Cięcie plazmą - przewodnik po technologii

>> wtorek, 7 kwietnia 2009

Plazma - zwana czwartym stanem materii - od lat fascynuje fizyków swymi zdumiewającymi własnościami i nieoczekiwanymi, coraz to nowymi możliwościami zastosowań. Na przykład w procesach obróbki metali.Ogólna charakterystyka urządzeń do cięcia plazmąUrządzenia do cięcia plazmą przeznaczone są do ręcznego lub maszynowego cięcia plazmą powietrzną elementów przewodzących prąd elektryczny - wykonanych ze stali węglowych i stopowych, aluminium i jego stopów, mosiądzu, miedzi, a także żeliwa.Urządzenia takie gotowe są w zasadzie do natychmiastowej pracy. Specjalne wyposażenie palnika umożliwia cięcie w miejscach trudnodostępnych i we wszelkich możliwych pozycjach. Budowane są również urządzenia umożliwiające zrobotyzowane cięcie konstrukcji pod wodą, na dużych głębokościach. Zalety i wady technologii cięcia plazmą:
Zalety:
• znaczne prędkości
• cięcie bez podgrzewania - szybkie przebijanie
• wąska strefa wpływu cięcia - stosunkowo niewielki wpływ temperatury na cały materiał dzięki dużym prędkościom i wąskim działaniem temperatury
• niewielka szczelina cięcia• możliwość cięcia bez nadpalania materiałów cienkich
Wady:
• duży hałas (bez znaczenia w przypadku procesu cięcia pod wodą)
• silne promieniowanie
• duża ilość gazów i dymów
• zmiany w strefie wpływu cięcia
• trudności w utrzymaniu prostopadłości krawędziPlazma jest zbiorem zjonizowanych i neutralnych cząstek.

W zbiorze tym współwystępują zjonizowane atomy oraz elektrony, jednak cała objętość zajmowana przez plazmę jest elektrycznie obojętna. W stanie plazmy znajduje się ponad 99% materii tej części Wszechświata, która znajduje się w obszarze dostępnym dla ludzkiej obserwacji. Opór elektryczny plazmy, inaczej niż w metalach, maleje ze wzrostem jej temperatury.Plazma ma strukturę komórkową, w której każda komórka jest otoczona przez warstwę podwójną DL (doublelayer). Warstwa taka powstaje wtedy, gdy w plazmie występuje różnica temperatur. W DL od strony cieplejszej występuje warstwa o zwiększonej ilości (gęstości) jonów dodatnich, a od strony chłodniejszej warstwa o zwiększonej gęstości elektronów. Między tymi warstwami występuje obszar o zmniejszonej gęstości jonów i elektronów.Komórki plazmy mogą mieć formę ziarnistą, ale częściej obserwuje się formy włókniste, występujące często przy przepływie plazmy.

Plazmę dzielimy na dwie grupy ze względu na temperaturę:
• plazma zimna (4000 - 30000 K) wytwarzana jest w plazmotronach,
• plazma gorąca (30000 K i wyżej) występuje we wnętrzu gwiazd lub w wybuchach jądrowych.Gdy prąd przepływa przez komórkę plazmy, która jest prawie idealnym przewodnikiem, musi przepłynąć przez warstwę podwójną, i to właśnie w niej następuje prawie cały spadek napięcia.

W zależności od natężenia przepływającego prądu, w plazmie rozróżnia się trzy stany:
• przy bardzo małym natężeniu („czarny prąd”)•
nie widać objawów wzrokowo;
• przy zwiększonym natężeniu plazma zaczyna wytwarzać światło - najbardziej znanym jest światło z jarzeniówek;
• gdy natężenie prądu przekracza pewną graniczną wartość, powstaje - interesujący nas z punktu widzenia niniejszego opracowania - łuk elektryczny.

