Obróbka plazmowa
Obróbka strumieniowo-erozyjna
obróbka plazmowa
_______________________________
Jest to specyficzny rodzaj obróbki, w której wykorzystuje się wpływ energii cieplnej skoncentrowanego strumienia plazmy na niewielką powierzchnię przedmiotu w celu jego nagrzania do temperatury topienia, stopienia i wydmuchania metalu ze szczeliny cięcia. Bardzo wysokie temperatury strumienia plazmy pozwalają na wykorzystanie go do realizacji wielu różnych operacji technologicznych. Są nimi: cięcie, topienie plazmowe, spawanie, nanoszenie pokryć, wykonywanie wyrobów kształtowych z materiałów o dowolnej temperaturze topnienia i twardości metodą napylania, metalizacja niemetali, oraz procesy obróbki cieplnej z nagrzewaniem plazmowym.
W obróbce ubytkowej obróbka plazmowa znajduje zastosowanie przede wszystkim w procesie rozdzielania materiałów głównie metalowych, takich jak cięcie i jego odmian: przecinania, podcinania i wycinania, może też służyć do zgrubnego toczenia (skórowania) materiałów trudno-obrabialnych. Rozwijana jest również tzw. obróbka plazmowo-mechaniczna. Stanowi ona skojarzenie odpowiedniego sposobu obróbki wiórowej z poprzedzającym moment oddziaływania ostrza narzędzia skrawającego na materiał nagrzewaniem palnikiem plazmowym powierzchni obrabianego przedmiotu.
________________________________________
Cechy obróbki plazmowej to:
- możliwość otrzymania bardzo wysokiej koncentracji energii cieplnej i skupienia dużej mocy cieplnej w małej objętości materiału,
- możliwość ściśnięcia strumienia plazmy do małej średnicy,
- przydatność do topienia lub odparowania praktycznie dowolnych, znanych w przyrodzie materiałów,
- możliwość stosowania powietrza jako gazu tworzącego plazmę,
- możliwość wykorzystania plazmy do wykonywania różnych operacji obróbkowych i do łączenia materiałów,
- podwyższona stabilność łuku plazmowego w porównaniu ze zwykłym łukiem,
- duża prędkość gazu w strumieniu plazmy, korzystnie oddziaływująca na usuwanie roztopionego metalu podczas obróbki,
- brak własności palnych gazów plazmotwórczych,
- zdolność strumienia plazmy do utrzymywania zarysu przekroju dyszy,
- możliwość zmiany kształtu i kierunku strumienia za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego,
- możliwość utrzymania strumienia plazmy pod wodą.
_______________________________________
Obrabiarki plazmowe
Obróbkę plazmową (w odróżnieniu od innych sposobów obróbki strumieniowo erozyjnej) wyróżnia możliwość jej zastosowania do obróbki ręcznej. Narzędziem obróbczym jest w tym przypadku ręczny palnik plazmowy. Ręczne cięcie plazmowe wymaga uprzedniego trasowania, co czyni je procesem bardzo uciążliwym, o małej dokładności wycinanych elementów.
Proces cięcia plazmowego można mechanizować. Realizuje się to na kilka sposobów. Najprostszym sposobem jest stosowanie wózków do prowadzenia palnika, które przesuwają się wzdłuż prostoliniowego toru w przypadku cięcia prostoliniowego lub po prowadnicach łukowych, przy cięciu elementów o określonym promieniu albo też sterowane ręcznie przy cięciu zarysów krzywoliniowych. Wózki stosowane są w operacjach nieskomplikowanych, jak np. obcinanie, wyrównywanie brzegów blach itp.
Do wycinania prostych kształtów o niewielkich wymiarach wykorzystuje się maszyny z prowadzeniem palnika według zarysu wzornika lub stosując metodę pantografu. Polega ona na tym, że po zamocowanym, wykonanym w skali, specjalnym wzorniku wycinanego kształtu jest prowadzony palec wodzący, połączony układem dźwigniowym z palnikiem plazmowym.
