Ținând cont de faptul că debitarea cu plasmă pe echipamente automate este un procedeu des întâlnit în industrie, în prezentul articol voi prezenta gazele care se pot utiliza în cadrul acestui procedeu și influența acestor gaze asupra calității de debitare.

Alegerea gazelor, concentrațiile gazelor din componența amestecurilor și puritatea gazelor joacă un rol important în calitatea pieselor debitate, în viteza de debitare și implicit în costurile totale de debitare.

Pentru a înțelege mai bine rolul gazelor în cadrul procesului de debitare cu plasmă încep prin a descrie etapele procesului de debitare cu plasmă cu echipamente de ultimă generație și gazele utilizate în fiecare din aceste etape în funcție de materialul care se debitează.

În cazul generatoarelor de plasmă de ultimă generație utilizate pe echipamente automate de debitare, indiferent de faptul că unii producători le numesc plasme de înaltă definiție, plasme de înaltă precizie sau în alt mod, se utilizează două tipuri de gaze și anume: gaz plasmagen și gaz de protecție. La rândul sau, în funcție de faza în care intervine, gazul plasmagen se împarte în gaz de amorsare (ionizare) și gaz plasmagen pentru debitare.

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

Gazul plasmagen (utilizat în faza de debitare) are rolul de a se ioniza puternic permițând topirea materialului, de a elimina materialul topit din zona de tăiere (datorită energiei cinetice mari dată de greutatea atomică / moleculară mare a respectivului gaz) și de a proteja electrodul în special atunci când se utilizează gaze active.

Gazul de protecție influențează și îmbunătățește calitatea de debitare, stabilizeaza arcul, protejează duza contra picăturilor de material topit generate în faza de străpungere a tablei și oferă o răcire suplimentară a consumabilelor.

Cele trei tipuri de gaze se vor alege în funcție de materialul debitat și grosimea acestuia astfel:

În cazul procesului de debitare cu plasmă se utilizează două tipuri de gaze și anume: gaz plasmagen și gaz de protecție. Gazele utilizate au un rol extrem de important în ceea ce privește calitatea de debitare și din acest motiv, pentru a se obține o debitare economică și o calitate optimă, este necesară alegerea corectă a gazului plasmagen în funcție de materialul de debitat. Dintre proprietățile gazelor care prezintă un rol important în cadrul procesului de debitare cu plasmă se pot enumera: gradul de ionizare și disociere a energiei, conductivitatea termică, greutatea atomică și reactivitatea chimică.

Aerul este cel mai versatil și ieftin gaz plasmagen utilizat în debitarea cu plasmă. Principalele componente din aer sunt azotul (circa 70%) și oxigenul (circa 21%). În acest fel, utilizarea aerului comprimat pentru debitarea cu plasmă permite combinarea proprietăților din cele două gaze, obținându-se calități și viteze bune la debitarea oțelului carbon, inoxului și aluminiului.

Însă, în ciuda acestor avantaje aerul prezintă și câteva dezavantaje cum ar fi:

Debitarea cu aer comprimat drept gaz plasmagen și aer comprimat drept gaz de protecție rămâne o soluție des utilizată în cazul firmelor mici și atelierelor de producție fiind cea mai economică soluție atât în ceea ce privește achiziția utilajului de debitare cât și în ceea ce privește costurile de utilizare.

În ultimii ani debitarea cu oxigen a oțelului carbon a început să se impună din ce în ce mai mult datorită faptului că oferă cea mai bună calitate de debitare și cele mai mari viteze dintre toate gazele plasmagene.

Oxigenul poate fi clasificat în mod similar cu azotul în ceea ce privește conductivitatea termică și greutatea atomică. Totuși, oxigenul are o anumită afinitate pentru oțelurile carbon, și anume, în timpul oxidării se generează căldură care poate fi utilizată la creșterea vitezei de debitare.
Drept gaz plasmagen oxigenul reacționează cu oțelul carbon producând topirea și eliminarea facilă a materialului din zona de debitare sub formă de picături foarte mici și cu o tensiune superficială mică.

Oxigenul este utilizat în principal drept gaz plasmagen, însă poate fi utilizat și drept gaz de protecție pentru debitarea oțelurilor nealiate și a celor slab aliate. Totuși, cel mai utilizat gaz de protecție, care merge foarte bine împreună cu oxigenul utilizat drept gaz plasmagen, este aerul comprimat.

Dezavantajul utilizării oxigenului drept gaz plasmagen constă în costul mai mare al acestuia față de aerul comprimat, însă acest dezavantaj este compensat prin eliminarea unor operații secundare costisitoare cum ar fi operațiile de debavurare și de eliminare a stratului durificat termic (în cazul utilizării O2 zona durificata termic va fi de numai 0,35 mm adâncime, cu mult mai puțin față de utilizarea aerului comprimat).

Azotul este un gaz inert și din acest motiv reacționează cu materialul doar la temperaturi foarte ridicate și rămâne inert la temperaturi relativ scăzute. În ceea ce privește proprietățile sale (în special conductivitatea termică și greutatea atomică), azotul se situează între argon și hidrogen.

Din acest motiv, azotul poate fi utilizat drept gaz plasmagen sau drept gaz de protecție pentru debitarea tablelor subțiri din oțel înalt aliat. Utilizarea azotului drept gaz plasmagen pentru debitarea inoxului și aluminiului rămâne cea mai bună și variantă, indiferent dacă se utilizează drept gaz de protecție tot azot sau apa sau amestec N2/H2. Cel mai des utilizat gaz de protecție, în cazul debitării cu azot drept gaz plasmagen, este tot azotul, însă, în cazul în care sistemul permite acest lucru, utilizarea apei în locul gazului de protecție duce la scăderea costurilor de debitare și permite obținerea unei suprafețe netede și lucioase în cazul pieselor din inox.

Principalele avantaje aduse de către azot sunt excelența calitate de debitare și durată lungă de viață a consumabilelor.

Din păcate azotul nu oferă posibilitatea de debitare a tablelor din inox și aluminiu mai groase de 10 mm și din această cauză, la grosimi mai mari se utilizează amestecuri Ar/H2.

Argonul este și el un gaz inert, ceea ce înseamnă că nu reacționează cu materialul în timpul debitării. Greutatea sa atomică – cea mai mare greutate atomică dintre toate gazele plasmagene – ajută la eliminarea materialului topit din zona de debitare. Acest lucru este determinat de energia cinetică mare a jetului de plasmă.

Datorită potențialului său scăzut de ionizare argonul este excelent pentru utilizare în faza de amorsare a arcului. Totuși, argonul nu poate fi utilizat drept gaz plasmagen decât în amestec cu hidrogenul, deoarece are conductivitate termică și capacitate termică scăzute și din acest motiv nu poate furniza suficientă energie pentru debitarea tablelor mai groase.

Spre deosebire de argon, hidrogenul are o conductivitate termică foarte bună. Mai mult, hidrogenul disociază la temperaturi ridicate, fapt ce determină retragerea din arc a unei cantități mari de energie (prin ionizare), iar în acest fel straturile superficiale se răcesc. Acest efect conduce la o constrângere superficială a arcului și implicit la obținerea unei densități mari de energie. Procesul de recombinare determină eliberarea energiei retrase în baia de material topit sub formă de căldură. Totuși, hidrogenul nu poate fi utilizat la debitare decât în amestec cu argonul, deoarece, datorită greutății atomice mici nu poate produce suficientă energie cinetică pentru îndepărtarea materialului topit.

Utilizarea unui procent mare de hidrogen în amestec va conduce, în cazul oțelului inoxidabil, la modificarea vâscozității.

O bună parte dintre gazele enumerate mai sus se combină în amestecuri în scopul îmbunătățirii calității și vitezei de debitate. Cele mai întâlnite amestecuri utilizate la debitarea cu plasmă sunt Argon / Hidrogen (H35) și Azot / Hidrogen (F5).

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

Cantitatea de hidrogen din amestec nu poate depăși 35%, însă este foarte important ca sursa de plasmă utilizată să permite reglarea procentelor de Argon și Hidrogen din amestec, în funcție de grosimea materialului și de compoziția chimică a acestuia. Cu cât materialul va fi mai gros cu atât procentul de Hidrogen va fi mai mare.

În mod tipic, acest amestec se utilizează împreună cu azot drept gaz de protecție.

În cazul debitării inoxului, amestecul Argon / Hidrogen determină obținerea unei muchii drepte și a unei suprafețe netede.