REFERAT

TEMA:

TĂIEREA CU PLASMĂ

CRAIOVA 2012

TEHNOLOGIA TAIERII MATERIALELOR METALICE

1. Consideratii generale:

Taierea sau debitarea este operatia tehnologica prin care se urmareste desprinderea totala sau partiala a unei parti dintr-un material, in scopul prelucrarii acestuia. Clasificarea procedeelor de taiere este prezentata in schema urmatoare:

Taierea (debitarea) mecanica se realizeaza cu mijloace mecanice, cum ar fi: foarfece, clesti, stante, fierastraie, masini - unelte, pietre abrazive, dalti. Se aplica in special in operatiile de lacatuserie.

Taierea (debitarea) termica este folosita in cazul materialelor metalice de dimensiuni mari si se realizeaza prin topire locala, cu flacara de gaze, cu arc electric, cu jet de plasma, sau cu laser.

Taierea (debitarea) neconventionala se foloseste in cazul metalelor greu de taiat prin procedeele obisnuite. Se bazeaza pe efectul combinat termic si electrochimic.

Alegerea procedeului de debitare se face in functie de precizia impusa pieselor taiate, de duritatea materialului, de calitatea acestuia si de consumul energetic al procedeului. Se poate face cu sau fara pierderi de material. Pentru productia individualase poate adopta un procedeu cu productivitate mica, dar care sa necesite un utilaj cat mai ieftin. Pentru productia in serie sau in masa se aleg procedee foarte competitive, compensand costul mai ridicat al utilajului sau al instalatiei care , in general, este mai mare. Astfel, taierea in linie dreapta a tablelor mai groase se face cu foarfecele - ghilotina, care poate realiza pana la 25 taieturi/ minut. Pentru taierea tablelorsubtiri (pana la 3 mm) in fasia de diferite latimi, se recomanda folosirea foarfecelor cu cutite disc multiple cu o viteza periferica cuprinsa intre 5...25 m/min, deoarece asigura o productivitate mare. La taierea cu foarfecele mecanice, teoretic nu exista pierderi de metal, deci din punct de vedere al economiei de material, aceasta taiere este economica si productiva. Barele de diferite sectiuni se debiteaza in mod frecvent cu fierastraul alternativ sau circular. La fierastraul alternativ, masina si scula sunt ieftine, latimea taieturii este mica (deci pierderi mici de material), dar productivitatea este scazuta. La fierastraul circular, masina si scula sunt complicate si scumpe (panza necesita ascutirea pe o masina speciala), latimea taieturii este relativ mare (deci pierderi mari de material), dar productivitatea este mare, iar costul manoperei este scazut. In functie de aceste considerente se calculeaza costurile pentru diferitele variante posibile de taiere si se adopta procedeul de cost minim. Operatia de taiere trebuie sa asigure:

- rugozitate mica a suprafetelor separate;- precizie mare a volumului sau a lungimii piesei;- lipsa abaterilor de la forma geometrica a piesei;- realizarea unor semifabricate cu lungime mai mare decat sectiunea

transversala;- pastrarea caracteristicilor materialului in zona de separare.

Dupa natura taierii, se deosebesc:- retezarea (adica taierea capetelor barelor);- debitarea propriu-zisa (adica taierea semifabricatului in mai multe

bucati);- despicarea (adica taierea, totala sau partiala, in lung, de la exterior spre

interior);- exciziunea (adica taierea in vederea scoaterii unei portiuni din interiorul

unui semifabricat).In general taierea este o lucrare pregatitoare pentru alte operatii de lacatuserie, de

aschiere, de deformare plastica. Din acest motiv controlul semifabricatelor taiate se executa din punct de vedere dimensional. Instrumentele folosite sunt metrul, sublerul, rigla gradata, raportul si sablonul. Un alt obiectiv in control este si calitatea suprafetelor prelucrate. Pentru a stabili daca suprafetele prelucrate prezinta sau nu denivelari accentuate se utilizeaza rigla de verificare. Rebuturile care se inregistreaza la debitare pot fi cauzate de nerespectarea intocmai a dimensiunilor prescrise sau a parametrilor

procedeului (viteza, temperatura, parametrii electrici). Daca taierea s-a facut dupa trasare, rebutarea se poate datora transarii gresite sau neatentiei lucratorului.

PROCEDEE NECONVENTIONALE DE TAIERE

1. Taierea metalelor in apa : In apa taierea metalelor se poate face cu flacara de gaze si oxigen sau oxielectric. Pentru taierea in apa cu flacara, gazul combustibil folosit este hidrogenul comprimat in butelii, deoarece presiunile sunt de 10...15 ori mai mari fata de cele de la taierea in aer. Acetilena poate fi utilizata la adancimi de circa 4 m, deoarece prezinta pericol de explozie. Peste aceasta adancime, fiind necesare presiuni mari de gaze combustibile, se foloseste numai flacara de preincalzire cu hidrogen - oxigen. Este necesar ca la locul de taiere sa fie format in prealabil un volum de aer pentru ca taierea sa fie executata in aer. Gazul combustibil trebuie sa fie la presiune mare si pentru a depasi presiunea aerului din jurul flacarii.

Flacara de gaz se regleaza la suprafata apei, dupa care scafandrul - taietor, cu flacara aprinsa, coboara in apa, astfel incat o mare parte a flacari este mentinuta fara sa taie efectiv.

Arzatoarele sunt de constructie speciala, cu doua racorduri pentru oxigen (unul pentru flacara si unul pentru oxigenul de taiere), un racord pentru gaz si un racord pentru aer.

Deoarece puterea dezvoltata de flacara este redusa s-au construit arzatoare speciale cu benzina pulverizata, la care nu mai este necesara formarea volumului de aer. S-au prelucrat astfel piese cu grosimi pana la 100 mm, la adancimi de pana la 30 m; consumul de oxigen este de 30...60 m3 /h, iar cel de benzina de 10...20 l /h.

2.Taierea cu jet de apa: La concurenta cu prelucrarea laser se afla prelucrarea cu jet de apa cu particule abrazive, unul dintre cele mai noi procedee de taiere. Plecand de la prelucrarea sticlei, unde singura problema care apare sunt zgarieturile de pe suprafata taiata cu jet de apa, prin injectarea de particule abrazive foarte fine s-a reusit taierea materialelor metalice.

Cea mai larga aplicatie o constituie prelucrarea unor materiale folosite in industria aeronautica, unde sunt in curs de desfasurare numeroase cercetari.

Firma Aerospatiale a realizat in acest scop un robot cu sase axe destinat prelucrarii de finisare a materialelor compozite si a unor cavitati in aliajele de titan si fibrele de carbon. De asemenea, s-au realizat canale in aliajele de titan si nichel, cu latimi variind intre 0,15...10 mm, gauri infundate si forme complexe in spatiu, cu suprafete foarte fine.

Realizarea utilajelor care sa prelucreze prin acest procedeu ridica probleme deosebite. Diferite firme recomanda realizarea diuzei de focalizare a jetului din diamant, cilindrul de focalizare din carbura de bor, iar ca material abraziv injectat in lichid se foloseste pulberea de corindon.

Proprietatile materialului abraziv sunt dictate de materialul piesei, de preciza si calitatea taieturii, de lungimea ei. In functie de materialul abraziv folosit, durata de viata a cilindrului de focalizare este de 80...100 ore, de 4...5 ori mai mare decat a celor din

tungsten, dar si pretul este de circa 10 ori mai mare. In afara de carbura de bor se fac cercetari si asupra altor materiale, cum ar fi de exemplu, materialele ceramice. Problema fundamentala o constituie uzura diuzei. S-au realizat pana in prezent diuze din materiale ceramice sinterizate, din carbura de tungsten (Japonia), din safir (Franta), din bor (SUA).

Se studiaza si problema realizarii unui nou sistem de injectie care sa ofere avantajul contractului diuzei numai cu apa, coloana de particule abrazive urmand sa fie injectata in interiorul coloanei de apa.

3. Taierea cu laser: Taierea cu laser este un procedeu care, la ora actuala, cunoaste o larga dezvoltare si aplicare. Ca avantaje se pot enumera:

- taieturi foarte fine in materialele cu fragilitate marita sau cu duritate mare, taieturi in orice directie si in locuri greu accesibile;

- absenta eforturilor mecanice asupra pieselor. Instalatia laser este un utilaj complex destinat operatiilor de taiere conturata si

debitarilor de precizie. In principal se compune din urmatoarele echipamente: laser cu CO2, sistem de deplasare a semifabricatului in coordonate xy, cap de taiere deplasabil pe axa z, instalatie electrica conventionala CNC pentru deplasare pe contur.

Instalatia are multe domenii de aplicabilitate, dintre care se pot enumera:- in industria constructiilor de masini si electrotehnica, pentru taierea conturata si

debitarea tablelor cu grosimi pana la 6 mm, din oteluri de uz general ( panouri diverse, piese plane complexe in fabricatia de autovehicule, material rulant), din oteluri aliate ( scule, repere plane complexe din aeronautica) si din oteluri inoxidabile; taierea dreapta si profilata a tevilor din otel; taierea conturata si debitarea simpla a materialelor plastice, cauciuc, electroizolante;

- in industria usoara si a lemnului, pentru taierea conturata a materialelor textile, piele, materiale plastice, furnire, lemn, melaminate de grosimi pana la 20 mm.

Principalele caracteristici tehnice ale instalatiei tip CO2 - 400 sunt: - echipamentul laser:

- putere reglabila: 100...400W; - mediu activ - amestec CO2, He, N2; - gaze auxiliare de lucru: O2 sau N2;

- sistemul de deplasare a pieselor in coordonate:- cursa maxima pe xy: 800...1000 mm; - viteza tehnologica de deplasare: 0,1...8 m/min; - precizia de conturare: 0,1 mm/m

- sistemul CNC:- deplasarea pe axele xy cu viteza programabila; - programare pe consola, in cote relative sau pe banda perforata; - multiplicare - demultiplicare, retur pe contur, lucrul in oglinda; - afisarea pe display alfanumeric: cote prescrise, cote parcurse, regimuri si situatii de lucru.

- instalatia electrica de comanda si control: - puterea instalata (totala): 15 kVA; 380 V; 50 Hz.

Prelucrarea cu laser se caracterizeaza prin:

- productivitatea marita fata de procedeul de taiere oxiacetilenica sau cel de taiere mecanica, de 10...20 ori, in special datorita vitezelor mari de taiere;- pierderi minime de material datorate interstitiului mic de taiere (0,2...0,5 mm) si croire economica asistata de calculator;- precizie de taiere conturata si zona de influenta termica redusa; - elasticitatea mare de prelucrare a profilelor plane si a materialelor (gama larga de materiale prelucrabile).

