Capitolul 13.2_Sudarea Si Debitarea Cu Plasma

SUDAREA METALELOR SI ALIAJELOR

TANAVIOSOFT 2011

1

Autor : profesor Tănase Viorel

C13

Capitolul 13

13.PROCEDEE MODERNE DE SUDARE

13.2.SUDAREA SI DEBITAREA CU PLASMA

13.2.1. CARACTERISTICILE PLASMEI TERMICE Plasma este un ansamblu de particule pozitive, negative, neutre si fotoni

având proprietatea de neutralitate electrică la scară macroscopică. Particulele pozitive sunt bionii atomici si moleculari iar cele negative sunt electronii. Particulele neutre sunt atomii sau moleculele aflate în stare cuantică fundamentală sau excitată. Prin dezexcitarea acestora iau nastere fotonii. Starea ionizată gazoasă reprezintă cea de-a patra stare de agregare a materiei. Nu orice gaz ionizat este plasmă.

Din punct de vedere energetic, plasma se află pe cel mai înalt nivel. Trecerea de la starea de gaz la plasmă necesită un aport energetic în medie de 1...3 0eV / p a rt icu la . Dacă trecerea la plasmă se face prin ionizări termice la temperaturi 104 ...105 K , se obtin plasme slab ionizate, iar la temperaturi de 107 K se obtin plasme total ionizate, fără particule neutre. Între particulele plasmei au loc ciocniri elastice si ciocniri neelastice, ca în orice gaz. Cele din urmă constituie factorul principal de transformare a gazului neutru în plasmă. De exemplu, ciocnirea unui electron rapid cu un atom neutru poate produce fenomenul de ionizare, deci aparitia unui ion pozitiv si a unui electron. Deasemenea, acest tip de interactie produce fenomenul de excitare, fenomen care populează plasma cu atomi excitati pe diferite nivele; prin dezexcitare, acesti atomi emit fotoni, ce populează plasma cu radiatie electromagnetică.

13.2.2.PROCEDEE DE GENERARE A PLASMEI În general, starea de plasmă poate fi obŃinută pe una dintre următoarele

căi: străpungerea electrică a gazelor la tensiune înaltă; bombardarea tintelor solide, lichide sau gazoase cu particule încărcate cu energie cinetică mare ( fascicule accelerate de electroni sau ioni în

câmpuri foarte intense). bombardarea tintelor solide lichide sau gazoase cu radiatie

electromagnetică


TANAVIOSOFT 2011

2


C13

de mare densitate de energie. Fasciculele laser de mare intensitate pot transfera substantei suficientă energie pentru a o transforma în plasmă; reactii chimice exoterme; unde de soc sau prin transferul de energie a unui mediu elastic supus

unei puternice unde de soc elastic către mediul de interes;

13.2.3. CONSTRUCTII DE PRINCIPIU ALE PLASMATROANELOR Plasmatroanele numite si instalatii de arc suflat, pot fi:

plasmatroane cu arc direct sau cu arc transferat, figura 4.4a, la care coloana arcului ce se formează între electrod si piesă de lucru este suflată printr-o duză de gazul plasmagen introdus longitudinal sau paralel cu electrodul.

plasmatron cu arc indirect sau cu arc netransferat, figura 4.4.b, la care arculeste amorsat între electrod si duză, si este suflat prin duză de gazul plasmagen introdus transversal pe coloană;

Cerintele impuse constructiei plasmatroanelor sunt: izolarea zonei de ardere de spatiul înconjurător si răcirea electrozilor; înlocuirea arcurilor stationare cu arcuri în impulsuri de mare putere; constrângerea coloanei de arc într-un spatiu restrâns, de sectiune

constantă; introducerea unui gaz sub presiune în zona de ardere, printr-o duză

calibrată.


TANAVIOSOFT 2011

3


C13

Gazele plasmagene au ca scop: ionizarea spatiului de descărcare; distribuirea ratională a energiei în spatiul de descărcare; protejarea electrodului de wolfram împotriva oxidării; incompatibilitate chimică cu materialul de prelucrat;

Se folosesc, prin urmare: gazele inerte monoatomice, argonul si heliul, care au dezavantajul unei

insuficiente capacităti de cedare a căldurii; energia cedată materialului de prelucrat este energia de ionizare gazele inerte biatomice, azotul si hidrogenul, care la trecerea prin ajutaj

suferă si un proces de disociere însotit de o puternică absorbtie de căldură, cedată ulterior materialului de prelucrat. Parametrii gazului plasmagen sunt debitul si presiunea, ale căror valori trebuie să

asigure stabilitatea si caracteristicile arcului de plasmă.

13.2.4. GENERATOARE DE PLASMĂ Generatoarele de plasmă depind de gradul de ionizareal plasmei si de sursele de energie necesare. Criteriile de clasificare a generatoarelor de plasmă sunt: A. După felul curentului: Generatoare de plasmă alimentate in curent continuu . Plasma are aplicatii la presiuni comparabile cu presiunea atmosferică,

temperaturi în intervalul 6000...15000K si puteri sub câteva sute de kW.

Fig.13.2.4.1.


TANAVIOSOFT 2011

4


C13

Arcul electric arde fie între un electrod, de obicei din wolfram, legat la polul negativ al sursei si un ajutaj din cupru legat la polul pozitiv, fie între electrod si piesa metalică supusă prelucrării. Din acest punct de vedere se disting: generatoare cu jet de plasmă, cu arc închis sau netransferat generatoare cu arc de plasmă, cu arc deschis sau transferat .

Fig.13.2.4.2.

