SZKOŁA ASPIRANTÓW

PAŃSTWOWEJ STRAŻY POŻARNEJ

W POZNANIU

PRACA DYPLOMOWA

TEMAT:

PROJEKT I WYKONANIE URZĄDZENIA DO CIĘCIA METALI METODĄ PLAZMOWĄ

PROMOTOR: DYPLOMANCI:

Poznań, 2003 r.

Spis treści

1. Wprowadzenie

1. Wprowadzenie

1. 1. Cel i zakres pracy

Celem pracy jest skonstruowanie urządzenia, pozwalającego na cięcie metali za pomocą plazmy. W celu zbudowania takiego urządzenia opracowano schemat ideowy oraz wykonano prototyp urządzenia, którego działanie sprawdzono w praktyce.

Praca prezentuje nowoczesną technologię cięcia metali za pomocą plazmy oraz przegląd informacji dotyczących zarówno właściwości fizycznych jak i charakterystykę samego zjawiska plazmy.

Opisano praktyczne zastosowanie tego zjawiska na potrzeby przemysłu i działań ratowniczych, zasady właściwej i bezpiecznej obsługi urządzenia.

2. Podstawowe właściwości plazmy

2. 1. Plazma — czwarty stan skupienia materii

Różne stany skupienia materii różnią się od siebie przede wszystkim sposobem, w jaki cząsteczki są powiązane z innymi cząstkami tworzącymi substancję. Główną cechą charakteryzującą poszczególne stany skupienia jest wartość energii wiązania cząstki z innymi cząstkami substancji. Energia wiązania określa wartość energii, którą trzeba dostarczyć cząstce do zerwania wiązań z innymi cząstkami substancji, będącej w określonym stanie skupienia.

Z fizyki znamy trzy stany skupienia materii stały, ciekły i gazowy. Zapoznajmy się z mechanizmem prowadzącym do przechodzenia materii z jednego stanu skupienia w inny.

Większość ciał stałych ma budowę krystaliczną. Kryształy tworzą regularną geometrycznie sieć przestrzenną, w której węzłach znajdują się atomy.

Rys. 2. 1. Element struktury krystalicznej kryształu.

Atomy utrzymywane są w węzłach siłami oddziaływań międzyatomowych (przyciąganie i odpychanie), będących z natury siłami elektrycznymi. Węzły sieci stanowią dla atomów położenia równowagi, tzw. Oddziałujące na atomy siły znoszą się wzajemnie. Każde przesunięcie atomu z węzła wywołuje powstanie sił sprowadzających atom z powrotem do położenia równowagi. Atomy w węzłach znajdują się stale w ruchu drgającym wokół położenia równowagi, amplituda drgań określana jest temperaturą kryształu, a więc energią kinetyczną atomów w krysztale.

Podgrzanie, czyli doprowadzenie do kryształu ciepła, jest równoważne doprowadzeniu energii kinetycznej do atomów w węzłach sieci krystalicznej. Gdy energia dostarczona poszczególnym atomom będzie odpowiednio duża, większa od ich energii wiązania w sieci krystalicznej, zostaną one wprawione w tak gwałtowne drgania, że więzy łączące atom z kryształem zostaną zerwane - atom zostanie uwolniony z kryształu. Kiedy wszystkie więzy krystaliczne zostaną zerwane, ciało przechodzi w drugi stan skupienia w ciecz. Ilość ciepła dostarczanego do kryształu wymagana do przejścia ciała w stan ciekły nazywana jest ciepłem topnienia.

Ciekły stan skupienia charakteryzuje się znacznie mniejszymi siłami wiązań międzycząsteczkowych niż miało to miejsce w krysztale. Podobnie jak poprzednio, podgrzanie cieczy do odpowiednio wysokiej temperatury równoważne jest dostarczeniu niektórym cząstkom energii kinetycznej wyższej od ich energii wiązania w cieczy. Cząstki takie opuszczają ciecz, tworząc gazowy stan skupienia substancji. Ilość ciepła dostarczanego do cieczy, wymagana do przejścia w gazowy stan skupienia, nazywana jest ciepłem parowania.

Każdemu stanowi skupienia materii odpowiada, więc określona wartość energii wiązania cząstek. Przejście z jednego stanu skupienia do innego (ciało stałe - ciecz i ciecz - gaz) wymaga wydzielenia cząstkom odpowiedniej ilości energii.

Cząstki tworzące gaz nie są związane ze sobą żadnymi siłami. Siły takie mogą występować jedynie przy bardzo silnym zbliżeniu dwóch cząstek do siebie. Cząstka gazu może się składać z dwóch lub większej liczby atomów powiązanych siłami wewnątrzcząsteczkowymi. Jedynie nieliczne gazy, np. gazy szlachetne, składają się z pojedynczych atomów. Podgrzewanie gazu cząsteczkowego prowadzi do zmian w strukturze wewnętrznej jego cząstek. Dostarczenie energii prowadzi do powiększenia drgań atomów w cząsteczkach, a przy jej odpowiednio dużej wartości - do zerwania wiązań wewnątrzcząsteczkowych, tzw. dysocjacja gazu. Gaz cząsteczkowy przechodzi, więc stopniowo w gaz atomowy, przy czym właściwości gazu nie ulegają zasadniczej zmianie.

Bardzo drastyczna zmiana właściwości zachodzi natomiast przy dalszym podgrzewaniu gazu, gdy jego temperatura osiągnie taki poziom, że niektóre atomy zdobędą energie rzędu energii jonizacji. W zderzeniach z innymi atomami mogą one odrywać od nich elektrony. Energia jonizacji jest równa energii wiązania poszczególnych elektronów w powłokach elektronowych z ich macierzystym atomem. Najpierw odrywane są elektrony z zewnętrznych, najsłabiej związanych z atomem, powłok elektronowych. Powstaje mieszanina gazowa składająca się z elektronów, dodatnich jonów, tj. atomów pozbawionych, co najmniej jednego elektronu, oraz gazów obojętnych, zwana plazmą. Ponieważ przejście gazu w stan plazmowy wiąże się z drastyczną zmianą właściwości gazu, często stan plazmowy nazywany jest czwartym stanem skupienia materii. Z dalszym wzrostem temperatury coraz więcej atomów traci elektrony, aż zostanie osiągnięty stan, w którym nie ma już w plazmie atomów obojętnych, mamy wtedy do czynienia z tzw. plazmą całkowicie zjonizowaną.

Rys. 2. 2. Stan skupienia substancji w zależności od ciśnienia i temperatury

Znany z fizyki wykres dla trzech stanów skupienia jest tu uzupełniony stanem plazmowym. Przez podgrzewanie substancji przy stałym ciśnieniu przechodzi się od punktu 1, kolejno przez wszystkie stany skupienia, aż do punktu 2.

Rys. 2. 3. Zakres występowania różnych stanów skupienia w zależności od temperatury

Rys. 2. 4. Zmiany właściwości wody w wyniku doprowadzenia ciepła

Zmianę stanu skupienia materii na przykładzie wody przedstawiono na powyższym rysunku. Na osi rzędnych odłożono ciepło w kilodżulach zmagazynowane w 1 g wody w wyniku podgrzania, na osi odciętych temperaturę bezwzględną. Podgrzanie lodu prowadzi do jego stopienia, a następnie do odparowania wody. W zakresie temperatur 10³ - 10⁴ K mamy do czynienia z gazem będącym zdysocjonowaną mieszaniną wodoru i tlenu. Przy dalszym podwyższaniu temperatury gaz przekształca się stopniowo w plazmę, wzrasta zawartość jonów i elektronów. Najpierw ulega jonizacji jednokrotnej tlen i wodór, a następnie, przy dalszym doprowadzaniu ciepła, tlen ulega jonizacji wielokrotnej.

Rys. 2. 5. Zmiany stanu skupienia przy doprowadzeniu energii,
oraz przy odprowadzeniu energii

Wszystkie procesy przechodzenia z niższych stanów skupienia do wyższych, wymagających większej energii cząstek są procesami odwracalnymi. Oznacza to, że przejście z wyższych do niższych stanów skupienia można zrealizować odbierając ciepło od substancji. Odzyskuje się wtedy dokładnie tę samą ilość energii, którą zużytkowano na przejście ciała do wyższych stanów skupienia, energia jonizacji równa się energia rekombinacji, ciepło parowania równa się ciepło kondensacji, ciepło topnienia równa się ciepło zestalania.

2. 2. Występowanie plazmy

Plazma jest normalnym stanem skupienia materii w temperaturach rzędu 10000 K i wyższych. Jest najbardziej rozpowszechniona forma istnienia materii w przyrodzie. W gwiazdach jonizacja zachodzi wskutek wysokiej temperatury, natomiast w rozrzedzonych mgławicach i gazie międzygwiazdowym wskutek nadfioletowego promieniowania gwiazd. W Układzie Słonecznym wyłącznie z plazmy składa się Słońce oraz zewnętrzne warstwy atmosfery ziemskiej, tzw. jonosfera, zjonizowane wskutek promieniowania słonecznego.

Ponieważ gwiazdy, będącymi ogromnymi kulami plazmowymi, oraz gaz międzygwiazdowy skupiają w sobie prawie całą materię we Wszechświecie, można bez popełnienia większego błędu oszacować, że więcej niż 99,9% materii w przyrodzie znajduje się pod postacią plazmy. Stan plazmowy jest, więc normalnym i najczęściej spotykanym stanem skupienia materii, występowanie innych stanów skupienia (stałego, ciekłego i gazowego) jest we Wszechświecie czymś rzadkim i niezwykłym.

Natomiast w warunkach ziemskich, stan plazmowy występuje bardzo rzadko. W naturze obserwujemy go w zorzy polarnej i w wyładowaniach atmosferycznych. Możemy go wytwarzać w technice i w laboratoriach badawczych: w wyładowaniach łukowych, w płomieniach o wysokiej temperaturze, w badaniach termojądrowych, w wyładowaniach w rozrzedzonych gazach.

Można powiedzieć, że żyjemy w jednym z nielicznych zakątków Wszechświata, stanowiących w sumie mniej niż 0,1% jego masy, w których plazma nie występuje w sposób powszechny.

2. 3. Gaz zjonizowany i niezjonizowany

Właściwości plazmy różnią się zasadniczo od właściwości gazu neutralnego. W wyniku obecności cząstek naładowanych występuje w plazmie wiele zjawisk niewystępujących w gazach niezjonizowanych. Zasadnicza różnicą we właściwościach plazmy i gazu niezjonizowanego jest decydująca rola, jaką odgrywają w plazmie siły elektromagnetyczne. Cząstki naładowane oddziałują z zewnętrznymi polami elektrycznymi i magnetycznymi oraz między sobą. Wytwarzają one własne pole elektryczne o stosunkowo dużym zasięgu, tak, że każda cząstka oddziałuje jednocześnie z wieloma innymi. W ten sposób sprzężenie energetyczne cząstek w plazmie jest znacznie silniejsze niż w gazie niezjonizowanym. W gazie niezjonizowanym mają znaczenie tylko zderzenia bezpośrednie, natomiast między zderzeniami cząstki poruszają się niezależnie, nie są wywierane na nie żadne siły. Pod wpływem działania zewnętrznych pól elektrycznych powstają w plazmie prądy elektryczne.

2. 4. Plazma nisko- i wysokotemperaturowa

Zakres ciśnień i temperatur, w jakich może występować plazma jest bardzo szeroki. Od nich jednak zależą w dużym stopniu właściwości plazmy. Postacie plazmy występujące przy skrajnych wartościach zakresu temperatur rozróżnia się: plazmę niskotemperaturową (zimną) oraz wysokotemperaturowa (gorącą).

Plazma niskotemperaturowa, zwykle wytwarzana metodami technicznymi, występuje w komorach spalania, łuku elektrycznym, plazmotronach łukowych i indukcyjnych, fali uderzeniowej, na powierzchni Słońca i obejmuje zakres temperatur od kilku do kilkudziesięciu tysięcy Kelwinów.

Plazma wysokotemperaturowa występuje wewnątrz Słońca, w doświadczeniach nad kontrolowaną reakcją syntezy, w wybuchu bomby wodorowej i obejmuje zakres temperatur od kilku do kilkuset milionów Kelwinów.

Rys. 2. 6. Właściwości plazmy występującej w różnego typu zjawiskach w przyrodzie
ze względu na koncentrację elektronów oraz temperaturę

Zjawiska występujące w plazmie nisko- i wysokotemperaturowej różnią się w znacznym stopniu. W plazmie wysokotemperaturowej, w warunkach dużego rozrzedzenia i małej liczby zderzeń, panuje z reguły stan nierównowagi termicznej, elektrony mają inne energie niż jony. Silnie rozrzedzonej wysokotemperaturowej plazmy nie można utrzymać w przestrzeni eksperymentalnej za pomącą żadnych materialnych ścianek, ściany wyparowałyby natychmiast lub w wypadku niewielkiej liczby cząstek plazmy w doświadczeniu, cząstki zostałyby natychmiast ochłodzone drogą zderzeń z zimnymi ściankami. Usiłuje się, więc wykorzystać w tym celu specjalne konfiguracje pola magnetycznego.

W plazmie niskotemperaturowej, przy ciśnieniach zbliżonych do atmosferycznego, panuje zwykle stan równowagi termicznej.

2. 5. Plazma izotermiczna

Plazmą izotermiczną nazwano plazmę, która charakteryzuje się całkowitą równowaga termiczną wszystkich jej składników oraz równomierną koncentracją wszystkich rodzajów cząstek w niej występujących. Plazma izotermiczna sama się podtrzymuje przez czas nieograniczony. Nie ma oddziaływania z otoczeniem i strat energii, ubytek cząstek naładowanych na skutek rekombinacji jest stale kompensowany dzięki procesom jonizacji. W warunkach ziemskich plazmy izotermicznej, w ścisłym jej rozumieniu, nie można wytworzyć. Może ona występować w gwiazdach i przestrzeni międzygwiazdowej. Całkowita równowaga termiczna zakłada brak jakichkolwiek sił oddziałujących na plazmę, np. od pól zewnętrznych elektrycznych oraz magnetycznych, warunków takich ściśle zrealizować się nie da. W wyniku niezwykłości stanu plazmowego w warunkach ziemskich, można go zrealizować jedynie w ograniczonej objętości.

W warunkach ziemskich można, więc wytworzyć plazmę, która jedynie z pewnym przybliżeniem i w ograniczonej objętości charakteryzować się będzie właściwościami plazmy izotermicznej.

2. 6. Plazma całkowicie i częściowo zjonizowana

Czynnikiem odróżniającym plazmę od gazu neutralnego są zawarte w plazmie cząstki naładowane elektrycznie. Ponieważ we wszystkich gazach, nawet w powietrzu atmosferycznym w temperaturze pokojowej, znajduje się pewna, zresztą znikomo mała, liczba cząstek naładowanych elektrycznie, powstaje pytanie jak wielką liczbę elektronów i jonów musi zawierać gaz, aby można go było traktować jako plazmę. Odpowiedź jest następująca: gaz można traktować jako plazmę, gdy koncentracja cząstek naładowanych jest na tyle duża, że ich obecność decyduje o właściwościach gazu. Już obecność bardzo niewielkiej liczby cząstek naładowanych w gazie może znacznie zmienić niektóre jego właściwości.

