Cięcie plazmą - przewodnik po technologii

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/