Generatoare de plasmă alimentate in curent alternativ trifazat Schema de principiu este prezentată în figura 13.2.4.2. Arcul electric amorsat între electrozii alimentati de la o sursă de curent alternativ produce prin ionizarea gazului cu ajutorul jetului de plasmă e. Acesta este concentrat cu ajutorul ajutajului de cupru răcit cu apă. Alimentarea în curent alternativ trifazat asigură cea mai bună stabilizare a arcului pe toată durata procesului, având însă dezavantajul unei constructii mai complicate. Instalatia se foloseste pentru puteri mai mari de 100 kW. Se mai întâlnesc generatoare de plasmă de curent alternativ cu alimetare directă (sursa de curent alternativ se conectează între piesă si electrod) si generatoare de plasmă cu alimentarea arului pilot prin punte redresoare, asigurându-se o stabilitate mai bună a arcului electric.

Generatoare de plasmă alimentate in curent de inaltă frecventă Plasma obtinută se caracterizează printr-o stabilitate mai mare decât plasma de frecventă industrială. Amorsarea procesului de generare a plasmei este facilitată de prezenŃa unui electrod radioactiv. Este economică la temperaturi în jur de 6000K , presiuni inferioare celei atmosferice si puteri maxime de ordinul


TANAVIOSOFT 2011

5


C13

kilowatilor. Generatoare de plasmă puternic ionizată obtinută cu ajutorul reactiilor de

fisiune nucleară, cu o temperatură până la C 50000o . B. În functie de modul de stabilizare al plasmei Stabilizarea arcului electric are ca scop constrângerea coloanei arcului si centrarea acestuia în axa electrodului si a ajutajului. Generatoarele pot fi: Generatoare de plasmă cu stabilizarea cu gaz a coloanei de arc; Generatoare de plasmă cu stabilizarea magnetică a coloanei de arc;

Generatoare de plasmă cu stabilizarea cu apă a coloanei de arc; Stabilizarea arcului cu gaz este cea mai frecvent utilizată. Există două moduri de stabilizare cu gaz: cu stabilizare longitudinală - gazul plasmagen este insuflat axial, formând o

manta protectoare pentru electrod si ajutaj si răcind suplimentar electrodul. Presiunea gazului produce deplasarea plasmei în lungul axei geometrice a ajutajului. Se obtine un arc electric linistit si lung. cu stabilizare tangentială - gazul este insuflat în spatiul arcului printr-unul sau

mai multe orificii dispuse astfel încât să aibă loc o miscare turbionară. Ca urmare, în axa ajutajului presiunea scade în raport cu zona dinspre peretii acestuia si are loc autoconcentrarea a coloanei arcului . Stabilizarea tangentială este specifică generatoarelor cu arc de plasmă.

C. În functie de materialul electrodului Generatoare de plasmă cu electrod consumabil din grafit, echipate cu sisteme automate de avans a electrodului pe măsura uzurii acestuia Generatoare de plasmă cu electrod neconsumabil de wolfram aliat cu thoriu sau lantaniu pentru stimularea emisie electronice. Ca gaz plasmagen se recomandă argonul si heliu. Generatoare de plasmă cu electrod cu peliculă de protectie din zirconiu presată pe o manta din cupru D. În functie de natura gazului plasmagen Tipul gazului plasmagen este important din punct de vedere al compatibilitătii chimice cu materialul electrodului si al stabilitătii arderii arcului electric. Generatoare de plasmă cu gaze inerte: argon, heliu. Generatoare de plasmă cu gaze oxidante: oxigen, aer Generatoare de plasmă cu gaze reducătoare: hidrogen, azot

E. În functie de forma catodului Generatoare de plasmă cu catod ascutit la care pata catodică se concentrează pe


TANAVIOSOFT 2011

6


C13

vârful catodului asigurând un arc mai stabil, cu dazavantajul uzurii accentuate a acestuia si necesitatea reconditionării Generatoare cu catod plat la care pata catodică se deplasează permanent pe

suprafata catodului creind conditii de instabilitate a arcului de plasmă. F. În functie de aplicabilitatea tehnică: generatoare de plasmă pentru tăiere termică; generatoare de plasmă pentru sudare; generatoare de plasmă pentru metalizare;

generatoare de plasmă pentru încărcare prin sudare; generatoare de plasmă pentru diferite aplicatii tehnice în metalurgie, chimie.

F. În functie de puterea generatorului generatoare de putere medie si mare (15-60 kW); microgeneratoare (0,5-2 kW).

13.2.4. PROCESE TERMICE IN AJUTAJE Concentrarea arcului de plasmă este determinată de profilul, dimensiunile si

materialul ajutajului. La temperaturi ale arcului de plasmă, ce depăsesc 10000 K, un procentaj important din energia termică este cedat ajutajului, având drept consecinte chiar topirea, respectiv vaporizarea materialului ajutajului. Mărirea debitului de gaz permite formarea unui strat de gaz relativ rece între peretii ajutajului si coloana arcului de plasmă. Utilizarea unor gaze plasmagene cu conductibilitate termică ridicată (hidrogen, heliu), favorizează cedarea de căldură spre ajutaj. Reducerea uzurii ajutajului implică asigurarea conditiilor transfer a căldurii în masa ajutajului si executarea acestuia din materiale stabile la temperaturi înalte.

Mărirea diametrului canalului ajutajului poate fi o măsură de protectie termică, dar prin aceasta scade concentratia particulelor în zona axială. Ca fluide de răcire se utilizează apa, freonul si glicerina. La generatoarele de putere medie se aplică răcirea cu gaze, de exemplu aerul comprimat. Materialul din care se execută ajutajele trebuie să aibă valori mari ale conductibilitătii termice, căldurii specifice, temperaturii si căldurii latente de topire. S-au realizat ajutaje din cupru, otel, wolfram, grafit, carbură de siliciu, zirconiu si alte materiale. Cele mai bune rezultate s-au obtinut cu ajutajele din cupru răcite, care au o durată de viată redusă, motiv pentru care necesită o constructie simplă, economică, usor de înlocuit. Foarte stabile termic sunt si ajutajele din bronz cu 0,4-1% crom care au conductibilitate termică apropiată de a cuprului, precum si o


TANAVIOSOFT 2011

7


C13

rezistentă importantă la temperaturi înalte. Pe lângă uzura termică a ajutajelor, pot apare uzuri suplimentare datorită unor abateri fată de conditiile normale de functionare: formarea arcului electric secundar, centrarea necorespunzătoare a electrodului, devierea coloanei arcului de plasmă de la axa geometrică a generatorului datorită vitezelor prea mari de deplasare a generatorului, scurtcircuitarea intervalului ajutaj-piesă.