Wykorzystanie łuku plazmowego pozwalającego na cięcie wszystkich materiałów przewodzących prąd znalazło zastosowanie w przemyśle już w latach 50. ubiegłego wieku. Rozwój technologii cięcia oraz specjalistycznych urządzeń pozwolił na rozszerzenie zakresu zastosowań cięcia plazmowego - z wcześniej rozwiniętego cięcia stali austenitycznych i stopów lekkich - o stale niskostopowe. Spowodował także, iż w pewnych warunkach cięcie plazmowe stało się konkurencyjne dla takich procesów, jak np. cięcie laserowe czy cięcie gazowe.Cięcie termicznePodstawowym rodzajem cięcia termicznego jest cięcie za pomocą palnika acetylenowo-tlenowego. Proces ten wykorzystywany jest do cięcia stali odpornych na korozję gorszej jakości, ponieważ w czasie jego przebiegu następuje utlenienie i duże nagrzewanie metalu w strefie cięcia. Dlatego ten rodzaj cięcia stosuje się jako rozwiązanie... awaryjne. W cięciu plazmowym metal topiony jest miejscowo przez bardzo wysoką temperaturę (10000 - 20000 °C)otrzymywaną przez ograniczony strumień plazmy.„Plazmą” nazywamy tutaj silnie zjonizowany gaz; to właśnie ów plazmotwórczy gaz, przepływając przez łuk elektryczny jarzący się między elektrodami, ulega jonizacji i dzięki dużemu zagęszczeniu mocy wytwarza strumień plazmy. 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.Strumień cząstek kontra metalJak wspomnieliśmy, proces cięcia plazmowego polega na topieniu i wyrzucaniu metalu ze szczeliny cięcia silnie skoncentrowanym plazmowym łukiem elektrycznym, jarzącym się między elektrodą nietopliwą, a ciętym przedmiotem. Elektroda nietopliwa wykonana jest z miedzi z wprasowaną płytką cyrkonową lub hafnową i jest bardzo intensywnie chłodzona wodą lub powietrzem. Temperatura strumienia plazmy jest zależna od natężenia prądu, stopnia zwężenia łuku oraz rodzaju i składu gazu plazmowego.Do cięcia metali używane są wyłącznie palniki plazmowe o łuku zależnym. Zajarzenie łuku w takich palnikach odbywa się za pomocą impulsu prądu o wysokim napięciu lub prądem wysokiej częstotliwości (HF). Możliwe jest cięcie wszystkich materiałów konstrukcyjnych przewodzących prąd elektryczny (żeliwo, stal, stal wysokostopową, aluminium, miedź i inne). Materiały niemetaliczne mogą być cięte jedynie palnikami plazmowymi o łuku niezależnym.Jako źródła prądu (do cięcia plazmowego stosowany jest wyłącznie prąd stały z biegunowością ujemną) używane są prostowniki tyrystorowe oraz inwertory, które charakteryzują się możliwością płynnej regulacji natężenia prądu, dużą sprawnością energetyczną oraz małą masą i niewielkimi gabarytami. W zależności od grubości przecinanego materiału stosuje się źródła prądu o różnych mocach. Przy cięciu materiałów o dużych grubościach, cięcie odbywa się z reguły automatycznie; w zależności od wielkości produkcji, jak i potrzeby osiąganej jakości powierzchni i powtarzalności wymiarów, procesy cięcia termicznego mogą być prowadzone manualnie, półautomatycznie i automatycznie (CNC). Każde stanowisko do cięcia plazmowego, niezależnie od rodzaju i mocy uchwytu, powinno być wyposażone w wentylację, z uwagi na wydzielanie się w wysokiej temperaturze szkodliwych dla zdrowia tlenków i azotków metali.Stopień utlenienia i zanieczyszczenia krawędzi cięcia uzależniony jest od rodzaju zastosowanego gazu, a także typu ciętej stali. Dla typowych stali odpornych na korozję wystarcza zazwyczaj szlifowanie na głębokość 0,5 mm, aby usunąć z powierzchni materiału strefę oddziaływania ciepła. Wykonanie zabiegu cięcia plazmowego pod wodą pozwala na znaczne zredukowanie utleniania się powierzchni oraz znacząco podnosi prędkość cięcia (dla arkusza blachy austenitycznej odpornej na korozję o grubości 3 mm, typowa prędkość cięcia wynosi 3,5 m/min.). Porównując cięcie plazmowe z mechanicznymi procesami cięcia (z wyłączeniem cięcia nożycami wibracyjnymi), strata materiału w przypadku tego pierwszego jest znacznie większa. Ponadto powstała w procesie cięcia krawędź materiału posiada pewien kąt nachylenia, który wymaga zniwelowania, a to powoduje konieczność dodania do obróbki kolejnego procesu technologicznego. Z reguły jednak kąt ów niwelowany jest podczas wspomnianego procesu szlifowania strefy wpływu ciepła.


Parametry cięcia plazmowego
Podstawowe parametry cięcia plazmowego to:
• natężenie prądu (A),
• napięcie łuku (V),
• prędkość cięcia w m/min.,
• rodzaj i ciśnienie w Mpa (bar) oraz natężenie przepływu gazu plazmowego w l/min.,
• rodzaj i konstrukcja elektrody.
• średnica dyszy zwężającej w mm,
• położenie palnika względem ciętego przedmiotu.

