44 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | marzec 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Cięcie plazmowe

Warsztat |

Cięcie plazmowe jest możliwe dzięki proce-sowi jarzenia się łuku elektrycznego, który następuje pomiędzy nietopliwą elektrodą

(zbudowaną najczęściej z miedzi z wkładką z mate-riału nietopliwego (Rys. 1), a materiałem przezna-czonym do cięcia. Łuk elektryczny przepływając przez specjalnie zaprojektowaną dyszę plazmową (wykonaną z miedzi; – Rys. 2) zostaje skoncentro-

wany na niewielkiej po-wierzchni. Przepływający bez przerwy gaz plazmo-twórczy otrzymuje wów-czas duży stopień joniza-cji, dzięki czemu uzyskuje się strumień plazmowy o  znacznej koncentracji energii (Rys. 3). Istotną rolę w procesie tworzenia

się łuku plazmowego może odgrywać jonizator, którego zadaniem jest ułatwienie zajarzenia łuku elektrycznego. Dzieje się tak, ponieważ jonizator wysyła krótkie impulsy o wysokiej wartości napię-cia w  obszarze pomiędzy elektrodą, a  dyszą pla-zmową, co z  kolei wpływa na zmniejszenie opor-ności w tej przestrzeni.

W poniższym opisie nie dokonywano podziałów pomiędzy wypalaniem plazmowym ręcznym czy

automatycznym, z racji tego, że wie-le kwestii, zarówno tych związanych z budową palnika, cięciem, jak i zu-żywaniem się elementów eksploata-cyjnych uchwytu plazmowego, jest w  obu wypadkach podobna (przy-kładowa budowa uchwytu palnika plazmowego została przedstawiona na rysunku 4).

Zużycie części eksploatacyjnych i zniszczenie palnika przy wypalaniu plazmowymcz. 1

Konstrukcje palników plazmowych różnią się między sobą ilością części, rozmiarami i rozwiązaniami technicznymi. Zużycie elementów eksploatacyjnych palnika, czy też jego samego, jest procesem nieuniknionym i zależy od wielu czynników. W niniejszym artykule postaramy się to przedstawić na konkretnych przykładach.

Paweł Wilk

rys. 1a Elektroda wraz z zaznaczonym

wkładem nietopliwym

rys. 1b Widok elektrody plazmowej [źródło: www.spaw.info.pl]

rys. 2. Dysze plazmowe

45Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | marzec 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Cięcie plazmowe

| Warsztat

ElektrodyTrwałość elektrod może wynieść od 1 do 5 godzin cięcia. Wielu producentów elektrod, agregatów pla-zmowych zaleca, aby powstający krater w  elektro-dzie nie przekraczał 1,5 – 2 mm głębokości (Rys. 5). Krater ten z reguły powstaje przez odrywanie się mikroskopijnych cząstek materiału trudnotopliwego (najczęściej – cyrkon lub hafn). Materiał ten, wystę-pujący przeważnie w  postaci krótkiego – do około 4 mm długości drutu, jest wciśnięty w ciasny otwór miedzianego korpusu elektrody (Rys. 6). Koniecz-ność wymiany elektrody w  nowszych urządzeniach może być sygnalizowana przez zapalenie się np. czer-wonej lampki ostrzegawczej na obudowie agregatu. W tańszych urządzeniach maksymalne zużycie elek-trody skutkuje brakiem możliwości zajarzenia łuku.

rys. 3. Zasada działania plazmy [Poradnik Inżyniera Spawalnictwo, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa, 2003] /1/

rys. 4. Przykład budowy uchwytu plazmowego (Binzel Abiplast cut 110)

rys. 5a Widok elektrody o prawidłowym zużyciu

rys. 5b Przekrój elektrod, których zużycie jest prawidłowe i wynosi około 1,5 mm

rys. 6. Przekrój nowej elektrody. Po prawej stronie widoczna wkładka z materiału nietopliwego

rys. 7a Skrajnie zużyta elektroda; Widoczne wypalenie „korony” korpusu elektrody

rys. 7b Zużyta elektroda – widok z góry krateru

46 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | marzec 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Cięcie plazmowe

