Nekonvenční metody obrábění – 8. díl

8 Obrábění paprskem iontů – plazmatem

Základem obrábění plazmatem je ohřev nebo tavení materiálu za extrémně vysokých teplot (nad 1 000 °C), které vznikají rozkladem molekul plynu při jejich průchodu elektrickým obloukem. Oblouk hoří mezi netavící se katodou vyrobenou z wolframu a anodou, která je tvořena opracovávaným materiálem nebo tělesem hořáku.

8.1 Zařízení pro obrábění materiálů plazmatem

Každé technologické zařízení pracující s plazmatem tvoří:

• plazmový hořák;
• zdroj elektrického proudu;
• řídicí jednotka;
• manipulační zařízení, tj. souřadnicový pracovní stůl, manipulátor nebo robot.

V plazmovém hořáku dochází k přeměně elektrické energie na tepelnou energii usměrněného proudu plazmatu. Důležitým parametrem plazmového hořáku je stabilizace elektrického oblouku. Podle druhu použitého stabilizačního média se plazmové hořáky (viz obr. 8.1) dělí na plazmové hořáky s plynovou stabilizací a plazmové hořáky s vodní stabilizací. V plazmovém hořáku dochází k přeměně elektrické energie na tepelnou energii usměrněného proudu plazmatem. Důležitým parametrem plazmového hořáku je stabilizace elektrického oblouku. Podle druhu použitého stabilizačního média se plazmové hořáky (viz obr. 8.1) dělí na plazmové hořáky s plynovou stabilizací a plazmové hořáky s vodní stabilizací.

Plazmový hořák s plynovou stabilizací může být v provedení:

• s transferovým obloukem – elektrický oblouk hoří mezi vnitřní elektrodou umístěnou v hořáku a obráběným materiálem. Používá se pro opracování elektricky vodivých materiálů, například pro řezání ocelí a neželezných kovů.
• s netransferovým obloukem – elektrický oblouk hoří mezi vnitřní elektrodou umístěnou v hořáku a výstupní tryskou, která tvoří anodu. Používá se pro obrábění elektricky nevodivých materiálů (např. keramiky) a k nanášení povlaků.

Řezací tryska plazmového hořáku s vodní stabilizací má přídavné kanálky, kterými se přivádí voda do plazmového hořáku. Tyto hořáky se používají pro řezání ocelí a neželezných kovů a k nanášení povlaků. Výhodou je možnost řezat pod vodou, čímž se snižuje hlučnost, prašnost a vliv UV záření na obsluhu. Řezací tryska plazmového hořáku s vodní stabilizací má přídavné kanálky, kterými se přivádí voda do plazmového hořáku. Tyto hořáky se používají pro řezání ocelí a neželezných kovů a k nanášení povlaků. Výhodou je možnost řezat pod vodou, čímž se snižuje hlučnost, prašnost a vliv UV záření na obsluhu.

8.2 Používané plyny

U plazmových technologií se používají tyto druhy plynů:

• plazmové plyny – jsou přiváděny do elektrického oblouku, kde dochází k jejich ionizaci a disociaci. Jako plazmový plyn může být používán jednoatomový argon anebo dvouatomové plyny vodíku, dusíku, kyslíku a vzduchu;
• fokusační plyny – zaostřují paprsek plazmatu po jeho výstupu z trysky hořáku. Používá se argon, dusík nebo směs argonu a vodíku, popř. argonu a dusíku;
• asistentní plyny – obklopují paprsek plazmatu a pracovní místo na obrobku a chrání je před účinkem atmosféry. Používá se argon a dusík.

• konstrukční ocel: kyslík, vzduch;
• vysoce legovanou ocel: argon/vodík, argon/vodík/dusík, argon/dusík, vzduch, dusík;
• neželezné kovy: argon/vodík, vzduch;
• kompozitní materiály: argon/vodík, argon/vodík/dusík, vzduch, kyslík.

