Plazma to gazowa materia o wysokiej temperaturze, przewodząca prąd elektryczny. Składa się z dodatnio i ujemnie naładowanych cząstek, a także ze wzbudzonych i obojętnych atomów oraz cząsteczek. Pomiędzy zachodzącymi w obrębie plazmy procesami dysocjacji, jonizacji i rekombinacji istnieje dynamiczna równowaga, przez co plazma pozostaje elektrycznie obojętna. W celu wytworzenia plazmy do celów technicznych należy podgrzać gaz do wysokiej temperatury przy wykorzystaniu odpowiedniego źródła ciepła, bądź poddać go działaniu silnego pola elektrycznego, aby osiągnął postać zjonizowaną.
Proces cięcia plazmowego opracowano pod koniec lat 50-tych ubiegłego stulecia na potrzeby cięcia stali wysokostopowych i aluminium. Technologię tę zaprojektowano z myślą o wszystkich metalach, których ze względu na skład chemiczny nie można ciąć metodą tlenową. Cięcie plazmowe można stosować do cięcia wszelkich materiałów przewodzących prąd elektryczny, m.in. stali konstrukcyjnej, stali wysokostopowych, metali nieżelaznych (np. aluminium i miedzi) oraz metalowych płyt platerowanych. Zależnie od wybranej technologii cięcia plazmowego, wydajności systemu tnącego oraz rodzaju materiału, możliwe jest cięcie elementów o grubości od ok. 0,5 mm do 160 mm.
Cięcie plazmowe jest niezastąpioną metodą cięcia średnich i grubych blach ze stali wysokostopowej i aluminium. Stosuje się je również przy cięciu elementów z typowej stali konstrukcyjnej o grubości do ok. 50 mm z minimalnym ryzykiem odkształceń, zwłaszcza w przypadku cienkich elementów. Ze względu na niską wartość energii liniowej metoda ta jest szczególnie wskazana do cięcia drobnoziarnistych stali konstrukcyjnych o dużej wytrzymałości.
Jest to proces cięcia termicznego, w ramach którego łuk plazmowy skupiany jest w dyszy palnika. Do cięcia materiałów przewodzących prąd elektryczny wykorzystuje się łuk zależny, powstający podczas przepływu prądu pomiędzy nietopliwą elektrodą (katodą) a obrabianym elementem (anodą). Jest to najpowszechniej stosowana metoda cięcia plazmowego. W przypadku łuku niezależnego jego zajarzenie łuku pomiędzy elektrodą a dyszą. Nawet przy zastosowaniu gazu tnącego zawierającego tlen, decydujące znaczenie ma efekt cieplny łuku plazmowego. Z tego powodu metody tej nie uznaje się za proces cięcia przez spalanie materiału, lecz raczej za metodę cięcia przez topienie.
Gazy plazmowe ulegają w łuku elektrycznym częściowej dysocjacji i jonizacji, dzięki czemu zyskują zdolność przewodzenia prądu (stan plazmy). Za pośrednictwem dużej gęstości energii oraz wysokiej temperatury plazma rozszerza się i przemieszcza w kierunku ciętego elementu z prędkością trzykrotnie przekraczającą prędkość dźwięku.
W wyniku rekombinacji atomów i cząsteczek na powierzchni elementu dostarczona energia zostaje błyskawicznie uwolniona, co potęguje efekt cieplny łuku plazmowego na powierzchni materiału. Temperatura w łuku plazmowym może wynosić nawet 30000 K (tj. 29726,85 °C). Temperatury tego rzędu, w połączeniu ze znaczną energią kinetyczną gazu plazmowego, umożliwiają szybkie cięcie wszelkich materiałów przewodzących prąd, stosownie do ich grubości. W wyniku działania energii cieplnej łuku oraz gazu plazmowego metalowa powierzchnia ulega roztopieniu i częściowo wyparowuje. Energia kinetyczna gazu plazmowego wypycha roztopiony materiał ze szczeliny.
Zastosowanie konkretnego gazu plazmowego uzależnione jest od rodzaju ciętego materiału. Na przykład jednoatomowy gaz, jakim jest argon, i/lub gazy dwuatomowe takie jak wodór, azot, tlen (oraz ich mieszaniny), a także oczyszczone powietrze, stosuje się zarówno w charakterze gazów plazmowych jak również gazów tnących.
Gazy stosowane w procesie cięcia plazmowego
- Gaz plazmowy – tak określa się wszystkie gazy i mieszaniny gazów, jakie można zastosować do wytworzenia strumienia plazmy oraz do przeprowadzenia procesu cięcia. Łuk plazmowy zasadniczo funkcjonuje w dwóch fazach: w fazie zajarzenia i w fazie cięcia. Z tego powodu gazy plazmowe można podzielić na gazy wykorzystywane do zajarzania łuku i do cięcia – mogą się one różnić zarówno rodzajem gazu jak również natężeniem przepływu.
- Gaz zapłonowy – służy do zajarzenia łuku plazmowego. Umożliwia proces zajarzenia i/lub zwiększa trwałość elektrody.
- Gaz tnący – jest niezbędny do procesu cięcia danego materiału przy pomocy łuku plazmowego. Jego zadaniem jest zapewnienie optymalnej jakości cięcia różnych materiałów.
- Gaz pomocniczy (gaz wirujący, gaz osłonowy) – otacza strumień plazmy, schładzając go i jednocześnie skupiając. W ten sposób pozwala zwiększyć jakość krawędzi cięcia, a także chroni dyszę podczas penetracji materiału i cięcia pod lustrem wody.
Dobór gazu plazmowego odgrywa decydującą rolę w kwestii jakości i opłacalności procesu cięcia plazmą. Poszczególne materiały, o różnych grubościach, wymagają użycia różnych czynników plazmotwórczych. Czynnikami takimi mogą być gazy, mieszaniny gazowe i woda. Aby uniknąć konieczności dalszej obróbki powierzchni po etapie cięcia plazmowego należy do danego materiału zastosować właściwy gaz plazmowy. Dokonując wyboru należy uwzględnić zarówno fizyczne jak i mechaniczne właściwości gazów. Aby uzyskać wysoką prędkość cięcia i odpowiednią jakość krawędzi, strumień plazmy musi charakteryzować się wysokim poziomem energii i optymalną przewodnością, konieczną do przeniesienia energii cieplnej na metal. Musi również mieć wysoki poziom energii kinetycznej. Właściwości chemiczne – redukujące, obojętne, utleniające – mają istotny wpływ na kształt ciętych krawędzi, a przez to na ewentualne koszty późniejszej obróbki wykończeniowej. Ponieważ gaz plazmowy wchodzi w interakcję z roztopionym metalem, może też znacząco oddziaływać na jakość krawędzi cięcia. W tym kontekście zmianie mogą ulec następujące parametry jakościowe: prostopadłość cięcia, chropowatość powierzchni, zaokrąglenie górnej krawędzi, powstawanie żużlu i spawalność po cięciu.
Podczas dokonywania wyboru gazu plazmowego należy wziąć pod uwagę takie właściwości fizykochemiczne jak: energia jonizacji gazów jednoatomowych, energia dysocjacji gazów wieloatomowych, przewodność cieplna, masa atomowa i masa cząsteczkowa, ciężar właściwy oraz reaktywność chemiczna.
Dobór gazu plazmowego w zależności od materiału i metody cięcia
Funkcję gazów plazmowych mogą pełnić zarówno gazy obojętne jak również aktywne oraz ich mieszaniny. Przeznaczenie, proporcje mieszania oraz parametry czystości gazów do cięcia plazmowego określa norma ISO 14175. Jako gazy plazmowe można stosować argon, wodór, azot, tlen (i ich mieszaniny) oraz powietrze.
W kontekście zalet i wad opisanych poniżej gazów plazmowych żadnego nie uznaje się za optymalny czynnik plazmotwórczy, dlatego w większości sytuacji stosuje się ich kombinacje lub mieszaniny. Przed użyciem danej mieszaniny gazów należy skonsultować się z producentem urządzenia tnącego, w celu potwierdzenia czy wybrane rozwiązanie jest odpowiednie dla konkretnego systemu. Zły dobór mieszaniny skutkuje zazwyczaj skróceniem trwałości materiałów eksploatacyjnych, a nawet uszkodzeniem lub zniszczeniem palnika.
Argon
Argon jest jedynym gazem obojętnym produkowanym na skalę przemysłową poprzez rozdzielenie powietrza, którego jest składnikiem (0,9325% objętościowo). Jako gaz obojętny jest on neutralny chemicznie. Ze względu na znaczną masę atomową (39,95) argon ułatwia wypchnięcie roztopionego materiału ze szczeliny cięcia, wytwarzając silne impulsy skoncentrowanego strumienia plazmy. Dzięki niskiej energii jonizacji (15,76 eV) argon stosunkowo łatwo ulega jonizacji. Z tego powodu często stosuje się go w czystej postaci do zajarzania łuku plazmowego. Dopiero po zajarzeniu łuku zależnego wprowadzany jest główny gaz plazmowy, rozpoczynający proces cięcia. Ze względu na stosunkowo niski współczynnik przewodzenia ciepła (entalpia) argonu nie można uznać za idealny gaz plazmowy – oferuje on dość niskie prędkości cięcia, a ponadto powoduje powstawanie tępych, łuszczących się powierzchni.
Wodór
W porównaniu z argonem wodór ma wyjątkowo niską masę atomową (1) i wysoką przewodność cieplną. Jego niezwykle wysoki maksymalny współczynnik przewodzenia ciepła zbliżony jest do temperatury dysocjacji, co jest następstwem procesów dysocjacji i rekombinacji. Dysocjacja wodoru następuje w przedziale temperatur 2000 K – 6000 K. Pełna jonizacja występuje w temperaturze ok. 25000 K. Rekombinacja i jonizacja dwuatomowego wodoru w początkowej fazie skupia znaczną część energii łuku, prowadząc do zawężenia jego strumienia. Gdy łuk uderza w powierzchnię materiału, naładowane cząsteczki ulegają rekombinacji i uwalniają energię w postaci ciepła, co przyczynia się do wzrostu temperatury roztapianego metalu. Przy udziale wodoru następuje redukcja trwałych tlenków chromu i aluminium, zwiększając płynność roztopionego materiału.
Z powodu opisanych wyżej właściwości fizycznych wodór sam w sobie nie jest optymalnym czynnikiem plazmotwórczym (podobnie jak argon). Jednak w wyniku połączenia pozytywnych cech termicznych wodoru (wysoki poziom energii, entalpia) z wysoką masą atomową argonu, powstaje mieszanina gazowa oferująca szybki przesył energii kinetycznej (masa atomowa) i cieplnej do ciętego materiału.
Mieszaniny argonowo-wodorowe
Mieszaniny argonowo-wodorowe stosuje się powszechnie do cięcia stali wysokostopowych i aluminium. Zaledwie kilkuprocentowy dodatek wodoru do argonu pozwala osiągnąć znacznie wyższą prędkość procesu i jakość krawędzi cięcia. Ponadto redukujący efekt wodoru zapewnia gładkie powierzchnie, bez tlenkowych nalotów.
Tego rodzaju mieszaniny wykorzystuje się do cięcia blach o grubości do 160 mm. Zawartość wodoru może w nich sięgać objętościowo 35% – ostateczna wartość zależy od grubości obrabianego materiału. Dalsze zwiększanie udziału wodoru nie prowadzi już do istotnego przyspieszenia procesu, natomiast przy jego objętości w mieszaninie powyżej 40% na powierzchni cięcia mogą pojawiać się spęcznienia i zagłębienia, a także osady żużlowe na dolnej krawędzi ciętego materiału.