Między stanem gazowy a plazmowym nie ma, więc ostrej granicy. Plazma podporządkowuje się prawom gazowym i w wielu przypadkach zachowuje się jak gaz. Co więcej plazmę można nawet traktować jako bardziej ogólny stan skupienia, którego jedynym szczególnym przypadkiem jest gaz neutralny. Szczególnym przypadkiem, kiedy to znikają w plazmie cząstki naładowane, a w związku z tym znikają również właściwości uwarunkowane ich obecnością.

Plazma niskotemperaturowa jest z reguły plazmą częściowo zjonizowaną, z bardzo dużym udziałem cząstek neutralnych. Plazma wysokotemperaturowa jest z reguły plazmą całkowicie zjonizowaną, w której zwykle większość jonów jest wielokrotnie zjonizowana, a niektóre, w zależności od liczby atomowej, mogą już być swobodnymi jądrami ogołoconymi ze wszystkich elektronów. Ogromna różnica we właściwościach plazmy i gazu neutralnego uwydatnia się w pełni w przypadku plazmy całkowicie zjonizowanej.

3. Plazma w laboratorium

3. 1. Metody otrzymywania plazmy

Do wytwarzania plazmy do badań laboratoryjnych lub zastosowań technicznych można wykorzystać wiele różnych metod. Przeprowadzenie gazu w stan plazmy wymaga podniesienia temperatury. Do tego celu można wykorzystać energię chemiczną lub jądrową, wyładowanie elektryczne, szybkie sprężenie gazu, wyhamowanie strumienia cząstek w gazie oraz absorpcję promieniowania w gazie.

3. 2. Reakcje chemiczne

Egzotermiczne reakcje chemiczne, w których wyzwalają się duże ilości ciepła i powstaje wysoka temperatura są najtańszą metodą wytwarzania plazmy. Przy spalaniu powszechnie używanych paliw chemicznych, takich jak węgiel lub olej opałowy, nie można na ogół uzyskać temperatur wyższych od 2200 K. Temperatury wyższe, nawet powyżej 3000 K, uzyskać można dopiero poprzez spalenie tych paliw w czystym tlenie lub w powietrzu ze zwiększoną zawartością tlenu wstępnie podgrzanym do temperatur 1500-2000 K. W reakcji spalania wodoru w tlenie wytwarza się temperatura około 2800 K. W palniku acetylenowo-tlenowym, powszechnie stosowanym do cięcia metali, można uzyskać temperatury 3300-3400 K. Najwyższe temperatury spalania, ok. 4800 K, uzyskuje się przy spalaniu dwucyjanu (C₂N₂) w tlenie.

Temperatury te są jednak zbyt niskie, aby gazu spalania można było traktować jako plazmę. Zauważalna jonizacja atomów najczęściej spotykanych w gazach spalania: azot, tlen, wodór, węgiel, występuje dopiero w temperaturach powyżej 8000 K. W urządzeniach plazmowych wykorzystujących procesy spalania jako źródło plazmy dodaje się do gazów spalania niewielkie ilości łatwo jonizujących się pierwiastków, z reguły metali alkalicznych: cezu, potasu, sodu. W ten sposób gazy spalania już w temperaturze stosunkowo niskiej, rzędu 2500 K, wykazują w zauważalnym stopniu właściwości plazmy.

W reakcji spalania występuje bardzo często nierównowaga termodynamiczna: elektrony mają znacznie wyższe temperatury od jonów.

3. 3. Rury uderzeniowe

Bardzo wygodnym impulsowym źródłem plazmy w badaniach laboratoryjnych jest tzw. rura uderzeniowa, wykorzystująca energie sprężonego gazu do wytworzenia fali uderzeniowej. Rura uderzeniowa ma kształt grubościennego cylindra o długości od kilku do kilkudziesięciu metrów. W jednym końcu cylindra cienką diafragmą wydzielona jest tzw. komora ciśnieniowa. Pozostałą część cylindra, komorę niskiego ciśnienia, napełnia się gazem roboczym tworzącym plazmę. Ciśnienie w tej komorze z reguły nie przewyższa ciśnienia atmosferycznego, często wynosi tylko tysięczne części atmosfery. Komora ciśnieniowa wypełniona jest gazem pędnym, zwykle wodorem lub helem, do kilkunastu a nawet kilkuset atmosfer. W określonym momencie specjalne urządzenie niszczy diafragmę, co powoduje gwałtowne rozprężenie gazu pędnego i powstanie fali uderzeniowej. Czoło fali przesuwając się wzdłuż rury z ogromną prędkością, działa podobnie do tłoka sprężając przed sobą gaz roboczy wypełniający komorę niskiego ciśnienia. Prowadzi to do rozgrzania gazu do wysokiej temperatury i w rezultacie do jego jonizacji. Tworzy się, więc obłok silnie zjonizowanej plazmy, poruszającej się wzdłuż rury z prędkością wielokrotnie przewyższającą prędkość dźwięku.

Parametry uzyskanej w ten sposób plazmy (temperatura i prędkość) zależą od rodzaju gazów wypełniających obie komory, przede wszystkim jednak od stosunku ciśnień w obu komorach przed eksperymentem.

3. 4. Układy wybuchowe

Działanie ich jest podobne do rur uderzeniowych, z tym, że zamiast komory ciśnieniowej do wytworzenia fali uderzeniowej wykorzystuje się siłę wybuchu chemicznego materiału wybuchowego. Wytworzyć można w ten sposób plazmę o temperaturze rzędu 3000 K i prędkości do 10⁵ m/s.

3. 4. 1. Wyładowania elektryczne w gazach

Elektryczne wyładowania w gazach, podczas których powstaje plazma wyładowania gazowego, mogą mieć bardzo różny charakter w zależności od warunków i wybranych parametrów pracy (ciśnienie i rodzaj gazu, moc źródła elektrycznego, częstotliwość pola elektrycznego, wartość natężenia prądu, materiał, temperatura i kształt elektrod itd.).

Różne typy wyładowań można podzielić na wyładowania stacjonarne i niestacjonarne. Parametry wyładowania stacjonarnego są stałe w czasie, natomiast wszelkiego rodzaju wyładowania impulsowe będą wyładowaniami niestacjonarnymi.

Według innego kryterium podziału, wyładowania w gazach dzielimy na: wyładowania samoistne (tj. samopodtrzymujące się) i niesamoistne.

Głównymi parametrami wyładowania są: napięcie, prąd i ciśnienie gazu. W zależności od zespołu tych parametrów można rozróżnić następujące typy wyładowań samoistnych: ciemne, koronowe, jarzeniowe, iskrowe i łukowe. Oprócz tego na rozwój wyładowania i jego charakterystyki mają duży wpływ właściwości pola elektrycznego (jednorodne lub niejednorodne, stałe lub zmienne) oraz warunki wymiany ciepła z otoczeniem.

4. Zastosowanie plazmy w technice

4. 1. Plazmowe źródła światła

Plazmowe źródła światła wykorzystują wyładowania elektryczne w gazie do przetwarzania energii elektrycznej na promieniowanie świetlne. Mają one zwykle postać cylindrycznej lub kulistej bańki szklanej, w której pod różnymi ciśnieniami znajduje się gaz (zwykle szlachetny), niekiedy z domieszką par metali. Wyładowanie zachodzi między elektrodami wtopionymi w ścianki bańki.

Plazmowe źródła światła można podzielić na:

1. Lampy, w których ciałem świecącym jest gaz, źródłem promieniowania są wzbudzone atomy i cząstki lub rekombinujące jony.

2. Lampy luminescencyjne (świetlówki), w których źródłem promieniowania są luminofory.

3. Lampy, w których źródłem promieniowania są rozrzedzone do wysokich temperatur elektrody.

W zależności od ciśnienia gazu zastosowanego w lampie, rozróżnia się lampy z wyładowaniem łukowym: niskociśnieniowe, wysokociśnieniowe i lampy najwyższych ciśnień.

4. 1. 1. Lampy niskociśnieniowe

Do najstarszych plazmowych źródeł światła należą używane powszechnie i dzisiaj jarzeniówki, wypełnione gazami szlachetnymi. Są to długie, często kilkumetrowe, rury szklane o średnicy 1-4 cm wypełnione neonem, helem, argonem, lub ich mieszaninami, często z domieszką par rtęci. Ciśnienie gazu wynosi zwykle kilka tysięcznych ciśnienia atmosferycznego. Obszarem świecącym różnymi barwami, w zależności od rodzaju wypełniającego gazu (neon daje światło czerwone, pary rtęci - zielone, pary sodu - żółte), jest zorza dodatnia wyładowania jarzeniowego.

4. 1. 2. Lampy wysokociśnieniowe

Najbardziej znanym reprezentantem tej grupy lamp są tzw. Kwarcówki, służące do naświetlań promieniami nadfioletowymi w medycynie lub analizie luminescencyjnej. W rurze ze szkła kwarcowego wypełnionej mieszaniną par rtęci i gazu szlachetnego pali się łuk elektryczny między elektrodami rtęciowymi. Szkło kwarcowe przepuszcza promieniowanie widzialne oraz nadfioletowe.

Inne typy wysokociśnieniowych lamp rtęciowych używane powszechnie do oświetlania ulic, placów mają wewnętrzną powierzchnię bańki szklanej pokrytą luminoforem, uzupełniającym brakującą w widmie barwę czerwoną. Niewielkie domieszki gazu szlachetnego (np. neonu lub argonu) ułatwiają zapłon lampy. W czasie rozgrzewania się, lampa zmienia stopniowo barwę od ciemno czerwonej (neon), poprzez jasno czerwoną, niebiesko-zieloną do białej.

4. 2. Wykorzystanie wyładowań elektrycznych do obróbki materiałów

4. 2. 1. Spawanie łukowe

Spawanie łukowe jest jednym z najstarszych zastosowań łuku elektrycznego, szeroko dzisiaj rozpowszechnionym. Polega ono na lokalnym, silnym rozgrzaniu łukiem elektrycznym części spawanych (jedynie w bezpośredniej okolicy złącza) oraz wypełnieniu rowka spoiny stopionym spoiwem.

Rys. 4. 1. Metody spawania łukowego: a) z zużywającą się elektrodą, b) z niezależną elektrodą

1. elementy spawane, 4. pręt z materiału spoiwa,

2. elektroda z materiału spoiwa, 5. doprowadzenie prądu.

3. elektroda wolframowa (węglowa),

W jednaj z metod spawania łukowego elektroda wykonana jest z materiału spoiwa. W czasie spawania ulega ona stopniowemu topnieniu, a jej materiał spływa na miejsce styku elementów spawanych. W innych metodach elektroda wykonana jest z materiału nietopliwego (np. węgiel, wolfram), a spoiwo doprowadzone jest z boku do obszaru spawania w postaci pręta. W zależności od materiału, z jakiego wykonane są elementy spawane stosuje się spawania w powietrzu lub w atmosferze gazu ochronnego. Jako gazu ochronnego używa się dwutlenku węgla, azotu, wodoru, argonu.

Łuk spawalniczy pali się w atmosferze par metali (elektrod, elementów spawanych). Zasilany jest prądem stałym o natężeniu 50-1000 A przy napięciu 20-40 V.

Rys. 4. 2. Urządzenie do ręcznego spawania w atmosferze ochronnej CO₂

1. elektroda z materiału spoiwa, 3. przewody sterujące.

2. wlot wody chłodzącej,

4. 2. 2. Piece łukowe

Już w końcu ubiegłego wieku wykorzystywano łuk elektryczny do grzania materiałów w piecach łukowych. Łuk elektryczny jest tu bardzo wygodnym źródłem ciepła, gdyż umożliwia wytwarzanie ciepła o dużej koncentracji i wysokiej temperaturze.

Można wyróżnić dwa podstawowe typy pieców łukowych: z bezpośrednim i pośrednim grzaniem. W piecu z grzaniem bezpośrednim metalowy wsad grzany jest łukiem elektrycznym, palącym się między topionym wsadem a elektrodami. W piecu grzanym pośrednio łuk pali się między dwiema elektrodami, jest on niezależny od rodzaju wsadu. Piece pierwszego typu są najbardziej rozpowszechnione.

Rys. 4. 3. Sposoby grzania wsadu w elektrycznym piecu łukowym:
a) grzanie bezpośrednie b) grzanie pośrednie

1. obudowa pieca 3. wsad

2. elektrody 4. łuk elektryczny

4. 2. 3. Obróbka elektroiskrowa

Iskra elektryczna, jedna z form wyładowania elektrycznego w gazie, znalazła zastosowanie do obróbki materiałów. Wytwarzana w tym celu iskra zasilana jest z baterii kondensatorów wysokiego napięcia. Gdy napięcie między elektrodami wzrasta, przy natężeniu pola elektrycznego rzędu 5_*10⁴ V/cm następuje przebicie w postaci iskry. W krótkim czasie, rzędu 10^-8 sek., powstaje w kanale wyładowania plazma o temperaturze kilkudziesięciu tysięcy stopni. Czas trwania iskry zależy od wartości energii zmagazynowanej w kondensatorze. Po jej wyczerpaniu się, plazma zanika i wyładowanie wygasa.

W zastosowaniach praktycznych iskra wytwarzana jest periodycznie między obrabianą powierzchnią a elektrodą. Krótkie, ale bardzo intensywne punktowe rozgrzanie (aż do punktu wrzenia materiału) cienkiej warstwy powierzchniowej, z następującym szybkim ochłodzeniem, prowadzi do zmiany struktury materiału i powierzchniowego jego hartowania.

Metodą elektroiskrową mogą być również nanoszone bardzo cienkie o grubości setnych części milimetra warstwy z twardych metali na inne metalowe powierzchnie. Wykorzystuje się tu zjawisko odparowania metalu na anodzie i wędrowania jonów metalicznych w plazmie wyładowania do katody, gdzie ulegają one osadzeniu. Wykonane w ten sposób warstwy są bardzo silnie powiązane z materiałem podłoża.

5. Elektryczne generatory plazmy

Elektryczne generatory plazmy, zwane często plazmotronami, służą do wytwarzania strumienia gorącego gazu o regulowanych w szerokim zakresie parametrach. Strumień plazmy wydostający się z urządzenia pozwala na znacznie wygodniejsze jego użycie w różnego typu zastosowaniach niż plazma łuku stacjonarnego, palącego się między dwoma elektrodami.