W urządzeniach do cięcia plazmowego bardziej skomplikowanych kształtów wykorzystuje się sterowanie fotoelektryczne. W maszynach tych palniki plazmowe powtarzają ruch głowicy fotoelektrycznej, która bezdotykowo odwzorowuje nośniki informacji w skali 1:1 w postaci rysunków lub szablonów ułożonych na specjalnym stole. Metoda ta umożliwia odwzorowanie według linii szerokości np. 0,4¸1,2 mm albo według krawędzi szablonu lub krawędzi linii szerokości powyżej 2 mm. Prędkość cięcia ograniczona jest zdolnością głowicy fotoelektrycznej do utrzymania się na śledzonym obrysie przedmiotu (vmax » 6 m/min). Reaguje ona na gwałtowne zmiany kierunku przez zredukowanie prędkości posuwu. Zasadniczą niedogodnością systemu fotoelektrycznego jest konieczność wykonywania bardzo dokładnych i pracochłonnych rysunków. Ponadto niemożliwe jest pełne zautomatyzowanie procesu, ponieważ nie można z rysunku zaprogramować wszystkich niezbędnych operacji.
Dalszym udoskonaleniem urządzeń do cięcia plazmowego było wprowadzenie systemu sterowania numerycznego (NC), który polega na tym, że wszystkie informacje i rozkazy dla maszyny są podawane w postaci cyfrowej. Nośnikiem informacji może być taśma perforowana. Uzyskiwana dokładność obróbki jest lepsza niż w systemach analogowych oraz możliwe jest przygotowanie programu zapewniającego pełną automatyzację procesu technologicznego.
Obecnie do sterowania numerycznego maszyny do cięcia plazmowego wykorzystywane są komputery. Budowę układów komputerowego sterowania numerycznego (CNC) umożliwił rozwój mikroprocesorów i innych układów scalonych. Informacje i rozkazy dla maszyny są wprowadzane za pomocą klawiatury i monitora (możliwe jest też ręczne sterowanie maszyną, czy wprowadzanie danych na taśmie perforowanej). Maksymalna prędkość cięcia wynosi około 10 m/min i zależy od grubości blachy.
________________________________________
Proces obróbki plazmowej
Obróbka plazmowa w obróbce ubytkowej znajduje zastosowanie głównie w procesach rozdzielania materiałów (głównie metali): cięciu, przecinaniu i wycinaniu
Cięcie łukiem plazmowym (Plasma Arc Cutting - PAC) zwane cięciem plazmowym jest jednym z najbardziej wydajnych sposobów termicznego rozdzielania materiałów. Ma ono największe znaczenie przemysłowe spośród sposobów cięcia łukowego, zwłaszcza w odniesieniu do cięcia maszynowego.Cięcie plazmowe polega na skoncentrowaniu strumienia plazmy o wysokiej temperaturze na niewielkiej powierzchni przedmiotu w celu nagrzania, stopienia i odparowaniu ciętego materiału oraz wydmuchania jego cząstek ze szczeliny przecięcia przez strumień plazmy o dużej energii kinetycznej. Pomimo dużego zapotrzebowania mocy (zakresy parametrów zasilania: napięcie 100¸400 V, natężenie prądu 50¸100 A, zależnie od grubości przedmiotu) można cięciem plazmowym rozdzielać dowolne metale nawet z dziesięciokrotnie większą prędkością niż za pomocą cięcia gazowego i właściwie bez ograniczeń w odniesieniu do grubości materiału.
W porównaniu z cięciem gazowym powierzchnia jest na ogół bardziej chropowata i zukosowana, jest też wymagany większy naddatek na szczelinę wrębową. Jednak dzięki dużej prędkości cięcia strefa wpływu ciepła jest węższa, jak też nie występuje potrzeba stosowania wstępnego nagrzewania materiałów, nieodzownego przy cięciu gazowym. W praktyce wyróżnia się kilka odmian cięcia plazmowego, różniących się głównie rodzajem użytego gazu roboczego i budową palnika plazmowego.
Cięcie konwencjonalne to „suche” cięcie palnikami plazmowymi z użyciem jako gazu roboczego mieszanki argonowo-wodorowej lub argonowo-azotowej.
Cięcie w osłonie gazowej różni się od cięcia konwencjonalnego tym, że wokół dyszy palnika zostaje wprowadzony gaz ochronny (wtórny), ułatwiający proces obróbki, polepszający jakość powierzchni i chroniący palnik. Dobór gazu ochronnego zależy od rodzaju przecinanego metalu, przy czym zazwyczaj do cięcia stali miękkiej stosuje się powietrze lub tlen, do stali nierdzewnej - dwutlenek węgla, a do aluminium - mieszankę argonowo-wodorową. Prędkość cięcia stali miękkiej jest nieco większa w porównaniu z cięciem konwencjonalnym, lecz jakość cięcia jest dla większości zastosowań niewystarczająca. W odniesieniu do stali nierdzewnej i aluminium prędkość i jakość cięcia są w zasadzie takie same.
Cięcie w osłonie wodnej jest metodą analogiczną do poprzedniej z tą różnicą, że osłona gazowa została zastąpiona przez osłonę wodną. Jakość cięcia i trwałość dyszy ulegają poprawie dzięki efektowi chłodzenia, jaki zapewnia woda, ale prostopadłość powierzchni przecięcia i prędkość cięcia nie zwiększają się, ponieważ doprowadzona woda nie wywołuje dodatkowego obciśnięcia i zwężenia słupa łuku. Wpływa natomiast dodatnio na redukcję powstałych dymów i hałasu.
Cięcie z wytryskiem wody jest całkowicie odmienne od cięcia w osłonie wodnej. Różni się tym, że woda jest wtryskiwana do dyszy z dużą prędkością, promieniowo do słupa łuku, lub stycznie, tworząc wówczas wokół niego zawirowania. Wtrysk wody powoduje dalsze obciśnięcie słupa łuku w dyszy i dodatkowo chłodzi jej ścianki, dzięki czemu zwiększyć można prędkość cięcia oraz poprawić prostopadłość powierzchni przecięcia. Wtryskiwanie wody wprowadzono przede wszystkim do palników plazmowych azotowych, ostatnio też do palników pracujących z tlenem, jako gazem roboczym, umożliwiając tym samym nawet znaczną poprawę jakości i wydajności, zależnie od rodzaju i grubości przecinanego materiału. Woda w przypadku takiego palnika nie służy jedynie do wtryskiwania, ale może być dodatkowo stosowana jako dzwon wodny zewnętrzny. Takie rozwiązanie konstrukcyjne palnika zmniejsza hałas i promieniowanie ultrafioletowe łuku, a jego walory rosną, jeśli przecinaną blachę umieści się na specja1nym ruszcie tak, by swą dolną powierzchnią stykała się z powierzchnią wody w zbiorniku. Dzwon wodny i zbiornik wody tworzą dobrze funkcjonujący system ochrony środowiska, w wyniku czego:
- gazy tnące rozpuszczają się częściowo w wodzie i są spłukiwane do zbiornika wody, także powstające pary metali i pyły są porywane z wodą;
- metal wyrzucany ze szczeliny cięcia krzepnie i w postaci małych kulek spada na dno zbiornika;
- blachy pozostają zimne, przez co unika się ich paczenia na skutek działania ciepła, dotyczy to także cięcia wrażliwych stopów aluminium;
- stal chromoniklowa nie zabarwia się i odpada jej kosztowna obróbka wykańczająca;
- przy cięciu tytanu osiąga się znaczne oszczędności materiału, strefa ciepła jest bowiem minimalna w porównaniu z cięciem gazowym.
Cięcie pod powierzchnią wody polega na zanurzeniu przecinanego przedmiotu i końcówki dyszy palnika plazmowego pod powierzchnią wody. Dzięki temu zostaje zwiększone bezpieczeństwo i higiena pracy (woda ogranicza hałas, pyły, pary, promieniowanie). Odległość palnika od powierzchni przecinanej blachy musi być zapewniona przez układ sterowania. Gazem roboczym w tej metodzie jest azot, który nie utlenia powierzchni przedmiotu. Chłodzące działanie wody powoduje, że odkształcenie metalu jest nieznaczne, co pozwala prowadzić cięcie materiałów arkuszowych o grubości nawet mniejszej niż 1 mm. Cięcie pod powierzchnią wody wymaga jednak znacznie większej mocy efektywnej w stosunku do cięcia konwencjonalnego oraz ogólnie poniesienia wyższych kosztów inwestycyjnych.
Do obróbki ubytkowej plazmowej zalicza się też toczenie i skórowanie plazmowe.
Toczeniem plazmowym - nazywa się zdejmowanie naddatku technologicznego strumieniem plazmy łukowej z elementów obrotowych. W toczeniu plazmowym palnik plazmowy o łuku zewnętrznym jest zazwyczaj usytuowany stycznie do obwodu obrabianego przedmiotu, co zapewnia efektywne usuwanie naddatku przy zminimalizowanej strefie wpływu ciepła.
Wartość kąta stycznego ct (10¸40°) jest uzależniona od rodzaju odróbki (toczenie wzdłużne lub przecinanie części obrotowych), wymiarów i gatunku obrabianego materiału. Ustawienie palnika powinno zapewniać usuwanie w stanie ciekłym stopionego metalu, by nie następowało jego ponowne osadzanie się na obrabianej części. Wartość kąta co (0¸7o) zależy głównie od gatunku materiału i prędkości obróbki. Jakość powierzchni i stan jej warstwy wierzchniej zależą od rodzaju obrabianego materiału. Pozostawienie przetopionego materiału na obrabianej powierzchni nie tylko pogarsza jej gładkość, ale również zwiększa strefę wpływu ciepła.