Azot
Pod względem właściwości fizycznych azot można umiejscowić pomiędzy argonem a wodorem. Pierwiastek ten posiada masę atomową 14 – znacznie wyższą od wodoru, ale znacznie niższą od argonu. Współczynnik przewodzenia ciepła i entalpia są w jego przypadku wyższe od argonu i niższe od wodoru. Azot w podobny sposób jak wodór zawęża łuk plazmowy, a jego energia cieplna uwalniana podczas rekombinacji skutecznie upłynnia roztapiany materiał. Z tego powodu może pełnić funkcję niezależnego gazu plazmowego. Azot jako gaz plazmowy zapewnia szybkie i pozbawione nalotów tlenkowych cięcie elementów o cienkich przekrojach. Jego wadą jest stosunkowo duża liczba generowanych bruzd. Bardzo rzadko uzyskuje się cięcia o idealnie równoległych krawędziach. Kąt pochylenia płaszczyzn cięcia uzależniony jest od ustalonej objętości gazu i od prędkości cięcia. Absorpcja azotu na powierzchni przecięcia wywiera niekorzystny wpływ na spawalność. Zwiększone stężenie tego pierwiastka na powierzchni skutkuje powstawaniem pęcherzy gazowych i porowatością roztopionego materiału.
Mieszaniny azotowo-wodorowe
Mieszaniny azotowo-wodorowe stosuje się powszechnie do cięcia stali wysokostopowych i aluminium. Ułatwiają one uzyskiwanie cięć o równoległych krawędziach przy prędkościach znacznie wyższych niż w przypadku argonu. Jednocześnie utlenianie powierzchni przecięcia jest mniejsze niż podczas stosowania czystego azotu. Tego typu mieszaniny – określanie mianem gazów formujących – zawierają do 20% wodoru.
Mieszaniny argonowo-wodorowo-azotowe
Mieszaniny argonowo-wodorowo-azotowe stosuje się powszechnie do cięcia stali wysokostopowych i aluminium. Zapewniają one dobrą jakość krawędzi przecięcia, a w odróżnieniu od mieszanin argonowo-wodorowych, przysparzają mniej problemów związanych z powstawaniem żużlu. Najczęściej stosowane mieszaniny zawierają ok. 50-60% argonu i 40-50% azotu wraz z wodorem. Zawartość azotu z reguły nie przekracza 30%. Zawartość wodoru w mieszaninie uzależniona jest od grubości ciętego elementu: im grubszy materiał, tym więcej powinno być wodoru. Uzupełnienie mieszanin argonowo-wodorowych azotem podczas cięcia stali wysokostopowych i konstrukcyjnych pozwala uzyskiwać wyższe prędkości robocze oraz czyste krawędzie bez osadów żużlowych.
Tlen
Tlen stosuje się w charakterze gazu plazmowego przy cięciu stali niestopowych i niskostopowych. W kontakcie z tlenem zmniejsza się lepkość roztopionego materiału, przez co staje się on bardziej płynny. To z kolei pozwala uzyskać krawędzie wolne od zanieczyszczeń żużlowych i krawędzie górne bez niepożądanych zaokrągleń. W porównaniu z azotem i powietrzem, tlen zapewnia wyższe prędkości cięcia, a ponadto nie powoduje wnikania azotu w powierzchnię przecięcia.
Minimalizuje też ryzyko tworzenia porów w trakcie późniejszego spawania. Ze względu na wysoką prędkość cięcia strefa wpływu ciepła jest minimalna, a właściwości mechaniczne ciętego metalu nie ulegają pogorszeniu. Wysoką prędkość procesu uzyskuje się dzięki reakcji chemicznej pomiędzy tlenem a ciętym materiałem.
Dwutlenek węgla
W procesach cięcia plazmowego zasadniczo nie stosuje się dwutlenku węgla w charakterze gazu plazmowego – pełni on głównie rolę gazu pomocniczego lub chłodzącego.
Powietrze
Głównymi składnikami powietrza są azot (78,18% objętościowo) i tlen (20,8%). Połączenie tych dwóch gazów tworzy bardzo energetyczną mieszaninę. Powietrze wykorzystuje się jako gaz plazmowy do cięcia stali niestopowych, niskostopowych, a także stali wysokostopowych i aluminium, najczęściej w procesach cięcia ręcznego oraz do cięcia cienkich blach. W przypadku cięcia stali niestopowych i niskostopowych rozwiązanie to zapewnia równe i stosunkowo gładkie krawędzie. Jednak powietrze jako gaz tnący powoduje również wzrost zawartości azotu w ciętych powierzchniach. W przypadku braku obróbki mechanicznej po zakończeniu procesu, występuje ryzyko późniejszego powstawania porów podczas spawania. W przypadku cięcia aluminium może wystąpić odbarwienie krawędzi.
Woda (para wodna)
Po osiągnięciu określonej temperatury z wody wydzielają się jej składniki – wodór i tlen. Dostarczenie dodatkowej energii powoduje dysocjację i jonizację wody. W metodach cięcia plazmowego z wtryskiem wody i w osłonie mgły wodnej część wody wykorzystywana jest do przenoszenia energii cieplnej, podczas gdy pozostała część odpowiada za skupienie łuku plazmowego i chłodzenie dyszy.
Doprowadzanie gazów do układów cięcia plazmowegoUrządzenia do cięcia plazmowego wykorzystują jeden lub kilka różnych gazów. Wymagane parametry ciśnienia i przepustowości zależą od rodzaju stosowanych urządzeń. W każdym przypadku należy postępować zgodnie ze specyfikacją producenta. Gazy mogą być dostarczane w pojedynczych butlach, w wiązkach butli, w zbiornikach przewoźnych lub w zbiornikach stacjonarnych.
Postać dostarczanego gazu (gazowa lub płynna) zależy głównie od przewidzianego zapotrzebowania.
Wymagana objętość gazów plazmowych i pomocniczych uzależniona jest od różnych czynników, takich jak średnica dyszy, ciśnienie gazu czy prąd cięcia – zwykle wartość ta mieści się w przedziale 20-100 l/min. Przy zużyciu na poziomie ok. 200–300 m³/tydzień gaz dostarcza się w postaci lotnej, natomiast powyżej tej wartości – w postaci płynnej.
W przypadku spadku natężenia przepływu gazu poniżej wartości określonych przez producenta pojawia się ryzyko poważnego uszkodzenia palnika. Dlatego należy przestrzegać zalecanych przez producenta wartości ciśnienia, które nie powinno spaść poniżej 12 barów.
Tabela 2 przedstawia minimalne wymagania dotyczące czystości gazów stosowanych do cięcia plazmowego stali niestopowych, niskostopowych, konstrukcyjnych, wysokostopowych, a także aluminium. Nieprzestrzeganie powyższych wartości może w istotny sposób wpływać na jakość i opłacalność procesu ze względu na obniżenie prędkości cięcia.
W sytuacji doprowadzania gazów przy użyciu sprężarki zamiast butli należy bezwzględnie przestrzegać zamieszczonych w tabeli 2 wymogów dotyczących maksymalnej wielkości cząsteczek, zawartości oleju resztkowego i punktu rosy, ponieważ zwiększenie zawartości oleju i poziomu wilgoci może negatywnie wpłynąć na trwałość materiałów eksploatacyjnych, a także zwiększa ryzyko uszkodzenia palnika.
Podsumowanie
Od technologii cięcia metali oczekuje się obecnie coraz wyższej jakości przy jednoczesnym obniżaniu kosztów. Krawędzie ciętych elementów nie powinny wymagać dodatkowej obróbki, za to muszą gwarantować maksymalną dokładność wymiarową. Możliwość osiągnięcia takich efektów przy wykorzystaniu tradycyjnych technik cięcia coraz częściej staje pod znakiem zapytania.
Cięcie termiczne przy użyciu plazmy jest rozwiązaniem konkurencyjnym wobec cięcia metodą tlenową, laserem czy strumieniem wody. Może także stanowić alternatywę dla mechanicznych technik obróbki.
Właściwie dobrane gazy plazmowe i pomocnicze zapewniają zarówno stabilny przebieg procesu, jak również spełnienie oczekiwań jakościowych, oraz optymalne pod względem ekonomicznym cięcie materiałów konstrukcyjnych.
Krzysztof Baran
Linde Gas
Literatura:
C. Landry: Plasma Arc Cutting, Tips for optimising cut quality, Welding Design and Fabrication, 09.1997
Normy: DIN EN 2310-6, DIN EN ISO 9013, ISO 8206, DIN 8580, DIN 8590, DIN EN ISO 14175:08
Materiały Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH
artykuł pochodzi z wydania 7/8 (94/95) lipiec/sierpień 2015