Charakterystyczną cechą strumienia plazmy wytwarzanego w plazmotronie jest obok wysokiej temperatury bardzo duża koncentracja energii i mocy w stosunkowo niewielkiej przestrzeni do 40 kW/cm². Wysoka koncentracja energii ma podstawowe znaczenie, gdy jej duże ilości muszą być przekazane w krótkim czasie do niewielkiej powierzchni lub objętości. Na przykład można tu uzyskać ogromne gęstości strumienia przekazywanego ciepła do powierzchni omywanych strumieniem plazmy, osiągające wartości do 40 kW/cm² (w palniku acetylenowo-tlenowym do 1 kW/cm²). Dla porównania warto podać, że powierzchnie satelitów przechodzących przez atmosferę ziemską przy powrocie z orbity narażone są na gęstość strumienia cieplnego do 5 kW/cm².

Drugą charakterystyczną cechą strumienia plazmy z plazmotronu jest łatwość regulacji jego parametrów energetycznych, cieplnych i gazodynamicznych (temperatura, moc, strumień ciepła, prędkość, skład chemiczny i ciśnienie gazu roboczego) w szerokich granicach. Na przykład średnia temperatura plazmy może być regulowana w granicach od tysiąca do kilkunastu tysięcy stopni. W niektórych procesach technologicznych zachodzi konieczność użycia atmosfery specjalnego gazu lub mieszaniny o określonym składzie (np. argonu, azotu, wodoru lub mieszanin tych gazów), realizuje się to w plazmotronie bez trudności.

Rozróżnia się dwa podstawowe typy elektrycznych generatorów plazmy: łukowe generatory plazmy (plazmotrony łukowe) i indukcyjne generatory plazmy (plazmotrony indukcyjne inaczej zwane plazmotronami wysokiej częstotliwości).

5. 1. Plazmotrony łukowe

Plazmotron łukowy, zwany często palnikiem plazmowym, jest urządzeniem, w którym łuk elektryczny stabilizowany ściankami i przepływającym gazem wytwarza strumień plazmy wypływający z dużą prędkością na zewnątrz urządzenia.

Rys. 5. 1. Schemat plazmotronu z łukiem wewnętrznym i wirowym dopływem gazu

1. katoda wolframowa, 4. dopływ gazu roboczego,

2. anoda miedziana, 5. strumień plazmy.

3. woda chłodząca,

5. 1. 1. Konstrukcja i działanie plazmotronów

Łuk elektryczny pali się między wolframowym prętem (katodą) i dyszą miedzianą chłodzoną intensywnie wodą (anoda). Gaz roboczy doprowadzony stycznie do komory plazmotronu, po zawirowaniu wypływa na zewnątrz otworem w anodzie. „Wdmuchuje” on kolumnę łukową do kanału w anodzie. Tam łuk jest stabilizowany ścianami anody oraz gazem roboczym. Gaz przechodzi przez kolumnę wyładowania nagrzewając się do wysokiej temperatury. Między ścianką kanału a kolumną wyładowania utrzymuje się chłodna warstwa gazu tworząca elektryczną i termiczną izolację. Warstwa ta chroni anodę przed zniszczeniem i stabilizuje wyładowanie utrzymując kolumnę wyładowania w osi kanału i dodatkowo ją ściskając.

W wyniku skurczu termicznego gęstość prądu w kolumnie plazmowej sięga 100 A/mm², tj. dochodzi do wartości o rząd wyższych niż w swobodnie palącym się łuku. Temperatura osiąga wtedy wartość kilkudziesięciu tysięcy stopni.

Rys. 5. 2. Schemat plazmotronu z łukiem zewnętrznym i osiowym dopływem gazu

1. katoda wolframowa, 4. dopływ gazu roboczego,

2. anoda miedziana, 5. strumień plazmy,

3. woda chłodząca, 6. materiał obrabiany.

Rozróżniamy dwa zasadnicze rodzaje pracy plazmotronów łukowych: pracę z łukiem wewnętrznym oraz pracę z łukiem zewnętrznym. Przy pracy z łukiem zewnętrznym napięcie podane jest między wolframową katodę a obrabiany materiał (przewodnik elektryczny), który spełnia rolę anody. W czasie pracy jedyną funkcją miedzianej „anody” plazmotronu odłączonej od źródła zasilania jest stabilizacja kolumny wyładowania ścianami kanału. Przy takim rodzaju pracy plazmotronu wypływający z niego strumień plazmy pokrywa się z kolumną plazmową łuku, dzięki czemu plazmotron osiąga wyższe moce, a plazma wyższe temperatury, w porównaniu z pracą z łukiem wewnętrznym. Oprócz ciepła przenoszonego strumieniem plazmy, obrabiany element uzyskuje ciepło od przepływającego przezeń prądu. Ten typ pracy stosuje się zwykle w metalurgicznych piecach plazmowych, przy cięciu, spawaniu, napawaniu i innych metodach obróbki metali.

Łuk wewnętrzny stosuje się z reguły przy obróbce materiałów nieprzewodzących.

Większość plazmotronów łukowych buduje się ze stycznym doprowadzeniem gazu roboczego do komory. Wytwarza się wtedy zawirowanie gazu i wypływ strumienia plazmy ma charakter burzliwy. Spokojny, o małej prędkości, uwarstwiony wypływ plazmy z dyszy plazmotronu uzyskać można przez osiowe doprowadzenie gazu do komory plazmotronu,

Przy wirowym dopływie gazu prędkość wypływającego strumienia plazmy osiąga 600-800 m/s, a długość „płomienia” plazmowego na zewnątrz plazmotronu wynosi około 20-50 m. Przy osiowym dopływie gazu prędkość wypływającej plazmy jest znacznie mniejsza, natomiast „płomień” może osiągnąć duże długości.

5. 1. 2. Gaz roboczy

Bardzo ważnym czynnikiem w pracy plazmotronu jest właściwy dobór gazu roboczego, tj. gazu plazmotwórczego. Gaz obok stabilizacji łuku i ochrony dyszy przed zniszczeniem spełnia funkcję nośnika ciepła. Energię cieplną odebraną od łuku elektrycznego wewnątrz palnika wyprowadza on na zewnątrz i oddaje elementom poddawanym obróbce. Aby proces ten przebiegał sprawnie, o wyborze gazu roboczego muszą decydować jego właściwości fizyczne.

W większości palników, jako gazu roboczego, używa się gazów wieloatomowych, przeważnie azotu. Jedynie, gdy proces obróbki materiału wymaga czystej, nieaktywnej chemicznie atmosfery, jako gazu roboczego używa się argonu. Aby polepszyć warunki przenoszenia ciepła, do gazu roboczego w postaci azotu lub argonu dodaje się często helu lub wodoru, z uwagi na ich duże przewodności cieplne.

Wymagania procesu technologicznego stawiają, więc następujące kryteria wyboru gazu roboczego: temperatura, jaką można w nim uzyskać, ilość ciepła, jaką można nim przenieść, jego właściwości chemiczne oraz koszt. Najczęściej używany jest azot i argon. Azot jest znacznie tańszy i bardziej dostępny od argonu. Do celów specjalnych używa się nieraz wodoru.

5. 2. Plazmotrony indukcyjne

Plazmotron indukcyjny jest urządzeniem, w którym strumień plazmy wyładowania wytwarzany jest w sposób bezelektrodowy (indukcyjny), stąd nazwa urządzenia - plazmotron lub palnik indukcyjny. Energia elektryczna dostarczana jest do gazu za pomocą pola elektromagnetycznego wielkiej częstotliwości, a więc na analogicznej zasadzie jak przy indukcyjnym nagrzewaniu metali lub półprzewodników. Prądy wewnętrzne powstające w plazmie i nagrzewające ją, stanowią obciążenie dla zasilającego generatora wielkiej częstotliwości.

Zasada działania plazmotronu indukcyjnego polega na nagrzaniu do wysokiej temperatury strumienia gazu przepływającego wewnątrz cewki wzbudzającej wysokie częstotliwości.

Rys. 5. 3. Schemat indukcyjnego generatora plazmy

1. Elektroda inicjująca 4. Wlot gazu

2. Rura kwarcowa 5. Wylot gazu

3. Cewka wzbudzająca 6. Głowica z mosiądzu

Plazma wytwarzana jest w rurce ze szkła kwarcowego otwartej z jednego końca, z dopływem gazu z drugiego końca. Rurę obejmuje cewka wzbudzająca składająca się z kilku zwojów miedzianych chłodzonych wodą.

Strumień gazu, np. argonu, doprowadzany jest poprzez głowicę do komory wyładowania, stanowiącej część rury roboczej objętą cewką wzbudzającą. W komorze wyładowania wytwarzane jest przez wzbudnik szybkozmienne pole magnetyczne o kierunku równoległym do osi rury. Wzbudnik zasilany jest z typowego generatora wielkiej częstotliwości o mocy od kilku do kilkudziesięciu kW i częstotliwości od kilkuset kHz do kilkudziesięciu MHz. W przepływie gazu indukują się prądy wirowe podgrzewające gaz do temperatury 9000-11000 K. Prędkość strumienia plazmy opuszczającej rurę kwarcową wynosi kilka do kilkudziesięciu m/s.

W normalnych warunkach gaz jest nieprzewodzący, toteż do zainicjowania wyładowania konieczne jest wstępne zjonizowanie gazu w komorze roboczej. Do tego celu służy urządzenie rozruchowe zwykle w postaci pręta grafitowego lub wolframowego, rozgrzewanego indukcyjnie do wysokiej temperatury w polu wielkiej częstotliwości. Podgrzewa on wstępnie gaz i ułatwia rozwój wyładowania. Po zapłonie plazmotronu urządzenie rozruchowe jest usuwane z obszaru wyładowania.

Jako gazu roboczego używa się argonu, wodoru, tlenu lub też mieszanin gazowych, na przykład argonu z powietrzem, argonu z wodorem. Do zapłonu plazmotronu używa się zwykle argonu z uwagi na jego korzystne właściwości fizyczne (mała pojemność cieplna przy wysokich temperaturach, mała przewodność cieplna).

Plazma może się utrzymywać jedynie powyżej pewnej temperatury granicznej. Gdy temperatura spadnie niżej, wyładowanie gaśnie. Temperatura graniczna zależy od rodzaju gazu, średnicy słupa plazmy i częstotliwości pola. Ponieważ temperatura jest jednoznaczną funkcją mocy wyładowania, to możemy również mówić o minimalnej mocy koniecznej do podtrzymania wyładowania. Wynosi ona dla argonu w zamkniętym kanale i pod ciśnieniem atmosferycznym około 16 kW, dla powietrza około 25 kW. Podczas przepływu gazu przez obszar wyładowania moc ta się zwiększa, a zastosowanie wirowej stabilizacji gazu zmniejsza kilkakrotnie wartość mocy granicznej. Dla określonego wydatku gazu istnieje maksymalna moc wyładowania, przy której plazmotron pracuje stabilnie. Granice obszaru stabilnej pracy urządzenia są zależne od kształtu i wymiarów geometrycznych rury roboczej oraz sposobu stabilizacji pracy plazmotronu.

6. Technologia cięcia metali

Cięcie jest to proces rozdzielania materiału na całej jego grubości, według okreś­lonej linii podziału, zwykle prostopadle do powierzchni ciętego przedmiotu. Odmianami procesu cięcia są: ukosowanie, żłobienie oraz przebijanie-wiercenie.

Głównymi celami stawianymi obecnie technologii cięcia są:

• najmniejsze zużycie energii,

• możliwie najwęższa szczelina cięcia,

• jak najmniejszy wpływ cieplny na cięty przedmiot,

• jak najwyższa jakość ciętych krawędzi.

Tak, więc idealny proces cięcia według tych kryteriów to proces umożli­wiający rozdzielenie wiązań atomowych w płaszczyźnie cięcia, wzdłuż określo­nej linii cięcia, bez jakiegokolwiek wpływu na stan fizyczny materiału. Dwa z tych procesów zdecydowanie dominują w przemyśle: cięcie tlenem i cięcie plazmowe - blisko 90% urządzeń do cięcia sprzedawanych na rynku światowym to właśnie urządzenia do cięcia tlenem i cięcia plazmowego. Jest to zrozumiałe, gdyż cięcie tlenem jest bardzo ekonomicznym procesem, umożliwiającym cięcie przedmiotów ze stali o grubości do 200-300 mm palnikami normalnymi i aż do 2000 mm palnikami specjalnymi, w każdych warunkach produkcyjnych. Wadą tego procesu jest znaczne odkształcenia przedmiotów oraz brak możliwości cięcia stali odpornych na korozję, aluminium i miedzi. Łuk plazmowy umożliwia cięcie wszystkich metali, których nie można ciąć tlenem, a dodatkowo zdecydowanie wypiera cięcie tlenem stali niskowęglowych i niskostopowych o grubościach do 30-50 mm. Z kolei cięcie laserowe i cięcie strumieniem wody zdobywa coraz silniejszą pozycję w przemyśle w zastosowaniach wymagających wysokiej jakości ciętych krawędzi.

Podstawowymi czynnikami decydującymi o wyborze procesu cięcia są:

• rodzaj i grubość ciętego materiału,

• długość i kształt linii cięcia,

• wymagana jakość ciętych krawędzi: wielkość odkształcenia, pozostałości chemiczne produktów cięcia na krawędziach oraz geometria ciętych krawędzi,

• możliwości produkcyjne procesu: cięcie ręczne, zmechanizowane, automatyczne i zrobotyzowane oraz prędkość cięcia,

• koszty procesu: cena urządzenia, koszt obsługi, cena części zamiennych i ich trwałość.

6. 1. Cięcie tlenem

Cięcie tlenem polega na doprowadzeniu metalu na osnowie żelaza w obszarze cięcia do temperatury zapłonu, powyżej której następują reakcje egzotermiczne tlenu z żelazem. W przypadku czystego żelaza temperatura zapłonu wynosi 1050°C, a w przypadku stali zawierającej 1,6% C - aż 1380°C. Strumień tlenu z dużą prędkością utlenia i nadtapia cięty metal na całej jego grubości i wyrzuca ze szczeliny cięcia swą energią kinetyczną produkty reakcji utleniania i ciekły me­tal. Przesuwanie palnika wzdłuż linii cięcia z odpowiednią prędkością zapewnia ciągły proces cięcia. Podgrzewanie obszaru cięcia do odpowiedniej temperatury odbywa się ciepłem spalania gazu palnego, którym najczęściej jest acetylen. Stosuje się również propan, propylen, gaz ziemny i propadien metyloacetylenu.

Rys. 6. 1. Przebieg procesu cięcia tlenem

Aby możliwe było cięcie tlenem danego metalu, muszą być spełnione nastę­pujące warunki:

• temperatura zapłonu ciętego metalu musi być niższa od temperatury top­nienia, warunek ten spełniają tylko metale na osnowie żelaza,

• temperatura topnienia tlenków ciętego metalu musi być niższa od jego temperatury topnienia,

• reakcja spalania ciętego metalu musi być reakcją egzotermiczną,

• współczynnik przewodnictwa cieplnego ciętego metalu powinien być mały.

