12
Červenec 2013

Využití plazma v technologii – 1. Díl

3 694 přečtení

Obrábění pomocí plazma

Co za tím stojí?

Termín plazma byl zaveden roku 1923 I. Langmuirem, na základě podobnosti s mechanismem krevní plazmy, který byl popsán J.E. Purkyněm. S plazmatem se každý z nás setkává každý den. Pokaždé když obrátíte oči ke slunci, pokaždé když v dálce uvidíte blesk, když  rozsvítíte zářivku při přípravě ranní kávy, ve všech těchto případech se setkáte s přírodním zázrakem jménem plazma.

Z fyzikálního hlediska plazma představuje čtvrté skupenství hmoty (obr.1). V celém vesmíru je téměř 99% veškeré hmoty v plazmatickém stavu. Obecně lze plazmatického stavu dosáhnout několika způsoby – zvýšením teploty, zvýšení tlaku, elektrickým výbojem . V technické praxi je využíváno elektrických výbojů (nejčastěji doutnavý výboj), vzhledem k faktu, že zahřátí plynu na 10 000°K běžným ohřevem je těžko představitelné i realizovatelné. Při částečné ionizaci plynu dosahujeme teplot přibližně 20 000°K, a při úplné ionizaci plynu až 100 000°K což umožňuje efektivní natavení materiálu.

Skupenstvi

Obr. 1 – Jednotlivá skupenství hmoty při zvyšování energie (Zdroj: VŠB)

Jak to funguje?

Technologii obrábění plazmovým paprskem (dále jen PBM), řadíme do kategorie svazkových technologií obrábění. K úběru materiálu využívá usměrněný a fokusovaný proud ionizovaného plynu – plazmatu. Vývoj použití plazma v obrábění započal již v 60. letech 20 století a pokračuje dodnes, přičemž hlavní důraz je kladen na snížení energetické náročnosti procesu a na zlepšení technologických parametrů.

Při PBM je využívána vysoká teplota a dynamika plazmového svazku. Plazma se vytváří pomocí energetického výboje (nízkonapěťový výboj, doutnavý výboj…) v proudu plazmového plynu. Výboj vzniká mezi neodtavující se wolframovou elektrodou, která tvoří katodu (záporný pól), a anodou. Anodu může tvořit jak základní materiál, tak i hlavice řezací hlavy.

Vlivem dopadajícího paprsku s vysokou hustotou energie (108 – 109 W.m-2) na povrch děleného materiálu dochází k jeho natavení. Dynamikou plazmového svazku pak dochází k vyfouknutí taveniny materiálu skrz řeznou spáru (Obr.2). Jelikož je plazma, a tím i plazmový svazek, nestabilní je nutné jej chránit před působením vzdušné atmosféry.

Princip

Obr. 2 – Princip PBM (Zdroj: VŠB)

Jak již bylo uvedeno, k vytvoření svazku plazmy dochází pomocí napěťového výboje. Tento výboj může procházet mezi wolframovou katodou a řezaným materiálem – hovoříme o přenášeném oblouku. Nebo mezi wolframovou katodou a výstupní tryskou řezací hlavice – hovoříme o nepřenášeném oblouku. Oba způsoby jsou znázorněny na Obr. 3

výstup

Obr. 3 Řešení zapalování plazmového oblouku – (a) přenášený oblouk, (b) nepřenášený oblouk (Zdroj: VŠB)

V tomto případě vzniká oblouk mezi katodou a řezaným materiálem. Tento způsob je označován jako PAM (plasma arc machining), a je využívám pro dělení vodivých materiálů (oceli, hliník atd.). Přenášený oblouk je také produktivnější než oblouk nepřenášený.a) Přenášený oblouk

b) Nepřenášený oblouk

Jak je vidět z obr. 3, dochází k vytvoření výboje mezi katodou a výstupní tryskou, která je nejčastěji měděná. Výhodou tohoto oblouku, označovaného jako PBM (plasma beam machining) je možnost obrábění i nevodivých materiálu, ovšem nevýhodou je rychlé opotřebení výstupní trysky.

Co musíme nastavit?

Je zřejmé, že kvalitu výsledného výrobku budou výrazně ovlivňovat technologické parametry řezacího procesu. Mezi hlavní parametry řadíme (a) Použité plyny, (b) stabilizace paprsku, (c) způsob chlazení hlavice řezací hlavy, (d) parametry plazmového výboje:

(a) V případě obrábění plazmovým paprskem je rozlišován především plyn plazmový a ochranný, v případě svařování plazmatem pak i plyn fokusační. Plazmový plyn je pomocí oscilátoru a napěťového výboje přeměněn v proud plazma. Plyn ochranný pak chrání proud plazma i dělený materiál před účinky okolní atmosféry.

tabulka

Tab. 1 – Používané plyny pro jednotlivé materiály (Zdroj: Sedlák, VUT)

(b) Jak již bylo výše uvedeno plazmový svazek, je sám o sobě nestabilní. Je tedy nutné jej stabilizovat. V praxi se ke stabilizaci nejčastěji využívá ochranného plynu nebo vodní clony. Jednotlivé metody budou popsány dále. 

(c) Při průchodu plazmatu hubicí řezací hlavy dochází k intenzivnímu sdílení tepla. Je tedy zřejmé, že je nutné provádět silné chlazení, aby se zabránilo předčasnému opotřebení trysky nebo její destrukci. V praxi je hlavice vybavena kanály pro proudění chladícího média, možné způsoby chlazení jsou na Obr. 4

chlazení

Obr. 4 – Technologické řešení chlazení plazmových hořáků a) Přímé chlazení, b) Nepřímé chlazení, c) Chlazení plynem (Zdroj: VŠB)

(d) Mezi tyto důležité parametry počítáme především: velikost proudu a napětí, hustota energie, kvalita svazku, vzdálenost materiálů… Tyto parametry se liší pro jednotlivé materiály, a jejich nastavení závisí od doporučení výrobců a zkušenosti obsluhy. Ale obecně se nastavené proudy pohybují od 15 – 1200 A při napětí 100 – 250 V DC, vzdálenost by neměla přesáhnout 10 mm (při vyšší výšce většinou nedojde k zapálení oblouku) zároveň při špatně nastavené vzdálenosti dochází k vlivu na řezaný povrch (Obr. 5).

nastavení hořáku

Obr. 5 – Vliv nastavení hořáku na výsledek obrábění (Zdroj: Hypertherm plasma)

Dalším důležitým technologickým parametrem je rychlost pohybu řezací hlavy. Rychlost posuvu závisí na tloušťce řezaného materiálu, ale obecně se pohybuje od 0,2 do 7,5 m.min-1. Při špatném nastavení (ať již vyšším či nižším) dochází k zaostávání paprsku nebo k jeho stabilizaci

rychlost

Obr. 6 – Vliv nastavení hořáku (Zdroj: Hypertherm plasma)

Praktické řešení technologie

Jako všechny technologie tepelného dělení materiálu se i PBM od svého vynálezu vyvíjela, dále zmíněná technologická řešení tento vývoj do jisté míry kopírují.

a) Konvenční dělení

V tomto případě se jako plazmový plyn využívá čištěný vzduch. Maximální hodnota proudu je 100 A a tloušťka materiálu 16mm. Tento způsob je historicky nejstarší, a technologicky velmi jednoduchý. Ovšem jeho značným limitem je nízká produktivita a velká energetická náročnost.

Konvenční způsob

Obr. 7 – Konvenční způsob dělení (Zdroj: Hypertherm plasma)

b) Dvoj-plynové dělení

Tento v praxi nejrozšířenější způsob dělení využívá, jak název napovídá, dvou plynů – plazmového (Vzduch, N2, H2) a ochranný (Ar). Dvoj-plynové dělení umožňuje dosáhnout čistého řezu bez okují.

Dvoj plyn

Obr. 8 – Dvoj-plynové dělení (Zdroj: Hypertherm plasma)

c) Dělení s vodní clonou

Pracuje na odbobném principu jako dělení dvoj-plynové, ovšem místo ochranného plynu využívá proudu vody. Nejčastěji se využívá pro obrábění nerezavějících ocelí a hliníku.

voda

Obr. 9 – Dělení s vodní clonou (Zdroj: Hypertherm plasma)

d) Dělení se vstřikováním vody

Opět je použit pouze plazmový plyn. Voda je přiváděna přímo do plazmového svazku, kde dochází k interferenci proudu plazmy a vody, přičemž dojde k zúžení paprsku plazmy a zvýšení hustoty energie. Což má za následek zvýšení kvality výsledného povrchu.

vstřikování vody

Obr. 10 – Obrábění se vstřikováním vody (Zdroj: Hypertherm plasma)

e) Dělení pod vodou

Spočívá v ponoření hořáku (50-100 mm) pod hladinu ochranné kapaliny. Dochází tak k účinné redukci dýmu a škodlivých látek, které jinak mají tendenci unikat do okolního prostředí. Tato metoda je považována za nejekologičtější.

Jak je vidět, všechny předchozí zmiňované metody mají své výhody a nevýhody, shrnutí celkových výhod a nevýhod technologie PBM je v Tab. 2

vyhoddy

Tab. 2 – Shrnutí výhod a nevýhod technologie PBM

Přečtěte si také stránky společnosti Hypertherm plasma, která je vedoucím hráčem na poli technologie PBM. V dalším dílu se můžete těšit na využití plazmatu při svařování.

[ Zapoj se do diskuse ]

[ Můžeš být první! ]

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Obrázek se nastaví podle emailové adresy pomocí služby gravatar.com.