8.3 Použití metody

Plazmové hořáky se používají pro řezání, svařování, navařování a stříkání vrstev materiálů požadovaných vlastností na strojní součásti, pro obrábění těžkoobrobitelných materiálů, tavení materiálů v pecích, k vysokoteplotní chemické syntéze plynů a pro rozklad škodlivých průmyslových odpadů.

8.4 Řezání plazmatem

Metoda je založena na využití teplotních a dynamických účinků plazmatu. Mezi elektrodou a řezaným materiálem hoří při současném dodávání plazmového plynu elektrický oblouk koncentrovaný pomocí chlazené trysky a fokusačního (ochranného) plynu, případně vody. Zkoncentrováním elektrického oblouku se výrazně zvýší hustota výkonu. Fokusační (ochranný) plyn zároveň obklopuje plazmový elektrický oblouk a chrání vytvářené řezné hrany před vlivy okolní atmosféry. Řezaný materiál je taven a tavenina a oxidy jsou vyfukovány z místa řezu plazmovým plynem. V případě použití kyslíku jako plazmového plynu je materiál rovněž spalován a reakce mezi materiálem a kyslíkem přispívá k vytváření řezné spáry.

Díky vysoké hustotě výkonu plazmatu a vysoké dosahované teplotě lze plazmatem řezat takřka všechny kovové materiály. Omezením je tloušťka materiálu, což je způsobeno poklesem tlaku plazmového plynu se vzrůstající tloušťkou materiálu.

Výhody řezání plazmatem:

• možnost provozu jednoho nebo více hořáků podle velikosti výrobní dávky;
• vhodnost zejména pro řezání slabých a středních tlouštěk konstrukční oceli (do 30 mm);
• možnost řezání vysoce pevné konstrukční oceli s menším tepelným příkonem;
• vysoká řezná rychlost (až 10x vyšší než při řezání plamenem);
• proces lze plně automatizovat;
• řezání plazmou pod vodou pro velmi malé tepelné ovlivnění řezaného materiálu a malou hladinu hluku v okolí pracoviště.

• omezí použití do 160 mm (180 mm) u suchého řezání a 120 mm u řezání pod vodou;
• poněkud širší řezná spára oproti řezání laserem.

8.5 Svařování plazmatem

Plazmové svařování patří mezi moderní, vysoce produktivní metody svařování v ochranné atmosféře. Je charakterizováno velmi vysokou koncentrací energie a vysokou pracovní teplotou. Předností plazmového svařování je stabilní svařovací proces a charakteristický tvar svaru – zejména kořene, což umožňuje svařování bez podložení kořene až do tlouštěk 10 mm. V základních rysech se svařování plazmatem podobá metodě TIG (WIG) – oblouk hoří mezi netavící se elektrodou a základním materiálem nejčastěji v ochranné atmosféře inertního plynu. Na rozdíl od svařování metodou TIG se používá hořák s intenzivně chlazenou výstupní hubicí menšího průměru, která oblouk zužuje na poměrně malou plochu svařence. Na zvýšení hustoty energie se podílí ochranný (fokusační) plyn.

Koncentrované teplo zaručuje hluboké natavení základního materiálu, dobré formování kořene a charakteristický průřez svaru. Ve srovnání s laserovým paprskem má plazmový oblouk nižší koncentraci energie, avšak nesrovnatelně vyšší energetickou účinnost a nižší celkové provozní náklady. U plazmatu je zřejmá vyšší koncentrace energie a tím i délka oblouku. Teplo a dynamický účinek oblouku vytvářejí otvor na přední straně tavné lázně. Tento otvor, kde oblouk přechází přes materiál, se nazývá „klíčová dírka“. Při posuvu plazmového hořáku ve směru svařování dochází vlivem povrchového napětí k opětnému spojení svarového kovu za „klíčovou dírkou“. Tento efekt umožňuje svařování tupých svarů do tloušťky 8 mm bez úpravy svarového úkosu a na jeden průchod.