Tinand seama de aceste avantaje si de elementele specifice ale instalatiei, se urmareste extinderea domeniilor de aplicare pentru realizarea de repere plane complexe, in special pentru productie de serii mici si mijlocii si pentru prelucrarea materialelor cu calitati speciale (aliaje dure si extradure, materiale compozite, amorfe, stratificate).

4. PLASMA: (4.1 Taierea cu jet de plasma; 4.2 Prelucrarea prin eroziune cu plasma4.3 Sudarea cu plasma).

4.1 Taierea cu jet de plasma: La taierea cu jet de plasma, datorita concentratiei mari de energie intr-un spatiu restrans, se pot atinge temperaturi foarte inalte sub un puternic efect de suflu. Materialul piesei este incalzit pana la topirea unui strat, dupa care se sufla din taietura cu jetul de plasma. La grosimi ale pieselor mai mari de 10 mm, jetul de plasma este inlocuit de un arc de plasma (caldura degajata in sectiunea taieturii este mai mare).

Jetul de plasma este utilizat din ce in ce mai mult la taierea otelurilor bogat aliate, a metalelor neferoase si chiar a materialelor nemetalice. Se pot utiliza drept gaze plasmogene: argon, azot, hidrogen, heliu. Folosindu-se generatoare de plasma cu puteri instalate de pana la 150 kW se pot taia materiale care, in cazul otelurilor, ajung pana la 120 mm grosime, iar pentru aluminiu pana la 125 mm.

1. electrod de wolfram; 2. duza; 3. amestecul de gaze; 4. sistem de racire cu apa; 5. jet de plasma; 6. materialul de taiat; 7. calculator electronic.

Aceasta figura prezinta o Instalatie de taiere cu jet de plasma a materialelor compozite

Jetul de plasma 5 actioneaza asupra materialului de taiat 6, pozitionarea si deplasarile sx, sy, sz si rotirea wz, necesare decuparii conturului dorit putand fi realizate manual, sau automat cu ajutorul calculatorului 7.

Principalii parametri ai instalatiei de taiere cu plasma sunt: viteza de taiere, intensitatea si tensiunea curentului electric in arcul de plasma, natura si debitul gazului plasmogen.

Stabilirea valorilor acestor parametri se face in functie de natura materialului prelucrat, grosimea semifabricatului, calitatea impusa suprafetei, productivitatea impusa, precizia dimensionala si forma geometrica cerute.

Grosimea semifabricatului debitat cu jet de plasma poate fi de pana la 60...80 mm si chiar mai mult. De retinut insa ca, o data cu cresterea grosimii semifabricatului debitat, cresterea densitatii de curent nu mai conduce la o crestere proportionala a vitezei de taiere. Aceasta se datoreaza faptului ca o mare parte a energiei termice este consumata la extinderea zonei influentata termic care, pentru un rost de taiere b = 1,5 mm, poate capata o extindere de 0,24 mm.

Plasmatroanele care folosesc gaze plasmogene biatomice (N2, H 2, O 2) asigura taierea de calitate a semifabricatelor din materiale metalice (cu precadere a otelurilor inalt aliate, refractare si inoxidabile, aliajelor de aluminiu, cupru, titan) si compozite cu matrice metalica sau din mase plastice ( termoplastice, termorigide, elastomere).

Printre defectele specifice taierii cu jet de plasma se mentioneaza: rotunjirea muchiilor datorita taierii cu o putere prea mica a generatorului de plasma; rugozitatea mai mare pe una dintre suprafetele rezultate prin taiere, ca urmare a efectului turbionar al jetului de plasma; aparitia de bavuri pe partea opusa a zonei taiate si improscari de material, sub forma de stropi, ca urmare a taierii cu viteze prea mari; formarea unor zone influentate termic in care, sub actiunea tensiunilor termice si remanente pot aparea fisuri, crapaturi.

Pentru prelucrarea pieselor din otel carbon cu grosimi de pana la 75 mm se pot utiliza, in locul gazului inert, aer sau oxigen. Calitatea taieturii cu jet de plasma este cel putin tot atat de buna ca si cea realizata prin taierea oxiflacara, insa cu o zona influentata termic mai mica, de cel mult 1,5 mm. Precizia taieturii este de 1,5 mm.

4.2 Prelucrarea prin eroziune cu plasma: Plasma este un gaz sau un amestec de gaze puternic ionizat (compus din molecule, atomi, ioni si electroni) si cvasineutru din punct de vedere electric. Se caracterizeaza prin: conductivitate electrica mare, capacitate de interactionare cu campurile electrice si magnetice, permanenta sursa de radiatii electromagnetice cu spectru larg (infrarosu, vizibil, ultraviolet). Natura mediului gazos, gradul de ionizare si de recombinare determina temperatura plasmei, care variaza in limite foarte largi. Deosebim astfel plasma de temperatura scazuta, de aproximativ 103

0K si plasma nucleara, pana la 108 0K, definita de unii autori ca fiind a patra stare de agregare a substantelor, cu implicatii directe in descoperirea a noi surse de energie.

In domeniul constructiilor de masini se foloseste plasma de 6000...300000K, obtinuta in urma unor descarcari electrice in mediu gazos prin arc, prin scantei sau latente. Plasma se obtine in generatoare de plasma, numite si plasmatroane, in care coloana arcului electric este obligata, sub actiunea unui jet de gaz, sa treaca printr-un spatiu limitat de orificiu unei duze.

1 - electrod de wolfram; 2 - jet de gaz; 3 - ajutaj de cupru; 4 - jet de plasma; 5 - piesa supusa prelucrarii; 6 - sursa de curent continuu.

Schema de principiu a unui generator de plasma: Arcul electric se formeaza intre un electrod de wolfram 1 si piesa supusa prelucrarii 5. Arcul provoaca ionizarea gazului si va fi suflat in afara sub forma unui jet de plasma 4 pe suprafata piesei unde va produce erodarea acesteia, rezulta^nd piesa prelucrata. Plasmatronul este un ajutaj de cupru 3 racit fortat cu apa.

Generatoarele de plasma pot functiona, dupa modul in care se realizeaza descarcarea, in doua variante:

- cu arc cu plasma ( arcul arde intre electrodul - catod si piesa anod trecand prin duza) - generator tip Plasmarc;

- cu jet de plasma (arcul arde intre electrodul - catod si duza - anod, plasma fiind suflata de catre presiunea gazului sub forma de jet) - generator tip Plasma - Plating.

Sistemul de alimentare cu gaz plasmogen consta din butelii de presiune inalta in care se afla inchis gazul de lucru; argon, hidrogen azot, heliu, kripton sau amestecuri ale acestora.

Sursa de alimentare cu energie electrica are, in functie de generatorul utilizat, puteri de pana la 105 W si tensiunea necesara arcului de plasma de 200 - 250 V.

Prelucrarea dimensionala se obtine in urma operatiei de taiere, cilindrare exterioara, filetare, metalizare. Se pot prelucra cu plasma otelurile inoxidabile, otelurile manganoase, aliajele de titan, cuprul, magneziul, aluminiul si aliajele lor, fonta si deseurile toxice ale industriei chimice (prin transformare in produse marfa).

PRINCIPIUL TĂIERII CU PLASMĂ

În procesul de tăiere cu plasmă un arc constrâns (arcul de plasmă) topeşte local materialul şi îl îndepărtează cu viteză mare, realizând rostul de tăiere.

Gradul mare de concentrare a energiei şi temperatura ridicată a arcului de plasmă(10 000 – 14 000oC), fac posibilă tăierea metalelor şi aliajelor metalice, conducatoare electric, ce nu pot fi tăiate cu oxigen, oţeluri înalt aliate refractare şi inoxidabile, aluminiu, cupru, titan şi aliajele lor, etc.

Comparativ cu tăierea cu oxigen, energia dezvoltată de arcul cu plasmă este mult superioară, rezultând viteze mari de tăiere. Tăierea cu plasma asigură o calitate ridicată a tăieturii (netezire a suprafeţei tăiate), zona de influenţă termică de extindere redusă, astfel încât piesele prelucrate cu plasmă pot fi introduse în procesul de sudare fără a fi necesară o prelucrare ulterioară.

Faţă de tăierea cu oxigen costul echipamentului este mai ridicat, consumul energetic este mai mare şi pericolul de accidentare şi noxele mai pronunţate.

Procedeul are flexibilitate ridicată, gerenatorul de plasma poate fi montat pe un echipament de tăiere mecanizată sau robot.

Eficienţa energetică a procesului este bună permiţându-se viteze mari de tăiere. Astfel productivitatea este bună costul pe metru liniar de tăietură fiind scăzut.

ECHIPAMENTUL TĂIERII CU PLASMĂ

Echipamentul standard penrtu tăierea cu plasmă are in componenţa sa următoarele:

Sursa de alimentare a arcului de plasmă; Generatorul de tăiere cu plasmă; Cutia de comandă; Dispozitivul purtător al generatorului; Instalaţia de răcire; Sistemul de absorbţie al noxelor.

Sursa de alimentare a generatorului de plasmă

Sursa de alimentare a arcului de plasmă asigură alimentarea electrică a generatorului de plasmă, putând fi de curent continuu sau curent alternativ. Tensiunea de

mers in gol a sursei este variabilă funcţie de gazul plasmogen utilizat, respectiv între 120 – 150V la utilizarea argonului ca şi gaz plasmogen sau 250 – 350V la utilizare aerului ca şi gaz plasmogen.

Curentul debitat depinde de puterea generatorului, la tăiere putând varia între 50 -500A. Esenţială este însă forma caracteristicii exterioare care se recomandă a fi cât mai coborâtoare, preferabil chiar verticală. În felul acesta creşte puterea furnizată generatorului de plasmă şi se evită formarea arcului secundar.

Generatorul de plasmă

Generatorul de plasmă este componenta importantă a echipamentului de tăiere cu plasmă, cea care generează plasma. Există mai multe procedee de generare a plasmei:

plasma produsă cu ajutorul unui arc electric de curent continuu, procedeul de generare cel mai uzual, cu largi posibilităţi de aplicare industrială;

plasma generată cu ajutorul arcului electric de curent alternativ, procedeul prezentând dezevantajul unei descărcări mai puţin stabile;

plasma produsă cu ajutorul curenţilor de inaltă frecvenţă, economică pentru temperaturi în jur de 6000oC, presiuni inferioare celei atmosferice şi puteri de ordinul kilowaţilor;

plasma generată cu ajutorul reacţiilor de fisiune nucleară, cu posibilităţi de temperatură în plasmă pană la 50 000oC.