Warsztat |

Zdarza się, że pomimo przekroczenia wartości 1,6 mm głębokości krateru praca może być dalej konty-nuowana. Skrajne zużycie elektrody widać na rysun-kach 7. Rysunek 8 z kolei przedstawia miejsce niezre-alizowanego wpalenia przez zużytą elektrodę. Można zauważyć tam powierzchnię natryśniętą drobinami miedzi, a obok niej (srebrne miejsca) materiału nieto-pliwego. W takich przypadkach „dopalania” się elek-trody można usłyszeć głośny świst, zaczyna pojawiać się łuk plazmowy w kolorze zbliżonym do zielonego,

a  powierzchnia cięcia jest w  tak złym stanie, że nie można na-wet nazwać tego przecięciem tylko rozdzieleniem materiału. Powierzchnia po obu stronach linii cięcia może być pokryta brunatnym osadem, pochodzą-cym z pojawiającego się wówczas dymu. Stosowanie zużytych ele-mentów eksploatacyjnych może niekorzystnie oddziaływać na żywotność uchwytu lub agregatu plazmowego.

Mówiąc o  ręcznych przecinar-kach plazmowych należy zwrócić uwagę na czas potrzebny do za-inicjowania procesu cięcia. Z  po-wodu zużytej elektrody łuk się nie zapala. Następuje kolejna próba

i znowu nic. Zdarzają się urządzenia, w których w mo-mencie przekroczenia pewnego czasu trzymania przy-cisku włączającego, gdy łuk się nie zapala (od 2 do kil-ku sekund) istnieje możliwość uszkodzenia jonizatora, a w konsekwencji konieczność jego wymiany.

Można wyróżnić dwa rodzaje elektrod: jedno- i  dwustronne. Najbardziej rozpowszechnione są

rys. 8 Nieudana próba wypalenia otworu. Z powodu zużytej elektrody nie doszło do wpalenia, strzałką zaznaczono miejsce w którym rozprysła się miedź z korpusu elektrody;

rys. 9 Przykłady elektrody dwustronnej; po lewej: elektroda zużyta, po prawej: elektroda nowa

rys. 10 Elektrody alternatywne, coraz częściej stosowane podczas cięcia; po lewej: elektroda srebrna; widoczny czarny nalot – pozostałość po nadtopionym zawirowywaczu, po prawej: elektroda miedziana ze srebrną wkładką (miejsce łączenia oznaczono strzałką)

47Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | marzec 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Cięcie plazmowe

| Warsztat

elektrody jednostronne, stosowane głównie w urzą-dzeniach chłodzonych cieczą. Ich budowa pozwala na dotarcie czynnika chłodzącego bezpośrednio za rdzeniem z  materiału nietopliwego, dzięki czemu chłodzenie elektrody jest dużo bardziej intensyw-ne. Elektrody dwustronne (Rys. 9) są mniej rozpo-wszechnione, stosowane w wypalarkach o mniejszej mocy chłodzonych głównie przepływającym gazem, a  do ich największych zalet należy zaliczyć to, że po zużyciu jednej strony elektrody można ją obró-cić i pracować dalej. Na rynku można spotkać także elektrody wykonane ze srebra w  całości lub w  pew-nej części (nie licząc wkładu z materiału nietopliwe-go) (Rys. 10). Jak wiadomo srebro ma dużo mniej-szą oporność elektryczną (rezystywność) niż miedź (oporność miedzi jest o 11% większa od srebra). Para-metr ten oddziałuje znacząco na szybkość chłodzenia elektrody, co z kolei wpływa korzystnie na jej pracę i daje możliwość zwiększenia parametrów cięcia, jed-nocześnie zwiększając jej żywotność. Elektrody te są kilkakrotnie droższe od miedzianych.

Na żywotność elektrody wpływa ilość zajarzeń łuku plazmowego (im więcej tym większe zużycie). Rysunek 11 przedstawia dwa widoki programów na

przecinarkę plazmową CNC, z  których je-den ma małą ilość zajarzeń i mniejszą ilość metrów cięcia. Większe zużycie części wy-stąpi przy arkuszu o  większej liczbie zaja-rzeń. Grubość blachy i gatunek ciętego ma-teriału również odgrywa dużą rolę, zmienia się wówczas wartość przyłożonego natęże-nia prądu i prędkość cięcia.

Dysze plazmoweDysze plazmowe to elementy najbardziej na-rażone na uszkodzenia. Żywotność dyszy wynosi od jednego (w bardzo niekorzystnych warunkach) do kilkuset, a nawet kilku tysię-cy zajarzeń, lub do 3 – 4 godzin cięcia. Dysze z jednej strony mogą być narażone na „ude-rzenie” strumieniem łuku elektrycznego po-wierzchni wewnętrznej, znajdującej się przed otworem wlotowym dyszy – co może być wy-wołane przez pracę zużytą elektrodą. Zdarza się, że przez bezmyślność czy nieumiejętność

rys. 11 Wydruki z programu do wypalenia plazmą CNC [WRYKRYS]a) Blacha o grubości 3 mm z małą ilością elementów. Na arkuszu o wymiarach 1500x3000 znajduje się: 18 elementów, 65 zajarzeń łuku plazmowego i około 40 metrów cięciab) Blacha o grubości 3 mm z dużą ilością elementów. Na arkuszu o wymiarach 1500x3000 znajduje się: 64 elementy, około 350 zajarzeń luku i około 80 metrów cięcia

rys. 12a Nieudana próba przecięcia blachy o grubości 6 mm

rys. 12b Nieudana próba wypalenia otworu o średnicy 50 mm w blasze o grubości 40 mm, spowodowana źle dobranymi parametrami

a

b

48 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | marzec 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Cięcie plazmowe

Warsztat |

pracownika obsługującego plazmę (nie założenie dy-szy o  odpowiedniej wielkości otworu do danej gru-bości blachy czy niedostosowanie wartości prądu do średnicy otworu w dyszy) następuje uszkodzenie dyszy. Rysunek 12 przedstawia efekty cięcia ze źle dobranym natężeniem (złymi parametrami) cięcia. Można zauważyć niedocięcie materiału, a w drugim przypadku przy wypalaniu otworu – brak możliwości wpalenia. W takim przypadku trzeba liczyć się z tym, że przy powtórnym cięciu (tego samego elementu),

już na odpowiednich parametrach, obszar przy krawędziach cięcia będzie zniekształcony a nawet zniszczony, wy-magający dalszej obróbki.

W momencie cięcia, a  także w opisanej sytuacji, może dojść do odpryśnięcia sto-pionego metalu w  okolice otworu dyszy, przez co nie nadaje się ona do dalszej pracy.

Kontynuacja cięcia bez wymiany dyszy na nową skutkuje tworzeniem się znacz-nego ukosu powierzchni cięcia, (przed-

stawiony na rysunku 13 wraz z przekrojem dyszy wy-wołującym te zjawisko).

Należy dodać, że podczas cięcia blach, rur czy innych kształtowników, wprowadza się energię do materiału w  postaci ciepła, wówczas mogą pojawić się odkształce-nia czy nawet uwolnienie się naprężeń i materiał wówczas może „falować” – co pokazano na rysunku 14. W takim przypadku istnieje możliwość uderzenia powierzchnią blachy w dyszę, co spowoduje jej uszkodzenie. Falowanie może odbywać się tak szybko, że znajdujący się w niektó-rych urządzeniach system automatycznego podnoszenia czy obniżania palnika nie zawsze zdąży zareagować (mowa o wypalarkach plazmowych CNC). W ręcznych przecinar-kach wykorzystuje się różnego rodzaju sprężyny czy sanki prowadzące, których zadaniem jest zachowywanie takiej samej odległości palnika od materiału ciętego. Stosuje się je, ponieważ człowiek nie jest w stanie utrzymywać odpo-wiedniej odległości pomiędzy dyszą, a elementem ciętym na całej długości linii cięcia. W przypadku pojawienia się „falowania”, w  odpowiednim momencie należy zatrzy-mać proces cięcia, skorygować go i rozpocząć od miejsca, w którym cięcie przerwano. Jest to bardzo niekorzystne,

rys. 13a Nadmierny ukos (około 5 mm) powstały podczas cięcia blachy o grubości 12 mm

rys. 13b Przekrój zniszczonej dyszy plazmowej. Otwór dyszy jest zniekształcony z dwóch stron.

rys. 14 Wybrzuszenie blachy o grubości 6 mm powstałe w wyniku uwolnienia się naprężeń podczas cięcia

49Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | marzec 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Cięcie plazmowe

| Warsztat

ponieważ spowalnia proces cięcia ale też naraża zakład na straty, gdyż podczas „falowania” element może delikatnie zmienić swoje położenie (w górę i na boki), przez co wy-miary danego detalu mogą ulec zmianie. Krawędź cięcia w  tym przypadku bardzo często ma kształt schodkowy, co jest nie do przewidzenia i skorygowania, ponieważ nie można przesuwać blachy po rozpoczęciu wypalania ele-mentów.

