Come è organizzata e funzionante la saldatrice al plasma

Il plasma in fisica è il quarto stato della materia dopo forme solide, liquide e gassose, quando si verifica una ionizzazione parziale o completa del mezzo da molecole e atomi precedentemente neutri, soggetto alla condizione di quasineutralità: la densità volumetrica di tutte le particelle cariche è uguale.

Nella tecnologia di saldatura, vengono utilizzate le seguenti proprietà del plasma a bassa temperatura (scala inferiore a un milione di gradi Kelvin):

• conducibilità elettrica molto elevata;

• la forte influenza dei campi magnetici esterni sul flusso di correnti al suo interno, contribuendo alla formazione di getti e strati;

• manifestazione di effetti collettivi, espressa dalla predominanza delle forze magnetiche ed elettriche sulla gravità.

Principi per la creazione e il funzionamento di torce al plasma

In questo metodo di saldatura, la fonte di riscaldamento dei metalli fino al punto di fusione è un arco al plasma di gas ionizzato, che è diretto nella giusta direzione. È prodotto da un dispositivo speciale chiamato plasmatron o torcia al plasma.

Classificazione per tipo di arco

Secondo il principio di funzionamento, il plasmatron può avere un'azione diretta o indiretta.

Nel primo caso, la potenziale differenza del campo esterno del generatore, creando le condizioni per la formazione di un arco, viene applicata direttamente sul pezzo e sull'elettrodo del bruciatore a gas. Per questo motivo, l'efficienza di raffreddamento della struttura aumenta.

Nel secondo metodo, la tensione elettrica viene applicata solo tra le parti del bruciatore per creare un getto di plasma. Per questo motivo, è necessario complicare il sistema di raffreddamento del gruppo ugelli.

Per i plasmatroni ad azione diretta, viene prodotto un arco che ricorda approssimativamente una forma cilindrica, espandendosi leggermente sulla superficie del metallo in lavorazione.

All'interno dell'ugello elettrico neutro si verifica la compressione e la stabilizzazione dell'arco. In questo caso, la combinazione dell'energia termica e cinetica del plasma forma una potenza maggiore per questo, che consente al metallo di fondersi più a fondo.

I bruciatori indiretti creano un plasma sotto forma di un getto conico circondato da una torcia diretta verso il prodotto. Il getto viene espulso dal flusso di plasma proveniente dal bruciatore.

Classificazione dei metodi di raffreddamento del bruciatore

A causa dell'alta temperatura del plasma, vengono utilizzati vari metodi di raffreddamento dei dettagli della torcia al plasma:

• soffiare aria;

• rimozione del calore dovuta alla circolazione forzata di acqua.

Il raffreddamento ad aria è meno costoso e il raffreddamento a liquido è il più efficiente, ma complesso.

Classificazione dei metodi di stabilizzazione dell'arco

Il bruciatore a gas dovrebbe fornire una colonna di temperatura uniforme e stabile per dimensioni e direzione, fissandola rigorosamente lungo l'asse dell'ugello e dell'elettrodo.

A tal fine, sono stati sviluppati tre tipi di design di ugelli che utilizzano energia:

1. gas;

2. acqua;

3. campo magnetico.

Nel primo metodo un flusso freddo di gas, che soffia una colonna di plasma, si raffredda e contemporaneamente lo comprime. A seconda della direzione del flusso di gas, viene creata la stabilizzazione:

1. assiale - con soffiaggio parallelo della colonna;

2. vorticoso quando il flusso di gas viene creato nella direzione perpendicolare.

Il secondo metodo comprime l'arco in modo più efficiente e viene utilizzato nei plasmatroni utilizzati per la deposizione o il taglio dei metalli.

La stabilizzazione assiale è più adatta alla saldatura e alla superficie dei metalli.

Il doppio schema di stabilizzazione combina le caratteristiche di assiale e vortice. Quando lo si utilizza, è possibile far passare il gas in tre modi:

• solo attraverso il canale centrale principale;

• attraverso entrambi;

• esclusivamente tramite esterno.

Ogni metodo crea schemi diversi per la compressione della colonna del plasma.

Stabilizzazione dell'acqua utilizza flussi di fluidi controrotanti.Il vapore generato in questo processo aiuta a creare plasma con una colonna che riscalda fino a 50 mila gradi sulla scala Kelvin.

Uno svantaggio significativo di questo metodo è l'intensa combustione del catodo. Per tali dispositivi, l'elettrodo è realizzato in grafite, sviluppando meccanismi per il suo approccio automatico al pezzo man mano che la lunghezza viene continuamente consumata.

