Cięcie plazmowe - charakterystyka procesu

Operacje ścinania są jednymi z najbardziej powszechnych w obróbce metali. Przy cięciu stosunkowo prostych konturów zdecydowaną przewagę mają techniki cięcia na nożycach i matrycach. Realizacja tej technologii wymaga jednak znacznej liczby rozmiarów narzędzi roboczych, co nie zawsze jest praktyczne przy licznych przezbrojeniach detali z jednej konfiguracji na drugą. W tych okolicznościach cięcie plazmowe oferuje wyraźne korzyści.

Treść artykułu:

• 1 Opis procesu cięcia
  • 1. 1 Cięcie elektrodami niekształtnymi
  • 1.2 Cięcie z użyciem tlenu lub powietrza
  • 1.3 Separacja za pomocą strumienia gazu obojętnego
  • 1.4 Rozdzielanie łuku
• 2 Wniosek

Opis procesu cięcia

Co to jest cięcie plazmowe? Technologia plazmowego cięcia metali opiera się na zasadzie lokalnego źródła ciepła o znacznej mocy, które podobnie jak spawanie, jest w stanie stopić materiał w strefie procesu z dużą prędkością. W związku z tym rozróżnia się dwa rodzaje procesów:

• Cięcie plazmowo-powietrzno-tlenowe, gdzie tryb plazmowy uzyskuje się przez jonizację powietrza, które jest podgrzewane do wymaganej temperatury z dużą prędkością.
• Cięcie plazmowe, w którym plazma jest wytwarzana za pomocą wyładowania łukowego o dużej mocy.
• Cięcie elektrodą nieprofilowaną, które opiera się na zasadzie oddziaływania elektrycznego pomiędzy obrabianym przedmiotem a drutem wykonanym z materiałów o wysokiej odporności na erozję, takich jak miedź lub mosiądz.
• Technologia plazmy gazowej, w której urządzenia generują plazmę w strumieniu gazów obojętnych o dużej gęstości (np. argon).

Każda z powyższych metod separacji metalu (głównie blachy) ma swoje zalety i ograniczenia. Wspólną cechą jest brak konieczności stosowania specjalistycznego sprzętu, możliwość separacji w dowolnie złożonym obrysie oraz obecność odpadów technologicznych w postaci stopionych, a następnie zestalonych cząstek, które muszą być następnie usunięte. Dlatego też rozważany w niniejszym artykule proces (w szczególności nawet przy użyciu urządzeń ręcznych) jest bardziej celowy i wydajny, głównie w zakresie produkcji małoseryjnej i jednostkowej, gdy liczba cięć na zmianę nie przekracza 2000 - 4000.

Separacja za pomocą elektrod nie profilowanych

Źródłem ciepła do wytworzenia plazmy jest w tym przypadku wyładowanie iskrowe o stosunkowo niskiej intensywności, które powstaje w szczelinie pomiędzy elektrodą a obrabianym przedmiotem.

Zasada działania tego typu przecinarki plazmowej jest następująca. Drut mosiężny lub miedziany o małym przekroju (maks. 1 mm) jest nawijany z jednej cewki na drugą i przesuwa się wzdłuż linii cięcia. Kiedy szczelina między elektrodami zostaje otwarta (ręcznie lub mechanicznie), w przecinarce plazmowej następuje wyładowanie iskrowe, które powoduje lokalne topienie. W momencie, gdy energia jest magazynowana na kolejny impuls, specjalne urządzenie przesuwa drut na pewną odległość, która jest obliczana zgodnie z charakterystyką termofizyczną obrabianego przedmiotu i jego grubości. Ruch drutu w maszynie eliminuje zagrożenia związane ze spawaniem i zapewnia bardziej równomierne zużycie elektrody nieprofilowanej.

Wydajność i szybkość pracy z tą przecinarką plazmową jest niska, zarówno ze względu na niską moc źródła, jak i małą średnicę elektrody drutu, co uniemożliwia wprowadzenie wysokiej energii do obszaru obróbki: drut po prostu wyparuje. Za niewątpliwe zalety metody uważa się małe straty przy cięciu, eliminację spawania fragmentarycznego oraz dobrą jakość strefy oddzielenia blachy. Dlatego maszyny te są używane do precyzyjnej pracy separacyjnej, do obróbki cienkich elementów i do skomplikowanej konfiguracji interfejsu.

Cięcie tlenem lub powietrzem

Pracujące na tej zasadzie przecinarki plazmowe wykorzystują energię pochodzącą ze spalania tlenu (czystego lub wzbogaconego powietrza). Cięcie plazmowe występuje z następujących powodów:

• Wysoka temperatura, która jest osiągana podczas spalania substancji w środowisku powietrza i tlenu (obliczenia pokazują jednak, że temperatura nie może przekraczać temperatury topnienia, w przeciwnym razie metal topi się, a nie oddziela).
• Podczas pracy przecinarka plazmowa tej konstrukcji wytwarza dodatkowe ciepło, które pomaga ustabilizować proces.
• Wysoka prędkość przepływu gazu w urządzeniu, co zmniejsza strefę oddziaływania na materiał, zapobiega samoistnemu spawaniu i poprawia jakość interfejsu.
• Przepływ gazu podczas pracy urządzenia, według specjalnego programu, zapewnia skuteczne odprowadzenie cząstek stopionego metalu ze strefy obróbki.