Natężenie prądu decyduje o temperaturze i energii łuku plazmowego. Stąd wynika, że wraz ze zwiększeniem natężenia prądu zwiększa się prędkość cięcia lub przy zachowaniu prędkości cięcia możliwe jest obrabianie materiałów o większej grubości; wiąże się to jednak że zwiększonym zużyciem elektrod. 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. 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. Jak z tego wynika, zastosowane w urządzeniach do cięcia plazmą źródła prądu muszą mieć napięcie biegu jałowego z przedziału 150 - 400 V.Dzięki dużej energii cieplnej łuku plazmowego proces cięcia może być prowadzony w stosunkowo szerokim zakresie prędkości cięcia. Podobnie jak wartość natężenia prądu, również prędkość ma wpływ na jakość przeprowadzonego cięcia. Zbyt mała prowadzi do zwiększenia szerokości szczeliny i pojawienia się nawisu metalu i żużla przy dolnej krawędzi. Towarzyszy temu także zjawisko zaokrąglenia górnej krawędzi cięcia i „lejkowatości” wycinanego otworu (zwężającego się ku dolnej krawędzi). Za duża prędkość daje w efekcie zjawisko identyczne, jak w przypadku zbyt dużego natężenia prądu. 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.Jako ciekawostkę warto przytoczyć fakt, iż 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.Plazma i praktykaTechnologia i technika cięcia plazmowego zależą od konstrukcji palników i często podstawowe warunki cięcia ustala się na podstawie zaleceń producenta urządzenia. Do cięcia plazmowego stosowane są palniki o natężeniu prądu 30-40 A, 30-100 A oraz dużej mocy, dochodzącej do 1000 A. Palniki do cięcia ręcznego, o natężeniu łuku nieprzekraczającym 100 A, chłodzone są zazwyczaj powietrzem, natomiast palniki dużej mocy, stosowane do mechanicznego cięcia CNC, wymagają chłodzenia płaszczem wodnym. Nowoczesne konstrukcje palników mają samocentrujące się dysze i elektrody, co pozytywnie wpływa na ich trwałość i niezawodność. Oczywiście, istnieje wiele konstrukcji palników plazmowych zapewniających zwiększenie jakości i prędkości cięcia przy jednoczesnym zmniejszeniu jego kosztów. Gaz plazmowy stapia i wydmuchuje ciekły metal ze szczeliny cięcia, a gaz ochronny osłania obszar cięcia przed dostępem powietrza i dodatkowo chroni ten obszar. Zastosowanie dodatkowego zwężenia łuku plazmowego gazem ochronnym zwiększa stopień zwężenia plazmy i jej temperaturę, co umożliwia zwiększenie prędkości cięcia przy zachowaniu tych samych parametrów prądowych.W takim rozwiązaniu, gazem plazmowym jest zwykle argon lub mieszanka argonu i wodoru (ewentualnie argonu i azotu), a rodzaj drugiego gazu, ochronnego i zwężającego, zależy od rodzaju ciętego metalu. Na przykład przy cięciu stali niskowęglowych i niskostopowych drugim gazem może być powietrze lub tlen, które zapewniają dodatkowe zwiększenie prędkości cięcia na skutek egzotermicznego spalania żelaza. W przypadku cięcia stali odpornych na korozję i aluminium, drugim gazem może być azot...Ile jeszcze zjawisk fizycznych uda się wykorzystać z równym powodzeniem w praktyce?

Opracowanie: Marek StaszyńskiArtykuł pochodzi z miesięcznika „Projektowanie i Konstrukcje
Inżynierskie” nr 2/2007. http://www.konstrukcjeinzynierskie.pl/

Czytaj dalej...

Układ żelazo-węgiel

>> piątek, 3 kwietnia 2009

Na osi poziomej podana jest procentowa zawartość węgla w stopie, na osi pionowej temperatura. Z wykresu można odczytać jaką strukturę posiada stop, przy założeniu równowagowego procesu wytwarzania. Podczas chłodzenia lub podgrzewania stopów żelaza zachodzi w nich wiele przemian.
Linia ABCD i AHJECF przedstawiają przebieg topienia przy nagrzewaniu albo krzepnięciu podczas chłodzenia. linie HNJ, GSE, GPSK, PQ) przedstawiają przebieg przemian w stanie stałym.

Jeżeli ciekły stop żelaza z węglem zacznie stygnąć, to początek krzepnięcia w zależności od stężenia węgla, będzie się znajdował na linii likwidusu ABCD a koniec krzepnięcia na linii AHJECF - linia solidusu. W temperaturze powyżej linii likwidusu stop występuje w stanie ciekłym, pomiędzy liniami likwidusu i solidusu stop w stanie częściowo ciekłym a poniżej linii solidusu stop występuje jako stały.

Jeżeli skrzepnięty stop będziemy chłodzić już w stanie stałym czyli poniżej temp. 1130°C to będą wtedy występowały przemiany w stanie stałym.

Przemiany te są spowodowane występowaniem odmian alotropowych żelaza, różniących się budową krystalograficzną, własnościami fizycznymi, chemicznymi i mechanicznymi.

