Proprietatile si influenta gazelor utilizate la debitarea cu plasma

Proprietatile si influenta gazelor utilizate la debitarea cu plasma

Proprietatile si influenta gazelor utilizate la debitarea cu plasma

Tinand cont de faptul ca debitarea cu plasma pe echipamente automate este un procedeu des intalnit in industrie, in prezentul articol voi prezenta gazele care se pot utiliza in cadrul acestui procedeu si influenta acestor gaze asupra calitatii de debitare.

Alegerea gazelor, concentratiile gazelor din componenta amestecurilor si puritatea gazelor joaca un rol important in calitatea pieselor debitate, in viteza de debitare si implicit in costurile totale de debitare.

Pentru a intelege mai bine rolul gazelor in cadrul procesului de debitare cu plasma incep prin a descrie etapele procesului de debitare cu plasma cu echipamente de ultima generatie si gazele utilizate in fiecare din aceste etape in functie de materialul care se debiteaza.

In cazul generatoarelor de plasma de ultima generatie utilizate pe echipamente automate de debitare, indiferent de faptul ca unii producatori le numesc plasme de inalta definitie, plasme de inalta precizie sau in alt mod, se utilizeaza doua tipuri de gaze si anume: gaz plasmagen si gaz de protectie. La randul sau, in functie de faza in care intervine, gazul plasmagen se imparte in gaz de amorsare (ionizare) si gaz plasmagen pentru debitare.

Gazul de amorsare (ionizare) are rolul de a amorsa arcul, iar in acest scop este utilizat un gaz usor ionizabil.

Gazul plasmagen (utilizat in faza de debitare) are rolul de a se ioniza puternic permitand topirea materialului, de a elimina materialul topit din zona de taiere (datorita energiei cinetice mari data de greutatea atomica / moleculara mare a respectivului gaz) si de a proteja electrodul in special atunci cand se utilizeaza gaze active.

Gazul de protectie influenteaza si imbunatateste calitatea de debitare, stabilizeaza arcul, protejeaza duza contra picaturilor de material topit generate in faza de strapungere a tablei si ofera o racire suplimentara a consumabilelor.

Cele trei tipuri de gaze se vor alege in functie de materialul debitat si grosimea acestuia astfel:

Tip material / Tip gazGaz de amorsareGaz plasmagenGaz de protectie
Otel carbonAer comprimatO2N2; O2 sau aer comprimat
Otel inoxidabil
- Table subtiri (<6 mm)Aer comprimat / N2Aer comprimat / N2 (la puteri de pana la 200 A) N2H2 (F5) (la puteri de peste 200 A)Aer comprimat / N2 sau N2H2 (F5) sau H2O
– Table groase (>6 mm)ArArH2N2 sau N2H2 (F5)
Aluminiu
- Table subtiri (<8 mm)Aer comprimat / N2Aer comprimat / N2 sau N2H2 (F5)Aer comprimat / N2
- Table groase (>8 mm)ArArH2N2

Caracteristicile gazelor utilizate la debitarea cu plasma

In cazul procesului de debitare cu plasma se utilizeaza doua tipuri de gaze si anume: gaz plasmagen si gaz de protectie. Gazele utilizate au un rol extrem de important in ceea ce priveste calitatea de debitare si din acest motiv, pentru a se obtine o debitare economica si o calitate optima, este necesara alegerea corecta a gazului plasmagen in functie de materialul de debitat. Dintre proprietatile gazelor care prezinta un rol important in cadrul procesului de debitare cu plasma se pot enumera: gradul de ionizare si disociere a energiei, conductivitatea termica, greutatea atomica si reactivitatea chimica.

Aerul comprimat

Aerul este cel mai versatil si ieftin gaz plasmagen utilizat in debitarea cu plasma. Principalele componente din aer sunt azotul (circa 70%) si oxigenul (circa 21%). In acest fel, utilizarea aerului comprimat pentru debitarea cu plasma permite combinarea proprietatilor din cele doua gaze, obtinandu-se calitati si viteze bune la debitarea otelului carbon, inoxului si aluminiului.

Insa, in ciuda acestor avantaje aerul prezinta si cateva dezavantaje cum ar fi:

Taierea otelului carbon cu aer comprimat duce la o durificare termica a muchiei debitate similara cu aceea rezultata in urma debitarii oxigaz. Aceasta durificare este data de concentratia mare de azot din gazul de protectie. Nitrurarea si oxidarea muchiilor debitate cu aer comprimat influenteaza sudabilitatea pieselor debitate in acest mod, putand determina aparitia de pori in cordonul de sudura.

Pentru furnizarea aerului comprimat de care echipamentul are nevoie va fi necesar un compresor bine proportionat si prevazut cu statie de filtrare si uscare a aerului. In scopul maririi duratei de viata a consumabilelor este foarte important ca aerul utilizat sa fie foarte curat si bine uscat.

Durata de viata a consumabilelor utilizate la debitarea cu aer comprimat este de maxim 600 de amorsari.

Debitarea cu aer comprimat drept gaz plasmagen si aer comprimat drept gaz de protectie ramane o solutie des utilizata in cazul firmelor mici si atelierelor de productie fiind cea mai economica solutie atat in ceea ce priveste achizitia utilajului de debitare cat si in ceea ce priveste costurile de utilizare.

Oxigen

In ultimii ani debitarea cu oxigen a otelului carbon a inceput sa se impuna din ce in ce mai mult datorita faptului ca ofera cea mai buna calitate de debitare si cele mai mari viteze dintre toate gazele plasmagene.

