Cięcie plazmą

Cięcie plazmą

Cięcie plazmowe jest obecnie jedną z najczęściej stosowanych metod wycinania termicznego stali niskostopowych, wysokostopowych, aluminium, mosiądzu, miedzi, żeliwa.

Cięcie plazmą charakteryzuje dobra jakość powierzchni cięcia, wysoka wydajność i prędkość cięcia oraz stabilność przebiegu operacji. Cięcie plazmowe jest o wiele bezpieczniejsze od cięcia tlenowo-gazowego, zapewnia duży zakres grubości cięcia w porównaniu do cięcia laserowego (nawet do 150 mm). Obecnie najczęściej wykorzystywane są urządzenia do cięcia plazmowego umożliwiające cięcie za pomocą łuku plazmowego materiałów o grubości do 40 mm. W wyniku cięcia plazmą powstaje stosunkowo niewielka szczelina cięcia.

Cięcie plazmowe może być przeprowadzane w sposób ręczny lub w pełni zautomatyzowany.

Co to jest plazmą?

Plazma to zjonizowana materia, która przypomina gaz. Jednak dzięki specyficznym właściwościom nazywana jest czasem czwartym stanem materii. W plazmie występują zjonizowane atomy o różnym ładunku oraz swobodne elektrony dlatego plazma przewodzi prąd elektryczny, ale jej opór maleje ze wzrostem temperatury, inaczej niż w przypadku metali.

Natężenie prądu a powstawanie plazmy

W zależności od natężenia przepływającego prądu rozróżnia się trzy stany plazmy: przy bardzo małym natężeniu prądu nie widać świecenia; większe natężenie prądu powoduje, że plazma zaczyna wytwarzać światło – wykorzystuje się to zjawisko w lampach jarzeniowych; gdy natężenie przekroczy graniczną wartość powstaje łuk elektryczny – tę właściwość wykorzystujemy do cięcia plazmą.

Przebieg cięcia plazmą

Proces cięcia plazmą stosowany jest do cięcia materiałów przewodzących prąd elektryczny. Polega na miejscowym topieniu materiału i wydmuchiwaniu go za pomocą strumienia plazmowego  o wysokiej koncentracji energii.

Źródłem ciepła w metodzie cięcia plazmą jest skoncentrowany łuk elektryczny, który jarzy się pomiędzy ciętym materiałem a elektrodą nietopliwą umieszczoną w uchwycie plazmowym. Odpowiednią koncentrację łuku otrzymuje się za pomocą specjalnej dyszy, zwanej dyszą plazmową (dyszą tnącą).

W zależności od natężenia prądu cięcia stosuje się dysze plazmowe o różnej średnicy. Najczęściej spotykany przedział średnic dyszy tnącej to 0,6 [mm] do 2,0 [mm]. Zadaniem dyszy tnącej jest koncentracja ciepła powstałego w jądrze łuku plazmowego na niewielkiej powierzchni materiału, co powoduje jonizację przepływającego gazu. Pod działaniem wysokiej temperatury (10000 – 30000 K) dochodzi do miejscowego stopienia, a nawet wyparowania nagrzewanego materiału co prowadzi do powstania szczeliny cięcia. Powszechnie stosowanym gazem, z którego powstaje łuk plazmowy, jest powietrze zasilające palnik plazmowy dzięki zastosowaniu przez sprężarki powietrza. W urządzeniach o dużych mocach używa się argonu, azotu, wodoru, dwutlenku węgla oraz mieszanek argon-wodór i argon-hel.

Parametry charakteryzujące cięcie plazmowe

Najważniejsze parametry wpływające na cięcie plazmą, które mogą być regulowane przez operatora to: natężenie prądu, prędkość prowadzenia dyszy, odległość palnika plazmowego od ciętego materiału. Inne to napięcie łuku elektrycznego, ciśnienie i natężenie przepływu gazu. Ustawienia parametrów cięcia zależą między innymi od rodzaju i grubości ciętego materiału.

Wybór natężenia prądu cięcia

To główny parametr wpływający na grubość cięcia, jego wydajność i efektywność. Im wyższe natężenie, tym większa grubość rozcinania i jego prędkość. Wyższa wartość wymaga jednak stosowania dyszy tnącej o większej średnicy, co skutkuje powstawaniem szerszej szczeliny. Dla materiału o danej grubości, wraz ze wzrostem natężenia, zwiększa się szybkość i wydajność procesu. Ustawienie zbyt wysokiego natężenia może jednak powodować miejscowe przegrzewanie się materiału, powstawanie naprężeń i odkształceń cieplnych oraz nadpalania materiałów cienkich.

Dobór prędkości prowadzenia palnika

Dla określonej wartości natężenia można zastosować szeroki zakres szybkości cięcia. Należy pamiętać, że zbyt mała prędkość prowadzenia może powodować przerywanie łuku plazmowego, co prowadzi to do szybszego zużycia dysz i elektrod. Powstają nacieki metalu i duża ilość przylegającego żużla. Zbyt duża szybkość pracy, z kolei powoduje powstawanie dużego ukosu krawędzi cięcia, dużych ilości żużla, a nawet niecałkowite przebicie się przez cięty materiał (pozostają odcinki niedociętego materiału). Im większa szybkość przesuwu, tym płomień układa się bardziej w kierunku prostopadłym względem elektrody. Przyjmuje się, że optymalna prędkość cięcia jest wtedy, gdy strumień plazmy układa się pod kątem 45⁰ względem elektrody.

Odległość palnika plazmowego od ciętego materiału

Odległość palnika od przecinanej powierzchni powinna być tak dobrana, aby w trakcie pracy nie uszkodzić dyszy wytwarzającej łuk plazmowy, przy zachowaniu odpowiedniej jakości cięcia. Zbyt bliska odległość, powoduje nadtopienie górnej krawędzi ciętego materiału, może doprowadzić również do uszkodzenia dyszy tnącej. Zbyt duża odległość skutkuje powstawaniem nadmiernego ukosu krawędzi i pojawienia się dużej ilości żużla na dolnej krawędzi, który jest trudny do usunięcia. Producenci dostarczający system plazmowy, zalecają użycie specjalnych dystansów, często mających postać specjalnych sanek drucianych lub sanek na drobnych kołach jezdnych. Dzięki ich zastosowaniu operator ma możliwość utrzymania odpowiedniej odległości dyszy od materiału.

Przy ręcznym cięciu plazmą, najczęstszym błędem operatora jest cięcie bez dystansu, czyli ciągnięcie dyszą tnącą po ciętym materiale. Wpływa to na szybsze zużycie się elementów dyszy, może powodować cofanie się płomienia do palnika i jego uszkodzenie.

Praktyczne sposoby realizacji rozcinania plazmą

Cięcie plazmowe może być przeprowadzane w sposób ręczny lub w pełni zmechanizowany.

W cięciu ręcznym do rozcinania blach używane są systemy plazmowe, w których operator ręcznie prowadzi dyszę w stosunku do powierzchni ciętego materiału. Przy wycinaniu konturów należy przesuwać palnik zgodnie z ruchem wskazówek zegara, będziemy wówczas otrzymywać lepszą krawędź po prawej stronie palnika. W przypadku wycinania otworu kierunek prowadzenia dyszy powinien być jednak odwrotny, przeciwny do ruchu wskazówek zegara. Krawędź lepszej jakości znowu otrzymamy po prawej stronie palnika, ale tym razem będzie ona mieć bezpośredni kontakt z obrysem otworu, a nie wycinanym ze środka materiałem. W metodzie ręcznej od wyszkolenia i doświadczenia operatora zależy jakość uzyskiwanych cięć. Metoda ręczna cechuje się niższą precyzją wymiarową, używana jest także do wstępnego przecinania surowca lub w sytuacjach gdy uzyskanie wymiaru nie jest konieczne (rozbiórki, demontaże itp)

Cięcie zmechanizowane jest realizowane przez roboty wyposażone w systemy plazmowe lub przecinarki plazmowe CNC wyposażone w stół roboczy i system pozycjonowania palnika względem materiału.

Cięcie plazmowe zrobotyzowane zapewnia większą precyzję niż cięcie ręczne i pozwala na cięcie materiałów w trzech wymiarach. Jednak ze względu na wysoką powtarzalność, precyzję wymiarową, łatwość programowania i obsługi w produkcji przemysłowej najczęściej do rozcinania blach używa się przecinarek plazmowych ze sterowaniem CNC.

Przecinarka plazmowa CNC

Przecinarka plazmowa CNC jest to urządzenie sterowane numerycznie przeznaczone do termicznego w przecinania blach przy wykorzystaniu palnika plazmowego. Wypalarki plazmowe CNC umożliwiają wycinanie kształtów zgodnie z przygotowanymi wcześniej programami, wprowadzonymi do pamięci urządzenia w postaci pliku. Arkusz przygotowanej wcześniej blachy (np. o wymiarach 1500×3000) umieszcza się na powierzchni stołu CNC. Następnie korzystając z pulpitu sterowniczego, wybiera się odpowiedni program. Po uruchomieniu następuje zautomatyzowanie wycinanie fragmentów blach. Wysokość palnika plazmowego jest automatycznie regulowana podczas pracy, zapewniając jednakową odległość dyszy palnika od ciętego materiału. Stoły CNC mogą być wyposażone w tradycyjne filtrowentylatory, które rozpoczynają odciąg powstających pyłów gdy w danej sekcji stołu odbywa się cięcie, takie stoły nazywamy sekcyjnymi. Alternatywnym rozwiązaniem są stoły wodne, jest to tzw. proces cięcia plazmowego w lustrze wody. Stoły wodne redukują hałas, dym, promieniowanie oraz ograniczają odkształcenia cienkich blach.

Przecinarki plazmowe mają możliwość cięcia wszystkich materiałów przewodzących prąd elektryczny takich jak: stal konstrukcyjna, stal wysokostopowa, aluminium, żeliwo oraz inne metale nieżelazne. W zależności od zastosowanego typu agregatu plazmowego i odpowiedniego podłączenia urządzenia istnieje możliwość wycinania w grubszych materiałach.

Stół CNC może być też wykorzystany do zautomatyzowanego wycinania gazowo-tlenowego, często przecinarki wyposażone są w dwa systemy wycinania w jednej maszynie.