Skórowanie plazmowe znajduje zastosowanie do usuwania wad (przypaleń, wżerów, wtrąceń niemetalicznych) na powierzchni półfabrykatów, czy wycinania pęknięć przed wykonywaniem poprawek. Największy efekt skórowanie plazmowe przynosi w obróbce zażulonych warstw powierzchniowych wlewków i odIewów, w której mechaniczne sposoby obróbki są mało wydajne. Proces usuwania wadliwych warstw powierzchniowych w obróbce wlewków ze stali wysokostopowych jest szczególnie utrudniony, gdyż tlenki i żużle tworzą warstwę o dużej twardości i wysokiej temperaturze topnienia. Stosowane do tego celu skórowanie plazmowe powietrzem znacząco przyspiesza usuwanie warstwy, pozwala na zmniejszenie czasu cyklu produkcji metalurgicznej oraz obniża rozchód energii na, podgrzewanie wlewków. Oprzyrządowania do skórowania plazmowego wlewków można stosunkowo łatwo włączyć w cykl produkcji metalurgicznej, przy czym w celu zwiększenia wydajności i niezawodności procesu przeprowadza się je jednocześnie kilkoma palnikami plazmowymi.
Oprócz wyżej wymienionych metod obróbki należy wspomnieć o metodzie klasycznej obróbki ubytkowej, w której strumień plazmy pełni funkcję pomocniczą.
Skrawanie z plazmowym nagrzewaniem materiału to kombinowany proces w którym energia wysokotemperaturowej plazmy i energia mechaniczna są wspólnie wykorzystywane do zwiększenia efektywności operacji obróbkowej (głównie zwiększania wydajności skrawania) podczas wytwarzania części maszyn z trudnoobrabialnych materiałów. Strumień plazmowy nagrzewa powierzchnię obrabianego materiału, a tym samym obniża twardość i ułatwia skrawanie.
________________________________________
Podstawy fizyczne wytwarzania plazmy
Plazmą w fizyce nazywa się dowolną materię nagrzaną do takiej temperatury, przy której pary danej materii znajdują się w stanie zjonizowanym i już nie podlegają zwykłym prawom gazowym. W pojęciu bardziej praktycznym plazmą nazywa się gaz zjonizowany, który przeszedł w ten stan w wyniku nagrzania do bardzo wysokiej temperatury. Stan materii w postaci plazmy nazywany jest „czwartym stanem” skupienia materii.
Plazmę można otrzymać przez doprowadzenie gazu do jonizacji. Przyczyny prowadzące do jonizacji mogą być następujące:
- jonizacja zderzeniowa występująca pod wpływem pola elektrycznego
- fotojonizacja związana ze zjawiskiem promieniowania,
- jonizacja cieplna występująca pod wpływem wysokiej temperatury,
- jonizacja powierzchniowa (emisja) związana z podgrzaniem materiału elektrod,
- iniekcja (wstrzyknięcie) do odpowiedniej pułapki przyspieszonych do dużych prędkości jonów gazu,
- zastosowanie olbrzymich ciśnień, w których elektrony zostają niejako wyciśnięte z atomów metali.
W urządzeniach technologicznych wykorzystujących strumień plazmy w obróbce, uzyskuje się plazmę w wyniku jonizacji zderzeniowej występującej pod wpływem pola elektrycznego. Zjawisko to jest zawsze związane z pewnym natężeniem pola elektrycznego. Jeśli w tym polu znajdują się wolne elektrony to poruszają się one przeciwnie do kierunku pola z prędkością zależną od wartości tego pola oraz długości drogi swobodnego przebiegu. W plazmie niskociśnieniowej droga między zderzeniami jest większa i elektron wskutek dużych przyspieszeń może uzyskać większą energię. Jeśli energia ta jest dostatecznie duża przy zderzeniu nastąpi jonizacja.