Oxigenul poate fi clasificat in mod similar cu azotul in ceea ce priveste conductivitatea termica si greutatea atomica. Totusi, oxigenul are o anumita afinitate pentru otelurile carbon, si anume, in timpul oxidarii se genereaza caldura care poate fi utilizata la cresterea vitezei de debitare.
Drept gaz plasmagen oxigenul reactioneaza cu otelul carbon producand topirea si eliminarea facila a materialului din zona de debitare sub forma de picaturi foarte mici si cu o tensiune superficiala mica.

Oxigenul este utilizat in principal drept gaz plasmagen, insa poate fi utilizat si drept gaz de protectie pentru debitarea otelurilor nealiate si a celor slab aliate. Totusi, cel mai utilizat gaz de protectie, care merge foarte bine impreuna cu oxigenul utilizat drept gaz plasmagen, este aerul comprimat.

Dezavantajul utilizarii oxigenului drept gaz plasmagen consta in costul mai mare al acestuia fata de aerul comprimat, insa acest dezavantaj este compensat prin eliminarea unor operatii secundare costisitoare cum ar fi operatiile de debavurare si de eliminare a stratului durificat termic (in cazul utilizarii O2 zona durificata termic va fi de numai 0,35 mm adancime, cu mult mai putin fata de utilizarea aerului comprimat).

Azot

Azotul este un gaz inert si din acest motiv reactioneaza cu materialul doar la temperaturi foarte ridicate si ramane inert la temperaturi relativ scazute. In ceea ce priveste proprietatile sale (in special conductivitatea termica si greutatea atomica), azotul se situeaza intre argon si hidrogen.

Din acest motiv, azotul poate fi utilizat drept gaz plasmagen sau drept gaz de protectie pentru debitarea tablelor subtiri din otel inalt aliat. Utilizarea azotului drept gaz plasmagen pentru debitarea inoxului si aluminiului ramane cea mai buna si varianta, indiferent daca se utilizeaza drept gaz de protectie tot azot sau apa sau amestec N2/H2. Cel mai des utilizat gaz de protectie, in cazul debitarii cu azot drept gaz plasmagen, este tot azotul, insa, in cazul in care sistemul permite acest lucru, utilizarea apei in locul gazului de protectie duce la scaderea costurilor de debitare si permite obtinerea unei suprafete netede si lucioase in cazul pieselor din inox.

Principalele avantaje aduse de catre azot sunt excelenta calitate de debitare si durata lunga de viata a consumabilelor.

Din pacate azotul nu ofera posibilitatea de debitare a tablelor din inox si aluminiu mai groase de 10 mm si din aceasta cauza, la grosimi mai mari se utilizeaza amestecuri Ar/H2.

Argon

Argonul este si el un gaz inert, ceea ce inseamna ca nu reactioneaza cu materialul in timpul debitarii. Greutatea sa atomica – cea mai mare greutate atomica dintre toate gazele plasmagene – ajuta la eliminarea materialului topit din zona de debitare. Acest lucru este determinat de energia cinetica mare a jetului de plasma.

Datorita potentialului sau scazut de ionizare argonul este excelent pentru utilizare in faza de amorsare a arcului. Totusi, argonul nu poate fi utilizat drept gaz plasmagen decat in amestec cu hidrogenul, deoarece are conductivitate termica si capacitate termica scazute si din acest motiv nu poate furniza suficienta energie pentru debitarea tablelor mai groase.

Hidrogen

Spre deosebire de argon, hidrogenul are o conductivitate termica foarte buna. Mai mult, hidrogenul disociaza la temperaturi ridicate, fapt ce determina retragerea din arc a unei cantitati mari de energie (prin ionizare), iar in acest fel straturile superficiale se racesc. Acest efect conduce la o constrangere superficiala a arcului si implicit la obtinerea unei densitati mari de energie. Procesul de recombinare determina eliberarea energiei retrase in baia de material topit sub forma de caldura. Totusi, hidrogenul nu poate fi utilizat la debitare decat in amestec cu argonul, deoarece, datorita greutatii atomice mici nu poate produce suficienta energie cinetica pentru indepartarea materialului topit.

Utilizarea unui procent mare de hidrogen in amestec va conduce, in cazul otelului inoxidabil, la modificarea vascozitatii.

Amestecuri de gaze

O buna parte dintre gazele enumerate mai sus se combina in amestecuri in scopul imbunatatirii calitatii si vitezei de debitate. Cele mai intalnite amestecuri utilizate la debitarea cu plasma sunt Argon / Hidrogen (H35) si Azot / Hidrogen (F5).

Argon / Hidrogen este amestecul cel mai utilizat la debitatea inoxului si respectiv a aluminiului cu grosimi mai mari de 10 mm. Acest amestec este in mod standard realizat din 35% Hidrogen si 65% Argon (H35). Amestecul Argon / Hidrogen are cea mai mare capacitate calorica dintre toate gazele plasmagene si astfel permite debitarea materialelor groase. Nu in ultimul rand, acest amestec se utilizeaza si la debitarea altor materiale precum: titan, diverse aliaje pe baza de aluminiu, etc.

Cantitatea de hidrogen din amestec nu poate depasi 35%, insa este foarte important ca sursa de plasma utilizata sa permite reglarea procentelor de Argon si Hidrogen din amestec, in functie de grosimea materialului si de compozitia chimica a acestuia. Cu cat materialul va fi mai gros cu atat procentul de Hidrogen va fi mai mare.

In mod tipic, acest amestec se utilizeaza impreuna cu azot drept gaz de protectie.

In cazul debitarii inoxului, amestecul Argon / Hidrogen determina obtinerea unei muchii drepte si a unei suprafete netede.