie. Stosowane powszechnie gazy plazmowe i wirujące to przy cięciu stali niskowęglowych: powietrze i tlen, przy cięciu stali nierdzewnych azot i mieszanki argon/wodór/azot.

plazma2

Przed przystąpieniem do cięcia plazmowego należy podłączyć przecinarkę do zasilania elektrycznego oraz do źródła sprężonego powietrza (sprężarka, sieć sprężonego powietrza). Zgodnie z instrukcją producenta należy ustawić odpowiednie ciśnienie powietrza na manometrze. Przewód masowy należy zakleszczyć na ciętym materiale.
Przed rozpoczęciem cięcia należy odpowiednio dobrać wymienne elementy palnika (elektroda, dysza) i ustawić wartość natężenia prądu zgodnie z zaleceniami producenta biorąc pod uwagę grubość i rodzaj ciętego materiału.
Proces cięcia rozpoczyna się od naciśnięcia przycisku na uchwycie, czemu towarzyszy zapalenie się łuku pilotującego, który w zetknięciu z materiałem ciętym powoduje zajarzenie łuku głównego. Wyłączenie przycisku powoduje zakończenie procesu cięcia.
Proces cięcia jest manualnie łatwiejszy od spawania, gdyż sprowadza się do właściwego przesuwania palnika wzdłuż zadanej linii cięcia z odpowiednią prędkością. Odpowiednia wprawa operatora wymagana jest właśnie do uzyskania prawidłowej prędkości przesuwania palnika.

plazma3Podstawowe parametry procesu cięcia plazmą

Natężenie prądu – natężenie prądu decyduje o temperaturze i energii łuku plazmowego. Zwiększając natężenie prądu możemy zwiększyć prędkość cięcia lub grubość przecinanego materiału.
Zbyt duże natężenie prądu sprawia, że pogarsza się jakość cięcia, zwiększa szerokość szczeliny, pojawiają się zaokrąglenia górnych krawędzi i odchylenie od prostopadłości. Zbyt małe natężenie prądu powoduje natomiast początkowo pojawienie się nawisów metalu przy dolnej krawędzi, a następnie brak przecięcia.
Natężenie prądu jest parametrem bezpośrednio regulowanym w przecinarce.

Napięcie łuku – Napięcie łuku plazmowego decyduje o sprawnym przebiegu procesów cięcia plazmowego i stąd musi być dokładnie sterowane. W zależności od natężenia prądu, napięcie łuku – ze względu na bardzo duży stopień koncentracji plazmy łuku – wynosi od 50 do 200 V.

Prędkość cięcia – prędkość cięcia należy odpowiednio dobrać do natężenia prądu i grubości ciętego materiału. W przypadku cięcia ręcznego duże znaczenie ma doświadczenie operatora. Podobnie jak wartość natężenia prądu, również prędkość ma wpływ na jakość przeprowadzonego cięcia. Zbyt mała prędkość prowadzi do zwiększenia szerokości szczeliny i pojawienia się nawisu metalu i żużla przy dolnej krawędzi oraz zaokrąglenia górnej krawędzi cięcia odchylenia od prostopadłości. Zbyt duża prędkość daje w efekcie zjawisko identyczne, jak w przypadku zbyt małego natężenia prądu.

Grubość cięcia – do grubości przecinanego materiału należy dopasować natężenie prądu i prędkość cięcia zgodnie z zaleceniami producenta. Im grubszy materiał tym większe natężenie prądu i mniejsza prędkość cięcia.
Producenci przecinarek podają maksymalną grubość cięcia danej przecinarki plazmowej dla poszczególnych materiałów określając ją w dwóch wartościach:
– maksymalna grubość cięcia jakościowego – czyli cięcia po którym powierzchnia materiału w miejscu rozcięcia jest dobrej jakości,
– maksymalna grubość cięcia rozdzielającego – czyli cięcia za pomocą którego rozdzielimy materiał, ale bez zachowania dobrej jakości krawędzi cięcia.

Rodzaj i ciśnienie oraz natężenie przepływu gazu plazmowego – Prędkość wypływu strumienia plazmy z palnika, oraz jego temperatura, są zależne od natężenia prądu, średnicy i kształtu dyszy zwężającej, a także odległości palnika od ciętego przedmiotu. Wpływ ma również rodzaj gazu plazmowego i jego ciśnienia. To właśnie dlatego, w zależności od rodzaju ciętego materiału, stosowane są różne gazy plazmowe. W pierwszych urządzeniach do cięcia plazmowego stosowany był wyłącznie argon i mieszanki argonu z wodorem. Ze względu na wysoką cenę tych gazów, rozwój cięcia plazmowego zmierzał nie tylko w kierunku zwiększenia jakości i prędkości cięcia, lecz również zastąpienia argonu znacznie tańszymi gazami. Początkowo był to azot, a następnie powietrze i tlen. Obecnie w popularnych przecinarkach ręcznych stosuje się zasilanie sprężonym powietrzem. Wymagane ciśnienie powietrza jest podawane przez producentów przecinarek i waha się w granicach 4÷7bar.