Proces cięcia tlenem może być prowadzony ręcznie lub w sposób zmechanizowany we wszystkich pozycjach, nawet w trudno dostępnych miejscach. Podstawowym elementem urządzenia do cięcia tlenem jest palnik, którego za­daniem jest utworzenie płomienia podgrzewającego przez zmieszanie gazu palnego i tlenu w odpowiedniej proporcji oraz doprowadzenie do obszaru cięcia koncentrycznego strumienia tlenu tnącego. Stosowane są dwie konstrukcje pal­ników: pierwsza z inżektorowym mieszaniem gazu palnego z tlenem w korpusie palnika, druga z mieszaniem w dyszy. Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych palników i układów kanałów wylotowych płomienia podgrzewającego, których zadaniem jest jak najefektywniejsze podgrzewanie ciętego przedmiotu i jednocześnie ochrona strumienia tlenu przed dostępem powietrza.

Rys. 6. 2. Schemat budowy palników do cięcia tlenem

1. z wstępnym mieszanie inżektorowym gazu palnego w korpusie palnika,

2. z mieszaniem gazu palnego w dyszy palnika.

Płomień podgrzewający ma za zadanie:

• usunąć zanieczyszczenia z powierzchni ciętej, takie jak rdza, zgorzelina czy farba i odsłonić czystą powierzchnie metaliczną, co jest niezbędne w celu sprawnego rozpoczęcia i przebiegu procesu cięcia,

• zapewnić odpowiednią, wysoką temperaturę ciętego metalu, powyżej temperatury zapłonu żelaza 950^oC, w celu umożliwienia procesu cięcia,

• doprowadzać dodatkową energię cieplną w celu podtrzymania procesu cięcia,

• zapewnić powłokę ochronną strumienia tlenu tnącego przed dostępem powietrza.

Acetylen jest stosowany najpowszechniej jako gaz palny ze względu na najwyższą temperaturę płomienia. Płomień acetylenowo-tlenowy jest krótki, o jasnym stożku wewnętrznym i najwyższej temperaturze przy jego końcu.

Przez zmianę natężenia przepływu tlenu i acetylenu można uzyskać pło­mień nawęglający (nadmiar acetylenu), utleniający (nadmiar tlenu) i neutralny, gdy stosunek natężenia przepływu tlenu do acetylenu wynosi 1:1. Płomień redukujący jest stosowany do zgrubnego cięcia odlewów żeliwnych, a także w celu uzyskania krótkich czasów podgrzewania i do cięcia bardzo grubych przedmiotów, a płomień neutralny jest zalecany do cięcia ręcznego.

Propan wydziela najwięcej ciepła na zewnątrz płomienia i ma niższą tem­peraturę niż płomień acetylenowy. Start cięcia jest wolniejszy, lecz już pręd­kości cięcia są podobne jak przy acetylenie. Propan ma tę ważną zaletę, że jest tańszy od acetylenu i nie musi być przechowywany w spec­jalnych butlach. Mniejsze jest przywieranie żużla cięcia do dolnej krawędzi oraz mniejsze jest utwardzenie krawędzi ciętych i nadtopienie górnych krawędzi. Propan jest zalecany do cięcia grubych płyt, o grubościach 100-300 mm.

Propadien metyloacetylenu wytwarza stosunkowo gorący płomień, podobnie jak acetylen. Wymaga jednak więcej tlenu do spalania, w stosunku 2,7: l. Można stosować go przy znacznie wyższych ciśnieniach niż acetylen i stąd jest szczególnie przydatny do cięcia pod wodą na dużych głębokościach.

Tab. 6. 1. Własności fizyczne podstawowych gazów palnych

Własność fizyczna	Acetylen	Propan	Propylen	Propadien metyloacetylenu	Metan
Wzór chemiczny	C2H2	C8H8	C3H6	C3H4	CH4
Temperatura płomienia obojętnego. °C	3100	2520	2870	2870	2540
Emisja ciepła płomienia głównego. MJ/m	19	10	16	20	0,4
Emisja ciepła płomienia wtórnego. MJ/m^3	36	94	72	70	37
Całkowita wartość ciepła. MJ/m^3	55	104	88	90	37
Całkowita ilość tlenu wymagana w przypadku płomienia neutralnego, stosunek O2: gaz palny	2,5	5,0	4,5	4,0	2,0
Granice wybuchowości w powietrzu, %	2,5-80	2,3-9,5	2,0-10	3,4-10.8	5,4-14
Względny ciężar właści­wy powietrza wynosi 1,0	0,906	1,52	1,48	1,48	0,62

Proces cięcia tlenem polega na ciągłym usuwaniu wąskiej warstewki metalu na całej grubości ciętego przedmiotu wzdłuż linii cięcia. Szerokość tej szczeliny musi, więc być dokładnie sterowana w czasie procesu cięcia, szczególnie, gdy dokładność wymiarowa i prostopadłość ciętych krawędzi decydują o jakości cięcia. Szerokość szczeliny cięcia jest zależna od takich parametrów cięcia, jak: średnica dyszy tlenowej, rodzaj i kształt końcówki palnika oraz prędkości cięcia i natężenia przepływu tlenu i gazu palnego. Ze wzrostem grubości ciętego ma­teriału natężenie przepływu tlenu tnącego musi być zwiększone, ale jednocześnie musi być zwiększona średnica dyszy tlenu tnącego, w efekcie wzrasta szczelina cięcia.

Stosowane są obecnie dwa rodzaje dysz: standardowe cylindryczne i stożkowe, zapewniające duże prędkości wylotowe tlenu tnącego. Dysza standar­dowa ma zwykle dyszę tlenową o prostym cylindrycznym otworze, otoczonym pierścieniem małych otworków podających płomień podgrzewający. Dysze o dużych prędkościach wylotowych mają mniejszą średnicę o stożkowym kształcie otworu wylotowego tlenu, zapewnia to prędkości wylotowe powyżej prędkości dźwięku oraz zwiększenie ciśnienia tlenu tnącego do 1,0 MPa.

Rys. 6. 3. Kształty dysz tlenowych

1. standardowa,

2. stożkowa do cięcia z dużą prędkością strumieniem tlenu.

Cięcie tlenem jest stosowane do cięcia przedmiotów stalowych o grubościach od ok. 3,0 mm do ok. 2000 mm i może być prowadzone ręcznie lub w sposób zmechanizowany we wszystkich pozycjach. Cięcie palnikami ręcznymi, dzięki prostocie i łatwości obsługi palników, jest stosowane powszechnie w warunkach warsztatowych i na montażu.

Ciąć można na wymagane wymiary kształtowniki, rury, pręty itp., w celu wykonania określonej konstrukcji lub złomowania. Odcinać można nadlewy wlewków i odlewów, główki nitów, śrub, kołków itp. Można szybko wykonać zgrubne otwory w elementach stalowych. Strumień tlenu tnącego ma przekrój kołowy, dzięki czemu możliwa jest płynna zmiana kierunku cięcia bez zmiany warunków technologicznych cięcia. Ułatwia to znacznie cięcie ręczne i zmechanizowane wzdłuż linii prostych i zakrzywionych, które może być prowadzone bez specjalnych układów prowadzących.

Tab. 6. 2.Wpływ pierwiastków stopowych w stali na proces cięcia tlenem

Rodzaj pierwiastka	Opis wpływu pierwiastka na proces cięcia tlenem
Węgiel	Do 0.25% węgla cięcie przebiega bez problemów. Stale o większej zawartości węgla wymagają podgrzewania w celu uniknięcia zahartowania lub pęknięć. Żeliwa zawierające 4% węgla wymagają specjalnej techniki cięcia
Mangan	Stale zawierające 14% manganu i 1,5% węgla wymagają podgrzewania wstępnego, aby cięcie było możliwe
Krzem	Krzem nie wywiera wpływu na proces cięcia. Możliwe jest cięcie blach transformatorowych o zawartości do 4% krzemu. Stale krzemowe zawierające duże ilości C i Mn wymagają podgrzewania wstępnego i wyżarzania po cięciu w celu uniknięcia pęknięć
Chrom	Do 5% chromu nie występują problemy cięcia, gdy powierzchnia jest czysta. Stale zawierające ponad 10% chromu wymagają specjalnej techniki cięcia z wtryskiem topnika lub proszku żelaza
Nikiel	Stale zawierające do 3% niklu nie stwarzają problemów cięcia: do 7% niklu można uzyskać poprawne wyniki cięcia. Stale austenityczne typu 18-8 do 35-15 wymagają techniki cięcia z wtryskiem topnika lub proszku żelaza
Molibden	Molibden wywiera podobny do chromu wpływ na proces cięcia. Stale Cr-Mo nie stwarzają problemów ciecia. Stale Mo-W wymagają specjalnej techniki cięcia
Wolfram	Zwykle stopy zawierające do 14% wolframu można ciąć bez problemów, przy większej zawartości wolframu pojawiają się trudności cięcia. Górna granica zawartości wolframu wynosi ok. 20%
Miedź	Do zawartości 2% miedzi nie ma wpływu na proces cięcia
Aluminium	Zawartości aluminium normalnie występujące w stalach nie wywiera wpływu na proces cięcia
Wanad	Zawartości wanadu normalnie występujące w stalach wpływają korzystnie na proces cięcia
Fosfor	Zawartości fosforu normalnie występujące w stalach nie wywierają wpływu na proces cięcia
Siarka	Zawartości siarki normalnie występujące w stalach wpływają korzystnie na proces cięcia

Szczególną techniką cięcia tlenem jest cięcie lancą tlenową. Rurka ze stali niskowęglowej, zwykle o średnicy 16 mm i długości do 3,2 m, jest wypełniona cienkimi drutami ze stali niskowęglowej. Końcówka rurki jest nagrzewana do temperatury czerwonego żaru palnikiem tlenowym i następnie przez rurkę jest przepuszczany strumień tlenu. Lanca spala się samoistnie, a wysoka temperatura końcówki lancy jest podtrzymywana reakcją egzotermiczną spalania żelaza. Doprowadzenie końcówki lancy do przecinanego materiału po­woduje jego stopienie ciepłem płomienia tlenowego. Lanca tlenowa może być stosowana do przebijania otworów we wszystkich materiałach, takich jak: beton zbrojony, wykładzina z cegły ceramicznej, aluminium, żeliwo, stal.

Rys. 6. 4. Schemat budowy lancy tlenowej

Przebijanie lancą może być stosowane również do prac podwodnych. Lanca jest zapalana na powietrzu i następnie zanurzana na wymaganą głębokość bez zmian w przebiegu procesu, jedynie należy zwiększyć ciśnienie tlenu odpo­wiednio do głębokości cięcia. Cięcie pod wodą jest klasycznym sposobem cięcia tlenem. Stosowane jest do cięcia złomowego zatopionych statków lub kon­strukcji morskich, usuwania uszkodzonych rurociągów i wszelkiego rodzaju prac naprawczych. Stosowane jest zasadniczo cięcie ręczne, a warunki techno­logiczne nie różnią się od warunków cięcia na powietrzu.

Ciśnienie tlenu i gazu palnego muszą być dobrane odpowiednio do ciśnienia panującego na głębokości pracy. Acetylen może być stosowany tylko do głębokości 6 m, gdyż wybucha powyżej ciśnienia 100 Pa (głębokość 10 m). Najczęściej jako gaz palny jest stosowany propylen, wodór, które można stosować nawet na dużych głębokościach bez zagrożenia bezpieczeństwa pracy.

6. 2. Cięcie łukowe

Cięcie łukowe jest procesem, w którym ciepło łuku swobodnie jarzącego się między elektrodą a ciętym przedmiotem stapia lub wypala metal w szczelinie cięcia. Elektroda może być topliwa lub nietopliwa. Stopiony ciepłem łuku o temperaturze 5000-6000 K metal oraz żużel reakcji spalania są wyrzucane ze szczeliny ciśnieniem łuku lub ciśnieniem gazu dodatkowo doprowadzonego do obszaru cięcia. Podstawowymi procesami cięcia łukowego jest cięcie łukowo powietrzne elektrodą grafitową, cięcie łukowo-tlenowe i cięcie elektrodą otuloną. Bardzo ograniczone zastosowanie przemysłowe mają metody cięcia łukowego oparte na zasadach procesu spawania GTA i GMA.

6. 2. 1. Cięcie łukowo-powietrzne elektrodą grafitową

Proces cięcia łukowo-powietrznego elektrodą grafitową polega na stapianiu ciętego metalu ciepłem łuku jarzącego się między elektrodą grafitową a ciętym obszarem i wydmuchiwaniu stopionego metalu silnym strumieniem powietrza. Odsłonięcie czystych powierzchni metalicznym umożliwia topienie ich ciepłem łuku, a wraz z przesuwaniem palnika wzdłuż linii cięcia tworzy się ciągła szczelina cięcia. Proces ten może być stosowany z równym powodzeniem do cięcia, żłobienia i skórowania wszystkich metali, które można stopić ciepłem łuku spawalniczego. Można, więc ciąć i żłobić stale węglowe, stale wysokostopowe, żeliwa, stopy niklu, stopy miedzi oraz stopy aluminium i magnezu. Cięcie można prowadzić we wszystkich pozycjach, ręcznie lub w sposób zmechani­zowany. Stosuje się uchwyty o podobnej konstrukcji jak uchwyty do spawania łukowego ręcznego elektrodą otuloną, ale wyposażone w dodatkowe dysze po­wietrzne.

Podstawowymi parametrami procesu cięcia elektrodą grafitową są:

• rodzaje i wymiary elektrody grafitowej w mm,

• rodzaj i natężenie prądu w A,

• ciśnienie i natężenie przepływu powietrza w l/min,

• prędkość cięcia w m/min,

• kąt nachylenia elektrody w stopniach.

Elektrody mogą być zasilane prądem stałym z biegunowością dodatnią lub prądem przemiennym. Elektrody grafitowe mogą być pokryte cienką warstwą miedzi o grubości około 0,08-0,2 mm, lub bez pokrycia o przekroju kołowym, półokrągłym lub prostokątnym. Obecnie stosuje się prawie wyłącznie elektrody wykonane z mieszanki węgla i grafitu z odpowiednim lepiszczem, prasowane i wypalane w temperaturach zapewniających otrzymanie gęstej i jednorodnej struktury o małej oporności elektrycznej i pokrywane cienką warstwą miedzi. Miedź pokrywająca elektrodę grafitową znacznie zwiększa trwałość elektrody, stabilność jarzenia się łuku i zapewnia dokładny styk prądowy między elektrodą a szczękami zaciskowymi uchwytu.

Rys. 6. 5. Schemat budowy uchwytu do cięcia
i żłobienia łukowo-powietrznego elektrodą grafitową

Napięcia łuku muszą być utrzymywane w granicach 35-55 V, a wartość napięcia biegu jałowego musi być większa niż 60 V. Wielkość napięcia łuku jest zależna od rodzaju i natężenia prądu i powinno być odpowiednio zwiększone ze wzrostem natężenia prądu. Ciśnienie powietrza wynosi zwykle 0,5-0,7 MPa, a natężenie przepływu powietrza 8-10 l/min. Strumień powietrza musi mieć odpowiednie natężenie i prędkość, aby dokładnie usunąć stopiony metal i żużel ze szczeliny cięcia. Zbyt małe ciśnienie powietrza znacznie pogarsza jakość cięcia czy żłobienia, na powierzchni rowka pozostają resztki żużla i silnie nawęglonego metalu.

Znaczną wadą procesu cięcia łukowo-powietrznego elektrodą grafitową, zwłaszcza w zastosowaniach w warunkach warsztatowych, jest bardzo wysoki poziom hałasu, powyżej poziomu bezpieczeństwa. Operatorzy oprócz ochrony przed silnym promieniowaniem łuku muszą mieć ochronę uszu.

6. 2. 2. Cięcie łukowo-tlenowe

Proces cięcia łukowo-tlenowego pierwotnie był opracowany w celu cięcia, żłobienia i przebijania konstrukcji metalowych pod wodą. Proces ten polega na zajarzenia łuku między rurkową elektrodą otuloną, przez którą jest podawany pod odpowiednim ciśnieniem. Szczelina cięcia jest tworzona przez stapianie metalu ciepłem łuku oraz spalanie tlenem, którego strumień usuwa żużel i ciekły metal, podobnie jak cięcie tlenem. W przypadku cięcia stali niskowęglowych i niskostopowych podstawowym mechanizmem cięcia jest spalanie egzotermiczne żelaza w szczelinie cięcia. Ciepło reakcji egzotermicznej spalania w wystarczającym stopniu podtrzymuje obszar cięcia w temperaturze powyżej temperatury spalania. Łuk spawalniczy zwiększa energię cieplną cięcia i prędkości cięcia. W przypadku cięcia metali i stopów nieżelaznych oraz stali wysokostopowych, a szczególnie stali odpornych na korozję, cięcie odbywa się głównie na zasadzie stapiania, spalanie zaś jest bardzo ograniczone.

Otulina elektrody rurkowej zapewnia w obszarze cięcia składniki topnika, których zadaniem jest stabilizacja jarzenia się łuku, zwiększenie rzadkopłynności żaroodpornych tlenków stopowych i łatwiejsze ich usunięcie ze szczeliny cięcia.

Elektrody rurkowe do cięcia w powietrzu są pokryte otuliną rutylową i maja średnicę zewnętrzną 5-8 mm, wewnętrzną 1,6 mm i długość 450 mm. Elektrody do cięcia pod wodą mają takie same wymiary, jedynie otulina musi być wodoodporna. Cięcie jest prowadzone ręcznie, prądem stałym z biegunowością ujemną, a uchwyt musi mieć specjalną konstrukcję umożliwiającą doprowadzenie prądu elektrycznego i tlenu do elektrody rurkowej. Uchwyty do cięcia w powietrzu i pod wodą muszą być bardzo dobrze zaizolowane i w przypadku cięcia pod wodą mieć zabezpieczenie przed powrotem płomienia.

Cięcie łukowo-tlenowe w powietrze umożliwia cięcie blach stalowych o grubości do 75 mm i metali nieżelaznych do 12,5 mm.

Rys. 7. 6. Przebieg procesu ciecia łukowo-tlenowego

6. 2. 3. Cięcie łukowe ręczne elektrodą otuloną

Proces cięcia polega na stapianiu metalu w szczelinie ciepłem łuku elektrody otulonej. Podstawowym zadaniem otuliny jest izolowanie rdzenia elektrody od zwarcia ze ściankami szczeliny, umożliwia to wsunięcie elektrody w szczelinę. Otulina ma również za zadanie stabilizowanie łuku, co zwiększa jego energię i jakość cięcia. Stosowane są elektrody niskowęglowe cienko otulone o otulinie gazotwórczej, celulozowej lub rutylowej, o średnicy 4,8 mm i większej.

Zaleca się cięcie prądem stałym z biegunowością ujemną, chroni to dodat­kowo uchwyt i sprzęt nurka przed korozją elektrolityczną.

Cięcie łukowe elektrodą otuloną jest stosowane głównie do cięcia złomo­wego metali nieżelaznych.

Rys. 6. 7. Przebieg procesu cięcia łukowego elektrodą otuloną

6. 2. 4. Cięcie łukowe metodą GTA

Proces cięcia łukowego metodą GTA polega na stapianiu metalu ciepłem łuku jarzącego się między elektrodą nietopliwą a ciętym przedmiotem i wydmuchiwaniu ciekłego metalu ze szczeliny cięcia gazem ochronnym. Możliwe jest cięcie stali odpornych na korozję, aluminium, magnezu, miedzi, stopów miedzi, niklu.

Rys. 6. 8. Przebieg procesu cięcia łukowego metodą GTA

Zalecane są większe natężenia prądu i natężenia przepływu gazu ochron­nego niż w przypadku spawania blach o tej samej grubości, co cięte blachy. Jako gaz ochronny stosowane są mieszanki argonu z wodorem o natężeniu przepływu ok. 30 l/min. Zamiast wodoru może być zastosowany azot, ale jakość cięcia jest niższa. Cięcie zwykle jest prowadzone prądem stałym z biegunowością ujemną, elektrodą torowaną o średnicy 4,0 mm i stożkowej końcówce, która jest wysu­nięta około 5-10 mm poza dyszę gazu ochronnego.

6. 2. 5. Cięcie łukowe metodą GMA

Proces ciecia łukowego metodą GMA polega na stapianiu metalu ciepłem łuku jarzącego się między elektrodą topliwą a ciętym przedmiotem, w osłonie mieszanek argonu z wodorem lub CO₂, których silny strumień wydmuchuje stopiony metal ze szczeliny cięcia. Przy dużym natężeniu prądu (do 2000 A) i dużej prędkości podawania drutu ze stali niskowęglowej o średnicy 2,4-3,2 mm następuje przebicie ciętego przedmiotu na wskroś. Stosuje się ten sam sprzęt, który jest stosowany do spawania półautomatycznego i automatycznego. Metoda ta jest stosowana do cięcia stali odpornych na korozję, o grubości do 40 mm, i aluminium, do 75 mm.

Rys. 6. 9. Przebieg procesu cięcia łukowego metodą GMA

6. 3. Cięcie laserowe

Cięcie laserowe jest procesem, w którym energia wiązki promieniowania laserowego, ciągłego lub impulsowego, powoduje miejscowe stopienie i odparowanie ciętego materiału. Dodatkowo jest zastosowany współosiowy z wiązką laserową przepływ gazu reaktywnego lub obojętnego, wydmuchujące­go ze szczeliny cięcia ciekły materiał i pary materiału.

W procesie cięcia i wykonywania otworów są wymagane gęstości mocy wiązki 10⁴-10⁶ W/mm². Wiązka laserowa z łatwością może być ogniskowana nawet do średnicy 0,0025 mm, dzięki czemu w przypadku urządzeń laserowych o małej mocy możliwe jest uzyskanie impulsu o bardzo dużej gęstości mocy. Mechanizm cięcia laserowego jest złożony i w dużym stopniu za­leżny od własności fizycznych ciętego materiału i parametrów wiązki laserowej, podobnie jak w przypadku spawania laserowego. Wiązka laserowa działa jak liniowe źródło ciepła, które tworzy stabilne oczko cięcia, a strumień gazu towarzyszącego procesowi cięcia wyrzuca ciekły metal ze szczeliny. Zaletami cięcia laserowego są: duża dokładność i prędkość cięcia, minimalne odkształcenie ciętych przedmiotów, wąska szczelina cięcia, dobra jakość ciętych kra­wędzi.

Proces cięcia laserowego może być prowadzony ręcznie, ale głównie są sto­sowane układy cięcia automatycznego i zrobotyzowanego ze sterowaniem numerycznym i możliwością cięcia trójwymiarowego, stosowanego np. w prze­myśle samochodowym do trymowania podzespołów karoserii. Cięcie laserowe jest coraz powszechniej stosowane w przemyśle do cięcia różnych materiałów metalicznych i niemetalicznych o grubościach do 32 mm.

Rys. 6. 10. Schemat budowy urządzenia do cięcia laserem stałym

Podstawowe parametry cięcia laserowego to:

• gęstość mocy wiązki laserowej w W/mm²,

• rodzaj gazu towarzyszącego procesowi cięcia i jego ciśnienie w bar,

• średnica ogniska wiązki w mm,

• długość ogniska wiązki w mm,

• prędkość cięcia w m/min.

Najczęściej stosowane gazy towarzyszące procesowi cięcia laserowego to: powietrze, tlen, azot i argon. Jeśli jako gaz wyrzucający ciekły metal jest stosowany tlen lub powietrze, procesowi ciecia towarzyszy reakcja egzotermiczna tlenu z żelazem, dostarczająca dodatkową porcję ciepła i zwiększająca prędkość cięcia. Powietrze jest najtańszym gazem i stąd jest stosowane do cięcia materiałów, gdy nie jest zbyt ważna jakość ciętych powierzchni. Powietrze jest stosowane jako gaz towarzyszący również do cięcia aluminium do grubości 1,5 mm i tlenku glinu. Zastosowanie tlenu do cięcia laserowego stali niskowęglowych oprócz dużych prędkości cięcia zapewnia najwyższą jakość ciętych powierzchni. Przy cięciu laserowym z tlenem jako gazem towarzyszącym stali wysokostopowych, a zwłaszcza stali odpornych na korozję, uzyskuje się większe prędkości cięcia niż w osłonie azotu lub argonu. Mniejsza jest jednak jakość cięcia, a krawędzie blach są pokryte stosunkowo grubą warstwą tlenków i żużlem. Azot jest naj­częściej stosowany do cięcia stali odpornych na korozję, stopów niklu i alu­minium do grubości 3,0 mm. Argon jest zalecany do cięcia laserowego metali reaktywnych i trudnotopliwych, takich jak tytan, niob, tantal, molibden, wanad czy cyrkon. Cięcie laserowe z argonem jako gazem towarzyszącym wymaga zwiększenia mocy wiązki laserowej, ze względu na częściową stratę jej energii w plazmie tworzącej się nad obszarem ciecia w wyniku małego potencjału jonizacji argonu.

6. 4. Cięcie strumieniem wody

Cięcie strumieniem wody jest procesem cięcia na zimno, konkurującym ze spa­walniczymi procesami cięcia ze względu na dobrą jakość ciętych powierzchni oraz brak jakiegokolwiek odkształcenia, a temperatura krawędzi materiałów w czasie procesu cięcia nie przekracza 100°C. Proces cięcia polega na zastosowaniu silnie sprężonego strumienia wody, przepuszczanego przez dyszę o małej średnicy, tworzącej koherentny strumień wody o bardzo dużej prędkości, ponad trzykrotnie przekraczającej prędkość dźwięku. Strumień wody usuwa cięty materiał ze szczeliny cięcia w wyniku erozji i zmęczenia ścina­jącego, przy dużych naprężeniach lokalnych, oraz dodatkowo mikroobróbki w przypadku użycia dodatkowo proszku ściernego. Problemem przy cięciu strumieniem wody jest wysoki poziom hałasu, dochodzący nawet do 120 dB. W przypadku cięcia z proszkiem ściernym konieczne jest rozładowanie energii strumienia wody z proszkiem ściernym w specjalnych wannach z wodą i ułożonymi na ich dnie kulkami stalowymi lub kamieniami rzecznymi, co również jest dodatkowym źródłem hałasu.

Cięcie strumieniem wody umożliwia cięcie, żłobienie i przebijanie prawie wszystkich materiałów oprócz diamentu. Strumień czystej wody tnie z dużą prędkością miękkie materiały niemetaliczne, np. papier, tworzywa sztuczne, skórę, gumę, tkaniny czy płytki obwodów scalonych, a średnica strumienia wody może wynosić mniej niż 0,1 mm. W przypadku materiałów metalowych prędkości są znacznie mniejsze i konieczne jest wprowadzenie do strumienia wody drobnego proszku ściernego z granatu, oliwinu lub krzemionki i wtedy średnica dyszy musi wynosić więcej niż 0,25 mm. Cięcie strumienie wody jest stosowane wyłącznie jako proces cięcia automatycznego lub zrobotyzowanego, przy użyciu podobnych układów sterowania, jakie są stosowane do cięcia plazmowego i laserowego.

Rys. 6. 11. Schemat budowy głowicy urządzenia do cięcia strumieniem wody
z proszkiem ściernym i przebieg procesu cięcia

Podstawowe parametry cięcia strumieniem wody to:

• prędkość cięcia w m/min,

• ciśnienie wody w MPa,

• wydajność podawania proszku w kg/min,

• rodzaj i ziarnistość proszku w mm,

• odległość dyszy od przedmiotu w mm,

• geometria dyszy.

Cięcie strumieniem wody jest stosowane do cięcia tych materiałów, które są trudne do przecięcia innymi metodami, np. materiały ceramiczne, cermetale, twarde napoiny metalowe, materiały kompozytowe, KEVLAR, szkło, tworzywa sztuczne. Możliwe jest cięcie w warunkach zagrożenia wybuchem, np. cięcie pocisków wybuchowych. Bardzo małe jest również zagrożenie pożarem i porażenie prądem.

7. Cięcie plazmowe metali

7. 1. Charakterystyka metody

Cięcie łukiem plazmowym, zwane cięciem plazmowym, jest modyfikacją procesu spawania plazmowego GTA. Cięcie plazmowe wprowadzono do przemysłu w latach 50. w celu umożliwienia cięcia stali odpornych na korozję i metali nieżelaznych. Proces cięcia plazmowego polega na stapianiu i wyrzu­caniu metalu ze szczeliny cięcia silnie skoncentrowanym plazmowym łukiem elektrycznym, jarzącym się między elektrodą nietopliwą a ciętym przedmiotem.

Rys. 7. 1. Przebieg procesu cięcia plazmowego

Plazmowy łuk elektryczny jest silnie zjonizowanym gazem o dużej energii kinetycznej, przemieszczającym się z dyszy plazmowej, zawężającej się w kierunku szczeliny cięcia, z prędkością bliską prędkości dźwięku. Temperatu­ra strumienia plazmy mieści się w granicach 10 000 - 30 000 K i jest zależna od natężenia prądu, stopnia zwężenia łuku oraz rodzaju i składu gazu plazmowego. Do cięcia plazmowego jest sto­sowany wyłącznie prąd stały z biegunowością ujemną, zasilany z prostowni­kowych lub inwertorowych źródeł prądu. Do cięcia metali są stosowane wy­łącznie palniki plazmowe o łuku zależnym. Zajarzenie łuku w palnikach o łuku zależnym odbywa się za pomocą impulsu prądu o wysokim napięciu lub prądem wysokiej częstotliwości.

