Plazma..doc

1.      Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą spawania, cięcia oraz natryskiwania plazmowego. Zapoznanie się z budową, działaniem i obsługą typowych urządzeń służących do pracy w/w procesach.

2.      Część teoretyczna:

Do wytworzenia plazmy, czyli zjonizowanego gazu, wymagane jest nagrzanie go do dostatecznie wysokiej temperatury. Spawanie może być prowadzone przy użyciu elektrody nietopliwej (metoda plazmowa GTA) i topliwej (metoda plazmowa GMA). Plazmą łuku spawalniczego jest gaz nagrzany do stanu, w którym jest on przynajmniej częściowo zjonizowany i dzięki temu zdolny do przewodzenia prądu elektrycznego. Temperatury występujące w łuku w metodzie TIG dochodzą do 6000°C, a kolumna łuku ma kształt stożka, natomiast przy spawaniu plazmowym łuk jest ogniskowany dzięki specjalnie zaprojektowanej dyszy chłodzonej wodą. Zaletą takiego rozwiązania (poza zawężeniem łuku) jest wzrost jego temperatury do około 20 000°C. Gaz ten, wypływając z dyszy jako zjonizowany strumień o wysokiej temperaturze, niesie olbrzymią energię, która jest niezbędna do spawania „z oczkiem”. Taka technika spawania pozwala w jednym przejściu wykonać spoinę w materiale o grubości od 3 mm do 15 mm z bardzo korzystnym zarysem wtopienia i minimalnym odkształceniem. Uzyskiwane prędkości spawania są o 40-80% wyższe niż przy metodzie TIG.

Spawanie plazmowe znalazło zastosowanie m.in. przy spawaniu rur. Większą popularnością cieszy się odmiana niskoprądowa – spawanie mikroplazmowe, szczególnie korzystne przy łączeniu bardzo cienkich blach (o grubościach od 0,1 mm). Metoda spawania plazmowego GTA wykazuje szereg zalet wynikających głównie z większej energii, jaką posiada łuk spawalniczy. Pozwala na wykonywanie połączeń ze znacznie większymi prędkościami spawania, a wąskie ściegi o dużej głębokości przetopienia zapewniają mniejsze odkształcenia i naprężenia spawalnicze.

Metoda ta ma również pewne niedoskonałości. Wadą spawania plazmowego jest konieczność dokładnego przygotowania złączy przed spawaniem (bardzo dokładne dopasowanie z minimalnymi szczelinami) i droższe urządzenia. Te problemy sprawiają, że jest ona stosowana w produkcji seryjnej przy półautomatycznym i automatycznym wykonywaniu połączeń. Stosowane są trzy odmiany metody PAW:

Spawanie mikroplazmowe (natężenie prądu spawania mieści się w przedziale od 0,1 A do 20 A). Spawanie plazmowe (natężenie prądu spawania mieści się w przedziale od 20 A do 100 A). Spawanie plazmowe z tzw. „oczkiem” (natężenie prądu spawania przekracza 100 A), w którym łuk plazmowy przenika przez całą grubość spawanego materiału.

Rysunek 1 Schemat dyszy palnika plazmowego

W procesie spawania powszechnie wykorzystuje się zwężony łuk ‘bezpośredni’ utworzony pomiędzy elektrodą a elementem spawanym, podczas gdy w innych zastosowaniach stosuje się częściej zwężony łuk ‘niezależny’.

Ponieważ strumień plazmy jest wyjątkowo wąski, nie może on zapewnić wystarczającej ochrony dla jeziorka spawalniczego, dlatego więc konieczne jest dodanie pierścieniowego strumienia gazu ochronnego o większej średnicy.

Przy ręcznym spawaniu plazmowym, gdy uchwyt jest trzymany w ręce, stosowane są procesy „mikroplazmowe” i „miniplazmowe” dla prądów pomiędzy 0,1 i 15 amperów oraz technika ‘z jeziorkiem’ dla prądów od około 15 do 100 amperów. Przy spawaniu automatycznym, gdy uchwyt jest zamontowany na wózku, stosowana jest tak zwana metoda 'oczka'. Poprzez zwiększenie prądu spawania (powyżej 100 amperów) oraz przepływu gazu plazmowego, tworzy się wiązka plazmy o dużej mocy, która może wniknąć na pełną głębokość elementu spawanego. W trakcie spawania, oczko stopniowo przecina metal, a za nim spływa jeziorko spawalnicze, tworząc spoinę.

Główną zaletą metody PAW w stosunku do GTAW jest szczególna stabilność łuku, która powoduje:

§         Powstawanie „sztywnego” łuku, który umożliwia lepszą kontrolę wprowadzanej energii,

§         Większą tolerancję na zmiany odległości pomiędzy dyszą a spawanym elementem, bez istotnej zmiany budowy spoiny,

§         Wąską strefę wpływu ciepła i ogólnie większą prędkość spawania,

§         Większą tolerancję na wadliwe przygotowanie, szczególnie w przypadku spawania z oczkiem.

Do wytworzenia plazmy czyli zjonizowanego gazu wymagane jest nagrzanie go do dostatecznie wysokiej temperatury. Podobnie jak podczas spawania metodą TIG, łuk przy spawaniu plazmowym powstaje pomiędzy nietopliwą elektrodą wolframową a materiałem podstawowym. Temperatury występujące w łuku w metodzie TIG są rzędu 6000 °C, a kolumna łuku ma kształt stożka. Natomiast przy spawaniu plazmowym łuk jest ogniskowany dzięki specjalnie zaprojektowanej dyszy chłodzonej wodą. Zaletą takiego rozwiązania poza zawężeniem łuku jest wzrost jego temperatury do około 20000 °C. Gaz ten wypływając z dyszy, jako zjonizowany strumień o wysokiej temperaturze niesie olbrzymią energię, która jest niezbędna do spawania “z oczkiem”. Taka technika spawania pozwala w jednym przejściu wykonać spoinę w materiale o grubości od 3 do 15 mm, z bardzo korzystnym zarysem wtopienia i minimalnym odkształceniu po spawaniu. Umożliwia także uzyskiwanie prędkości spawania o 40 – 80% wyższe niż przy metodzie TIG.

Gazy stosowane podczas spawania plazmowego spełniają trzy różne zadania:

Gaz plazmotwórczy – medium do tworzenia plazmy pomiędzy elektrodą a materiałem spawanym, argon lub argon z wodorem dla stali chromowo-niklowych lub argon z helem przy spawaniu metali nieżelaznych (np. aluminium i jego stopów, tytanu i materiałów z miedzi). Gaz ten musi charakteryzować się wysoką entalpią i dużą przewodnością cieplną oraz możliwie najmniejszym potencjałem dysocjacji i jonizacji oraz dużym ciężarem cząsteczkowym.

Gaz osłonowy – do ochrony spoiny i strefy wpływu ciepła. Najczęściej stosuje się ten sam gaz plazmotwórczy i osłonowy.

Gazy formujące – przeznaczone do ochrony grani spoiny oraz strefy bezpośrednio do niej przyległej a dostarczane do tych miejsc przy pomocy. Do spawania plazmowego jako gaz formujący zwykle stosuje się argon i mieszaninę argonu z wodorem.

Formowanie grani

Procesy łukowe wymuszają konieczność stosowania gazów osłonowych, a w przypadku wielu materiałów i technologii, dodatkowo ochronę grani spoiny przez tzw. gaz formujący.

Ciągły przepływ gazu formującego powoduje wypieranie składników zawartych w powietrzu (np. tlenu) w obrębie grani spoiny (redukuje ryzyko powstania wad w spoinie), a także przyległych do niej stref materiału rodzimego, rozgrzanych do wysokich temperatur. W zależności od gatunku materiału i rodzaju gazu formującego różnie może być ukształtowana grań spoiny. Przy spawaniu tzw. materiałów aktywnych (np. tytan, tantal) oprócz osłony grani konieczna jest także ochrona przed dostępem powietrza wierzchniej strony spoiny.

Ochrona warstwy graniowej jest zwykle stosowana w metodach MIG i TIG dla wrażliwych materiałów np. stal nierdzewna, tytan czy cyrkon. By sprostać wysokim wymaganiom, co do jakości powierzchni spoiny od strony grani, stosuje się gazy formujące również przy spawaniu stali niestopowych i niskostopowych.

W procesach spawania plazmowego “z oczkiem” stosowanie gazu formującego zapobiega powstawaniu wad w spoinie po jej zakrzepnięciu oraz działa podtrzymująco na powierzchnię ciekłego metalu (mniejsze ryzyko przepalenia).

Dla właściwego zabezpieczenia grani spoiny stosuje się różne przyrządy, dobierane w zależności od konstrukcji złącza.