Generatorul de plasmă are în componenţa sa în principal un electrod de wolfram, grafit, hafniu etc. şi un ajustaj diuză din cupru răcit cu apă.

În cazul generatoarelor de plasmă utilizând pentru generare curent continuu, arcul electric este întreţinut fie între electrodul de wolfram pe post de catod şi ajustajul din cupru pe post de anod(fig.1.a),fie intre electrod şi un anod exterior(piesă) generatorului de plasmă(fig.1.b).

Diuză de cupru(anod)

În prima situaţie generatorul este cu jet de plasmă, iar în cea de a doua generatorul este cu arc cu plasmă. Se utilizează şi generatoare de plasmă cu arc transferat(dublu), când primul arc –arcul electric pilot-este întreţinut între electrod şi ajustaj, iar arcul transferat între acelaşi aceleşi electrod şi piesă(fig.1.c).

Figura 1

Clasificarea generatoarelor de plasmă

Clasificarea se face luând în considerare diverse criterii:

felul curentului; tipul arcului; sistemul de răcire; sistemul de stabilizare a arcului; forma catodului; materialul electrodului; natura gazului plasmogen.

Felul curentului ca şi criteriu de clasificare împarte generatoarele de plasmă în: generatoare de plasmă de curent continuu; generatoare de plasmă de curent alternativ; generatoare de plasmă combinate; generatoare de plasmă de curenţi de înaltă frecvenţă.

Generatoarele de plasmă de curent continuu alimentate în polaritate directă sau polaritate inversă sunt cele mai utilizate. La alimentarea în polaritate directă(cele mai răspândite) cea mai parte din căldură este evacuată prin coloana arcului şi pata anodică.

Pierderile la catod sunt relativ reduse, astfel că randamentul generatorului este mai ridicat, comparativ cu alimentarea în polaritate inversă sau în curent alternativ.

Generatoarele de plasmă în curent alternativ au posibilitatea de alimentare a arcului după una din schemele din figura 2.

Figura 2.

a). – alimentare directă; b). – alimentarea arcului pilot prin punte redresoare; c). – alimentare în curent alternativ trifazat.

În cazul alimentării directe (fig.2.a) stabilitatea arcului de plasmă este mai redusă. În schema din figura 2.b. se asigură o redresare a curentului astfel încât electrodul funcţionează doar în polaritate directă, iar ajutajul ca anod doar în semiperioada cu polaritate inversă, rezultatul fiind o stabilitate mai bună a arcului comparativ cu precedenta variantă.

Alimentarea generatorului de plasmă de la un transformator trifazat(fig.2.c) asigură o stabilitate mai bună a arcului pe întreaga durată a procesului. Există un dezavantaj major, cel determinat de o construcţie mai complicată a generatorului.

Tipul arcului clasifică generatoarele de plasmă în: generatoare de plasmă cu arc direct sau arc de plasmă; generatoare de plasmă cu arc indirect sau jet de plasmă.

Sistemul de răcire al generatorului, respectiv al electrodului împarte generatoarele de plasmă în:

generatoare de plasmă cu răcire cu aer; generatoare de plasmă cu răcire cu apă.

Figura 3.

Generatoarele de plasmă cu răcire cu aer (fig.3.a) prezintă avantajul simplităţii construcţiei generatorului dar capacitatea de răcire a aerului este redusă. Sistemul de răcire cu apă (fig.3.b) este cel mai răspândit, apa având capacitatea de răcire mult mai bună decât aerul. Dezajantajul major este legat de construcţia mai complicată a generatorului, de greutatea sporită datorită existenţei furtunelor şi de costul de exploatare.

Sistemul de stabilizare a arcului asigură comprimarea coloanei arcului şi fixarea arcului de plasmă în axa electrodului. Corespunzător acestui criteriu de clasificare generatoarele de plasmă pot fi:

generatoare de plasmă stabilizate cu gaz; generatoare de plasmă stabilizate cu apă; generatoare de plasmă stabilizate magnetică.

Stabilizarea arcului de plasmă cu gaz este metoda cea mai utilizată, asigurându-se insuflarea axială sau turbionară a gazului.

Forma catodului împarte generatoarele de plasmă în: generatoare de plasmă cu catod ascuţit; generatoare de plasmă cu catod plat.

La generatoare de plasmă cu catod ascuţit pata catodică se fixează pe vârful catodului asigurând un arc mai stabil. În timp vârful catodului se deteliorează şi catodul trebuie reascuţit. La generatoarele de plasmă cu catod plat pata catodică se deplasează permanent pe suprafaţa acestuia asigurând un arc de plasmă mai puţin stabil.

Materialul electrodului clasifică generatoarele de plasmă în:

generatoare de plasmă cu electrod consumabil; generatoare de plasmă cu electrod neconsumabil; generatoare de plasmă cu electrod cu peliculă de protecţie.

Figura 4.

Elecrodul consumabil (fig.4.a.) este realizat din grafit şi este avansat în mod mecanizat în arc pe măsura consumării sale, datorită activităţii mediului plasmogen.]