Możliwe jest cięcie wszystkich materiałów konstrukcyjnych przewodzących prąd elektryczny. Materiały niemetaliczne mogą być cięte jedynie palnikami plazmowymi o łuku niezależnym. Proces cięcia plazmowego jest stosowany do cięcia ręcznego, zmechanizowanego i zrobotyzowanego stali i metali nieżelaznych, z dużymi prędkościami we wszystkich pozycjach. Dzięki wysokiej tem­peraturze łuku plazmowego cięcie rozpoczyna się natychmiast, bez podgrzewania. Wadą procesu jest bardzo wysoki poziom hałasu, zagrożenie porażeniem prądem, silne promieniowanie świetlne łuku, duża ilość gazów i dymów.

7. 2. Parametry cięcia plazmowego

Podstawowe parametry cięcia plazmowego to:

• natężenie prądu w A,

• napięcie łuku w V,

• prędkość cięcia w m/min,

• rodzaj i ciśnienie w MPa oraz natężenie przepływu gazu plazmowego w l/min,

• rodzaj i ciśnienie w MPa oraz natężenie przepływu gazu ochronnego (pomocniczego) w l/min,

• rodzaj i konstrukcja elektrody,

• średnica dyszy zawężającej w mm,

• położenie palnika względem ciętego przedmiotu.

Przy ręcznym cięciu plazmowym operator reguluje jedynie prędkość cięcia i odległość dyszy od ciętego przedmiotu, a pozostałe parametry są stałe, utrzymywane układem sterującym urządzenia na nastawionym przez operatora poziomie.

Natężenie prądu decyduje o temperaturze i energii łuku plazmowego. Stąd wynika, że gdy zwiększa się natężenie prądu, zwiększa się prędkość cięcia lub przy danej prędkości cięcia możliwe jest cięcie materiałów o większej grubości, lecz maleje znacznie trwałość elektrod. Zbyt duże natężenie prądu sprawia, że pogarsza się jakość cięcia, zwiększa się szerokość szczeliny, pojawiają się za­okrąglenia górnych krawędzi i odchylenie od prostopadłości. Zbyt małe natę­żenie prądu powoduje początkowo pojawienie się nawisów metalu przy dolnej krawędzi, a następnie brak przecięcia.

Napięcie łuku plazmowego decyduje o sprawnym przebiegu procesu cięcia plazmowego i stąd musi być dokładnie sterowane. W zależności od natężenia prądu napięcie łuku, ze względu na bardzo duży stopień koncentracji plazmy łuku, wynosi 50 - 200 V. Źródła prądu muszą, więc mieć napięcie biegu jałowego około 150 - 400 V. Przy cięciu palnikiem o klasycznej konstrukcji napięcie łuku musi być utrzymywane z dokładnością do 5 V. Palniki z wielokrotnym zawęża­niem łuku plazmowego, zwane palnikami o wysokiej dokładności cięcia - HTPAC, wymagają sterowania napięcia łuku w granicach do 1 V.

Dzięki dużej energii cieplnej łuku plazmowego proces cięcia może być pro­wadzony w stosunkowo szerokim zakresie prędkości cięcia. Prędkość cięcia decyduje o jakości cięcia, zwłaszcza w przypadku cięcia ręcznego. Gdy zwiększa się prędkość cięcia, spada jakość cięcia, maleje szerokość szczeliny cięcia, pojawia się trudny do usunięcia nawis metalu przy dolnej krawędzi i ostatecznie brak przecięcia. Zbyt mała prędkość cięcia prowadzi do zwiększenia sze­rokości szczeliny cięcia i zaokrąglenia górnej krawędzi oraz większą szerokość u góry niż u dołu szczeliny, jak i pojawienia się nawisu metalu i żużla przy dolnej krawędzi.

Rys. 7. 2. Wpływ prędkości i natężenia prądu cięcia plazmowego na tworzenie się metalu
przy dolnej krawędzi blachy

Prędkość wypływu strumienia plazmy z palnika oraz jego temperatura za­leżne są od natężenia prądu, średnicy i kształtu dyszy zawężającej i odległości palnika od ciętego przedmiotu, ale również od rodzaju gazu plazmowego i jego ciśnienia.

7. 2. 1. Rodzaje gazu plazmowego

W zależności od rodzaju ciętego materiału są stosowane różne gazy plazmowe. Głównie są to: tlen, powietrze, azot, argon oraz mieszanki: argon plus wodór i azot plus wodór. W pierwszych urządzeniach do cięcia plazmowego był stosowany wyłącznie argon i mieszanki argon plus wodór. Ze względu na wysoką cenę tych gazów rozwój cięcia plazmowego zmierzał nie tylko w kierunku zwiększenia jakości i prędkości cięcia, lecz również zastąpienia argonu znacznie tańszymi gazami. Początkowo był to azot, a następnie powietrze i tlen.

Najwyższą jakość cięcia stali niskowęglowych i niskostopowych zapewnia użycie jako gazu plazmowego tlenu, który dodatkowo zmniejsza napięcie po­wierzchniowe ciekłego metalu, ułatwiając usuwanie go ze szczeliny cięcia. Reakcja egzotermiczna spalania żelaza w łuku plazmowym również wspomaga proces cięcia i dzięki temu zdecydowanie większe są prędkości cięcia niż przy cięciu tlenem.

Tlen i powietrze są stosowane przy natężeniach prądu do 100 - 300 A, umożliwiających cięcie blach o grubościach do 25 mm. Natomiast azot może być stosowany przy natężeniach prądu do około 750 A i cięciu blach stalowych i metali nieżelaznych o grubości do 75 mm, a powierzchnie cięte są gładkie.

Do cięcia stali odpornych na korozję i aluminium są zalecane mieszanki argonu z wodorem lub azotem w ilości 10 - 35%, zwykle Ar plus 15% H₂ lub Ar plus 15% N₂. Wodór i azot zwiększają energię łuku plazmowego, lecz nie mogą być stosowane, gdy cięty metal jest wrażliwy na działanie tych gazów. W po­równaniu do azotu powietrze zapewnia większe prędkości cięcia stali nisko­stopowych i aluminium i nieco mniejsze prędkości cięcia stali odpornych na korozję. Cięcie plazmowe przy bardzo dużym natężeniu prądu, do 1000 A, umożliwiającym cięcie stali odpornych na korozję o grubości do 130 mm i alu­minium do 150 mm, wymaga zastosowania jako gazu plazmowego mieszanki Ar plus H₂. W przypadku cięcia blach o grubości poniżej 75 mm jako gaz plazmowy jest zalecany azot, powietrze lub mieszanka Ar plus H₂. Ciśnienia i natężenia przepływu gazu plazmowego i gazu ochronnego są zależne od konstrukcji palnika i mocy łuku i wynoszą zwykle odpowiednio 0,1 - 10 MPa i 50 - 150 l/min.

7. 2. 2. Elektrody palnika plazmowego

Materiał elektrody nietopliwej palnika plazmowego jest zależny od rodzaju gazu plazmowego. Jeśli gaz plazmowy nie jest gazem utleniającym, na elektrody jest stosowany stop wolframu z torem. Elektrody te mają trwałość zwykle 15-20 h. W palnikach do cięcia z tlenem lub powietrzem jako gazem plazmowym są stosowane elektrody z cyrkonu lub hafnu, osadzone mechanicznie lub zgrze­wane dyfuzyjnie z obudową z miedzi i chłodzone wodą. Elektrody z wkładką zgrzewaną dyfuzyjnie wykazują około 100% większą trwałość od elektrod z wkładką osadzoną mechanicznie. Elektrody do cięcia z tlenem lub powietrzem jako gazem plazmowym mają trwałość około l-5 h, zależną od natężenia prądu cięcia. Większą trwałość mają elektrody z wkładką z hafnu. Zwiększenie trwałości elektrod z cyrkonu i hafnu uzyskać można przez zastosowanie systemu startu łuku w osłonie azotu.

Rys. 7. 3. Elektroda nietopliwa z wkładką z hafnu osadzoną w srebrze o wysokiej czystości,
przeznaczona do cięcia plazmowego z tlenem lub powietrzem jako gazem plazmowym

7. 2. 3. Dysze plazmowe

Dysze plazmowe zawężające są wykonywane z miedzi i chłodzone, w zależności od mocy palnika, przepływem gazu ochronnego lub obiegiem wody. Średnica i kształt kanału zawężającego dyszy zwykle jest dobierana w zależności od mocy łuku plazmowego i wy­maganej szerokości szczeliny cięcia. Ze zmniejszeniem się średnicy dyszy przy danej mocy łuku maleje jej trwałość, lecz uzyskać można większą prędkość cięcia i mniejszą szerokość szczeliny. Trwałość dysz zależy od liczby ponow­nych zajarzeń i wygaszeń łuku oraz natężenia prądu łuku i wynosi zwykle od kilku do kilkunastu godzin. W palnikach do cięcia z dodatkowym za­wężeniem strumieniem wody, dzięki ochronnemu działaniu warstewki wody między łukiem plazmowym a ścianką zawężającą dyszy, trwałość dyszy zwiększa się kilkakrotnie. Podobne zwiększenie trwałości uzyskuje się przy cięciu plaz­mowym pod warstwą wody.

7. 2. 4. Technika cięcia plazmowego

Cięcie plazmowe może być prowadzone w sposób ręczny dzięki małej masie palnika i inwertorowym źródłom prądu, może być stosowane w warunkach montażowych, w trudno dostępnych miejscach. Budowane są również urządzenia umożliwiające zrobotyzowane cięcie konstrukcji pod wodą na dużych głębokościach.

Palnik o konstrukcji klasycznej, podobnej do konstrukcji palnika do spawa­nia plazmowego GTA, ma dyszę zawężającą i dyszę gazu ochronnego. Gaz plazmowy stapia i wydmuchuje ciekły metal ze szczeliny cięcia, a gaz ochronny osłania obszar cięcia przed dostępem powietrza i dodatkowo chłodzi ten obszar. Zastosowanie dodatkowego zawężenia łuku plazmowego gazem ochronnym, zwiększa stopień zwężenia plazmy i jej tem­peraturę, co umożliwia zwiększenie prędkości cięcia przy tych samych para­metrach prądowych. W tym rozwiązaniu gazem plazmowym jest zwykle argon lub mieszanka Ar plus H₂ lub Ar plus N₂ a rodzaj drugiego gazu, ochronnego i zawężającego, zależy od rodzaju ciętego metalu. Na przykład przy cięciu stali niskowęglowych i niskostopowych drugim gazem może być powietrze lub tlen, które zapewniają dodatkowe zwiększenie prędkości cięcia na skutek egzoter­micznego spalania żelaza. W przypadku cięcia stali odpornych na korozję i aluminium drugim gazem może być azot.

Rys. 7. 4. Schemat budowy palnika plazmowego
z dodatkowym zawężeniem łuku gazem ochronnym

Zastosowanie wtrysku wody, stycznie do strumienia plazmy, zapewnia dodatkowe, intensywniejsze niż strumieniem gazu, zawężenie łuku plazmowego i wzrost jego temperatury do 30 000 K. Cienka warstewka wody między dyszą ceramiczną wodną a łukiem plazmowym znacznie zwiększa trwałość dyszy. Zwiększa się prędkość cięcia i jakość cięcia.

Rys. 7. 5. Schemat budowy palnika plazmowego z zawirowaniem gazu plazmowego
i dodatkowym zawężeniem łuku zawirowanym strumieniem wody

Osłona wodna w postaci strumienia wody podawanego dyszą podobną do dyszy gazu ochronnego zwiększa prędkości chłodzenia ciętych krawędzi, lecz co jest często najważniejsze, ogranicza znacznie hałas i ilość zanieczyszczeń. Przy cięciu bez osłony wodnej poziom hałasu wynosi 115 dB, nato­miast osłona wodna dyszowa ogranicza hałas do 96 dB.

Rys. 7. 6. Schemat budowy palnika plazmowego z dodatkową kurtyną wodną

Palniki, w których jako gaz plazmowy stosuje się powietrze zastępujące znacznie droższy argon i azot, muszą być wyposażone w specjalną elektrodę odporną na utlenianie. Stosowane są elektrody z cyrkonu lub hafnu osadzone w korpusie miedzianym, zapewniającym intensywne odprowadzanie ciepła.

Rys. 7. 7. Schemat budowy palnika do cięcia powietrzem jako gazem plazmowym

Zastosowanie palnika o konstrukcji umożliwiającej bezpośrednie oparcie dyszy plazmowej na ciętym przedmiocie znacznie ułatwia prowadzenie palnika wzdłuż linii cięcia. Mniejsze jest też zagrożenie uszkodzenia dyszy zawężającej przez zajarzenie łuku wewnętrznego między elektrodą a dyszą.

Rys. 7. 8. Schemat budowy palnika do cięcia powietrzem jako gazem plazmowym
z bezpośrednim stykiem dyszy zawężającej z powierzchnią ciętego przedmiotu

Główna różnica między cięciem łukiem plazmowym konwencjonalnym a cięciem palnikami o dużej dokładności polega na tym, że łuk plazmowy palnika HTPAC ma bardzo małą średnicę o kształcie kolumnowym, jest podobny do wiązki laserowej. Średnica dyszy zawężającej wynosi około 0,4-0,7 mm, a natężenie prądu 30 - 90 A. W ten sposób uzyskuje się gęstość mocy łuku około 40 - 90 A/mm² i o ponad 50% węższą szczelinę cięcia. Gazem plazmowym w tych palnikach jest zawirowywany przed wejściem do dyszy plazmowej tlen lub azot, a drugi gaz plazmowy jest podawany w dolnej części strumienia plazmy, który może być dodatkowo zawężony zewnętrznym polem magnetycznym. Azot jest stosowany głównie przy cięciu stali odpornych na ko­rozję metali nieżelaznych. Wirujące pole magnetyczne stabilizuje łuk plazmo­wy i utrzymuje wirowanie łuku wymuszone strumieniem gazu plazmowego. Jakość cięcia jest nieco gorsza od jakości cięcia laserowego, lecz prędkości cięcia są 20-40% mniejsze niż przy cięciu palnikami konwencjonalnymi.

Rys. 7. 9. Schemat budowy palników plazmowych do cięcia z dużą dokładnością,
wąskim strumieniem plazmy - HTPC

Trwałość elektrod z hafnu i dysz zawężających palników HTPAC jest kilkakrotnie większa niż konwen­cjonalnych i dochodzić może do 24-32 h. Palnik HTPAC zapewnia prędkości cięcia podobne do uzyskiwanych laserem gazowym CO₂ o mocy l kW.

Cięcie plazmowe znajduje coraz większe zastosowanie do cięcia prawie wszystkich metali konstrukcyjnych, wypierając proces cięcia tlenem blach ze stali niskowęglowych i niskostopowych o grubościach do 50 mm. Możliwe jest cięcie pakietów blach, przy czym nie jest wymagana tak duża dokładność utrzymania odstępów między blachami w pakiecie, jak przy cięciu tlenem, mniejsze są też odkształcenia. Bardzo dobre wyniki uzyskuje się przy ukosowaniu, przebijaniu i żłobieniu. Cięcie plazmowe umożliwia cięcie blach o grubości do 150 mm, z podobną jakością jak cięcie tlenem. Zastosowanie specjalnej kon­strukcji palników z wtryskiem wody, zawirowaniem gazu itd. zwiększa jakość i prędkość cięcia. Osłona wodna usuwa nalot tlenkowy na ciętych krawędziach.