13.2.5. PROCESE ELECTRICE IN AJUTAJ. ARCUL ELECTRIC SECUNDAR

Deteriorarea ajutajului si chiar a generatorului de plasmă este datorată, în principal, arcului electric secundar, a cărui formare are aceleasi cauze la toate generatoarele de plasmă. De aceea este important de determinat factorii care influentează întretinerea arcului secundar si metodele adecvate pentru evitarea acestuia. Gradul de concentrare a arcului de plasmă si intensitatea câmpului electric E în canalul ajutajului cresc pe măsură ce se reduce raza gâtului ajutajului. Izolarea electrică a ajutajului generatorului fată de coloana arcului se realizează cu ajutorul unui învelis de gaz rece neionizat.


TANAVIOSOFT 2011

8


C13

Fig.13.2.5.1.

13.2.6. TĂIEREA METALELOR CU PLASMĂ Prin tăierea unei piese metalice se produce distrugerea locală a legăturilor

coezionale în zona unde se face tăierea. Calitatea unei tăieturi se apreciază după rugozitatea suprafetelor tăieturii si după extinderea zonei influentată termic de procesul de tăiere, unde pot să apară dilatări, contractii, transformări structurale, absorbtii de gaze, oxidări, reduceri, nitrurări, formări si descompuneri de faze intermetalice. Tăierea termică ale pieselor metalice se poate realiza prin: tăierea termică prin arderea metalului, de exemplu tăierea cu oxigen, cu aplicabilitate limitată de conditia ca temperatura de aprindere în oxigen a metalului sau aliajului metalic să fie mai mică decât temperatura de topire; tăierea termică prin topirea metalului- tăierea metalelor cu plasmă; nu se impun limitări de temperaturi si deci se poate aplica la orice metal sau aliaj. Tăierea cu plasmă este mai performantă pentru că plasma, fiind mai concentrată, are o temperatură mult mai mare, ceea ce face posibilă tăierea metalelor si aliajelor metalice conductoare electric, ce nu pot fi tăiate cu oxigen: oteluri înalt aliate refractare si inoxidabile, aluminiu, cupru, titan. Datorită concentrării energiei, se obtin viteze mari de tăiere, fără încălzire prealabilă sau prelucrări ulterioare.

13.2.7. SUDAREA CU PLASMĂ Sudarea cu plasmă face parte din categoria procedeelor de sudare prin

topire pe cale electrică, în mediu de gaz. Procedeul cel mai apropiat de sudarea cu plasmă este sudarea cu arc electric în mediu de argon, cu electrod nefuzibil. Caracteristicile procedeului de sudură cu plasmă sunt:


TANAVIOSOFT 2011

9


C13

sursa termică este mai concentrată, zona afectată termic este îngustă, iar consumul de energie pe unitatea de lungime cordon sudură va fi mai redus; cordonul de sudură are o sectiune mai mică; sudura cu plasmă se face cu sau fară material de adaos;

Arcul electric de sudură se deosebeste de plasmă prin: arcul electric de sudură are ca mediu ionizat aerul la parametri atmosferici,

iar plasma se dezvoltă într-un gaz sub presiune, introdus în spatiul arcului; plasmă ionizată curge cu viteze mai mari, datorită presiunii gazelor; plasma este puternic strangulată mecanic, datorită contactului dintre jetul

fierbinte de gaz si ajutajul răcit intens si electromagnetic datorită atractiei curentilor paraleli; coloana arcului electric nu suferă nici o contractie; reducerea setctiunii plasmei determină cresterea densitătii de curent cu

influente pozitive asupra cresterii de temperatură; plasma are o sectiune cilindrică, pe când arcul electric de sudură are o

coloană tronconică. oscilatiile plasmei depind de natura gazului plasmagen, debitul gazului si

curentul din plasmă si determină variatii de tensiune. Restrictii tehnologice La sudarea cu plasmă, reducerea componentei axiale a fortelor din plasmă

diminuează efectul băii de metal topit, si se realizează prin: minimizarea debitului jetului de gaz; mărirea sectiunii ajutajului; evitarea formării arcului electric secundar. Prin reducerea debitului de gaz, energia cinetică a particulelor din plasmă si

energia cinetică a gazului neionizat scad. În acelasi timp, o cantitate mare de energie nepreluată de gazul plasmagen, produce uzura ajutajului fiind necesară intensificarea răcirii acestuia. În scopul protejării băii de metal topit se foloseste un gaz neutru de protectie .

Eliminarea arcului electric secundar se realizează prin răcirea suplimentară a părtii frontale a ajutajului cu ajutorul unui curent de gaz cu pronuntat caracter de focalizare, numit gaz de focalizare. Există generatoare la care o parte din gazul plasmagen neionizat este folosit pentru focalizare si protectie. Amestecul de argon si hidrogen îmbunătăteste calitatea îmbinărilor si reduce posibilitatea aparitiei arcului electric secundar, datorită tensiunii ridicate a arcului si efectului de răcire provocat de hidrogen . S-au făcut cercetări asupra calitătii cordonului de sudură, folosind argon sau amestecuri gazoase: argon si CO2, argon si H2. Aspectul


TANAVIOSOFT 2011

10


C13

sudurilor cu amestecgazos de focalizare este mai neted decât cu argon. Sudarea cu plasmă se poate aplica la orice tip de metal sau aliaj metalic.