Działanie przecinarek plazmowych z wzdłużnym przepływem gazu ma wysoką gęstość mocy, dlatego jest stosowany w programach separacji blach o znacznej grubości (do 60-80 mm), rur i innych sekcji walcowanych metali. Istnieją jednak pewne ograniczenia:

• Podczas obróbki zawsze występuje intensywne utlenianie na powierzchni. Obliczanie tego procesu jest skomplikowane, ale ważne, ponieważ w przeciwnym razie jakość będzie cierpieć z powodu pojawienia się grubej warstwy tlenku (jak w spawaniu). Dlatego też proces cięcia wyposażony jest w urządzenia podające topnik, które wiążą tlenki w materiał topliwy, a następnie go usuwają. Skład strumienia określa się na podstawie obliczeń. Eliminuje to ryzyko przyspawania pojedynczych cząstek do ciętego konturu i oferuje operatorowi dodatkowe korzyści. Cięcie plazmowe aluminium, miedzi i innych stopów o wysokiej przewodności nie może być już realizowane bez topnika.
• Lepsza dokładność cięcia plazmowego może być osiągnięta tylko poprzez zwiększenie natężenia przepływu gazu, tak aby poziom hałasu był wysoki. Konstrukcja ekranów akustycznych dla takich przecinarek plazmowych nie jest dokładna.
• Technologia rozdzielania za pomocą plazmy w gazie palnym nie jest skuteczna do cięcia stali nierdzewnej o wysokiej temperaturze topnienia ze względu na jej rzeczywistą zdolność cięcia i prędkość cięcia.
• Przecinarki plazmowe tego typu wymagają zwiększonych środków organizacyjnych w zakresie bezpieczeństwa pożarowego.

Prosta budowa urządzeń i przystępna automatyzacja urządzeń do cięcia plazmowego zapewniają stosunkowo niską moc właściwą urządzeń. Przy braku wysokich wymagań jakościowych, palniki plazmowe do cięcia gazowego są znane ze swojej niskiej ceny i dlatego są szeroko stosowane. Dostępne są ręczne i przenośne modele przecinarek plazmowych rozważanego typu.

Separacja w strumieniu gazu obojętnego

Cięcie plazmowe stali nierdzewnej odbywa się właśnie w ten sposób. Jeżeli grubość blachy nie przekracza 50 mm, stosuje się azot, natomiast przy większych grubościach - argon. Zasada tej operacji jest podobna do spawania łukiem krytym. Istotą tej operacji jest to, że strefa cięcia jest zlokalizowana przez przepływ gazu obojętnego, co zapobiega zapaleniu się metalu i tym samym zwiększa wydajność urządzenia. Szczególnie czyste cięcie uzyskuje się przy zawartości do 15-20% wodoru w gazie głównym. Automatyczne cięcie plazmowe jest również stosowane ze względów ekonomicznych.

Ten typ maszyny jest sterowany przez parametr prędkości. Wraz z jej wzrostem zmniejsza się grubość strefy skrawania i wzrasta temperatura. Uzyskuje się czystsze cięcie, a ciągłe podgrzewanie krawędzi ciepłem plazmy stabilizuje proces w czasie i eliminuje możliwość powstawania węzłów spawalniczych, ponieważ temperatura plazmy jest utrzymywana na odpowiednim poziomie automatycznie. Programy sterujące dla tych procesów są więc proste i niezawodne.

Cięcie łukiem plazmowym wymaga dokładnych obliczeń. Obliczanie jego parametrów sprowadza się do określenia prędkości przesuwu głowicy obrabiarki oraz regulacji temperatury w strefie cięcia w celu uniknięcia ewentualnego spawania. Zamiast obliczeń niektórzy producenci maszyn zamieszczają w swoich instrukcjach obsługi praktyczne nomogramy. Pozwalają one na określenie długości kolumny plazmowej oraz ilości dostarczanego gazu obojętnego na podstawie grubości obrabianego przedmiotu, jego przewodności cieplnej oraz wymaganej wydajności urządzenia.

Oddzielanie gazów łukowych

Metoda ta jest uważana za najbardziej zaawansowaną i wszechstronną. Cechami wyróżniającymi ten typ urządzeń do cięcia plazmowego są:

• Uproszczenie układu głowicy narzędziowej, ponieważ nie ma potrzeby włączania łuku do ogólnego obwodu elektrycznego urządzenia.
• Wszechstronność metody, ponieważ ostateczna konfiguracja linii lub powierzchni cięcia jest określona tylko przez kształt elektrody (może to być miedź, wolfram lub grafit, na przykład).
• Wysoka produktywność i szybkość przetwarzania, ponieważ gęstość mocy cieplnej łuku jest najwyższa z możliwych.
• Stosunkowo niski koszt posiadania, ponieważ proste inwertory używane do spawania są wykorzystywane jako źródło formowania łuku.
• Dobra jakość krawędzi, która np. nie wymaga dalszej obróbki przy późniejszym spawaniu
• Proces ogrzewania łukowego może być łatwo zaprogramowany poprzez zmianę prądu wyładowania łukowego i szybkości pompowania medium dielektrycznego przez strefę obróbki. Znane programy zapewniają dobrą kontrolę prędkości cięcia, rozstawu elektrod i jakości wykończonej krawędzi metalu.

Topienie metali w procesie cięcia plazmowego

Cięcie blach plazmą

Wycinanie wzorów za pomocą plazmy

Wniosek

Proces cięcia plazmowego jest odpowiedni dla wszystkich materiałów przewodzących prąd elektryczny, niezależnie od ich parametrów fizyki cieplnej. Urządzenia znanych modeli są przyjazne dla użytkownika i łatwe w obsłudze, choć wymagają dodatkowej ochrony przed hałasem.