Podczas cięcia wiązka plazmy jest skupiona na bardzo niewielkim polu materiału ciętego – u wyjścia z dyszy ma prędkość zbliżoną do prędkości dźwięku, a temperatura mieści się w granicach 10 000÷30 000 K.. Topniejący metal ciętego materiału tworzy szczelinę. Podczas cięcia wykorzystywany jest wyłącznie prąd ujemny, a maszyna zasilana jest z inwertorowych lub prostownikowych źródeł prądu.

Ważnym do spełnienia warunkiem technologicznym jest przewodzenie prądu elektrycznego w obszarze cięcia. Jeśli cięciu podlegają materiały metaliczne, które przewodzą prąd, to stosuje się palniki o łuku zależnym. Przy takim cięciu występuje klasyczny układ, czyli katoda – elektroda wolframowa lub miedziana oraz anoda – cięty materiał. W przypadku cięcia materiałów nieżelaznych konieczne jest użycie palnika o łuku niezależnym.

Elementy układu

Budowa palników stosowanych przy tej metodzie jest zbliżona do budowy tych używanych przy technologii spawania plazmowego. Konstrukcja palnika umożliwia centralne doprowadzenie gazu plazmowego, który topi i wyrzuca ciekły materiał z obszaru obróbki. Dodatkowo doprowadzany jest gaz ochronny, który zabezpiecza strefę cięcia przed dostaniem się powietrza i chłodzi palnik. Najczęściej gazem plazmowym jest argon lub jego mieszanka z helem bądź azotem. Natomiast gaz ochronny należy dobrać ze względu na rodzaj ciętego materiału.

Występują również palniki, w których podawane medium ochronne ma za zadanie zawężanie łuku plazmowego, a tym samym zwiększanie temperatury plazmy, przez co uzyskuje się możliwość szybszego cięcia materiału. Tym medium poza typowymi gazami ochronnymi może być również woda. Zastosowanie obróbki z wtryskiem wody zapewnia zwężenie łuku plazmowego, czego efektem jest oczywiście mniejsza szczelina i dokładniejsza obróbka. Dodatek wody gwarantuje wzrost temperatury do 30 000 K oraz zwiększenie żywotności dyszy. Palnik z kurtyną wodną zamiast gazu ochronnego oprócz zwiększenia prędkości cięcia redukuje zanieczyszczenia i hałas podczas obróbki.

Czasami jako gaz plazmowy stosuje się też powietrze. Prowadzi to do obniżenia kosztów samego gazu, co jest niewątpliwą zaletą, jednak podstawową wadą takiego rozwiązania jest konieczność stosowania specjalnych elektrod. Wykonane są one z cyrkonu lub hafnu i osadzone w miedzianym korpusie intensywnie odprowadzającym ciepło (rys. 1). Tego typu palnik stosowany jest przy cięciu ręcznym.

Parametry technologiczne

Jednym z ważnych czynników technologicznych cięcia plazmą, który ma bezpośredni wpływ na jakość obróbki, jest gaz plazmowy – jego rodzaj i prędkość strumienia.

Najczęściej używane gazy to: tlen, powietrze, azot, argon, a także mieszanki argonu i wodoru oraz azotu i wodoru. Początkowo stosowany był głównie argon, lecz ze względu na cenę i rozwój technologii obecnie wykorzystuje się jego tańsze zamienniki. Stopniowo zastępowano go azotem, a później tlenem i powietrzem.

Każdy z gazów ochronnych ma swój obszar zastosowania:

• tlen – stosowany jest do cięcia stali niskowęglowych i niskostopowych; zmniejsza napięcie powierzchniowe stopionego metalu, ułatwiając usunięcie go ze szczeliny.

Dzięki przyspieszonej reakcji egzotermicznej zwiększa się prędkość cięcia, co powoduje zmniejszeniu się strefy wpływu ciepła i możliwych odkształceń;

• azot – wydłuża żywotność dyszy i elektrody; wykorzystywany jest przy arkuszach blachy o grubości 25÷75 mm i przy natężeniu prądu do 750 A;

• mieszanki argonu i azotu oraz argonu i wodoru – występują zwykle w ilości 10÷35% azotu lub wodoru wraz z argonem; wykorzystywane są przy cięciu stali odpornych na korozję i aluminium, stosuje się je przy grubości arkusza stali nierdzewnej do 130÷150 mm.

