Cięcie plazmowo - gazowe

Cięcie plazmowe jest rodzajem cięcia łukowego i charakteryzuje się utworzeniem silnie skoncentrowanego plazmowego łuku elektrycznego, jarzącego się między elektrodą a materiałem, który go topi i wyrzuca ze szczeliny cięcia. Plazmowy łuk elektryczny to silnie zjonizowany gaz, przemieszczający się z dyszy plazmowej z prędkością bliską prędkości dźwięku.

Temperatura wiązki plazmy oscyluje przy wartościach 10 000–30 000 K i zależy od natężenia prądu oraz rodzaju i składu gazu plazmowego. Dzięki dużej energii cieplnej łuku plazmowego cięcie może być realizowane w szerokim zakresie prędkości. Decyduje ona jednak o jakości tego procesu i wraz ze wzrostem prędkości spada jakość, maleje szerokość szczeliny i ostatecznie następuje brak przecięcia. Zależnie od rodzaju ciętego materiału stosuje się różne gazy plazmowe. Źródłem prądu jest agregat plazmowy. W czasie cięcia palnik utrzymywany jest w pozycji prostopadłej lub pod odpowiednim kątem (podczas żłobienia czy ukosowania) do powierzchni rozdzielanego przedmiotu i w stałej od niego odległości. Palniki, w których gazem plazmowym jest powietrze, wyposażone są w specjalne elektrody odporne na utlenianie. Używane są elektrody z hafnu osadzone w miedzianym korpusie, zapewniającym intensywne odprowadzanie ciepła.

Ten rodzaj cięcia umożliwia rozdzielenie wszystkich materiałów przewodzących prąd elektryczny. Proces cięcia plazmowego realizowany jest w sposób ręczny, zmechanizowany i zrobotyzowany. Wraz z cięciem tlenowym dominuje w przemyśle – około 90% maszyn do cięcia sprzedawanych na rynku światowym to urządzenia do cięcia plazmowego i tlenem.
Niewątpliwymi zaletami wypalarek plazmowych jest duża prędkość cięcia oraz niezniekształcone wycięte elementy. Dzięki wysokiej temperaturze łuku plazmowego cięcie zaczyna się natychmiast, bez podgrzewania. Natomiast wadami tego procesu są wysoki poziom hałasu, duża ilość gazów i dymów oraz zagrożenie porażeniem prądem.

Maksymalny wymiar arkusza: 3000 x 13000 mm
Grubość cięcia: stal węglowa od 6 do 300mm

Wykorzystanie łuku plazmowego pozwalającego na cięcie wszystkich materiałów przewodzących prąd elektryczny znalazło zastosowanie w przemyśle w latach 50-tych 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.

Olbrzymi rozwój tej technologii spowodował, że w pewnych warunkach cięcie plazmowe stało się konkurencyjne dla takich procesów jak np. cięcie laserowe czy cięcie gazowe. Ponadto 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). Plazmotwórczy gaz, przepływając przez łuk elektryczny jarzący się między elektrodami, ulega jonizacji i dzięki dużemu zagęszczeniu mocy wytwarza strumień plazmy (zjonizowanego gazu). Dysza zamontowana w palniku skupia łuk plazmowy. Chłodzone ścianki dyszy powodują zawężanie kolumny łuku. Wysoka temperatura w jądrze łuku plazmowego i bardzo duża prędkość strumienia plazmy (energia kinetyczna) to zjawiska powodujące, że materiał jest stopiony i wydmuchany ze szczeliny. Gaz plazmotwórczy musi charakteryzować się wysoką entalpią i dużą przewodnością cieplną oraz możliwie najmniejszym potencjałem dysocjacji i jonizacji oraz dużym ciężarem cząsteczkowym.

Do cięcia plazmowego wykorzystywane są m.in.:

• argon - doskonały składnik gazowy do zajarzenia i podtrzymywania łuku stosowany w mieszaninie z wodorem,
• wodór – do cięcia stali austenitycznych i stopów lekkich używany w połączeniu z argonem lub azotem,
• azot - zapewnia cięcie z dużymi prędkościami bez utlenienia krawędzi i ogranicza powstawanie nawisów,
• tlen - stosowany do wydajnego cięcia stali niskostopowych gwarantuje uzyskanie gładkiej powierzchni ciętego materiału, wolnej od nawisów i tlenków.

Operacje cięcia można wykonać pod warstwą wody, co powoduje znaczne obniżenie poziomu hałasu. Proces cięcia plazmowego polega na stapianiu i wyrzucaniu metalu ze szczeliny cięcia silnie skoncentrowanym plazmowym łukiem elektrycznym, jarzącym się między elektrodą nietopliwą a ciętym przedmiotem. Plazmowy łuk elektryczny jest silnie zjonizowanym gazem o dużej energii elektrycznej, przemieszczającym się z dyszy plazmowej zawężającej go w kierunku szczeliny cięcia z prędkością bliską prędkości dźwięku. Temperatura strumienia plazmy zależna jest od natężenia prądu, stopnia zwężenia łuku oraz rodzaju i składu gazu plazmowego, i mieści się w granicach 10 000 - 30 000 K. Do cięcia plazmowego stosowany jest tylko prąd stały z biegunowością ujemną, zasilany z prostowników lub inwentorowych źródeł prądu. Możliwe jest cięcie wszystkich materiałów konstrukcyjnych przewodzących prąd elektryczny. Proces cięcia plazmowego stosowany jest do cięcia ręcznego, zmechanizowanego i zrobotyzowanego stali i metali nieżelaznych, z dużymi prędkościami. Dzięki wysokiej temperaturze łuku plazmowego cięcie rozpoczyna się natychmiast, bez podgrzewania.

Do zalet cięcia plazmowego można zaliczyć:

• dużą gładkość ciętych powierzchni,
• pewny i powtarzalny zapłon łuku pilotującego niezależnie od pokrycia ciętych materiałów warstwą rdzy lub lakieru
• wydłużony czas pracy elementów zużywalnych dzięki stosowaniu odpowiednich systemów,
• w pełni zautomatyzowane cięcie za pomocą systemów maszynowych.

Podstawowe parametry cięcia plazmowego to:

• natężenie prądu w A
• napięcie łuku w 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 zawężającej w mm
• położenie palnika względem ciętego przedmiotu.

Przy ręcznym cięciu plazmowym operator reguluje jedynie prędkość cięcia i odległość dyszy od ciętego przedmiotu, a pozostałe parametry są stałe, utrzymywane układem sterującym urządzenia na nastawionym przez operatora poziomie. Natężenie prądu decyduje o temperaturze i energii łuku plazmowego. Stąd wynika że gdy zwiększa się natężenie prądu, zwiększa się prędkość cięcia lub przy danej prędkości cięcia możliwe jest cięcie materiałów o większej grubości, lecz maleje znacznie trwałość elektrod. Zbyt duże natężenie prądu sprawia, pogarsza się jakość cięcia, zwiększa się szerokość szczeliny, pojawiają się zaokrąglenia górnych krawędzi i odchylenie od prostopadłości. Zbyt małe natężenie prądu powoduje początkowo pojawienie się nawisów metalu przy dolnej krawędzi, a następnie brak przecięcia. Napięcie łuku plazmowego decyduje o sprawnym przebiegu procesu cięcia plazmowego i stąd musi być dokładnie sterowane. W zależności odnatężenia prądu napięcie łuku, ze względu na bardzo duży stopień koncentracji plazmy łuku, wynosi 50 200 V. Źródła prądu muszą więc mieć napięcie biegu jałowego ok. 150 400 V. Dzięki dużej energii cieplnej łuku plazmowego proces cięcia może być prowadzony w stosunkowo szerokim zakresie prędkości cięcia.

Prędkość cięcia decyduje o jakości cięcia, zwłaszcza w przypadku cięcia ręcznego. Gdy zwiększa się prędkość cięcia, spada jakość cięcia, maleje szerokość szczeliny cięcia, pojawia się trudny do usunięcia nawis metalu przy dolnej krawędzi i ostatecznie brak przecięcia. Zbyt mała prędkość cięcia prowadzi do zwiększenia szerokości szczeliny cięcia i zaokrąglenia górnej krawędzi oraz większą szerokość u góry ni u dołu szczeliny, jak i pojawienia się nawisu metalu i u la przy dolnej krawędzi. Prędkość wypływu strumienia plazmy z palnika oraz jego temperatura zależne są od natężenia prądu, średnicy i kształtu dyszy zawężającej i odległości palnika od ciętego przedmiotu, ale równie od rodzaju gazu plazmowego i jego ciśnienia. W zależności od rodzaju ciętego materiału są stosowane różne gazy plazmowe. Głównie są to: tlen, powietrze ,azot, argon oraz mieszanki: argon wodór i azot wodór. W pierwszych urządzeniach do cięcia plazmowego był stosowany wyłącznie argon i mieszanki argon wodór. Ze względu na wysoką cenę tych gazów rozwój cięcia plazmowego zmierzał nie tylko w kierunku zwiększenia jakości i prędkości cięcia, lecz równie zastąpienia argonu znacznie tańszymi gazami. Początkowo był to azot, a następnie powietrze i tlen. a podobne prędkości cięcia przy mniejszym natężeniu prądu.

Cięcie plazmowe może być prowadzone w sposób ręczny, zmechanizowany, zautomatyzowany i zrobotyzowany we wszystkich pozycjach. Spawanie ręczne, dzięki małej masie palnika i inwertorowym źródłom prądu, może być stosowane w warunkach montażowych, w trudno dostępnych miejscach. Budowane są równie urządzenia umożliwiające zrobotyzowane cięcie konstrukcji pod wodą na dużych głębokościach.

Technologia i technika cięcia plazmowego są zależne głównie od konstrukcji palnika i często podstawowe warunki technologiczne cięcia ustala się na podstawie zaleceń lub katalogów producenta urządzenia. Do cięcia plazmowego są stosowane palniki o natężeniu prądu 30 40 A, 30 100 A oraz dużej mocy, 100 1000 A. Palniki do cięcia ręcznego zwykle są chłodzone powietrzem, a natężenie prądu łuku plazmowego nie przekracza 100 A. Palniki dużej mocy stosowane do cięcia zmechanizowanego sterowanego numerycznie wymagają chłodzenia wodnego.

Nowoczesne konstrukcje palników mają samocentrujące się dysze i elektrody, w celu zapewnienia możliwie dużej ich trwałości. Istnieje wiele konstrukcji palników plazmowych zapewniających zwiększenie jakości i prędkości cięcia przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów cięcia. Gaz plazmowy stapia i wydmuchuje ciekły metal ze szczeliny cięcia, a gaz ochronny osłania obszar cięcia przed dostępem powietrza i dodatkowo chłodzi ten obszar.

Zastosowanie dodatkowego zawężenia łuku plazmowego gazem ochronnym, zwiększa stopień zwężenia plazmy i jej temperaturę, co umożliwia zwiększenie prędkościcięcia przy tych samych parametrach prądowych. W tym rozwiązaniu gazem plazmowym jest zwykle argon lub mieszanka Ar H2 lub Ar N2 , a rodzaj drugiego gazu, ochronnego i zawężającego, 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.