Spotřeba přídavného materiálu se při svařování plazmatem snižuje až na 1/10. Ekonomický přínos této metody je zřejmý. Snadná kontrola průvaru, nízká citlivost na změny délky oblouku, vysoká stabilita oblouku i při nízkých parametrech společně s malou tepelně ovlivněnou oblastí zajišťují vysokou kvalitu svařovacího procesu. Svařování metodou „klíčové dírky“ je velmi vhodné pro automatizaci svařovacího procesu. Společným znakem všech oblastí použití svařování plazmatem je vysoká kvalita a produktivita procesu při minimálním tepelném ovlivnění základního materiálu.

Výhody svařování plazmatem:

• vysoká rychlost svařování;
• velký výkon;
• hluboký průvar;
• menší tepelně ovlivněná oblast oproti svařování autogenem, a tím i menší deformace obrobku, daná velkou svařovací rychlostí;
• menší převýšení svaru, a tím i snížení pracnosti následného opracování svaru;
• zachování příznivých mechanických hodnot základního materiálu;
• vynikající vzhled svaru při snadné reprodukovatelnosti;
• vynikající kvalita svaru;
• snížení pracnosti přípravy svarových ploch;
• do tloušťky 8 mm není nutné svarové plochy úkosovat;
• lze svařovat jedním průchodem a pouze z jedné strany;
• úspora přídavného materiálu;
• měkký, stálý oblouk.

8.6 Nanášení povlaků plazmatem

Zařízení pro nanášení povlaků plazmovým nástřikem umožňují nanášet železné i neželezné kovy (např. slitiny kovů, karbidy, wolfram, molybden, tantal, chrom, nikl), keramické materiály, sklo a plasty. Vrstva naneseného materiálu je se základním materiálem součásti spojena především adhezí, v některých případech se částečně uplatní proces difuze. Složení nanášeného materiálu se volí podle funkce dané součásti. Vytvářejí se povlaky odolné proti otěru, korozi, tepelným rázům, elektricky nevodivé, odolné proti vysokým teplotám nebo proti působení chemických látek.

Nanášený materiál se do plazmového hořáku přivádí ve formě prášku, drátu nebo tyčinky. Zde se taví a plamenem hořáku je vrhán na povrch součásti rychlostí 180 až 200 m.s^-1. Pro dobré přilnutí povlaku je nutné povrch součásti dokonale očistit, tj. odmastit v lázni.

Výhody povlakování plazmatem:

• tvrdost se mění v závislosti na vybrané slitině až do 700 HV 30;
• proces je plně automatizován, což zaručuje vysokou kvalitu a homogenitu povlaku bez poréznosti nebo vměstků;
• tloušťka naneseného povlaku je v rozmezí 2 až 5 mm.

8.7 Obrábění plazmatem

Plazmový hořák lze použít při obrábění dvojím způsobem: buď pro předehřev materiálu před břitem řezného nástroje, nebo pro odtavování materiálu z povrchu obrobku.

Při obrábění s předehřevem materiálu před břitem řezného nástroje (obr. 8.7) se u ohřáté části materiálu změní mechanické a fyzikální vlastnosti (zejména se sníží pevnost a tvrdost materiálu) a obrábění probíhá snadněji, neboť řezné síly jsou malé. Tak se zvýší trvanlivost břitu až o 400 %. Metoda se používá pro obrábění těžkoobrobitelných materiálů nebo pro obrábění extrémně dlouhých výrobků.

Při odtavování materiálu z povrchu obrobku se materiál na povrchu obrobku taví a proudem asistenčního plynu odfukuje. Metoda je použitelná pouze pro hrubování při velkém množství odebíraného materiálu. Obrobený povrch má velkou drsnost a je značně tepelně ovlivněn.

8.8 Svařování mikroplazmatem

Svařování mikroplazmatem se používá pro vytváření drobných svarů v přístrojové technice a přesné mechanice.

Ing. Jaroslav Řasa, CSc.,

Ing. Zuzana Kerečaninová, Ph.D.

ČVUT, VCSVTT

www.rcmt.cvut.cz

j.rasa@rcmt.cvut.cz