Eficienta economică a sudurii cu plasmă se apreciază prin: mărimea vitezei de sudare si prelucrarea ulterioară redusă a cusăturii de sudură, datorate concentrării termice mari a plasmei. Pentru a mări eficienta economică s-au eliminat gazele scumpe ca argonul si heliul si s-au înlocuit cu azot, cu rezultate foarte bune la sudarea cuprului.

13.2.8. ACOPERIREA PIESELOR METALICE Principii tehnologice Plasma se poate aplica la acoperirea pieselor metalice cu straturi rezistente

la solicitări diverse. Ca materiale de acoperire se pot folosi sârmă metalică sau pulberi metalo-ceramice. Temperatura ridicată a plasmei asigură topirea materialului de acoperiere iar viteza si presiunea ridicată a jetului de gaz plasmagen proiectează corespunzător picăturile topite pe suprafata metalică.

Acoperirea cu plasmă folosind metalul de adaos sub formă de sârmă este de calitate, dacă mărimea picăturilor topite variază între 0.2...0.3mm. Aceste dimensiuni se obtin dacă sârma se topeste în axa jetului de plasmă, ceea ce necesită o anumită viteză de avans a sârmei.

Dacă picăturile de metal topit sunt foarte fine si cu viteze foarte mari, acoperirea cu plasmă, folosind ca material de adaos sârma, dă rezultate foarte bune.

Acoperirea cu plasmă cu metal de adaos sub formă de pulbere se realizează în două moduri: a) depunerea pulberii pe suprafata piesei cu ajutorul unui dozator care se deplasează în fata generatorului de plasmă. Generatorul topeste stratul de pulbere si metalul de bază, realizând acoperirea. Dacă generatorul are o miscare de oscilatie transversală pe directia de înaintare, se obtin , la o trecere, straturi de acoperire cu lătime50...60mm. Ca gaz plasmagen, se foloseste argonul, iar în jurul băii topite se suflă gaz de protecŃie, argon si heliu în amestec. Procedeul foloseste pentru acoperiri cu pulberi metalice: carburi de crom si wolfram, adaosuri de vanadiu, bor, mangan. b) pulberea granulată fin este insuflată cu ajutorul unui gaz transportor în generatorul de plasmă. Generatorul foloseste trei admisii de gaze: gaz plasmagen argon, admis în jurul electrodului cu debit 1...2l / min ; gaz transportor, format din argon sau heliu, amestecat cu pulberea metalică, admis în paralel cu gazul plasmagen, cu debitul de 5...10 l / min ; gaz de protectie, argon, heliu sau azot.


TANAVIOSOFT 2011

11


C13

13.2.9. GENERATOARE DE PLASMĂ PENTRU ACOPERIRI SI

INCĂRCARE CU METAL Procedeul de încărcare cu metal cu jet de plasmă prezintă particularitătile: a) jetul de plasmă, ca sursă termică concentrată, asigură topirea granulelor de pulbere metalică ce urmează a fi depusă; b) transportul pulberii metalice se face cu gaz inert (argon) care asigură si protectia contra oxidării la temperaturi ridicate; c) generatoarele de plasmă întretin permanent două arcuri electrice: între electrod si ajutaj si între electrod si piesa care se încarcă, asigurând reglajul independent al încalzirii granulelor si piesei.

Fig.13.2.9.1.

Instalatiile si generatoarele de plasmă folosite pentru încărcare sunt similare celor de sudură, având în plus sistemul de dozare si de introducere a pulberii în plasmă. Gazul plasmagen GPL, argon în amestec cu hidrogen, este introdus longitudinal pe lângă electrodul de wolfram C. Între ajutajele AJ1 si AJ2 se introduce pulberea prin racordul P. Prin intermediul gazului de transport, pulberea ajunge în zona coloanei arcului care arde între electrodul C si AJ1, fiind obligată să străbată sub forma unor fascicule paralele jetul de plasmă generat prin ionizarea gazului GPL. Prin reglarea curentului din circuitul ajutajului AJ1 se variază temperatura de încălzire si topire a pulberii. În acest scop, sursa de curent continuu S1 se conectează între electrodul C si ajutajul AJ1. Adâncimea de pătrundere în metalul de bază se reglează cu ajutorul sursei S2, prin puterea introdusă în arcul care se dezvoltă între electrodul C si placa P1.


TANAVIOSOFT 2011

12


C13

Tensiunea sursei S2 trebuie să fie superioară sursei S1 pentru a crea câmpul necesar aprinderii celui de-al doilea arc în spatiul ionizat. Baia de metal lichid se protejează cu gazul de protectie GPR, împotriva pătrunderii aerului din atmosferă.

În cazul metalizării cu plasmă, suprafetele se pregătesc prin sablare si degresare, legătura dintre stratul depus si suprafata metalului de bază fiind de natură mecanică.

Instalatiile de plasmă se realizează numai cu jet de plasmă, cu arc netransferat pe piesa metalică, fără riscul aparitiei arcului electric secundar. O particularitate constructivă a acestor generatoare este lungimea mare a canalului ajutajului si energia cinetică mare a particulelor din plasmă si a pulberii metalice. Calitatea depunerii depinde si de distanta de la generatorul de plasmă la piesă.

13.2.10. ASPECTE PRIVIND POLUAREA AMBIENTULUI DE LUCRU

Prelucrarea cu plasmă a materialelor metalice (oteluri inoxidabile, metale si aliaje neferoase) se caracterizează prin emanarea de noxe (substante nocive, zgomot si radiatii luminoase), periculoase pentru sănătatea operatorului. În consecintă, sunt necesare măsuri pentru diminuarea poluării mediului, cum ar fi: echiparea instalatiei cu sisteme de ventilatie; procesarea cu plasmă sub o perdea de apă cu ajutorul unui dus aer-apă sau sub un clopot de protectie din apă ; procesarea cu plasmă deasupra unui jet de apă, care are rolul de a răci sI transporta rapid masa de metal topit si zgura din rostul de tăiere; procesarea cu plasmă prin imersie a piesei la o adâncime 60...80mm de la suprafata apei cu consecinte negative asupra proprietătilor metalului după tăiere; în compensatie se obtin deformatii termice mici, iar zona influentată termică este redusă.


TANAVIOSOFT 2011

13


C13

Fig.

13.2.11.SUDAREA CU PLASMA

Sudarea cu plasma este un procedeu de sudare prin topire la care coalescenta se produce prin incalzirea cu un arc electric constrans, care se arde intre electrod si piesa de sudat sau intre un electrod si si o duza de constrangere. Protectia la sudare se asigura cu un gaz inert sau un amestec de gaze.

Sudarea sepoate face cu sau fara material de adaos. Procedeul se aseamana cu sudarea WIG, cu deosebirea ca arcul de plasma este constrans, printr-o strangulare mecanica sau electromagnetica. Pin aceasta temperatura coloanei arcului de plasma este mult maimare decat a arcului WIG.

Sudarea cu lasma se aplica, de obicei, in varianta cu arc de plasma (transferat).Sudarea se efectueaza in curent continuu, foarte rar in curent alternatv, sursa avand o caracteristica externa abrupt cazatoare. Comparativ cu sudarea WIG sudarea cu plasma are urmatoarele particularitati; sursa termica este considerabil mai concentrata, puterea specifica fiind de

5x10.000 W/cmxcm, ca atare patrunderea sudurii este mai mare, putandu-se suda dintr-o trecere piese cu grosimea de 10 … 18 mm, respectiv utilizand viteze de sudare mai mari. In acelasi timp, sectiunea cusaturii este mai mica;


TANAVIOSOFT 2011

14


C13

arcul electric de plasma are un aspect columnar, ceea ce il face putin sensibil la variatii ale lungimii sale. Ca urmare se admit tolerante mai mari la pozitionarea pe verticala a pistoletului de sudare, marimea zonei topite neschimbandu-se ptractic la variatii ale lungimii arcului. In acelasi timp, pozitionarea pe orizontala a pistoletului este mai pretentioasa;

arcul electric de plasma are o stabilitate foarte buna, ceea ce ii permite sudarea cu curenti mult mai mici decat cei de la sudarea WIG. In domeniul curentilor mici (sub 15 A) procedeul se utilizeaza sub denumirea de “sudarea cu microplasma”;

generatorul de sudare este mai complicat si ca atare si mai scump. Sudarea cu plasma permite imbinarea a oricaror metale, in orice pozitie, folosinsd varianta manuala, mecanizata sau automatizata. Se pot suda piese cu grosimi de 0,05 …. 25 mm, folosind urmatoarele tehnici de sudare prezentate in tabelul de mai jos:

tabelul 13.2.11.1

In cazul sudarii prin topire progresiva, cusatura se obtine prin avansul progresiv al baii de metal topit in sensul grosimii piesei. Intensitatea de curent si debitul de gaze au valori reduse. Se utilizeaza la sudarea tablelor subtiri. La sudarea cu jet penetrant sau “in gaura de cheie” parametriii sunt alesi astfel incat sa se obtina un jet de plasma suficient de puternic pentru a patrunde complet prin grosimea materialului. Tensiunea superficiala forteaza baia de metal topit sa curga in jurul orificiului pentru a forma cusatura.

Domenii uzuale ale parametrilor de sudare cu plasma

tabelul 13.2.11.1


TANAVIOSOFT 2011

15


C13

Fig.13.2.11.1.

Fig.13.2.11.2.


TANAVIOSOFT 2011

16


C13

13.2.12.CONSIDERENTE TEHNOLOGICE LA SUDAREA CU PLASMA


TANAVIOSOFT 2011

17


C13


TANAVIOSOFT 2011

18


C13


TANAVIOSOFT 2011

19


C13


TANAVIOSOFT 2011

20


C13

Fig.13.2.12.1

13.2.13.DEBITAREA CU JET DE PLASMA 1.Procedeul Tipul de contact prin curenţi de înaltă frecvenţă(HF Contact) este adesea

întâlnit la sursele de debitat clasice care utilizează o tensiune mare de înaltă frecvenţă care iniţializează o scânteie pentru o ioniza aerul dintre duză şi electrod formând astfel şi arcul de plasmă. Arcul se poate forma numai dacă electrodul este adus în contact cu materialul de debitat. Sursele care utilizează curenţi de înaltă frecvenţă nu sunt potrivite pentru aplicaţiile care utilizează debitarea prin acţionarea cu comandă numerică(CNC).

Arcul pilot utilizează pentru formare un curent de joasă tensiune şi înaltă frecvenţă pentru a iniţializa un arc de intensitate mică în corpul pistoletului generând o cantitate mică de gaz plasmagen; arcul pilor are o bucşă de reacţie în capul pistoletului. Arcul pilot este menţinut până este adus în apropierea


TANAVIOSOFT 2011

21


C13

suprafeţei de debitat, unde este iniţiat pentru a forma arcul de plasmă; arcul de plasmă dezvoltă o căldura mare ajungând chiar până la 15000°C.

Jetul de plasmă este folosit pentru debitarea metalelor de grosimi mici, având capacitatea de a debita grosimi între 2 şi 50mm. În general pistoletele de debitat pot lucra doar pe materiale conductive termic şi electric pentru a iniţializa arcul, însă noile tehnologi permit ca formarea arcului de plasmă să aibă loc între duză şi electrod. Jetul de plasmă este avantajos pentru debitarea foilor metalice în forme complexe, circulare sau unghiulare.

2.Metoda de amorsare a arcului de debitare cu jet de plasmă Pistoletele de debitat cu jet de plasmă folosesc o serie de metode pentru a

forma arcul de plasmă, depinzând de mediul înconjurător, sursa care este utilizată şi vechimea ei. Sursele mai vechi utilizează un circuit de mare tensiune şi înaltă frecvenţă pentru a amorsa arcul. Aceasta metoda are o serie de dezavantaje incluzând riscul electrocutării, dificultatea reparării sursei şi o mare cantitate de emisii radioactive. Sursele de debitat cu jet de plasmă avansate, cum ar fi echipamente sau computere cu comandă numerică, utilizează contactul dintre piesă şi duză pentru a amorsa arcul; duza şi electrodul sunt în contact; când gazul începe sa curgă, duza este împinsă înainte. O alta metoda, foarte puţin utilizată, este aceea de amorsare a arcului printr-o descărcare capacitivă în circuitul primar al sursei.

3.Echipamentele invertorizate pentru debitarea cu jet de plasmă Sursele analogice, care utilizează de obicei o putere mai mare de 2kW, folosesc un transformator de înaltă frecvenţă. Invertoarele modifică linia de curent în curent continuu, care este alimentat printr-un tranzistor IGBT (tranzistor bipolar cu grilă izolată). IGBT-urile sunt întâlnite la surse de curent de înaltă frecvenţă. Schimbările de frecvenţă pot varia adesea de la 10 la 200Hz, depinzând de abilitatea tranzistorilor şi rectificatorilor; schimbarea la frecvenţe mai mari reduce uşor fluxul magnetic din transformatorul secundar şi de aceea mărimea acestuia poate fi redusa constructiv. De aceea invertoarele folosite la debitarea cu jet de plasmă au o putere mare şi sunt uşoare; modelele noi sunt echipate cu circuit intern care permite surselor care nu au factor de corecţie al puterii să funcţioneze cu ajutorul unor uşoare generatoare de putere.

4.Metode de debitare cu jet de plasmă cu comandă numerică Tăietoarele cu jet de plasmă sunt de asemenea utilizate pe echipamentele de control cu comandă numerică. Ideea utilizării tehnologiei cu comandă numerică este aceea de a permite sistemului computerizat sa controleze capul pistoletului


TANAVIOSOFT 2011

22


C13

de debitat în vederea realizării unor tăieturi adânci şi curate, putând debita forme complexe. Debitarea metalelor de grosimi subţiri cu ajutorul jetului de plasmă este încet încet înlocuită de debitarea cu laser.

5.Costuri Echipamentele de debitat cu jet de plasmă sunt relativ scumpe, din acest motiv ele sunt vândute în magazinele de sudura specializate şi depozitate în condiţii speciale.

Fig.13.2.13.1 Fig.13.2.13.2

Fig.13.2.13.3


TANAVIOSOFT 2011

23


C13

Fig.13.2.13.4

13.2.14.SUDAREA CU PLASMA(B.O.C)

Orice arc electric conţine în anumite măsuri plasmă ; ea se formează în arcul WIG şi în arcul MIG mai puţin în arcul sudurii manuale cu electrozi înveliţi, şi în natură, în fenomene fizice ca de exemplu fulgerul. Utilajul modern cu plasmă e proiectat să utilizeze acest fenomen, exploatînd astfel energia produsă, sub o formă adecvată sudurii, tăierii şi altor procedee conexe.

Arcul dintre electrodul Wolfram şi ajutaj poate fi transferat către piesa de lucru, ceeace permite folosirea unor curenţi mai înalţi. Acest arc electric traversează o cale ionizată prin centrul fluxului de plasmă, care la rîndul ei este constrînsă de ajutajul de cupru, urcînd astfel nivelul energiei, şi aducînd cu sine o sursă de căldură extrem de concentrată.

Suflaiurile de plasmă folosesc aproape toate principiul de arc transferat. Controlul arcului de veghe (între ajutaj şi electrodul wolfram), a gazelor, şi apei de răcire sînt prevăzute în cabinetul de ataşament „plasmă”. Ordinea funcţionării acestor servicii e controlată automat de acest cabinet.


TANAVIOSOFT 2011

24


C13

Gazul plasmagen

Gazul plasmagen în majoritatea cazurilor e argon. Debitul e de obicei 0.25-10 litri/minut. In afară de a genera plasma, acest gaz apără electrodul de wolfram de contaminarea aerului.

Baia de metal topit şi cel vecin, care se răceşte, sînt protejate de aerul înconjurător printr-un gaz extern. Acesta e în general un amestec de argon şi 5% hidrogen, deşi argon pur poate fi folosit în multe cazuri. Debitul acestui amestec e de 4-20 litri/minut, sau chiar mai înalt în anumite cazuri.

Sudarea cu plasma a fost o dezvoltare naturală a procedeului WIG, prin care energia de căldură a fost utilizată mai eficace şi estemai uşor contrabilă cu o varietate de suflaiuri manuale sau automate. Sudarea cu plasmă a reuşit sa înlocuiasca sudarea WIG intr-o mulţime de aplicaţii.

Suflaiurile de plasma folosesc mai puţin curent de sudare decit in procedeul WIG, deoarece temperatura arcului mai concentrata. In sudarea otelului inoxidabil cu gaz protector argon+5% hidrogen - aceeaşi viteza de sudare va fi folosita, dar curentul va fi 30-40 amperi fata de 100 amperi cu WIG.

Sudarea cu plasmă poate fi de cîteva ori mai rapidă decît cea WIG. la un curent sudare identic. Aceasta e datorită faptului că curentul, şi deci energia sa. e mai concentrat în cazul arcului-plasma. Automatizarea procedeului va oferi adevărate avantaje ale acestei rapidităţi de sudare.

Datorită vitezei sale inerente mai înalte, şi al unui transfer de căldurăsuperior, sudarea prin plasma produce suduri mult mai înguste şi deci şi o Z.I.T. foarte limitată. Deformaţiunile sînt şi ele reduse, iar metalele aliate vor suferi mai puţin din cauza încălzirii produse de sudare.


TANAVIOSOFT 2011

25


C13

13.2.14.1.

Dacă în întreprinderile se foloseşte procedeul WIG, ii puteţi mări eficacitatea, prin sporirea vitezei de sudare, folosind mai puţin curent sudare, obţinînd precizii mai înalte şi-cel mai important, solicitînd o şcolarizare mult mai scurtă a sudorilor. Se poate ajunge la acest obiectiv prin trecerea dela WIG la Plasmă. Ori mai precis, adaugînd ataşamentul Sabre-arc PW 200 la redresorul sau agregatul de curent continuu folosit la sudarea WIG. Iar în plus vă trebuie suflaiul de plasmă.

Arcul de plasmă e drept. îngust şi foarte rigid. El nu poate fi mişcat într-o parte. Direcţia în care e îndreptat va rămîne absolută tot timpul. Pătrunderea sudureii e mult îmbunătăţită, pe cînd căldura necesară e mult redusă. Se poate avea o control desăvirşit asupra parametrilor de sudare, căci arcul de plasmă nu e influenţat aproape deloc de variaţii în înălţimea arcului, densitatea căldurii nu se schimbă ridicînd sau coborînd becul. Acest avantai precum şi rigiditatea arcului, descrisă mai sus. înlesneşte sudarea în locuri cu acces greu. locuri strimte, etc. Un


TANAVIOSOFT 2011

26


C13

alt factor care contribuie la calitatea înaltă e in arcul de plasmă deoarece el e drept şi rigid şi e aşa de uşor de menţinut în direcţia dorită, căldura e dirijată exact acolo unde e cerută, de unde se poate vedea de ce prin sudare cu plasmă deformaţiile sînt drastic reduse.

Suflaiuri de plasmă

Sînt oferite două modele : WP-3. dela 5A-100A şi WP-4 de la 5A-200A. Ambele suflaiuri pot fi comandate ca model manual, ori ca model automat, pentru instalare în maşini de sudare. Aceste suflaiuri sînt mici şi uşoare, fiind manipulate extrem de uşor, mai ales în locuri strimte. Circuitul de apă de răcire foarte eficace aduce apa aproape de ajutajul-bec. Becurile sînt înşurubate în ajutaj, ele putînd fi înlocuite la nevoie, fără a trebui să se închidă apa. Electrodul de wolfram central e menţinut de un manşon de strîngere. şi centrat de un ghid special din ceramică. Reglajul precis al electrodului se face cu ajutorul unei scule special livrata.

Ataşamentul Sabre-arc PW 200

Funcţionarea lui se aseamănă cu cea a procedeului WIG, dar unitatea de inaltă frecvenţă pentru amorsare serveşte la iniţierea unui arc intern între electrodul de wolfram şi ajutajul de cupru al suflaiului. Acest arc intern, arc de veghe, va transfera arcul de sudare, plasmă în momentul cînd suflaiul va fi plasat peste zona de sudare şi sudorul va apăsa şalterul de mînă sau pedala de comanda.

Plasma este soluţia ideală în cazul cînd aveţi de tăiat un metal dificil. Folosind suflaiul pentru plasmă PT7 puteţi tăia oţel inoxidabil, nichel. Monel. aluminiu, etc. pînă la grosimi de 175mm.

Suflaiurile PT7 pot fi ataşate următoarelor maşini de tăiat profile ale BOC

Arcul de plasmă e procedeul cel mai modern şi economic pentru tăierea unei game variate de metale feroase şi neferoase.

Arcul de tăiere e iniţiat de un arc de veghe dintre bec şi electrod. Un gaz de obicei amestecul hidrogenului cu azot sau argon, trece prin suflai şi e ionizat de către căldura arcului de veghe. Jetul ionizat - plasma, e constrînsă de către bec rezultînd viteză şi o temperatură mărită. In acest jet un al 2-lea arc cel principal de tăiere, e iniţiat intre piesă si electrod, acesta din urmă avînd o temperatură pînă la 24.000"C. Energia rezultată e folosită pentru a topi şi vaporiza metalul tăiat.


TANAVIOSOFT 2011

27


C13

Suprafeţei tăiată e calitativ foarte bună şi curata şi nu necesită pregătire sau finisare. Nu trebuie uitată nici viteza de tăiere care e mult superioară.

Caracteristicile procedeului

Tăieri de calitate remarcabilă la majoritatea metalelor, inclusiv oţel carbon, oţel inoxidabil. Monel, InconeLfontă, aluminiu, cupru şi magneziu.

Pornire instantanee - elimină preîncălzirea. Distorsiuni şi oxidare minime. Piesele turnate nu mai necesită prelucrare sau finisare. Viteze de tăiere pînă la de 10 ori mai mare decît la tăierea convenţională cu

oxigen. Precizie de tăiere deosebit de buna

Fig.13.2.14.2

Este vorba aici de suduri fine, suduri de precizie, pentru lucrări în miniatură. Cu "Sabre-Arc Micro 1 5" se pot executa suduri de înaltă calitate în


TANAVIOSOFT 2011

28


C13

grosimi de material care în mod normal reprezintă probleme: 0.2mm-1,2mm în majoritatea cazurilor, sau 1,6mm în anumite aplicaţii.

Aceste suduri fine pot fi executate în aproape orice metal, cît de rar ar fi. chiar şi metale diferite - (dar cu o excepţie: aluminiu şi magneziu). De cîte ori se va încerca a suda cu WIG la curenţi foarte joşi, şi va fi greu de sudat, soluţia va fi: Microplasmă. Se vor obţine rezultate de calitate înaltă şi cu mare uşurinţă. Dece oare? Microplasmă, cu arcul ei concentrat, poate suda cu un curent dat, de trei ori mai repede şi mai simplu decît se poate suda prin WIG. Economisirea energiei electrice nu e neînsemnată, dar adevăratul avantaj al Microplasmei e aparent în precizia sa şi marea stabilitate a arcului, care reprezintă o mare uşurinţă în manipularea suflaiului.

Coloana principală a arcului e doar de 0,8mm lăţime, fiind perfect dreaptă şi extrem de stabilă, deci va fi uşor de îndreptat spre orice direcţie dorită. Ea nu poate fi abătută dela baia formată. E ca un vîrf de ac care topeşte metalul doar dedesubtul său, fiind aşa de fin, înăt zona încălzită e infinit de îngustă. Cu cît e mai puţină căldura risipită, cu atît se va reduce deformaţia. Un alt punct de atracţie al Microplasmei e faptul că e foarte tolerant asupra variaţiilor distanţei dintre becul suflaiului şi piesa de sudat, fără ca aportul de căldură să sufere. Cu acest important avantaj, se poate intrevedea că şcolarizarea sudorului va fi si mult redusă. După o perioadă destul de scurtă, sudorii pot produce suduri excelente, iar ca idee se poate spune că în 1 5 minute sudorul va învăţa să folosească utilajul Sabre-Arc.

Mic şi uşor, acest suflai poate fi mînuit ca un creion. Electrodul de wolfram e complet apărat contra contaminării aerului, iar sudorul nu va petrece mult timp ascuţind electrodul aşa cum e necesar cu suflaiul WIG. Deci se întrevede încă un avantaj. Combinaţia unui suflai uşor de mînuit cu un arc extrem de stabil, înlesneşte accesul in locuri strimte. Iar ca ncheiere, e bine de amintit că un arc de veghe între electrod şi ajutajul de cupru, menţine ionizarea gata de a amorsa arcul principal. Arcul de veghe e amorsat prin apăsarea pe un buton deasupra suflaiului. Prezenţa acestui arc de veghe asigură amofsarea arcului principal mult mai eficace decît prin metoda 'înaltă frecvenţă' la WIG, şi ca atare e mai uşor să se instaleze suflaiul în momentul amorsării la locul dorit


TANAVIOSOFT 2011

29


C13

13.2.15.TAIEREA MANUALA CU PLASMA

Un jet de gaz supraîncălzit şi de o viteză înaltă pătrunde materialul, iar la capătul arcului o temperatură de peste 16.0000C asigură topirea instantanee a oricărui metal cunoscut, după care jetul susnumit suflă dincolo de material tot ceeace a fost topit.

Arcul e mai întîi amorsat în interiorul suflaiului, între electrodul de wolfram şi becul de cupru. Gazul ce pătrunde în acest bec e forţat în orificiul îngust al acestuia, şi din această cauză e aruncat în afară sub forma unei plasme ionizate, ca o limbă scurtă de foc. Pentru a începe tăierea, se aduce suflaiul deasupra metalului de tăiat, cînd arcul e imediat transferat de la bec către acest metal, cu vigoare sporită, şi direct dela electrod la piesa de metal de tăiat.

Un sistem compact, de sine stătător, oferind inginerului proiectant procedeul de tăiere prin plasmă sub forma cea mai economică si convenabilă manipulării. Folosită manual, cu un suflai extrem de ingenios tip PC100. acest sistem produce în mod foarte consistent margini tăiate de o calitate înaltă, chiar şi atunci cînd viteza nu e aşa de uniformă. Secretul constă în faptul că Sabre-arc PC100 poate tăia la curenţi de nivel foarte jos şi deci cu viteze la care muncitorul dispune de o agilitate maximă, fără însă a reduce calitatea decupării. Folosit în conjuncţie cu maşini convenţionale de tăiat contururi (cu flacără) suflaiul PC100 de tăiere cu plasmă, poate tăia cu maximul de curent de 100A în DA de 100%. table de 25mm max. In ambele cazuri tăierea va produce margini care, dacă s-a reglat corect curentul şi presiunea gazelor, vor fi perfecte, cu o fantă extrem de îngustă şi în majoritatea cazurilor gata de a fi sudate, fără nici o altă pregătire. Sabre-arc PC100 este una din unităţile cele mai rentabile de operat. Consumul de energie e mic. adică de circa 20kVA, la fel şi gazul. De exemplu la 100A suflaiul va consuma un maxim de 18 litri argon şi 10 litri hidrogen pe minut. Alt punct foarte economic al acestui utilaj e întreţinerea sa. care e foarte restrînsă iar piesele de schimb. în special becurile de cupru şi electrozii wolfram, sînt foarte durabile.

Care sînt beneficiile utilajului Sabre-arc ?

Viteze de tăiere precise şi controlabile.

Taie orice material conducător de electricitate.

Poate fi ataşat la orice maşină de tăiere cu gaz.


TANAVIOSOFT 2011

30


C13

Nu e nevoie de a preîncălzi metalul de tăiat.

Aportul de căldură în material e minim.

Absenţa poluării cu fumuri sau gaze nocive (procedeu higienic). Nivel de zgomot redus. Mobilitate completă în tăieri în locuri cari în mod normal ar fi inaccesibile.

In orice uzină se întimpină mereu cerinţele unei producţii mărite, unei calităţi superioare, deformaţiilor unghiulare reduse, precum şi bineînţeles şi cerinţa primordială a preţului unitar cit mai ieftin. In multe cazuri, unele din aceste cerinţe pot fi satisfăcute prin re-planificarea unei aplicaţii anumite la sudarea automată. BOC livrează o gamă întreagă de maşini potrivite tuturor procedeelor de sudare automată, precum şi utilaj de manipulare şi poziţionare a piesei de sudat, fie manual, semiautomat sau complet automat. Această gamă de produse e fabricată în uzina BOC de la Knowsley. lingă Liverpool. şi de unde aceste produse au desfacerea lor mondială sub marca MPE (Murex Positioning Equipment).

Capitolul 13.2_Sudarea Si Debitarea Cu Plasma

Documents

Transcript of Capitolul 13.2_Sudarea Si Debitarea Cu Plasma