Pozostałe parametry technologiczne, które w mniejszym lub większym stopniu wpływają na jakość cięcia, to: natężenie prądu (A), decydujące o temperaturze i energii łuku plazmowego; napięcie łuku plazmowego (V), wpływające na sprawny proces cięcia; rodzaj i budowa elektrody; średnica dyszy zawężającej łuk plazmowy (mm); położenie palnika względem materiału; prędkość cięcia (mm/min); rodzaj i ciśnienie (MPa) oraz natężenie przepływu gazu plazmowego i gazu ochronnego (l/min).

W celu stabilizacji obróbki i utrzymania seryjnego charakteru produkcji używa się często podzespołów zmechanizowanych lub zrobotyzowanych, wykorzystujących sterowanie numeryczne.

Przebieg procesu

W przypadku cięcia łukiem plazmowym etap rozpoczęcia cięcia, czyli tzw. punkt przebicia, jest zbliżony do wpalenia przy cięciu laserem, przy czym moc i siła naporu są tu znacznie większe. Podczas zajarzenia łuku występuje gwałtowny wzrost temperatury w rejonie obróbki – sięga ona 16 000°C. Zajarzenie łuku powstaje dopiero w chwili zbliżenia głowicy zawierającej elektrodę, która pełni funkcję katody, do materiału spełniającego zadania anody. Oznacza to, że jeżeli obróbka zaczyna się na krawędzi arkusza, to należy dobrać odpowiednią odległość, aby łuk mógł się zajarzyć. Zazwyczaj jest to ok. 5÷15 mm. Gdy wpalenie ma miejsce wewnątrz arkusza blachy, trzeba uwzględnić jego lokalizację względem pełnego materiału lub wewnątrz odpadowych elementów (np. krążków powstałych przy wycinaniu otworów).

Czas przebicia całej grubości blachy zależy głównie od natężenia prądu, wysokości cięcia, grubości materiału oraz rodzaju i geometrii dyszy. Podczas programowania obróbki technolog najczęściej może wybrać umiejscowienie punktu wpalenia, a co się z tym wiąże – kąta i długości dojazdu do ścieżki cięcia. Powinny one mieć jak najłagodniejsze przejście na drogę obróbki.

Geometria wejścia w materiał i rozpoczęcie wycinania kształtu docelowego to bardzo ważne elementy, ponieważ koniec drogi cięcia materiału najczęściej znajduje się w tym samym położeniu co jej początek. Aby więc zachować stan zajarzenia na końcu obróbki, należy nadać głowicy inny kierunek, tak aby utrzymać łuk poprzez ciągły przepływ plazmy między katodą (elektroda) i anodą (materiał obrabiany). W przeciwnym wypadku może nastąpić utrata łuku i zatrzymanie całego procesu cięcia z powodu braku przepływu prądu. Samo przebicie generuje znaczną ilość stopionego metalu, który w przypadku pogłębiania krateru wydostaje się z niego na powierzchnię w postaci rozprysków (rys. 2). Są one większe niż w przypadku cięcia laserowego.

W celu uniknięcia kolizji z rozpryskami i roztopionym metalem głowica po zajarzeniu łuku stopniowo odsuwa się od ciętego materiału, a dopiero po jego przebiciu wraca do wysokości zadanej.

Jak już sygnalizowano, ważnym warunkiem poprawności procesu cięcia jest utrzymywanie stabilnego łuku. Z tego powodu stosowane są określone techniki cięcia pozwalające utrzymać łuk przez większość obróbki. Przykład linii cięcia z wydłużonym wyjściem w celu potrzymania łuku przedstawiono na rys. 3.

W celu przedłużenia pracy łuku plazmowego wykorzystuje się materiał odpadowy. Pod koniec następuje długie odcięcie, możliwe dzięki pozostawionym fragmentom ażuru. Mniejsza ilość zajarzeń łuku sprawia, że katoda ma dłuższą żywotność.

Warunki procesu

Istotną wadą technologii cięcia plazmą jest brak możliwości pełnej kontroli nad płomieniem. Strumień plazmy ma skłonności do trawienia większej ilości materiału, niż wymaga faktyczna obróbka. Szczególnie jest to zauważalne w narożnikach elementów ciętych (rys. 4). Miejscowe zmniejszenie prędkości cięcia powoduje jeszcze bardziej zauważalne wytopienie materiału.

Podczas cięcia łukiem plazmowym bardzo ważny jest dobór natężenia prądu i grubości blachy, z czego wynikowym parametrem jest prędkość cięcia. Najmniej istotny jest gatunek stali i rodzaj gazu towarzyszącego.

Prędkości cięcia określane ze względu na jakość uzyskiwanej powierzchni są zwykle podawane przez producenta. Czasami jednak wymagają one kontroli technologa lub operatora, co może wynikać ze zróżnicowanej mieszanki gazowej lub błędów na poziomie programowania. Ze względu na brak kontroli nad kształtem płomienia plazmowego szczelina i cięty detal muszą zostać wykonane z odpowiednim naddatkiem. Zazwyczaj wypalana w zbyt dużym stopniu jest górna krawędź, co może spowodować utratę wymiarów. Sytuację tę przedstawia rys. 5.

Powierzchnie cięcia nigdy nie są pionowe – tworzona szczelina jest szersza w górnej części i zwęża się w dole blachy. Wartość kąta ukosowania zależy od prędkości cięcia: jest ona niska przy małej prędkości i wzrasta wraz z jej zwiększaniem się.

Nieodpowiednie dobranie prędkości cięcia ma również wpływ na sam płomień. Przy niskich wartościach jest on pionowy lub nawet wyprzedza oś pracy głowicy, topiąc materiał przed nią. Zwiększenie prędkości powoduje powrót płomienia do pozycji pionowej. Wraz ze stopniowym jej wzrostem pozostaje on z tyłu osi głowicy cięcia.

Istotnym parametrem jest również prędkość strumienia plazmy podczas przebijania materiału – przy zbyt dużych prędkościach płomień przebijający arkusz może być prawie poziomy, co może spowodować nieprzebicie arkusza blachy i wyrzucenie iskier stopionego materiału w górę, co z kolei prowadzi do uszkodzenia maszyny.

Podczas cięcia łukiem plazmowym duża energia cieplna błyskawicznie nagrzewa i topi materiał, a gazy towarzyszące usuwają go ze strefy obróbki. Z uwagi na bardzo wysoką temperaturę powierzchnia po cięciu jest dość gładka (w wielu sytuacjach dokładność jest wystarczająca) z drobnymi rysami, pochylonymi w tym samym kierunku co płomień w czasie obróbki.

Geometria elementu

O ile płaskość powierzchni po cięciu jest często wystarczająca, o tyle problemem jakościowym jest geometria elementu. Podczas cięcia w linii prostej powierzchnia jest delikatnie pochylona (rys. 5), a jeśli linia cięcia ma fragmenty krzywoliniowe, takie jak np. otwór, to niedokładność jeszcze bardziej się pogłębia. Miejscami newralgicznymi są nawroty i rogi, przy których następuje zmniejszenie prędkości cięcia. Powoduje to nie tylko ukosowanie powierzchni, ale też mocne zaokrąglenie krawędzi bocznych w dolnych partiach (rys. 4). Dobrze wykonana jest krawędź górna – nie jest ona aż tak zaostrzona jak w przypadku cięcia laserowego.

Jeżeli parametry cięcia plazmą są tak dobrane, aby nastąpiło całkowite roztopienie metalu, to z uwagi na bardzo wysoką temperaturę występuje dość duża strefa wpływu ciepła. Zależy ona głównie od prędkości cięcia i grubości ciętego materiału (jest bardzo dobrze widoczna przy większych grubościach – rys. 6).

Podstawowe zalety cięcia plazmą w stosunku do innych niekonwencjonalnych technologii to jakość powierzchni po cięciu – uzyskiwane parametry chropowatości są najniższe, więc często taka powierzchnia nie wymaga dalszej obróbki. Technologię tę można łatwo zautomatyzować, pozwala ona na cięcie grubych elementów i jest dość szybka. Natomiast istotne wady tej technologii to potrzeba przewodzenia prądu w celu zajarzenia łuku i powstająca strefa wpływu ciepła prowadząca do miejscowego utwardzenia materiału.

LITERATURA

Bhowmick S. i in., 2018, Experimental study of plasma arc cutting of AISI 304 stainless steel. Podstawy wysokociśnieniowych technologii hydrostrumieniowych, „Materials Today”, nr 5.

Klimpel A., 2009, Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali, WNT, Warszawa.

Krajcarz D., 2014, Comparison Metal Jet Cutting with Laser and Plasma Cutting, „Procedia Engineering”, vol. 69.

Nemchinsky V. i in., 2009, Plasma arc cutting: speed and cut quality, „Journal of Physics D Applied Physics”, vol. 42.