Electrodul neconsumabil (fig.4.b.) este realizat din wolfram, funcţionând în mediu inert (Ar,He) sau reducător (H2,NH3). Electrozii de wolfram nu se pot folosi în cazul în care gazul plasmogen conţine oxigen.

Electrod de wolfram(catod)

Electrozii cu peliculă de protecţie (fig.4.c.) sunt formaţi dintr-o plăcuţă de zirconiu presată într-o manta de cupru.

Electrozii dau rezultata satisfăcătoare la utilizarea unor curenţi prin arcul de plasmă până la 400A. Pentru a face posibilă funcţionarea generatorului în medii oxidante la curenţi mari – 1000A – se utilizează diferite forme de electrozi, cele mai răspândite fiind cele din figura 4.d.-4.f.

Electrozii prezintă dezavantaje legate de complexitatea constructivă, de neuniformitatea deplasării petei catodice pe suprafaţa electrodului şi implicit de instabilitatea arderii arcului electric.

Natura gazului plasmogen determină efectul chimic pe care gazul plasmogen îl are asupra electrodului. Astfel generatoarele de plasmă pot fi:

generatoare de plasmă cu gaze inerte – Ar, He; generatoare de plasmă cu gaze reducătoare – H2, N2,NH3,CnH2n+2; generatoare de plasmă cu gaze oxidante – O2,H2O+O2, aer.

În corelaţie cu natura gazului plasmogen utilizat se alege şi materialul electrodului corespunzător durabilităţii acestuia şi stabilităţii arcului de plasmă.

Cutia de comandă

Cutia de comandă a unui echipament de tăiere cu plasmă asigură alimentarea generatorului de plasmă cu energie electrică, gaz plasmogen, fluid de răcire, permiţând totodată comanda şi reglarea regimului de tăiere.

Ea are în componenţa sa elemente de reglare şi control uzuale(contactoare, relee de timp, electroventile, butoane, lămpi de semnalizare etc.) şi poate fi realizată separat de sursa de alimentare a arcului sau în construcţie monobloc.

Instalaţia de răcire

Instalaţia de răcire se realizează în circuit închis sau deschis. Ea trebuie să asigure debitul necesar al apei de răcire (3 – 8 l/min) la o presiune adecvată (0,2 – 0,6Mpa).

În varianta de circuit închis răcirea apei se realizează cu radiatoare multicelulare. Lichidul de răcire uzual în astfel de situaţie este apa distilată, eventual în amestec cu soluţii anticorozive, antigel sau soluţii care limitează fenomenul de electroliză.

Dispozitivul purtător al generatorului În procesele de tăiere mecanizată cu plasmă generatorul de plasmă urmăreşte

conturul de tăiat prin intermediul dispozitivului purtător.

Se utilizează o gamă largă de echipamente pentru tăiere mecanizată de la tractoarele de tăiere termică la echipamentele cu comanda numerică comandate de calculatoare de proces. De asemenea generatoarele de plasmă pot fi ataşate roboţilor de sudare în cazul tăierii altor piese decât tablele plate.

Dispozitivul purtător al generatorului de plasmă realizează viteza de tăiere, el trebuind să asigure posibilitatea de reglare a acesteia în mod continuu în gama 2 – 200m/h.

Sistemul de absorbţie al noxelor

Sistemul de absorbţie a noxelor asigură ambientul adecvat, în mod deosebit la tăierea oţelurilor inoxidabile sau a metalelor neferoase. Tăierea cu plasmă este un proces tehnologic în care noxele sunt inevitabile.

Sistemele moderne de asigurare a ambientului pentru posturile de tăiere cu plasmă utilizează mese de tăiere cu pânză de apă sau tăierea cu plasmă sub perdea de apă. În primul caz sub masa de tăiere este prevăzută o pânză de apă, iar în cel de-al doilea caz o perdea de apă înconjoară genetatorul de tăiere. În ambele cazuri se asigură un debit suficient de apă (55 – 75l/min) prin recircularea forţată a acestuia.

Procedee de tăiere cu plasmă

Corespunzător felului şi grosimii materialelor supuse tăierii gazului plasmogen utilizat există diverse procedee de tăiere cu plasmă şi materialul catodului:

tăierea cu plasmă prin topire presupune introducerea energiei necesare topirii materialului din rost prin intermediul arcului de plasmă.

Ca şi gaze plasmogene se folosesc acelea care nu reacţionează cu electrodul din wolfram, respectiv azotul, argonul, amestecuri de argon şi hidrogen, argon+azot+neon+heliu sau azot+hidrogen.

Varianta de tăiere respectivă varianta clasică de tăiere cu plasmă.

tăierea cu plasmă prin oxidare parţială foloseşte pe lângă energia arcului de plasmă şi energia dezvoltată de reacţiile exoterme ale oxigenului conţinut în gazul plasmogen cu elementele de aliere conţinute de materialul de tăiat.

Este vorba de tăierea cu plasmă de aer sub presiune sau tăierea cu plasmă de oxigen.

Gazul plasmogen este aerul sub presiune, uscat, lipsit de impurităţi, iar în cazul generatoarelor adecvate şi oxigenul pur.

Oxigenul din gazul plasmogen măreşte puterea de tăiere prin oxidarea elementelor de aliere din materialul rostului de tăiere şi micşorează formarea bavurii la diferite aliaje metalice.