Argon jako gaz formujący może być użyty zarówno podczas spawania wszystkich gatunków stali wysokostopowych, jak i stali niestopowych i niskostopowych oraz aluminium, miedzi, tytanu i ich stopów. Równie dobre efekty daje zastosowanie azotu o wysokiej czystości do osłony grani spoiny przy spawaniu stali austenitycznych, niestopowych i niskostopowych. Jego wykorzystanie podczas spawania stali typu duplex i superduplex pozwala ponadto na zapobieżenie spadkowi ich odporności na korozje wżerową. Wodór występujący, jako składnik gazów formujących, dzięki swemu redukującemu charakterowi, zapobiega powstawaniu tlenków na grani spoiny. Gazy zawierające wodór mogą być stosowane przy spawaniu stali austenitycznych i superaustenitycznych.

Cięcie plazmowe

Wykorzystanie łuku plazmowego pozwalającego na cięcie wszystkich materiałów przewodzących prąd elektryczny znalazło zastosowanie w przemyśle w latach 50-tych ubiegłego wieku. Rozwój technologii cięcia oraz specjalistycznych urządzeń pozwolił na rozszerzenie zakresu zastosowań cięcia plazmowego - z wcześniej rozwiniętego cięcia stali austenitycznych i stopów lekkich - o stale niskostopowe. Olbrzymi rozwój tej technologii spowodował, że w pewnych warunkach cięcie plazmowe stało się konkurencyjne dla takich procesów jak np. cięcie laserowe czy cięcie gazowe.

Plazmotwórczy gaz, przepływając przez łuk elektryczny jarzący się między elektrodami, ulega jonizacji i dzięki dużemu zagęszczeniu mocy wytwarza strumień plazmy (zjonizowanego gazu). Dysza zamontowana w palniku skupia łuk plazmowy. Chłodzone ścianki dyszy powodują zawężanie kolumny łuku. Wysoka temperatura w jądrze łuku plazmowego i bardzo duża prędkość strumienia plazmy (energia kinetyczna) to zjawiska powodujące, że materiał jest stopiony i wydmuchany ze szczeliny.

Do cięcia plazmowego wykorzystywane są m.in.:

ü      Argon - doskonały składnik gazowy do zajarzania i podtrzymywania łuku stosowany w mieszaninie z wodorem

ü      Wodór - do cięcia stali austenitycznych i stopów lekkich używany w połączeniu z argonem lub azotem

ü      Azot - zapewnia cięcie z dużymi prędkościami bez utlenienia krawędzi i ogranicza powstawanie nawisów

ü      Tlen - stosowany do wydajnego cięcia stali niskostopowych gwarantuje uzyskanie gładkiej, wolnej od nawisów i tlenków, powierzchni ciętego materiału

ü      Operacje cięcia można wykonać pod warstwą wody, co powoduje znaczne obniżenie poziomu hałasu.

Powłoki natryskiwane metodą plazmową:

Technologia natryskiwania cieplnego z zastosowaniem urządzeń plazmowych zostało wdrożone do przemysłu około 50 lat temu, a wywodzi się z doświadczeń zdobytych w trakcie badań przestrzeni kosmicznej. Plazmowa metoda natryskiwania polega na stapianiu proszku metalicznego (lub z niemetali) w strumieniu plazmy i kierowaniu roztopionych cząstek przez strumień gazu plazmowego na pokrywaną powierzchnię. W palniku do natryskiwania plazmowego, łuk plazmowy o temperaturze do ok. 16 000ºC jest zajarzany między nietopliwą katodą wolframową a anodą miedzianą, stanowiącą równocześnie dyszę wylotową dla strumienia plazmy i natryskiwanych cząstek. Palnik plazmowy jest intensywnie chłodzony wodą, aby zabezpieczyć elektrody przed stopieniem. Jako gazy plazmowe stosuje się argon lub azot, a jako gaz pomocniczy wodór lub hel. Gazy służą do wytworzenia plazmy, stabilizacji jarzenia się łuku wewnątrz palnika i przenoszenia proszku plazmowego. Proszek jest podawany do komory plazmowej palnika przez mechanizm dozujący, jego czas przebywania w palniku wynosi ok. 10-5s, gdy ulega stopieniu, a strumień plazmy wyrzuca go w kierunku podłoża. Typowe materiały natryskiwane metodą plazmową to: metale – tantal, molibden, wolfram, aluminium, miedź, nikiel, chrom, stopy: Ni-Cr-Co-Al, Ni-Cr, węgliki: Ti, W, Cr, tlenki: Zr, Ce, Al, Ti, Cr, a także spieki metalowo-ceramiczne. Odmianą natryskiwania plazmowego jest impulsowe natryskiwanie plazmowe materiałów proszkowych. Silnie sprężona plazma, do której wprowadza się materiał powłokowy wytwarzana jest w postaci impulsów o częstotliwości do 3 Hz. Metoda ta jest bardziej ekonomiczna w stosunku do technologii natapiania powłok przy pomocy urządzeń laserowych.