8. Konstrukcja plazmowego urządzenia do cięcia metali

Technologia cięcia plazmą należy obecnie do najbardziej wydajnych procesów technologicznych cięcia metali. Rozwój techniczny technologii cięcia plazmą powietrzną uczynił proces cięcia ekonomicznym w  takim stopniu, że jest on preferowany w wielu zastosowaniach, w tym także przy cięciu stali niskowęglowych eliminując cięcia inną metodą, np. gazową.

W urządzeniach przeznaczonych do cięcia plazmą powietrzną proces cięcia zaczyna się od inicjacji łuku elektrycznego pomiędzy dyszą a elektrodą w uchwycie do cięcia, następnie strumień sprężonego powietrza wydmuchuję powstały łuk przez mały otwór w dyszy na zewnątrz uchwytu (jest to tzw. łuk pilotujący). W przypadku, gdy dysza uchwytu znajduje się w odpowiedniej odległości od materiału obrabianego, następuje zajarzenie łuku pomiędzy elektrodą a elementem ciętym i inicjacja procesu cięcia, w którym wysokie napięcia elektryczne, przepływ oraz temperatura wytworzonej plazmy powodują topienie, odparowanie i wydmuchanie na zewnątrz cząstek ciętego materiału bez powodowania w nim zmian fizycznych oraz właściwości metalurgicznych.

Skonstruowane urządzenie do cięcia metali przeznaczone jest do cięcia blach i elementów stalowych, aluminiowych i miedzianych o maksymalnej grubości od 4 mm (miedź) do 12 mm (stal węglowa) w zależności od ciętego materiału. Proste zasady obsługi i regulacji (dwa stopnie nastawy parametrów), bezzakłóceniowy system stykowej inicjacji łuku pilotującego, mała zwarta konstrukcja, pozwalają na jego zastosowanie praktycznie w każdym warsztacie wykonującym prace ślusarskie.

8. 1. Schemat ideowy urządzenie do ręcznego cięcia metalu

Na potrzeby konstrukcji urządzenia, przygotowano schemat ideowy. Przy opracowaniu schematu opierano się na schemacie urządzenia do ręcznego cięcia plazmą powietrzną typu AIR PLASMA-36.

Urządzenie do cięcia metali można podzielić na kilka głównych podzespołów:

• główny transformator,

• prostownik,

• sterownik,

• zasilanie sterownika,

• elektrozawór powietrzny,

• reduktor.

Schemat ideowy urządzenia przedstawiono na rys. 8. 1.

Najważniejszą częścią urządzenia jest sterownik realizujący funkcję kontrolną procesu cięcia. Jest on zasilany z zasilacza sterownika, którego najważniejszym elementem jest transformator zasilający. Elektrozawór powietrzny służy do odcinania dopływu sprężonego powietrza. Transformator główny stanowi podstawowe źródło zasilania głowicy tnącej.

Rys. 8. 1. Schemat ideowy urządzenia do cięcia metali

8. 2. Montaż podzespołów urządzenia tnącego

Rzut prostokątny obudowy urządzenia do cięcia plazmą pokazano na rys. 8. 2. Proces montażu urządzenia tnącego rozpoczęto od przygotowania podstawy obudowy, pokazanej na rys. 8. 3. Podstawa wykonana została z blachy zaopatrzonej w otwory wentylacyjne oraz otwory służące do wyprowadzenia węży i przewodów elektrycznych.

Rys. 8. 2. Schemat obudowy urządzenia do cięcia plazmą

Rys. 8. 3. Podstawa obudowy urządzenia tnącego

Do obudowy montowano kolejno wszystkie podzespoły urządzenia. Proces ten ilustrują rys. od 9. 4. do 9. 10.

Rys. 8. 4. Montaż transformatora głównego

Rys. 8. 5. Montaż prostownika

Rys. 8. 6. Rezystory mocy stanowiące element prostownika

Rys. 8. 7. Montaż transformatora zasilającego sterownik

Rys. 8. 8. Montaż głównej płytki sterownika

Rys. 8. 9. Montaż elektrozaworu

Fotografia 8. 10. obrazuje wygląd kompletnie zmontowanego urządzenia, ze zdjętą pokrywą obudowy.

Rys. 8. 10. Kompletne urządzenie bez pokrywy obudowy

Rys. 8. 11. Opis elementów przyłączeniowych przyłączeniowych regulacyjnych urządzenia.

Rys. 8.12. Końcówka palnika po uruchomieniu urządzenia

Końcówka palnika wyposażona jest w zabezpieczenie, które uniemożliwia przypadkowe uruchomienie urządzenia. Na rys. 8. 13. a) i b) pokazano końcówkę palnika w stanie zabezpieczonym oraz odbezpieczonym.

a) b)

Rys. 8. 13. Palnik w stanie zabezpieczonym a) oraz odbezpieczonym b)

8. 3. Pozyskanie źródła sprężonego powietrza

Do pracy urządzenia tnącego niezbędne jest pozyskanie źródła sprężonego powietrza. Sprężone powietrze można uzyskać z wielu źródeł. Konstruowane urządzenie wyposażone zostało w węże o różnych zakończeniach, pozwalające na pozyskanie sprężonego powietrza z:

• sprężarki,

• butli ze sprzężonym powietrzem,

• pompy wspomagającej hamulce samochodu ciężarowego,

• układu pneumatycznego samochodu ciężarowego

• opon,

• itp.

Pobór sprężonego powietrza z różnych źródeł ilustrują rys. od 8. 14. do

8. 17.

Rys. 8. 14. Pobór sprężonego powietrza z siłownika hamulcowego samochodu ciężarowego

Rys. 8. 15. Pobór sprężonego powietrza z butli

Rys. 8. 16. Pobór sprężonego powietrza z układu pneumatycznego samochodu ciężarowego

Rys. 8. 17. Pobór sprężonego powietrza z opon samochodu ciężarowego

8. 4. Uruchomienie urządzenia do cięcia metali

Procedurę posługiwania się urządzeniem można przedstawić w postaci poniższego algorytmu:

1. Połączyć urządzenie z siecią energetyczną

Rys. 8. 18. Podłączenie urządzenia do źródła zasilania

2. Połączyć urządzenie ze źródłem sprężonego powietrza zwracając uwagę na wymagane wartości ciśnienia i przepływu. Powietrze powinno być suche i pozbawione oleju. Pokrętłem regulatora ciśnienia ustawić wymagane ciśnienie sprężonego powietrza (3,5 - 4,5 bar), obserwując wskazanie manometru.

UWAGA: Zabrania się włączania urządzenia bez podłączenia sprężonego powietrza o ciśnieniu mniejszym niż 3,5 bar.

Rys. 8. 19. Podłączenie urządzenia do źródła sprężonego powietrza

3. Sprawdzić czy przełącznik, znajduje się w pozycji „O” (wyłączony).

4. Sprawdzić czy dysza izolacyjna, elektroda, oraz dysza z tulejką izolacyjną i sprężyną, są prawidłowo zamontowane w uchwycie i spełniają następujące wymagania:

a) elektrodę należy wymienić, jeżeli krater osiągnął wymiar 1,5 do 2mm. Cięcie ze zużytą elektrodą nie daje spodziewanej jakości i może być przyczyną uszkodzenia uchwytu,

b) dyszę należy wymienić, jeżeli otwór jest powiększony lub owalny. W przypadku zużytej dyszy cięcie staje się jakościowo niższe i wolniejsze,

c) sprężynę należy wymienić w przypadku, gdy jej długość w stanie swobodnym odbiega od wartości ~10mm,

d) odległość swobodnego wysuwu dyszy względem tulejki ochronnej musi wynosić, co najmniej 2mm. Nie spełnienie powyższego warunku świadczy o zanieczyszczeniu uchwytu. Dalsza eksploatacja w takim stanie może doprowadzić do uszkodzenia uchwytu lub urządzenia. Należy przejrzeć oraz oczyścić tulejkę ochronną, elektrodę, dyszę, tulejkę izolacyjną i sprężynę.

e) Sprawdzić czy klamra jest prawidłowo zamontowana w uchwycie. Brak klamry lub jej nieprawidłowe założenie blokuje uruchomienie urządzenia. Ważne jest, aby metalowe elementy klamry były umiejscowione w metalowych punktach znajdujących się na korpusie palnika. Klamra spełnia ważną rolę odnośnie bezpieczeństwa eksploatacji, gdyż uniemożliwia uruchomienie urządzenia, a tym samym podanie napięcia na uchwyt w przypadku braku tulejki ochronnej.

5. Podłączyć przewód masowy do elementu ciętego.

Rys. 8. 20. Podłączanie masy do elementu ciętego

6. Załączyć urządzenie przekręcając gałkę przełącznika w pozycję załączenia jest sygnalizowany świeceniem zielonej diody kontrolnej.

7. Zbliżyć uchwyt do ciętego elementu i w zależności od grubości ciętego materiału, lekko go dotykając (bez nacisku) lub utrzymując go w odległości około 2 mm, włączyć przycisk na uchwycie. Nastąpi zajarzenie łuku między elektrodą a dyszą uchwytu, przy jednoczesnym otwarciu zaworu powietrznego, co spowoduje wydmuchanie na zewnątrz dyszy łuku pilotującego. W przypadku, gdy dysza jest w kontakcie lub w odpowiedniej odległości od elementu przeznaczonego do cięcia, nastąpi zajarzenie łuku głównego, a tym samym rozpocznie się proces cięcia, który będzie trwał do momentu zwolnienia przycisku na uchwycie. W celu uniknięcia zakłóceń jarzenia się łuku w trakcie cięcia, przesuwanie uchwytu względem materiału powinno być równomierne, a dysza uchwytu powinna być ułożona prostopadle do elementu ciętego, w stałej odległości od niego. W przypadku przerwania jarzenia się łuku w trakcie cięcia spowodowanego otworem w elemencie ciętym, zbyt wolną prędkością cięcia itp.) należy zwolnić i następnie nacisnąć przycisk na uchwycie, nastąpi ponowne zajarzenie łuku pilotującego. W zależności od prędkości cięcia łuk przechodzić będzie przez cięty materiał, w którym będzie się załamywał pod pewnym kątem. Po wielkości tego kąta można ustalić prawidłową prędkość przesuwania uchwytu, co pokazano na rys. 8. 21.

Rys. 8. 21. Ocena prędkości cięcia na podstawie kąta załamania łuku tnącego

Na rys. 8. 22, 8. 23. i 8. 24. pokazano działające urządzenie do cięcia metalu.

Rys. 8. 22. Urządzenie do cięcia metalu podczas pracy

Rys. 8. 23. Urządzenie do cięcia metalu podczas pracy

Rys. 8. 24. Urządzenie do cięcia metalu podczas pracy

W celu otrzymania stabilnego łuku i optymalnych rezultatów cięcia, po załączeniu urządzenia może wyniknąć konieczność regulacji ilości powietrza, której dokonuje się poprzez przekręcenie pokrętła regulatora ciśnienia (dopuszczając chwilowo maksymalny przepływ powietrza). Prawidłową ocenę prędkości cięcia wydaje się na podstawie oceny kąta, przy którym cięty materiał wyrzucany jest po stronie jego dolnej krawędzi, a także na podstawie obserwacji strumienia materiału i obserwacji ciętej powierzchni po wykonaniu testu cięcia. Najlepsze rezultaty cięcia otrzymuje się stosując najwyższe dopuszczalne prędkości.

Rozpoczęcie procesu cięcia wymaga wprawy i ostrożności, szczególnie przy cięciu cienkich blach oraz aluminium. W takich przypadkach cięcie powinno zaczynać się wolno, aby prawidłowo spenetrować materiał. Szybkość cięcia można zwiększyć, po przeniknięciu łuku przez dolną krawędź ciętego materiału.

Podczas normalnej pracy dystans uchwytu (odległość pomiędzy wierzchołkiem dyszy a blachą) powinien wynosić od 0 do 2mm. Dystans ten dla większości prac zapewnia sprężyna dystansowa. W przypadku materiałów z małym ryzykiem ich odbijania podczas cięcia, uszkadzającym dyszę, dystans może być minimalnie zmniejszony, co stosuje się w przypadku stali miękkiej i cienkich materiałów. Nie należy tego stosować na skorodowanej lub łuszczącej się stali miękkiej i na cienkich odcinkach stali nierdzewnej, aluminium, itp., gdyż zgromadzony na górnej powierzchni materiał może być przyczyną uszkodzenia dyszy. W przypadku, gdy prędkość cięcia jest za duża, strumień nie jest w stanie dostatecznie stopić metalu i wyrzucić go na zewnątrz elementu ciętego, co może spowodować skierowanie się części stopionego metalu ku dyszy, a co za tym idzie doprowadzić do poważnej awarii uchwytu podczas kontynuacji cięcia w takich warunkach. Nie zaleca się włączania łuku pilotującego, bez zamiaru cięcia, gdyż powoduje to niepotrzebne zużywanie się elementów uchwytu tj. elektrody i dyszy.

W przypadku rozbłysków łuku lub, gdy jego płomień będzie zielony, albo łuk będzie emitował jakikolwiek nienormalny odgłos, należy urządzenie natychmiast wyłączyć i sprawdzić stan części zużywających się. Kontynuowanie cięcia w nienormalnych warunkach może doprowadzić do uszkodzenia innych niż szybkozużywające się elementy uchwytu.

Wskazane jest rozpoczynać cięcie od krawędzi płyty lub otworu. Wykonywanie otworów powoduje wyrzucanie materiału w górę, co może być niebezpieczne i niesie ze sobą ryzyko uszkodzenia dyszy lub sprężyny dystansowej. W przypadku konieczności wykonania otworów, zaleca się zaczynać je trzymając uchwyt pod kątem, a następnie stopniowo podnosić go do pozycji pionowej, aż do momentu wykonania otworu.

Cięcie można przerwać poprzez zwolnienie przycisku w uchwycie lub przez gwałtowne oderwanie uchwytu od materiału. Po zwolnieniu przycisku na uchwycie nastąpi natychmiastowe zgaśniecie łuku, a po około 1 min. wyłączenie przepływu sprężonego powietrza. Opóźnienie w wyłączeniu przepływu sprężonego powietrza przez uchwyt jest spowodowane koniecznością schłodzenia rozgrzanych elementów uchwytu. Zabrania się wyłączenia urządzenia przez przełączenie gałką przełącznika, w pozycję 0, przed samoczynnym zamknięciem się zaworu powietrznego po zakończeniu procesu cięcia.