Electrozii utilizaţi în astfel de situaţii nu trebuie să reacţioneze chimic cu oxigenul. Se confecţionează din hafniu sau zirconiu care în prezenţa oxigenului formează pelicule de protecţie greu fuzibile, dar cu conductibilitate electrică ridicată.

Parametrii procesului de tăiere cu plasmă

Principalii parametrii ai procesului de tăiere cu plasmă sunt: curentul prin arcul de plasmă;

tensiunea arcului de plasmă;

viteza de tăiere;

natura gazului plasmogen;

poziţionarea generatorului de plasmă faţă de materialul de tăiat.

Curentul prin arcul de plasmă(lp) corelat cu tensiunea arcului determină puterea generatorului. Alegerea valorii curentului (la tăiere până la 800 – 1000A) se face în corelaţie cu lăţimea rostului tăieturii (b), grosimea materialului de tăiat (s), viteza de tăiere (vt), debitul gazului plasmogen (Dg), şi construcţia generatorului.

Tensiunea arcului de plasmă(Uap), depinde de natura gazului plasmogen. Uap

creşte proporţional cu tensiunea de ionizare şi debitul gazului plasmogen. Valorile maxime ale tensiunii arcului de plasmă poate ajunge la 300V.

Viteza de tăiere(vt), este unul din parametrii importanţi ai procesului, ea determinând productivitatea procesului şi calitatea suprafeţei tăieturii. Determinarea vitezei de tăiere se face în baza bilanţului energetic al procesului de tăiere.

Ecuaţia de bilanţ energetic al procesului este: η · Uap · lp = b · s · vt · ρ · c · Tt

unde: η – randamentul total al procesului de tăiere; lp – curentul prin arcul de plasmă; Uap – tensiunea arcului de plasmă; b – lăţimea rostului tăieturii;

s – grosimea materialului; vt – viteza de tăiere; ρ – masa specifică; c – coeficientul căldurii specifice a materialului; Tt – temperatura de topire a materialului,

rezultă valoarea vitezei de tăiere.

Natura gazului plasmogen influenţează proprietăţile termofizice şi chimice, calitatea suprafeţei tăieturii şi viteza de tăiere.

La tăierea cu plasmă se folosesc diverse gaze sau amestecuri de gaze: argonul, heliul, hidrogenul, azotul, aerul, vaporii de apă, etc, utilizarea sau altuia depinzând de accesibilitate sau scopul urmărit.

Argonul este gazul plasmogen preferat datorită atmosferei inerte create, masei mari şi conductibilităţii termice moderate. În consecinţă uzura electrodului şi a diuzei este redusă, arcul are temperatură accesibilă, grosimile tăiate de asemenea. Se poate utiliza pentru orice valori ale curentului prin arcul de plasmă şi la tăierea diverselor materiale metalice, preferabil cele reactive.

Un dezavantaj major este preţul destul de ridicat.Azotul este un gaz ieftin utilizat la tăierea grosimilor mici şi medii. Dezavantajele

utilizării azotului sunt temperatura mai scăzută a plasmei şi deci viteze de tăiere scăzute, la care se asociază şi o calitate mai scăzută a suprafeţei tăieturii(obişnuit rizuri de înălţime 0,10 – 0,15mm). În plus, suprafaţa tăieturii se niturează şi nivelul noxelor este mai pronunţat.

Hidrogenul are entalpie şi conductibilitate termică ridicată, acestea conducând la capacitatea maximă de trasfer spre materialul tăiat a puterii dezvoltate în coroana arcului.

Temperatura şi lungimea mare a arcului de plasmă de hidrogen cresc viteza de tăiere şi posibilitatea de tăiere a grosimilor mari. Fiind un gaz reducător, calitatea suprafeţei tăiate este maximă.

Dezavantajul utilizării hidrogenului ca şi gaz plasmogen sunt legate de uzura ridicată a ajutajului, preţul ridicat şi pericolul de explozie în contact cu aerul. Protejarea diuzei se poate face prin utilizarea unui amestec 80% H2+25%N2.

Recomandări privind gazul plasmogen este prezentat în tabelul următor:

Materialul Gaz plasmogen Gaz de protecţie

Oţel carbon Argon Argon,Argon+(2-5%)Hidrogen

Oţel carbon aliat Argon Argon

Oţel inoxidabil

Nichel şi aliajele sale

Argon

Argon

Argon,Argon+(2-5%)Hidrogen,Heliu

Argon,Argon+(2-5%)Hidrogen

Titan şi aliajele sale Argon Argon,75%Heliu+25%Argon

Cupru şi aliajele sale Argon Argon,75%Heliu+25%Argon

Regimuri de tăiere cu plasmă

Primele apicaţii ale tăierii cu plasmă au fost orientate asupra aluminiului şi aliajelor sale. Ulterior procedeul s-a dezvoltat asupra oţelurilor inoxidabile, oţelurilor carbon şi metalelor neferoase.

În tabelul următor sunt prezentate regimurile de tăiere cu plasmă a oţelurilor carbon.

Grosime [mm]

Putere generator [kW]

Curent prin arc [A]

Viteza de Tăiere [cm/s]

Diametru Diuză [mm]

Gazplasmogen

6 55 275 8,6 3,2 Aer comprimat N2+10%H2

N2+O2

13 55 275 4,2 3,2

25 85 425 2,1 4,0

51 110 550 1,1 4,8

CALITATEA SUPRAFEŢELOR

TĂIATE CU PLASMĂ

Defectele tăierii cu plasmă

Principalele defecte ce apar la tăierea cu plasmă pot fi:

defecte pe muchia tăieturii; defecte ale suprafeţei tăieturii; depuneri de zgură; disuri; defecte de alte tipuri.