Podstawowym czynnikiem decydującym o jakości połączenia powłoki natryskanej plazmowo jest przygotowanie podłoża, tj.: usunięcie zanieczyszczeń, tłuszczu, lakierów, pyłu, nadania chropowatości przez śrutowanie, trawienie lub obróbkę wiórową, podobnie jak przy natryskiwaniu gazowym. Podstawowymi parametrami natryskiwania plazmowego są: wydajność podawania proszku, rodzaj i ciśnienie gazów plazmowych, odległość palnika od przedmiotu oraz prędkość przesuwu palnika. Zaleca się stosować odległość rzędu 50 ÷ 150 mm, a przesuw dobiera się tak, aby w każdym przejściu natryskana warstwa nie była grubsza niż 0,25 mm. Natryskiwane przedmioty podgrzewa się wstępnie do 100 ÷ 150°C w celu zapobieżenia kondensacji pary na powierzchni i obniżeniu naprężeń w powłoce po ochłodzeniu. Metodą plazmową można natryskiwać elementy z metali, stopów, materiałów ceramicznych, tworzyw sztucznych. Pomiędzy natryskaną powłoką a podłożem może wystąpić połączenie mechaniczne adhezyjne, chemiczne lub dyfuzyjne w mikroobszarach. Zaleca się aby cząstki natryskiwanych proszków miały jednolitą wielkość i małe wymiary, ażeby mogły ulec stopieniu w strumieniu plazmy. Natryskiwanie plazmowe jest powszechnie stosowane w przemyśle chemicznym, elektronice, energetyce jądrowej, kosmonautyce, produkcji samolotów, w celu zapewnienia odporności cieplnej, korozyjnej, odporności na ścieranie, obciążenia dynamiczne, jako izolacja elektryczna, osłony nuklearne oraz w wielu wypadkach łączenia tych właściwości.

Rysunek 2 Schemat natryskiwania plazmowego

1.      Katoda wolframowa

2.      Woda chłodząca

3.      Doprowadzenie gazu plazmotwórczego

4.      Doprowadzenie proszku do natryskiwania

5.      Strumień plazmowy ze stopionymi cząstkami

6.      Podłoże z natryskaną powłoką

8.      Praktyczne wykonanie ćwiczenia:

Na zajęciach laboratoryjnych została przedstawiona zasada budowy oraz działania plazmotronu, co zostało dokładnie opisane w części teoretycznej. Na zajęciach nie mogliśmy wykonać żadnego połączenia lub nałożyć powłoki, ponieważ nie działało źródło napięcia w w/w maszynie. W związku, z czym zajęcia wyjątkowo przebiegły w formie teoretycznej.

9.      Wnioski:

Spawanie plazmowe znalazło zastosowanie m.in. przy spawaniu rur. Metoda spawania plazmowego GTA wykazuje szereg zalet wynikających głównie z większej energii, jaką posiada łuk spawalniczy. Pozwala na wykonywanie połączeń ze znacznie większymi prędkościami spawania, a wąskie ściegi o dużej głębokości przetopienia zapewniają mniejsze odkształcenia i naprężenia spawalnicze. Metoda ta ma również pewne niedoskonałości. Wadą spawania plazmowego jest konieczność dokładnego przygotowania złączy przed spawaniem (bardzo dokładne dopasowanie z minimalnymi szczelinami) i droższe urządzenia. Te problemy sprawiają, że jest ona stosowana w produkcji seryjnej przy półautomatycznym i automatycznym wykonywaniu połączeń. Metoda ta jest szeroko stosowana, gdy trzeba uzyskać złącza wysokiej jakości, w przemyśle lotniczym (także w konstrukcjach kosmicznych), przetwórczym, chemicznym i petrochemicznym. Metodą plazmową można natryskiwać elementy z metali, stopów, materiałów ceramicznych, tworzyw sztucznych. Pomiędzy natryskaną powłoką a podłożem może wystąpić połączenie mechaniczne adhezyjne, chemiczne lub dyfuzyjne w mikroobszarach. Zaleca się aby cząstki natryskiwanych proszków miały jednolitą wielkość i małe wymiary, ażeby mogły ulec stopieniu w strumieniu plazmy. Natryskiwanie plazmowe jest powszechnie stosowane w przemyśle chemicznym, elektronice, energetyce jądrowej, kosmonautyce, produkcji samolotów, w celu zapewnienia odporności cieplnej, korozyjnej, odporności na ścieranie, obciążenia dynamiczne, jako izolacja elektryczna, osłony nuklearne oraz w wielu wypadkach łączenia tych właściwości.