8. 5. Typowe przyczyny nieprawidłowego działania

Najczęstszą przyczyną ograniczającą trwałość części zużywających się są uszkodzenia eksploatacyjne. Z uwagi na to, że łuk tnie także miedź, tj. materiał, z którego wykonane są dysza i elektroda, może nastąpić zniszczenie otworu dyszy, co spowoduje odchylenie łuku od jej osi. W warunkach szczególnych łuk nie przechodzi przez otwór, lecz z elektrody do dyszy i z dyszy na obrabiany materiał, występuje tak zwany podwójny łuk - powodujący natychmiastowe wyżłobienie miedzi z elektrody i dyszy.

Jedną z częstych przyczyn powodujących uszkodzenie eksploatacyjne jest wtargnięcie ciętego materiału do otworu dyszy - szczególnie podczas wykonywania otworów, lub zatkania dyszy kawałkiem obrabianego materiału.

Zaleca się utrzymywać stałą odległość od obrabianego materiału, pracować z maksymalną prędkością, na którą zezwala urządzenie. Najlepsze rezultaty uzyskuje się na materiałach z małym stopniem ryzyka odbicia ciętego materiału, takich jak czysta stal miękka, cienkie arkusze, itp. W tabeli 8. 1. przedstawiono najczęściej występujące przyczyny nieprawidłowego działania urządzenia.

Tab. 8. 1. Najczęściej występujące przyczyny nieprawidłowego działania urządzenia

OBJAWY	PRAWDOPODOBNA PRZYCZYNA
Urządzenie nie załącza się	- brak napięcia w fazie zasilającej — załączony termostat (świeci się lampka sygnalizacyjna)
Łuk pilotujący źle się zapala	- nieprawidłowe ciśnienie powietrza zużyta lub nieprawidłowo założona elektroda/dysza uszkodzona sprężyna uszkodzona tulejka izolacyjna uchwyt zawilgocony
Łuk główny nie zapala się	- zużyta lub nieprawidłowo założona elektroda/dysza - nieprawidłowa odległość dyszy od elementu ciętego - zbyt mała szybkość cięcia - brak połączenia przewodu masowego z elementem ciętym - nieszczelność w obwodzie powietrznym - uszkodzona sprężyna lub tulejka izolacyjna
Słaba wydajność cięcia, zakłócenia strumienia tnącego w trakcie cięcia, powstanie żużla	nieprawidłowa lub zużyta dysza zużyta elektroda zużyta sprężyna - nieprawidłowa pozycja przełącznika zakresów - nieprawidłowa odległość dyszy od elementu ciętego nieprawidłowe połączenie z masą elementu ciętego nieprawidłowe napięcie zasilania nieprawidłowe ciśnienie powietrza zbyt niska prędkość cięcia zbyt wysoka prędkość cięcia zbyt duża grubość materiału ciętego
Nadmierny żużel na dolnej krawędzi cięcia	zbyt niska prędkość cięcia zniszczone lub uszkodzone części zużywające się uchwytu - nieprawidłowy przepływ powietrza
Podwójny łuk	uszkodzone części zużywające się niewystarczający przepływ powietrza dysza zablokowana nieczystościami lub zbyt blisko materiału obrabianego
Łuk główny nie jest prostopadły do obrabianego materiału	- uszkodzony otwór dyszy - wypalony środek elektrody - źle złożone części zużywające się
Nadmiar krawędzi cięcia lub jej zaokrąglona powierzchnia	- zbyt duża prędkość cięcia - zbyt duży dystans - łuk nie jest w osi - uszkodzone części zużywające się lub niezmontowane w jednej osi

8. 6. Przechowywanie i transport urządzenia

Urządzenie do cięcia plazmą powietrzną należy przechowywać w pomieszczeniach o temperaturze 283K do 313K i wilgotności względnej do 80%, wolnych od żrących wyziewów (kwasów, zasad) i pyłów.

Opakowane urządzenia należy przewozić krytymi środkami transportu w odpowiedniej pozycji, zabezpieczając je przed niekontrolowanym przemieszczaniem.

9. Zasady BHP w trakcie cięcia plazmą

Urządzenie do cięcia plazmy jest urządzeniem ekonomicznym, o wysokim standardzie technicznym, tym niemniej obsługa powinna wykazać znaczne zdyscyplinowanie w stosowaniu zaleconych środków bezpieczeństwa, które chronią przed występującymi w czasie pracy czynnikami szkodliwymi i niebezpiecznymi dla zdrowia.

Wszystkie prace powinny być prowadzone zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 27.04.2000 w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy pracach spawalniczych (Dz. U. nr 40 poz.470).

9. 1. Gazy i dymy

W trakcie cięcia plazmą powietrzną wytwarzane są szkodliwe gazy i dymy zawierające ozon, wodór oraz tlenki i cząstki metali, w związku z powyższym stanowisko do cięcia powinno mieć bardzo dobrą wentylację ( wyciąg pyłów i gazów lub usytuowanie w miejscu przewiewnym np. na wolnej przestrzeni, a jako dodatkowe zabezpieczenie zaleca się stosować maskę przeciwpyłową. Powierzchnie elementów przeznaczonych do cięcia powinny być wolne od zanieczyszczeń chemicznych, szczególnie od substancji odtłuszczających (rozpuszczalników), gdyż ulegają one rozkładowi podczas cięcia wytwarzając toksyczne gazy. Cięcie ołowiu, jak również części pokrytych ołowiem, części ocynkowanych, kadmowych, berylu (najczęściej jako składnik stopu np. beryl-miedź) i innych metali, które przy cięciu wydzielają trujące opary, jest dozwolone tylko przy użyciu ochronnej maski przeciwgazowej jak również urządzenia odciągającego i filtrującego trujące gazy i opary. Przy cięciu miedzi i jej stopów można pracować w tzw. półmasce (ochrona nosa i ust) i przy doprowadzeniu świeżego powietrza do stanowisk cięcia (dobra wentylacja).

9. 2. Promieniowanie

Promienie ultrafioletowe emitowane podczas cięcia są szkodliwe dla wzroku, w związku, z czym wymagane jest używanie maski spawalniczej z filtrami ochronnymi (szkła filtracyjne) o oznaczeniu 6 lub 7 wg PN-EN 169:1996.

9. 3. Zabezpieczenie przeciwpożarowe

Stanowisko do cięcia plazmą powinno znajdować się w bezpiecznej odległości od materiałów łatwopalnych (zwrócić uwagę na podłogę oraz pokrycie ścian), co stanowi wystarczające zabezpieczenie od możliwości zapalenia się od gorącego żużlu lub iskier. Zbiorniki paliwa można ciąć tylko w przypadku zachowania szczególnych środków ostrożności identycznych jak dla palników acetylenowych. Ochrona osobista obsługującego powinna zawierać fartuch ochronny, buty skórzane oraz rękawice skórzane z uwagi na możliwość poparzenia. Wskazane jest wyposażenie stanowiska do cięcia w koce gaśnicze i gaśnice BCE np. proszkowe lub śniegowe.

9. 4. Zabezpieczenie przeciwporażeniowe

Napięcie jałowe oraz napięcie pracy (w trakcie cięcia) jest wysokie (maksymalna jego wartość wynosi 295V), w związku, z czym należy zachować ostrożność zwłaszcza w posługiwaniu się uchwytem do cięcia. Nie wolno dotykać dyszy i części nieizolowanych uchwytu przy załączonym urządzeniu tj. po podaniu zasilania na uchwyt.

Nie wolno dokonywać wymiany uchwytu i regulacji części w uchwycie pod napięciem. Czynności tych można dokonywać po wyłączeniu napięcia. W przypadku uszkodzenia uchwytu zabrania się eksploatowania urządzenia.

Zabrania się rzucania oraz pozostawiania uchwytu na elemencie ciętym lub połączonym z przewodem masowym. W przypadku zauważenia jakichkolwiek nieprawidłowości w trakcie zajarzenia oraz cięcia, należy urządzenie natychmiast wyłączyć i odłączyć od sieci, wzywając służby konserwacyjne.

Urządzenie do cięcia plazmą powietrzną posiada l klasę ochrony przed porażeniem, w związku, z czym instalacja przyłączeniowa zewnętrzna powinna być zaopatrzona w przewód zerowy, podłączony zgodnie z obowiązującymi przepisami.

Odejmowanie osłon zewnętrznych przy urządzeniu załączonym do sieci jak również użytkowanie urządzenia ze zdjętymi osłonami jest zabronione. Prace konserwacyjne i remontowe powinny być prowadzone przez uprawnione osoby z zachowaniem warunków bezpieczeństwa obowiązujących dla urządzeń elektrycznych.

Po zakończeniu pracy lub przed mającą trwać przerwą, należy przewód zasilający odłączyć od sieci.

9. 5. Wykaz przepisów dotyczących BHP przy pracach spawalniczych

- Ogólne zasady eksploatacji urządzeń i instalacji energetycznych określa Zarządzenie Ministra Gospodarki Materiałowej i Paliwowej z dnia 18 lipca 1986r. (Monitor Polski Nr25 z dn.15 sierpnia 1986r.)

- Szczegółowe zasady eksploatacji spawarek elektrycznych określa Zarządzenie Ministra Gospodarki Materiałowej i Paliwowej z dnia 28 lutego 1987r. (Monitor Polski Nr8 z dn.26 marca 1987r.)

- Rozporządzenie Ministrów Pracy i Opieki Społecznej oraz Zdrowia z dn. 2 listopada 1954r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy spawaniu i cięciu metali (Dz.U. Nr51 poz.259)

9. 6. Inne uwagi

Urządzenie posiada stykową inicjację łuku pilotującego. Z uwagi na groźbę poparzenia od tryskającego strumienia z dyszy oraz skrócenie żywotności elektrody i dyszy uchwytu, obsługujący urządzenie powinien unikać kierowania dyszy uchwytu w kierunku do siebie lub w stronę innych osób, a także uruchamiania urządzenia (inicjowania łuku pilotującego) bez zamiaru cięcia.

Podsumowanie

Przedstawione w pracy zagadnienia dotyczą ważnych zagadnień współczesnej technologii. Technika cięcia plazmą jest jedną z najbardziej wydajnych procesów technologicznych cięcia metali. Jest on preferowany w wielu zastosowaniach, w tym także przy cięciu stali niskowęglowych.

Ważną część pracy stanowi praktyczna realizacja urządzenia do cięcia metali techniką plazmową. Opierając się na dostępnych w literaturze informacjach oraz wzorując się częściowo na urządzeniu AIR PLASMA-36, skonstruowano samodzielnie w pełni sprawne urządzenie, które może znaleźć bardzo wiele zastosowań nie tylko w pracach warsztatowych i ślusarskich, ale także np. w czasie akcji ratowniczych.

Możliwość pozyskania sprężonego powietrza z wielu źródeł sprawia, że urządzenie tnące może być zastosowane w wielu różnych sytuacjach, bez ograniczeń związanych z koniecznością podłączenia do urządzeń sprężających powietrze.

Skonstruowane urządzenie do cięcia metali przeznaczone jest do cięcia blach i elementów stalowych, aluminiowych i miedzianych o maksymalnej grubości od 4 mm (miedź) do 12 mm (stal węglowa) w zależności od ciętego materiału. Jest to proste w obsłudze urządzenie, którego regulacja nie nastręcza kłopotów. Całość zmontowana jest w niewielkiej obudowie, co sprawia, że urządzenie to można łatwo przemieszczać.

Literatura

[1] Celiński Z.: Plazma. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa 1980.

[2] Celiński Z.: Podstawy fizyki plazmy w zastosowaniach technicznych..Wydawnictwo Naukowo Techniczne. Warszawa 1970.

[3] Frank-Kamieniecki D.: Plazma - czwartym stanem materii. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa 1963.

[4] Kordus A.: Plazma w technice. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. Poznań 1973.

[5] Sadowski M.: Świat wysokich temperatur. Wiedza Powszechna. Warszawa 1965.

[6] Kumpel A.: Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali - technologie. Wydawnictwo Naukowo Techniczne. Warszawa 1999.

[7] Gourd L.: Podstawy technologii spawalniczych. Wydawnictwo Naukowo Techniczne. Warszawa 1997.

[8] Czech J., Dworak J.: Cięcie plazmowe pod wodą. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa nr 3/1996.

[9] Szulc J.: Poprawa trwałości elektrod do cięcia plazmowego powietrznego. Przegląd Spawalniczy nr 1/1995.

[10] Woźniak M., Czech J.: Zautomatyzowane cięcie plazmowe. Przegląd Spawalnictwa nr 8/1995.

[11] Instrukcja obsługi urządzenia do cięcia plazmą „POWERMAX 60Q”.

[12] Instrukcja obsługi urządzenia do cięcia plazmą „AIR PLSMA 361”.

[13] Schemat ideowy urządzenia do cięcia plazmą „AIR PLSMA 361”.

- 70 -

st. kpt. mgr inż. ANDRZEJ KACZOR

ogn. Krzysztof NOWAK

mł. ogn. Robert BAJAK

mł. ogn. Ireneusz CELEBUCKI

st. plut. Norbert KORCZ

Transformator

Zasilający sterownik

Prostownik

Główny transformator

Rezystor mocy

Płytka sterująca

Elektro zawór powietrza

manometr ciśnienia sprężonego powietrza

dioda LED czerwona sygnalizująca stan załączenia przycisku na uchwycie

dioda LED zielona wskazująca załączenie urządzenia

trójpozycyjny przełącznik (O, 20A, 35A)

przewód masowy z zaciskiem prądowym szczękowym

dioda LED żółta sygnalizująca stan termicznego przeciążenia urządzenia oraz brak wymaganego przepływu powietrza

regulator ciśnienia sprężonego powietrza

przewód do palnika plazmowego

8.2.1. Konstrukcja palnika

W konstruowanym urządzeniu zastosowano palnik urządzenia AIR PLASMA-36. Schemat oraz fotografię palnika pokazano na rys. 8. 11. oraz 8. 12.

Rys. 8.11. Schemat palnika

Rys. 8. 12. Uchwyt do cięcia

1.elektroda 7. palnik

2. tulejka izolacyjna 8. nakrętka

3.dysza 9. przewód prądu łuku pilotującego

4. sprężyna 10. złącze nasadkowe

5. tulejka ochronna 11. sprężyna dystansowa

6. rękojeść 12. klamra

ST1 - stycznik

CZ1- czujnik ciśnienia

PL 60/1- płytka sterująca

WTA- T/L 1,5A - wkładka topikowa

ST1 - stycznik

PR 1- prostownik

TR1 - transformator główny

TR2 -

transformator

sieciowy

M1- wentylator

Diody kontrolne:

D1 - czerwona,

D2 - żółta,

D3 - zielona

R1, R2 - rezystor mocy

Q -

wyłącznik

instalacyjny

WTA- T/L 1,5A - wkładka topikowa

EZ1 - zawór elektromagnetyczny

Uchwyt do cięcia

WT - termostat

---