Defectele pe muchia tăieturii sunt localizate la muchia superioară sau inferioară a rostului tăieturii. În principal este vorba de:

stropi pe muchia superioară, defect care are ca principală cauză presiunea redusă sau debitul insuficient de gaz plasmogen;

stropi pe muchia inferioară a tăieturii (fig. 5.a.b.) cauzaţi de un debit de gaz plasmogen prea mare, corelat cu o viteză de tăiere ridicată.

concavitate (scobitură) sub muchia inferioară a rostului(fig.5.c.) cauzată în principal de un amestec de gaz plasmogen necorespunzător naturii materialului tăiat.

Figura 5.

Defecte pe suprafaţa tăieturii sunt multiple. Mai importante sunt: rost lărgit superior sau inferior(fig.5.d,e.), defect datorat unei viteze de

tăiere superioare, respectiv inferioare vitezei de tăiere optime; abatere unghiulară(fig.5.f.) cauzată de o poziţionare incorectă a

generatorului de plasmă faţă de suprafaţa materialului de tăiat; suprafaţa ondulată(fig.5.g.) cauzat de o conducere incorectă a

generatorului de plasmă; profil concav(fig.5.h.) având ca principală cauză un amestec

necorespunzător de gaz plasmogen, corelat cu o viteză redusă de tăiere;

rizuri deviate în urmă sau concave(fig.5.i,j.) defecte ce au ca şi cauze viteza de tăiere prea mare şi puterea(curent, tensiune) prea mare a generatorului de plasmă;

rizuri de adâncime excesivă sau neuniforme(fig.5.k,l.) provocate de puterea prea mare a generatorului de plasmă corespunzătoare grosimii tăiate, diuza generatorului deteliorată sau o conducere necorespunzătoare a generatorului de plasmă la tăierea manuală.

capăt netăiat(fig.5.m.) datorat faptului că la sfârşitul tăieturii nu se micşorează viteza de tăiere şi jetul de plasmă iese din material;

tăietură nepătrunsă(fig.5.n.) în adâncime sau în direcţia tăieturii, defectul fiind cauzat de viteza de tăiere mare, corelată cu puterea mică a generatorului, respectiv datorită stingerii arcului transferat.

Zgură aderentă (fig.5.o.) este defectul datorat unui debit prea mare de gaz suplimentar (de protecţie) care răceşte jetul de plasmă şi metalul, astfel că acesta se solidifică la suprafaţa inferioară a rostului.

Fisuri interioare sau exterioare (fig.5.p.) pot apare în cazul unor materiale sensibile la durificare şi în cazul unor viteze mari de răcire după tăiere.

POLUAREA AMBIENTULUI

În procesul de tăiere cu plasmă a oţelurilor inoxidabile şi a metalelor şi aliajelor neferoase volumul de noxe generat este periculos sănătăţii operatorului.

Masa de tăiere uzuală cu hotă de absorbţie su masă sau deasupra mesei este insuficientă. Pentru diminuarea poluării generatoarele de tăiere cu plasmă se dotează suplimentar cu accesorii care reduc nivelul de poluare cu substanţe nocive, zgomot şi radiaţii luminoase. Uzual se practică diverse modalităţi de reducere a poluării ambientului cum ar fi:

tăierea cu plasmă cu perdea de apă – perdeaua de apă este o măsură pentru a reduce poluarea ambientului cu substanţe nocive, zgomot şi radiaţii luminoase. Perdeaua de apă se poate realiza sub forma unui duş aer-apă sau clopot de protecţie din apă.

În funcţie de construcţia generatorului de plasmă, perdeaua de protecţie poate fi formată din gaz (aer sub presiune) sau amestec de aer sub presiune – apă. Tăierea cu plasmă cu perdea de apă se utilizează în general în combinaţie cu o masă de tăiere

adecvată şi un generator cu injecţie de apă. Varianta este economică la table groase (peste 15 – 20mm).

tăerea cu plasmă deasupra unui jet de apă – jetul de apă realizat sub piesa de tăiat serveşte la răcirea şi transportarea rapidă a topiturii şi a zgurii suflate din rostul de tăiere. Varianta de tăiere se aplică la tăierea mecanizată când generatorul este fix şi piesa (tabla) se deplasează mecanizat cu viteza de tăiere.

tăierea cu plamă în apă – în cazul acestei variante piesa de tăiat este poziţionată funcţie de generatorul utilizat: deasupra apei, pe apă, în apă, sub apă. Efectul cel mai bun se obţine la tăierea cu generatorul cu injecţie de apă cu gaz secundar, când piesa se taie la o adâncime de 60 – 80mm de la suprafaţa apei.

La tăierea cu plasmă în apă consumul de energie este mai mare decât la tăierea în atmosferă. Zona de influenţă termică şi deformaţiile termice sunt relativ reduse, suprafaţa tăieturii curată, lipsită de oxizi, în schimb alterarea proprietăţilor materialului din zona tăierii mai pronunţată.Oţelurile de construcţie se taie economic în baie de apă până la 15 mm grosime, iar cele aliate până la 20 mm grosime.