Można wyróżnić kilka rodzajów dysz. Dysze do pracy bezstykowej i  dysze do cięcia stykowego, posiadające na powierzchni styku nacięty krzyżyk, dzięki któremu pod-czas cięcia ewentualne odpryski lub inne produkty cięcia odprowadzane są na zewnątrz, nie niszcząc dyszy (dysze do pracy stykowej przedstawiono na rysunku 15). Istnieją także dysze do żłobienia rowków. Coraz częściej produ-cenci stosują dodatkową dyszę, tzw. dyszę osłonową. Jej zadaniem jest osłonięcie dyszy głównej przed odpryskami ciekłego metalu, by nie dopuścić do jej uszkodzenia. Dysza ta może posiadać dodatkowe otwory w celu lepszej ochro-ny przed ewentualnymi odpryskami.

Warunki pracy a przegrzanie palnika plazmowegoTemperatura na stanowiskach pracy jest ściśle określona przez przepisy. Najkorzystniejsza temperatura otoczenia dla przecinarek plazmowych podczas pracy to kilkanaście stopni Celsjusza. Z powodu różnych czynników zdarza się, że nie zawsze istnieje możliwość osiągnięcia takiej temperatury na hali produkcyjnej, czy innym miejscu gdzie znajduje się dane urządzenie. W skrajnych przypadkach może dojść do sytu-acji gdzie temperatura będzie sięgać 30 °C, a w innych poni-żej 0 °C. W pierwszym przypadku może następować dużo szybsze nagrzewanie się agregatu plazmowego, przez co czę-sto będzie reagować wyłącznik termiczny, aby nie przegrzać

urządzenia. Oznacza to kilkunastominutowe przerwy w pra-cy występujące najczęściej podczas cięcia grubszych blach w  związku z  koniecznością stosowania dużych wartości prądu. W drugiej sytuacji, gdy temperatura pracy jest dużo niższa (poniżej 0 °C) nie powinno się do chłodzenia używać wody destylowanej. Należy pamiętać o  stosowaniu płynu niezamarzającego np. stosowanego w  spawalnictwie jako ciecz chłodząca uchwyty spawalnicze w spawarkach o więk-szej mocy. Nie zaleca się stosowania płynów używanych w branży motoryzacyjnej. Dobór odpowiedniego czynnika chłodzącego powinien opierać się na zaleceniach producenta, tak aby nie wpływał niekorzystnie na elementy układu chło-dzenia. Można sobie wyobrazić sytuację, w której w tempera-turze poniżej 0 °C agregat jest chłodzony wodą. Jeśli zakład pracuje na dwie lub trzy zmiany ciecz jest na bieżąco „pod-

grzewana” podczas cięcia, lecz w przypadku jednej zmiany i kilku dni przerwy od pracy, w wężykach doprowadzających ciecz chłodzącą zamarza woda. Z reguły są to wężyki o ma-łym przekroju, przez co możliwość zamarznięcia czynnika chłodzącego jest dużo większa. Następuje rozpoczęcie pro-cesu cięcia i  z  braku chłodzenia, przy ogromnej tempera-turze dochodzącej od kilkunastu do kilkudziesięciu stopni Celsjusza, następuje przegrzanie palnika, rozszczelnienie go i zniszczenie (Rys. 16). Opisana sytuacja pokazuje jak waż-ne jest stosowanie odpowiednich płynów eksploatacyjnych, a także bieżąca kontrola właściwej pracy układu chłodzenia.

Paweł Wilk

LOGITERM

Literatura:Poradnik inżyniera spawalnictwa, WNT, 2005;

Mały poradnik mechanika, WNT, 1994;

rys. 16 Zdjęcie przegrzanego palnika. Widoczne pęknięcie i zwęglenie korpusu.

rys. 15 Widok dyszy przeznaczonej do cięcia stykowego, w górnej części nacięty charakterystyczny krzyżyk [źródło: www.spaw.info.pl]