Témata
Reklama

Nekonvenční metody obrábění – 8. díl

V osmém díle seriálu připravovaném ve spolupráci s Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii představíme různé technologie spojování a dělení materiálu plazmatem.

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.

Reklama
Reklama
Obr. 8.1. Plazmové hořáky s plynovou stabilizací: a) s transferovým obloukem, b) s plynovou stabilizací s netransferovým obloukem, c) s vodní stabilizací (1 – těleso hořáku, 2 – katoda, 3 – přívod plynu (argon), 4 – chlazení hořáku, 5 – paprsek plazmatu, 6 – obrobek, 7 – přívod vody)

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.

Obr. 8.2. Stroj pro řezání plazmatem
Obr. 8.3. Pohled do pracovního prostoru řezacího stroje

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.
Obr. 8.4. Příklady výrobků – řezání plazmatem: a) měkká ocel, b) vysoce legovaná ocel, c) dural

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.

Obr. 8.5. Schéma stroje pro svařování plazmatem (1 – kontrolní a řídicí systém, 2 – stabilizační plyn, 3 – zdroj pracovního elektrického oblouku, 4 – anody, 5 – místo svaru, 6 – regulátor tlaku, 7 – zásobník plynu, 8 – systém ovládání pohybů mechanických částí stroje, 9 – podávání svařovacího drátu, 10 – katoda, 11 – zdroj pomocného elektrického oblouku)

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.

Obr. 8.6. Pohled do pracovního prostoru svařovacího stroje

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.
Obr. 8.7. Obrábění s předehřevem materiálu před břitem řezného nástroje: a) soustružení, b) hoblování, c) frézování (1 – paprsek plazmatu, 2 – plazmový hořák, 3 – obrobek, 4 – nástroj)

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.

Obr. 8.8. Příklad výrobku – značení plazmatem

Ing. Jaroslav Řasa, CSc.,

Ing. Zuzana Kerečaninová, Ph.D.

ČVUT, VCSVTT

www.rcmt.cvut.cz

j.rasa@rcmt.cvut.cz

Reklama
Vydání #10
Kód článku: 81005
Datum: 08. 10. 2008
Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
Autor:
Firmy
Související články
Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Laserová technologie Platino pro každého

Nová verze fiber laseru Platino od italského výrobce Prima Power je jeden z nejúspěšnějších produktů z celého portfolia společnosti. 2D laser postavený na více než konsolidované platformě ze syntetického granitu má na kontě více než 2 000 instalací po celém světě. Stroj byl vybaven a aktualizován důležitými technologickými inovacemi, které přispívají k tomu, že je ještě rychlejší, spolehlivější a produktivnější.

Virtuální svařování - simulátory pro výuku

Svařování je jedna z nejvýznamnějších strojírenských výrobních technologií, která má rozhodující vliv na kvalitu řady výrobků. Zároveň velmi ovlivňuje výrobní náklady, proto má klíčové postavení mezi výrobními technologiemi. Toto odvětví se však dlouhodobě potýká s nedostatkem kvalifikovaných pracovníků na všech úrovních, tedy i pracovníků provádějících vlastní svařování - svářečů. Kvalifikace svářečů však není jednoduchá záležitost. Je to dlouhodobý, relativně nákladný proces, který je striktně předepsán legislativními požadavky a normami. Řada konvenčních metod svařování je navíc silně závislá na "lidském faktoru", tj. na zručnosti pracovníků, jejich fyzické i psychické kondici apod.

Související články
Navařování metodou WAAM

Aditivní výroba (AM – Additive Manufacturing, 3D print apod.) je inovativní výrobní proces, kterým je možné vytvářet trojrozměrné objekty tak, že se postupně skládá vrstva po vrstvě určitého materiálu a tím se vytvářejí rozličné finální tvary podle CAD předlohy (zatímco u konvenčních způsobů výroby, jako např. obrábění, se odstraňuje nežádoucí materiál z plného průřezu).

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nová generace polovodičových laserů s diamantovým sendvičem

Vědci z univerzity ve Stuttgartu ukázali cestu pro novou generaci polovodičových laserů. Tyto mají být zejména výkonnější a použitelné v nových oblastech. Lasery jsou založeny na diamantovém sendviči.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Metody spojování využívající principy plastické deformace

Součástí automobilů je množství nejrůznějších dílů, k jejichž výrobě se používají různé technologické procesy a široké spektrum materiálů. Technologie jako svařování, lepení a mechanické spojování jsou obvykle používány ke spojování jednotlivých dílů během montáže automobilu. Ačkoliv je technologie svařování velmi rozšířená, může svou podstatou ovlivňovat celkovou kvalitu spojovaných částí, jejich přesnost a spolehlivost. Vynaložená energie a síla potřebná pro spojování je při použití lepení nebo mechanických spojů vždy nižší než při svařování. Přitom stále rostou požadavky na vyšší stupeň deformace, produktivitu práce a na nižší náklady spojovacích operací.

Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Revoluce ve svařování laserem

Nejnovější technologie firmy Trumpf BrightLine Weld pro pevnolátkové lasery umožňuje svařování s nízkým rozstřikováním při rychlostech pohybu, které lze v dnešní době dosáhnout pouze pomocí CO2 laserů. BrightLine Weld umožňuje svary s částečným průvarem pro svařence s přenosem síly nebo svary s úplným průvarem pro svařování trubek a profilů. Tato technologie umožňuje výrazné zvýšení produktivity a energetické účinnosti. Vysoce kvalitní svarové švy se projevují vysokou mechanickou pevností vyrobených dílů. Minimalizované rozstřikování snižuje znečištění obrobku, upínacích zařízení a rovněž optiky. Výsledkem je zkrácení prostojů stroje, méně oprav dílů, vysoká životnost pracovní optiky a následkem toho podstatné snížení nákladů.

Řezání vysokým tlakem

Pro řezání drobných a kompletních tvarů kombinovaných (složených) materiálů nebo oceli používá řada podniků řezání vysokoenergetickým kapalinovým paprskem s abrazivem. Na trhu jsou nyní nabízeny tři rozdílné stroje, od základního modelu až po vysoce rychlostní variantu.

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Trhací nýty pro vysoké zátěže

Strukturální trhací nýty jsou ideální alternativou ke svařování nebo šroubovému spojení. Bezpečně a rychle se instalují a nabízejí značné výhody z hlediska smyku, tahu a dynamického zatížení. Použití strukturálních trhacích nýtů M-Lok při montáži rámů strojů a strojních součástí umožnilo firmě Zahoransky zkrátit jejich výrobní časy.

Moderní způsoby spojování dílů karoserií

Dnešní moderní koncepce stavby automobilů je nemyslitelná bez stále narůstajícího významu šetření s používanými surovinami, kratšími časy pro vývoj a cenově přijatelnou výrobu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit