Cięcie plazmą

[wacek624]

Opis metody cięcia plazmą

Co to jest 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.

Schemat cięcia plazmą

Cechy użytkowe metody cięcia plazmą

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

Żłobienie plazmą

Przecinarki plazmowe stosowane do cięcia mogą być wykorzystywane również do żłobienia. Podczas żłobienia palnik skierowany jest pod kątem ostrym w stosunku do obrabianej powierzchni, dzięki czemu stopiony materiał jest wydmuchiwany na zewnątrz bez przecinania materiału. Przez żłobienie metal usuwany jest w sposób wydajny, precyzyjny i czysty. Korzyści stosowania żłobienia plazmowego to: redukcja hałasu i dymów w porównaniu z innymi cieplnymi metodami żłobienia, wysoka precyzja i duża wydajność usuwania metalu, redukcja ryzyka nawęglania w porównaniu z procesem żłobienia łukiem elektrycznym, możliwość żłobienia metali żelaznych i nieżelaznych.

Technika cięcia plazmowego

W skład stanowiska do cięcia plazmą wchodzi:

*
źródło prądu wraz z układem sterowania czyli przecinarka plazmowa,
*
wielofunkcyjny przewód z palnikiem plazmowym (uchwytem do cięcia plazmą) doprowadzający prąd do elektrody nietopliwej, gaz plazmowy, sterowanie oraz opcjonalnie układ chłodzenia,
*
przewód masowy z zaciskiem łączący cięty przedmiot ze źródłem prądu,
*
źródło gazu plazmowego i osłonowego - najczęściej sprężarka powietrza,
*
opcjonalnie - układ wodnego chłodzenia uchwytu - chłodnica cieczy.

Jak ciąć ręczną przecinarką plazmową - podstawowe informacje

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.


Podstawowe 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.

Żłobienie plazmowe

Przecinarki plazmowe stosowane do cięcia mogą być wykorzystywane również do żłobienia. Proces żłobienia wykonuje się zazwyczaj za pomocą standardowych palników do cięcia, lecz wyposażonych w specjalne dysze i prowadniki utrzymujące palnik we właściwej pozycji. Podczas żłobienia palnik skierowany jest pod kątem ostrym w stosunku do obrabianej powierzchni, dzięki czemu stopiony materiał jest wydmuchiwany na zewnątrz bez przecinania materiału.

Jak wybrać przecinarkę plazmową

Stanowisko do cięcia plazmą składa się z:

*
źródła prądu wraz z układem sterowania czyli przecinarki plazmowej,
*
przewodu z palnikiem plazmowym (uchwytem do cięcia plazmą), który doprowadza prąd do elektrody nietopliwej, gaz plazmowy, sterowanie oraz opcjonalnie układ chłodzenia,
*
przewodu masowego z zaciskiem łączącym cięty przedmiot ze źródłem prądu,
*
źródła gazu plazmowego i osłonowego - najczęściej sprężarka powietrza,
*
opcjonalnie - układu wodnego chłodzenia uchwytu - chłodnicy cieczy.

Do cięcia plazmowego stosowany jest wyłącznie prąd stały z biegunowością ujemną (minus na elektrodzie). Jako źródła prądu używane są tradycyjne prostowniki tyrystorowe oraz inwertory. Przecinarki inwertorowe 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.
Każde stanowisko do cięcia plazmowego, niezależnie od rodzaju i mocy uchwytu, powinno być wyposażone w wentylację miejscową, z uwagi na wydzielanie się w wysokiej temperaturze szkodliwych dla zdrowia tlenków i azotków metali.



Podstawowe parametry i funkcje przecinarek plazmowych

*
Maksymalny prąd cięcia (amperaż) - jest podstawowym wyznacznikiem mocy każdej przecinarki plazmowej. Decyduje on o wydajności cięcia (prędkości) i o maksymalnej grubości materiału jaki możemy przecinać.
*
Cykl pracy - określany jest dla danej wartości natężenia prądu cięcia. Jest procentowanym podziałem 10 minut na czas, przez który urządzeniem można ciąć z daną wartością prądu i na konieczny czas przerwy w pracy. Przerwy w pracy są konieczne ze względu na nagrzewanie się układów urządzenia. Po przekroczeniu ustalonej temperatury przecinarka wyłącza się celem schłodzenia.
Cykl pracy zwiększa się wraz ze zmniejszaniem prądu cięcia. Np. przecinarka może ciąć prądem 60A w cyklu 35%, a prądem 40A w cyklu 100%.
*
Regulacja prądu cięcia - natężenie prądu cięcia jest podstawową wartością bezpośrednio regulowaną w przecinarce.
*
Maksymalna grubość cięcia - podawana jest w dwóch wartościach (grubość jest inna dla różnych materiałów):
o
Maksymalna grubość cięcia jakościowego - czyli cięcia po którym powierzchnia materiału w miejscu rozcięcia jest dobrej jakości,
o
Maksymalna grubość cięcia rozdzielającego - czyli cięcia za pomocą którego rozdzielimy materiał, ale bez zachowania dobrej jakości krawędzi cięcia.
*
Parametry gazu plazmowego - w popularnych ręcznych przecinarkach używane jest sprężone powietrze o ciśnieniu 4÷7bar podawane z niezależnego kompresora lub też z kompresora wbudowanego w przecinarkę (np. przecinarka Invertec PC-208). Producenci przecinarek podają maksymalny przepływ powietrza tak, aby prawidłowo dobrać wydajność kompresora.
*
Rodzaj chłodzenia uchwytu - w małych i średnich przecinarkach uchwyt chłodzony jest dostarczanym sprężonym powietrzem, natomiast w przecinarkach o wyższych parametrach chłodzenie uchwytu może się odbywać cieczą w obwodzie zamkniętym dzięki wbudowanej chłodnicy.