Rodzaj i konstrukcja elektrody – producenci palników plazmowych stosują różne rozwiązania konstrukcyjne elektrod i ich zamocowania i chłodzenia dążąc do wydłużenia czasu ich pracy i polepszenia jakości cięcia. Średnicę elektrody należy dobrać w zależności od natężenia prądu i należy polegać na zaleceniach producenta. Należy pamiętać, że zwiększanie natężenia  prądu powoduje zwiększone zużycie elektrod.

Średnica dyszy zwężającej – dobór dyszy należy przeprowadzić zgodnie z zaleceniami producenta.

Położenie palnika względem ciętego przedmiotu – palnik plazmowy jest prowadzony prostopadle do ciętej powierzchni i w zależności od konstrukcji palnika dysza może się bezpośrednio stykać z ciętym materiałem, co zwiększa jakość cięcia lub też zachowywać pewien odstęp dzięki zamocowanej sprężynie dystansowej.

plazma4

Ale co to jest ta plazma?

Plazma to zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz. Dzięki specyficznym właściwościom zwana jest czwartym stanem materii. Plazma złożona jest zarówno z cząstek naładowanych elektrycznie, jak i obojętnych. W plazmie współwystępują zjonizowane atomy oraz elektrony, jednak cała objętość zajmowana przez plazmę jest elektrycznie obojętna.

Ze względu na obecność dużej ilości jonów o różnym ładunku oraz swobodnych elektronów, plazma przewodzi prąd elektryczny, ale jej opór, inaczej niż w przypadku metali, maleje ze wzrostem temperatury.
W zależności od natężenia przepływającego prądu w plazmie rozróżnia się trzy stany:
– przy bardzo małym natężeniu prądu nie widać świecenia (czarny prąd),
– przy większym natężeniu prądu plazma zaczyna wytwarzać światło – znamy to zjawisko z powszechnie występujących lamp jarzeniowych,
– gdy natężenie prądu wzrośnie i przekroczy pewną graniczną wartość to powstaje łuk elektryczny – i to jest ta właściwość, którą wykorzystujemy przy cięciu i spawaniu plazmą.

Cięcie plazmą (cięcie plazmowe) – polega na topieniu i wyrzucaniu metalu ze szczeliny cięcia silnie skoncentrowanym plazmowym łukiem elektrycznym o dużej energii kinetycznej, jarzącym się między elektrodą nietopliwą a ciętym przedmiotem. Plazma tworzona jest za pomocą palnika do cięcia plazmą. Przepuszczanie strumienia sprężonego gazu przez jarzący się łuk elektryczny powoduje jego jonizację i dzięki dużemu zagęszczeniu mocy wytwarza się strumień plazmy. Dysza zamontowana w palniku skupia łuk plazmowy. Chłodzone ścianki dyszy powodują zawężanie kolumny łuku. Zasada działania cięcia plazmą wykorzystuje wysoką temperaturę w jądrze łuku plazmowego (10000÷30000K) i bardzo dużą prędkość strumienia plazmy, co powoduje, że cięty materiał jest topiony i wydmuchiwany ze szczeliny.
Powszechnie stosowanym gazem plazmotwórczym jest powietrze. W urządzeniach o dużych mocach z reguły używa się argonu, azotu, wodoru, dwutlenku węgla oraz mieszanki argon-wodór i argon-hel Strumieniem plazmy jest możliwe cięcie materiałów przewodzących prąd elektryczny – wykonanych ze stali węglowych i stopowych, aluminium i jego stopów, mosiądzu, miedzi oraz żeliwa.

 

Cechy użytkowe metody cięcia plazmą

  • Zalety:
    • znaczne prędkości cięcia – 5 do 7 razy większe niż w wypadku cięcia tlenowo-gazowego,
    • cięcie bez podgrzewania, szybkie przebijanie,
    • wąska strefa wpływu cięcia, małe odkształcenia cieplne – stosunkowo niewielki wpływ temperatury na cały materiał dzięki dużym prędkościom i silnie skoncentrowanemu działaniu temperatury,
    • niewielka szczelina cięcia,
    • dobra jakość powierzchni cięcia,
    • możliwość cięcia bez nadpalania materiałów cienkich,
    • duży zakres grubości cięcia – od 0,5mm do 160mm,
    • skuteczne cięcie w pionie i ukosowanie stali konstrukcyjnej o grubości do 30mm
    • łatwa automatyzacja procesu cięcia.
  • Wady:
    • duży hałas (nie dotyczy przypadku procesu cięcia pod wodą)
    • silne promieniowanie UV,
    • duża ilość gazów i dymów szkodliwych dla zdrowia,
    • zmiany w strefie wpływu cięcia,
    • trudności w utrzymaniu prostopadłości krawędzi.

plazma5

Dodaj komentarz