Proprietăţile şi influenţa gazelor utilizate la debitarea cu plasmă

Sudura

de Sorin Udrea

Proprietăţile şi influenţa gazelor utilizate la debitarea cu plasmă

Ţinând cont de faptul că debitarea cu plasmă pe echipamente automate este un procedeu des întâlnit în industrie, în prezentul articol voi prezenta gazele care se pot utiliza în cadrul acestui procedeu şi influenţa acestor gaze asupra calităţii debitării. Alegerea gazelor, concentraţiile gazelor din componenţa amestecurilor şi puritatea gazelor joacă un rol important în calitatea pieselor debitate, în viteza de debitare şi, implicit, în costurile totale de debitare.

Pentru a înţelege mai bine rolul gazelor în cadrul procesului de debitare cu plasmă, încep prin a descrie etapele procesului de debitare cu plasmă cu echipamente de ultimă generaţie şi gazele utilizate în fiecare din aceste etape, în funcţie de materialul care este debitat.

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

 

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

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

Gazul de protecţie influenţează şi îmbunătăţeşte calitatea debitării, stabilizează arcul, protejează duza contra picăturilor de material topit, generate în faza de străpungere a tablei şi oferă o răcire suplimentară a consumabilelor.

 

Cele trei tipuri de gaze se vor alege în funcţie de materialul debitat şi de grosimea acestuia, conform tabelului 1.

Tip material/ Tip gaz

Gaz de amorsare

Gaz plasmagen

Gaz de protecţie

Oţel carbon

Aer comprimat

O2

N2; O2 sau aer comprimat

Oţel inoxidabil 

 

 

 

 

Table subţiri      

(<6 mm)

Aer comprimat

N2

 

Aer comprimat

N2 (la puteri de până la 200 A)

N2H2 (F5) (la puteri de peste 200 A)

Aer comprimat

N2 sau N2H2

(F5) sau H2O

Table groase

(>6 mm)

Ar

ArH2

N2 sau N2H2 (F5)

Aluminiu

 

 

 

 

Table subţiri (<8 mm)

Aer comprimat

N2         

Aer comprimat

N2 sau N2H2 (F5)               

Aer comprimat

N2

Table groase (>8 mm)

Ar

ArH2

N2

Tabel 1

 

Caracteristicile gazelor utilizate la debitarea cu plasmă

După cum am precizat, la debitarea cu plasmă se folosesc două tipuri de gaze şi anume: gazul plasmagen şi gazul de protecţie. Gazele folosite au rol foarte important în ceea ce priveşte calitatea de debitare şi, de aceea, pentru a se obţine o debitare economică şi o calitate optimă, este necesară alegerea corectă a gazului plasmagen, în funcţie de materialul de debitat.

 

Dintre proprietăţile gazelor care prezintă un rol important în cadrul procesului de debitare cu plasmă se pot enumera: gradul de ionizare şi de disociere a energiei, conductivitatea termică, greutatea atomică şi reactivitatea chimică.

 

Aerul comprimat

Aerul este cel mai versatil şi mai ieftin gaz plasmagen utilizat în debitarea cu plasmă. Principalele componente din aer sunt azotul (circa 70%) şi oxigenul (circa 21%). În acest fel, utilizarea aerului comprimat pentru debitarea cu plasmă permite combinarea proprietăţilor din cele două gaze, obţinându-se calităţi şi viteze bune la debitarea oţelului carbon, a oţelului inoxidabil şi a aluminiului.

 

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

  • tăierea oţelului carbon cu aer comprimat duce la o durificare termică a muchiei debitate, similară cu aceea rezultată în urma debitării oxigaz. Această durificare este dată de concentraţia mare de azot din gazul de protecţie;
  • nitrurarea şi oxidarea muchiilor debitate cu aer comprimat influenţează sudabilitatea pieselor debitate, în acest mod, putând determina apariţia de pori în cordonul de sudură;
  • pentru furnizarea aerului comprimat de care echipamentul are nevoie, va fi necesar un compresor bine proporţionat şi prevăzut cu staţie de filtrare şi de uscare a aerului. În scopul măririi duratei de viaţă a consumabilelor este foarte important ca aerul utilizat să fie foarte curat şi bine uscat;
  • durata de viaţă a consumabilelor utilizate la debitarea cu aer comprimat este de maxim 600 de amorsări.

 

Debitarea cu aer comprimat drept gaz plasmagen şi aer comprimat drept gaz de protecţie rămâne o soluţie des utilizată în cazul firmelor mici şi a atelierelor de producţie, fiind cea mai economică soluţie, atât în ceea ce priveşte achiziţia utilajului de debitare, cât şi în ceea ce priveşte costurile de utilizare.

 

Oxigen

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

Oxigenul poate fi clasificat în mod similar cu azotul în ceea ce priveşte conductivitatea termică şi greutatea atomică. Totuşi, oxigenul are o anumită afinitate pentru oţelurile carbon şi anume, în timpul oxidării se generează căldură, care poate fi utilizată la creşterea vitezei de debitare.

Drept gaz plasmagen, oxigenul reacţionează cu oţelul carbon, producând topirea şi eliminarea facilă a materialului din zona de debitare, sub formă de picături foarte mici şi cu o tensiune superficială mică.

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

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

 

Azot

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

Din acest motiv, azotul poate fi utilizat drept gaz plasmagen sau drept gaz de protecţie pentru debitarea tablelor subţiri din oţel înalt aliat. Utilizarea azotului drept gaz plasmagen pentru debitarea oţelului inoxidabil şi a aluminiului rămâne cea mai bună  variantă, indiferent dacă se utilizează drept gaz de protecţie tot azot sau apă, sau ames­tec N2/H2. Cel mai des utilizat gaz de protecţie, în cazul debitării cu azot drept gaz plasmagen, este tot azotul, însă, în cazul în care sistemul permite acest lucru, utilizarea apei în locul gazului de protecţie duce la scăderea costurilor de debitare şi permite obţinerea unei suprafeţe netede şi lucioase în cazul pieselor din oţel  inoxidabil.

Principalele avantaje aduse de către azot sunt excelenta calitate a debitării şi durata lungă de viaţă a consumabilelor.

Din păcate, azotul nu oferă posibilitatea debitării  tablelor din oţel inoxidabil şi din aluminiu mai groase de 10 mm şi, din această cauză, la grosimi mai mari se utilizează amestecuri Ar/H2. 

 

Argon

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

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

 

Hidrogen

Spre deosebire de argon, hidrogenul are o conductivitate termică foarte bună. Mai mult, hidrogenul disociază la temperaturi ridicate, fapt ce determină retragerea din arc a unei cantităţi mari de energie (prin ionizare), iar, în acest fel, straturile superficiale se răcesc. Acest efect conduce la o constrângere superficială a arcului şi, implicit, la obţinerea unei densităţi mari de energie. Procesul de recombinare determină eliberarea energiei retrase în baia de material topit sub formă de căldură. Totuşi, hidrogenul nu poate fi utilizat la debitare decât în amestec cu argonul, deoarece, datorită greutăţii atomice mici, nu poate produce suficientă energie cinetică pentru îndepărtarea materialului topit. Utilizarea unui procent mare de hidrogen în amestec va conduce, în cazul oţelului inoxidabil, la modificarea viscozităţii. 

 

Amestecuri de gaze

O bună parte dintre gazele enumerate mai sus se combină în amestecuri, în scopul  îmbunătăţirii calităţii şi vitezei debitării. Cele mai întâlnite amestecuri utilizate la debitarea cu plasmă sunt Argon/Hidrogen (H35) şi Azot/Hidrogen (F5).

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

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

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

În cazul debitării oţelului inoxidabil, amestecul Argon/Hidrogen determină obţinerea unei muchii drepte şi a unei suprafeţe netede.


Sorin Udrea este General Manager Laser Technology Soluţii Globale Srl



Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord