Plazmové svařování a dělení materiálu Jaromír Moravec 1
Definice plazmatu Definice plazmatu je následující: Plazma je kvazineutrální soubor částic s volnými nosiči nábojů, který vykazuje kolektivní chování. Aby bylo možno pochopit co to plazma je, je třeba definici trochu polidštit: To nejdůležitější je, že se v plazmatu nacházejí volné nosiče náboje a atomy jsou alespoň částečně ionizované. Stupeň ionizace nemusí být příliš velký, je-li plazmový útvar dosti rozsáhlý. Právě volné nosiče náboje plazma zcela odlišují od ostatních plynů. Plazma je vodivé a silně reaguje na elektrická a magnetická pole. Druhou vlastností je kvazineutralita. Což je v podstatě požadavek, aby v makroskopických objemech bylo vždy v průměru stejné množství kladných a záporných částic. Navenek se tak plazma jeví jako nenabitá tekutina (kapalina nebo plyn). Poslední součástí definice plazmatu je jeho kolektivní chování. Tím se rozumí, že plazma je schopné jako celek svými projevy generovat globální elektrická a magnetická pole a na takováto globální pole reagovat. 2
Disociace a ionizace Ke vzniku plazmy je nutná disociace a následná ionizace plynu. Netečné plyny jako, argon, helium a neon, mají uzavřenou valenční sféru, jejich molekula je jednoatomová a proto u nich probíhá pouze ionizace. Naopak u dvouatomových plynů (dusík, vodík a kyslík) musí nejprve proběhnout disociace plynu, při které dochází k rozložení molekul plynu na atomy. Disociace i ionizace mohou proběhnout po dodání energie. Při teplotě 4000 K je disociováno 40% molekul, při 10 000 K je v disociovaném stavu již 99% molekul. Současně s disociací probíhá i teplotní ionizace, která začíná již při teplotě 8 000 K. Při 30 000 K tvoří plazmu dusíku asi 60% volných elektronů. Úplné ionizace se dosahuje při teplotách okolo 100 000 K. Při ionizaci dochází k vyražení nebo uvolnění elektronů z vnějších valenčních orbitů atomů. Uvolněné elektrony mají záporný náboj a vedou v plazmě elektrický proud. Atom se zbývajícími elektrony má kladný náboj a nazývá se iont. K ionizaci plynů je zapotřebí značné energie. V technické praxi se často jako zdroj tepla používá elektrický oblouk, který je zúžen a zvýšením teploty se dosáhne vyššího stupně ionizace. Stupeň ionizace (procento volných elektronů) je závislý na teplotě. Při ionizaci může být odtržen jeden nebo více elektronů z oběžné dráhy atomu. Při odtržení více elektronů mluvíme o tzv. vícenásobné ionizaci. 3
Princip technologie V technické praxi (zejména při svařování nebo dělení materiálů), se využívá plazmy nižších teplot do 35 000 K. Jedná se tedy o plazmu z částečně ionizovaného plynu. Pro vlastní ionizaci plynu je třeba dodat energii. Vhodným zdrojem je teplo elektrického oblouku, který svým způsobem již plazmou je. V technologických disciplínách se však název plazma začal využívat teprve když došlo ke kontrahování (zúžení) elektrického oblouku, čímž se zvýšila jeho teplota. Vlastní princip plazmového svařování je odvozen od metody TIG. Aby bylo možno získat plazmový oblouk, s vysokou hustotou výkonu v dopadové ploše, bylo třeba značně zvýšit teplotu tohoto oblouku. Řešením je zúžení elektrického oblouku. Toto zúžení je realizováno ve dvou krocích: 4
Zúžení oblouku fokusačním plynem Kovovou tryskou. Keramická hubice z metody TIG je nahrazena kovovou tryskou chlazenou vodou nebo plynem s malým výtokovým průměrem zúžení. Fokusačním plynem. Po výstupu z trysky je oblouk dále zužován fokusačním plynem. Povrchu oblouku je odebíráno teplo, které se spotřebuje na disociaci molekul a povrchová oblast oblouku se stává nevodivou. Vodivý průřez oblouku se tedy značně zmenší. Aby však mohl být přenesen stejně velký proud, musí v tomto průřezu vzrůst teplota. 5
Typy a teploty plazmatu Vysoce koncentrované teplo a relativně vysoká teplota plazmy zaručuje hluboké natavení základního materiálu, jakož i charakteristický průřez svaru ve tvaru poháru vína. Část plynu, která není ionizována a je tedy chladnější, stabilizuje plazmový paprsek v ose hořáku tak, aby se plazma nedotýkala stěn trysky. Stabilizace se může uskutečnit buď tvarem dýzy plazmového hořáku, proudícím plynem, nebo vodou. Teplota plazmy bude do značné míry záviset na tom, jaké plyny se budou uvádět do plazmatického stavu. Jednotlivé plyny mají různé fyzikální vlastnosti, včetně různých ionizačních potenciálů a tedy i teplota plazmy bude pro jednotlivé plyny odlišná. Pro používaná prostředí platí tyto průměrné teploty plazmy: Dusíková plazma do Vodíková plazma do Argonová plazma do Heliová plazma do Plazma stabilizovaná vodou až 9 000 K 10 000 K 16 000 K 20 000 K 35 000 K 6
Kombinované zapojení plazmového hořáku 7
Plyny používané při plazmovém svařování Při plazmovém svařování jsou v podstatě využívány tři druhy plynů: Plazmový plyn, fokusační plyn a ochranný plyn Plazmový plyn je použit k vytvoření plazmového paprsku, což je argon, helium, argon + vodík, v průtokovém množství 1 až 8 l.min -1, podle druhu základního materiálu, svařované tloušťky, druhu plazmového plynu a použité technologii (svařování, navařování, metalizace). Při ohřevu plynu se mnohonásobně zvyšuje jeho objem a tím i výstupní rychlost plazmy dosahuje vysokých hodnot. Dynamická účinnost dopadající plazmy spolu s vysokou teplotou umožňuje proniknutí paprsku v celém průřezu materiálu. Při svařování musí být dosažena rovnováha mezi tímto dynamickým účinkem a povrchovým napětím taveniny tak, aby nedošlo k vyfukování taveniny ze spáry. Výstupní rychlost plazmy pro svařování a navařování se pohybuje mezi 200 až 500 m.s -1. Fokusační plyn je použit k dosažení fokusace paprsku. Většinou se používají směsi Ar + H 2 a Ar + N 2 v průtočném množství 4 až 7 l.min -1. Ochranný plyn chrání roztavenou lázeň před účinky okolní atmosféry. Používá se Ar, Ar + H 2, Ar + N 2, CO 2 atd. Plyny se volí podle druhu svařovaného materiálu tak, aby se co nejméně chemicky ovlivnila tavná lázeň. Průtočné množství se pohybuje v rozmezí 15 až 25 l.min -1. 8
Mikroplazmové svařování Vysoká stabilita hoření plazmového oblouku i při nízkých proudech je využita při mikroplazmovém svařování. Intenzita proudu se zde pohybuje v rozsahu 0,05 až 20 A. Mikroplazmovým svařováním lze svařovat kovové fólie tloušťky 0,01 mm i plech tloušťky 2 mm. Značným problémem při spojování tenkých fólií je příprava svarové mezery, která se má pohybovat mezi 10 až 20 % tloušťky fólie. Nutností je použití upínacích přípravků pro odvod tepla a zajištění polohy během svařování. Mikroplazmové svařování se používá v leteckém a kosmickém průmyslu, mikroelektronice, přístrojové technice, chemickém a potravinářském průmyslu. Příklady parametrů mikroplazmového svařování: CrNi ocel tl. 0,25 mm proud 5,6 A, rychlost svařování 0,38 m.min -1 Slitina niklu Inconel tl. 0,3 mm proud 6 A, rychlost svařování 0,4 m.min -1 Měď tl. 0,075 mm proud 10 A, rychlost svařování 0,15 m. min -1 Titan tl. 0,2 mm proud 5 A, rychlost svařování 0,125 m. min -1 9
Systém plazma - MIG Kombinace plazmy a metody MIG spojuje výhody plazmového oblouku (vysokou stabilitu hoření i při velké délce oblouku), s výhodami MIG svařování (automatické podávání tavící se drátové elektrody). Existují dvě základní alternativy: Plazmový oblouk hoří mezi pomocnou wolframovou elektrodou a proud plazmatu je usměrňován hubicí. Plazmový oblouk hoří mezi hubicí a základním materiálem. a) s pomocnou elektrodou, b) s hubicí ve formě elektrody, c) hoření oblouku při nízkém proudu, d) hoření při vysokém proudu rotující oblouk 10
Řezání plazmou Plazmové řezání využívá vysoké teploty a výstupní rychlosti plazmového paprsku. Zvýšením průtoku a tlaku plazmového plynu se zvýší dynamický účinek vystupující plazmy a dochází k vyfouknutí nataveného materiálu z řezné spáry. Při řezání dosahují výstupní rychlosti plazmy 1500 až 2300 m.s -1. Vysoká teplota plazmového paprsku umožňuje řezat všechny kovové vodivé materiály bez ohledu na jejich řezatelnost kyslíkem. Omezeně lze nezávislým zapojením řezat i elektricky nevodivé materiály. Rychlost řezání je závislá na výkonu zdroje, tloušťce a druhu řezaného materiálu a jeho fyzikálních vlastnostech. Maximální tloušťka materiálu kterou lze řezat je přibližně 250 mm. Zdroje pro řezání mají vysoké napětí naprázdno 250 až 350 V a při řezání dosahuje hodnota napětí mezi 110 až 150 V. Na začátku řezání je pomocí VF ionizátoru zapálen tzv. pilotní oblouk, který hoří mezi elektrodou a kovovou hubicí po dobu 6 až 10 s. Pilotním obloukem se zajistí ionizace prostoru mezi elektrodou a řezaným materiálem a tím se vytvoří podmínky pro zapálení hlavního řezacího oblouku. Rychlost řezání tenkých plechů se pohybuje mezi 10 až 12 m. min -1. 11