Rozróżniamy odmiany alotropowe żelaza α, γ, δ(α), przy czym odmiana α do 768ºC jest ferromagnetyczna, natomiast powyżej tej temperatury jest paramagnetyczna (niemagnetyczna)

Przemiany alotropowe zachodzą w temperaturach:

  • Przemiana perytektyczna zachodzi w temp. 1495ºC, jest przemianą, podczas której, w czasie chłodzenia, dwie fazy (jedna z nich ciekła) przemieniają się w jedną fazę stałą. L + α →β

  • Przemiana eutektycznaPrzemianę Ciecz → α + β nazywamy przemianą eutektyczną. Zachodzi w temp. 1148ºC.Przemiana eutektyczna jest przemianą, w której udział biorą trzy fazy. Podczas przemiany, w czasie chłodzenia, ciecz przemienia się w dwie fazy stałe jednocześnie.

  • Przemiana eutektoidalnaZachodzi w temp. 727ºC, jest przemianą, w której biorą udział trzy fazy. Podczas chłodzenia faza stała przemienia się w dwie inne fazy stałe jednocześnie. γ → α + β
Wykres żelazo-węgiel odnosi się do przemian w stanie zbliżonym do do równowagi, If you are looking for employer identification number application then learn more . tzn. zachodzących bardzo wolno.

Czytaj dalej...

Krystalizacja spoiny

>> czwartek, 2 kwietnia 2009

Jeżeli ciekły metal zostanie ochładzany, to po dojsciu do temperatury krzepnięcia (temperatury solidusu Ts) zostaje uzyskany stan równowagi między fazą ciekłą a stałą.
Aby nastąpił proces krystalizacji, muszą być spełnione następujące warunki:

  • roztopiony metal musi osiągnąć pewien stopień przechłodzenia,
  • muszą wytworzyć się zarodki krystalizacji,
  • utworzony zarodek krystalizacji przy danej temperaturze przechłodzenia, powinien mieć conajmniej wymiar krytyczny.

Zarodki krystalizacji tworzą się w całej objętości roztopionego metalu, a w wyniku rozrastania się stykają się ze sobą tworząc pierwotne ziarna skrzepniętego metalu. Im większa liczba zarodków krystalizacji znajduje się w danej objętości cieczy, tym nowo powstająca pierwotna struktura jest bardziej drobnoziarnista.

Aby proces krystalizacji postępował, temperatura jeziorka ciekłego metalu musi być niższa od temperatury krzepniecia czystych metali lub temperatury likwidusu stopu tych metali.Rozrózniamy dwa rodzaje przechłodzenia cieplne i stężeniowe.

Przechłodzenie cieplne powstaje w wyniku odprowadzania ciepła na granicy styku fazy ciekłej z fazą stałą w kierunku zakrzepniętego metalu. Takie przechłodzenie moze nastąpić w przypadku, gdy brak jest zarodków krystalizacji. Jeżeli jednak takie zarodki istnieją to przy ich rozroście energia cieplna krzepnięcia, która jest wyzwalana, musi być mniejsza od energii cieplnej odprowadzanej. W spoinie zawsze wystepują zarodki zdolne do krystalizacji.

Po rozpoczeciu krystalizacji temperatura w całym jeziorku wzrasta, az do punktu bliskiego temperatury równowagi krzepnięcia. Przechładzanie cieplne ma zatem znaczenie tylko przy tworzeniu zarodków krystalizacji. Rozrost tych zarodków zostaje natomiast określony przechłodzeniem stężeniowym, którego mechanizm zostaje uruchomiony dopiero po rozpoczęciu krzepnięcia.

Przechłodzenie stężeniowe występuje wówczas, gdy w pewnym zakresie temperatur następuje zakrzepnięcie części stopiwa i zawarte w metalu zanieczyszczenia i składniki stopowe gromadzą się przed frontem krystalizacji. Składniki te gromadzą się w stopiwie, tuż przed czołem krzepniecia, powodują obniżenie temperatury krzepnięcia. Temperatury tej nie można określić za pomocą układu okresowego.

Czytaj dalej...

Spawanie elektronowe

>> środa, 1 kwietnia 2009

Spawanie elektronowe, właściwie spawanie wiązką elektronową - rodzaj techniki spawania metali, który polega na nagrzewaniu miejsca łączenia przy pomocy wiązki elektronowej. Do spawania tą techniką służy spawarka elektronowa, w której źródłem elektronów jest działo elektronowe. Elektrony są przyspieszane napięciem rzędu dziesiątków kV. Charakterystycznymi cechami spawania elektronowego jest to, że spawanie odbywa się najczęściej w środowisku próżni rzędu 10-5 Tr a także to, że spoina tworzy się przez stopienie brzegów łączonych detali. Spawanie elektronowe odznacza się szeregiem korzystnych właściwości. Technika ta pozwala łączyć metale (np. wolfram-miedź, niob-miedż), których nie daje się łączyc innymi technikami spawalniczymi.

Czytaj dalej...