Mechanizm jonizacji w wyładowaniu polega na powstaniu lawiny elektronów, których ilość wzrasta w postępie geometrycznym. W gazie znajdują się zawsze nieliczne swobodne elektrony. Jeśli pole elektryczne przekazuje elektronowi na jego drodze swobodnej więcej energii niż Wj (energia jonizacji) wtedy zachodzi zjawisko jonizacji i mamy do czynienia z wyładowaniem w gazie. Typowymi przykładami są wyładowania atmosferyczne, łuk elektryczny, lampy jarzeniowe. W klasycznym wyładowaniu prąd płynie między przewodzącymi elektrodami. Duże znaczenie mają również wyładowania bezelektrodowe wysokiej częstotliwości, w których prądy indukcyjne są wzbudzone przez zmienne pole magnetyczne. Elektrody powodują rozdzielenie ładunków, czyli polaryzację plazmy. Dla przepływu prądu jest konieczne, aby powstający w plazmie ładunek przestrzenny był kompensowany elektronami pochodzącymi z zewnątrz, czyli by występowała emisja elektronów.
Wytworzenie plazmy następuje w palniku plazmowym (plazmotronie). W zależności od jego konstrukcji może to być palnik z łukiem zewnętrznym (bezpośrednim) oraz z łukiem wewnętrznym (pośrednim).
Palnik z łukiem bezpośrednim składa się z:
- katody wolframowej lub grafitowej,
- wlotu gazu,
- dyszy miedzianej chłodzonej,
- oporu i wyłącznika,
- anody
Anodą jest tu materiał obrabiany, który musi być przewodzący. Dysza ma za zadanie skupienie strumienia plazmy.
W skład palnika z łukiem wewnętrznym (pośrednim) wchodzą:
- katoda wolframowa lub grafitowa,
- wlot gazu,
- anoda-dysza chłodzona.
Anodą w palniku z łukiem wewnętrznym jest odizolowana dysza.
W obu palnikach gaz plazmotwórczy najczęściej jest doprowadzany stycznie do osi katody, następuje wtedy zawirowanie i burzliwy wypływ. Prędkość wypływu plazmy wynosi 600¸800 m/s a długość zewnętrznej strugi ok. 5 cm. Gdy gaz doprowadzany jest osiowo koncentrycznie wokół katody, wypływ strugi plazmy jest spokojniejszy. Dysza jest wtedy gorzej chłodzona, moc palnika na ogół mniejsza, jednak długość wąskiego strumienia plazmy znacznie większa, rzędu 0,5¸1 m.
W urządzeniach technologicznych plazmę otrzymuje się przez przepuszczenie gazu jedno lub dwuatomowego przez skoncentrowany w dyszy łuk elektryczny. Dzięki wysokiej temperaturze 20000¸30000 K uzyskuje się jonizację i dysocjację gazów, zachodzące w znacznie większym stopniu niż w łuku zwykłym. Powstaje mieszanina jonów dodatnich, elektronów, atomów i nie zdysocjonowanych cząstek. Mieszaninę tę wypływającą z dyszy palnika z szybkością 500¸800 m/s, nazywamy plazmą. Gazy jednoatomowe jonizują się łatwiej, gdyż dwuatomowe zużywają część energii na dysocjację cząstek.
Prędkość wypływu strumienia plazmy z palnika oraz jego temperatura zależne są od natężenia prądu, średnicy i kształtu dyszy zwężającej, odległości palnika od ciętego przedmiotu ale również od rodzaju gazu plazmowego i jego ciśnienia. W zależności od rodzaju ciętego materiału stosowane są różne gazy plazmowe. Głównie są to: tlen, powietrze, azot, argon oraz mieszanki argon + wodór i azot + wodór.
O energii i długości strumienia plazmy decyduje przewodnictwo cieplne użytych gazów. Na przykład, azot wykazujący większe od argonu przewodnictwo cieplne daje długi strumień plazmy o prawie jednakowej temperaturze na całej długości. Jest to ważne przy cięciu przedmiotów o znacznej grubości.
Materiał elektrody do cięcia plazmowego zależny jest od rodzaju gazu plazmowego. Jeśli gaz plazmowy nie jest gazem utleniającym, na elektrody stosowany jest stop wolframu z torem. W palnikach do cięcia z tlenem, lub powietrzem jako gazem plazmowym stosowane są elektrody z cyrkonu lub hafnu, osadzone mechanicznie lub zgrzewane dyfuzyjnie z obudową z miedzi i chłodzone wodą. Elektrody z wkładką zgrzewaną dyfuzyjnie wykazują około 100% większą trwałość od elektrod z wkładką osadzaną mechanicznie. Zastosowanie osadzania wkładki z hafnu, w pośredniej wkładce ze srebra zapewnia dalsze zwiększenie trwałości elektrod.