Jak wybrać przecinarkę plazmową?

Dobór przecinarki należy rozpocząć od ustalenia jakiego rodzaju metale i o jakiej grubości chcemy przecinać.
W parametrach przecinarki podane są maksymalne grubości cięcia jakościowego i rozdzielającego. Jeżeli grubości są podane tylko dla stali węglowej to powinniśmy wiedzieć, że cięcie aluminium ma zbliżone parametry, natomiast dla cięcia stali stopowych należy obniżyć podawaną grubość o około 30% w stosunku do stali węglowej.

Po określeniu minimalnej wielkości przecinarki za pomocą maksymalnej grubości cięcia należy się zastanowić nad wydajnością (prędkością) cięcia. W opisie niektórych przecinarek jest podany wykres przedstawiający prędkość cięcia w zależności od grubości materiału dla danej wartości natężenia prądu. Jeżeli zależy nam na dużej wydajności to powinniśmy zwiększyć wielkość przecinarki tak, aby szybkość cięcia grubszych materiałów była zadowalająca.
Drugim bardzo ważnym, a często pomijanym parametrem wpływającym na wydajność jest cykl pracy w jakim chcemy ciąć naszym założonym prądem. Do półprofesjonalnej pracy powinien wynosić minimum 25÷35%. Jeżeli chcemy pracować z dużą wydajnością i nie chcemy, aby przecinarka się przegrzewała i wyłączała to założony prąd cięcia powinien być dostępny w cyklu minimum 60% do 100% w przypadku pracy ciągłej. Należy unikać kupowania urządzeń w których cykl pracy nie jest podany! - może się okazać, że podanym prądem maksymalnym praktycznie "nie da się pracować" i będziemy zmuszeni do częstego przerywania pracy. Z drugiej strony nie należy wybierać zbyt dużego urządzenia w stosunku do potrzeb, ponieważ przemieszczanie dodatkowej masy z jednego stanowiska na drugie utrudnia i spowalnia pracę.

Przy zakupie warto polecić wybór spośród przecinarek inwertorowych, które zapewniają płynną regulację prądu cięcia i posiadają małe gabaryty i niski ciężar. Ponadto jeżeli chcemy, aby stanowisko do cięcia było maksymalnie mobilne to można rozważyć wybór przecinarki z wbudowanym kompresorem powietrza (np. przecinarka Invertec PC-208).



Dobór osprzętu do przecinarki plazmowej.

*
Uchwyt do cięcia plazmą (palnik plazmowy) - należy zwrócić uwagę czy dostarczany jest w komplecie z urządzeniem czy też należy dokupić osobno. Długość przewodu z uchwytem powinna być dopasowana do naszego stanowiska pracy. Jeżeli uchwyt należy osobno dokupić to należy dobrać parametry uchwytu - prąd maksymalny w danym cyklu pracy - odpowiednio do parametrów przecinarki. Należy zwrócić uwagę czy przecinarka zapewnia chłodzenie uchwytu cieczą czy powietrzem.
*
Sprężarka powietrza (kompresor) - powinna posiadać parametry pracy (ciśnienie sprężania i wydajność) zgodnie z wymaganiami przecinarki.
*
Zestaw części zużywalnych - warto upewnić się, czy palnik dołączony do przecinarki jest wyposażony w podstawowy zestaw części zużywalnych (elektrodę, dyszę, osłonę) i jest gotowy do pracy.
*
Elementy pomocnicze - do prawidłowego prowadzenia palnika przydatne są zestawy zawierające prowadnice oraz cyrkiel do wycinania kół.

[Pawel.G]

Hyperthrem Cutting Institute

najlpsze plazmy i wszystko co z tym związane:)

A ty macie mały wykładzik dotyczący plazmy i wszystkiego co z tym związane...

http://www.hypertherm.com/en/Training_a ... on/hci.jsp