Si notano i dispositivi con torcia al plasma stabilizzato all'acqua:

• complessità progettuale;

• bassa affidabilità del sistema di alimentazione degli elettrodi;

• la complessità dei metodi di eccitazione dell'arco.

Stabilizzazione magnetica Funziona a causa del campo magnetico direzionale situato attraverso il movimento della colonna ad arco. La sua efficienza è la più bassa e il solenoide incorporato nell'ugello complica notevolmente il circuito della torcia al plasma.

Tuttavia, la stabilizzazione magnetica viene utilizzata per impartire movimento rotatorio al punto dell'anodo all'interno delle pareti dell'ugello. Ciò consente di ridurre l'erosione del materiale dell'ugello, che influisce sulla purezza del getto di plasma.

Tutte le costruzioni di plasmatroni considerate sopra sono ad arco. Ma esiste un altro tipo di dispositivi di generazione di plasma simili a causa dell'energia della corrente ad alta frequenza che passa attraverso la bobina dell'induttore. Tali plasmatroni sono chiamati induzione (HF) e non richiedono elettrodi per creare una scarica ad arco.

Non hanno vantaggi speciali nell'influenzare i metalli lavorati rispetto ai dispositivi ad arco e sono usati per risolvere i singoli processi tecnologici, ad esempio la produzione di metalli in polvere puri.

Caratteristiche di progettazione dei bruciatori

Il funzionamento di uno dei tipi di torce al plasma può essere spiegato dalla figura seguente.

L'arco al plasma durante la saldatura viene creato all'interno del guscio protettivo atmosferico formato fornendo gas iniettato all'area di lavoro. Molto spesso scelgono l'argon.

Il gas che forma il plasma (fonte di ionizzazione) può funzionare:

• argon;

• azoto;

• elio;

• aria;

• idrogeno;

• miscele dei gas elencati.

Tieni presente le caratteristiche del loro funzionamento:

• l'idrogeno è esplosivo;

• nitruri e ozono vengono rilasciati dall'aria;

• caro elio;

• L'azoto ad alte temperature influisce sull'ambiente.

Il tungsteno viene spesso scelto come materiale per gli elettrodi a causa delle proprietà meccaniche più adatte e della resistenza alle alte temperature.

L'ugello del gas è fissato nel bruciatore ed è soffiato con un flusso protettivo. Il fluido freddo viene pompato lungo le linee idrauliche e il riscaldamento viene scaricato.

I fili che trasportano corrente forniscono energia elettrica di corrente continua o alternata agli elettrodi.

Per alimentare l'arco che forma il plasma, una fonte di corrente con una tensione di circa 120 volt è collegata per la saldatura e circa 300 al minimo - per il taglio.

Dispositivo generatore di plasma

La corrente alternata o la corrente continua possono essere utilizzate per avviare il plasmatron. Ad esempio, considera il funzionamento di un generatore da rete di alimentazione convenzionale 220 volt.

La resistenza di zavorra limita la corrente di alimentazione. L'acceleratore controlla il carico. Il ponte a diodi converte una tensione alternata per mantenere un arco di servizio.

Un compressore d'aria fornisce gas di protezione al bruciatore e un sistema di raffreddamento idraulico fa circolare il fluido nelle linee del plasma per mantenere un'efficace rimozione del calore.

Tecnica per saldatura e taglio al plasma

Per accendere e mantenere l'arco di saldatura, viene utilizzata l'energia della corrente elettrica e, per la sua eccitazione senza contatto, un oscillatore (sorgente di oscillazione).

L'uso di un arco pilota tra l'elettrodo e l'ugello può facilitare significativamente il processo di avvio del plasma.

Tale saldatura consentirà di unire quasi tutti i metalli e le leghe situati nel piano inferiore o verticale.

Senza preelaborare i bordi, è possibile saldare smussi con uno spessore fino a 15 mm.In questo caso, si forma una penetrazione caratteristica con forme specifiche dovuta all'uscita del getto di plasma oltre il retro della parte saldata attraverso le fessure passanti.

In effetti, la saldatura al plasma nella maggior parte dei casi è un doppio processo continuo:

• tagliare il materiale del pezzo;

• taglio del sito di saldatura.

La tecnologia di taglio si basa su:

• strato di metallo fuso nel sito di trattamento;

• soffiando la frazione liquida nel flusso del plasma.

Lo spessore del metallo influisce sulla tecnologia di taglio. Per i prodotti sottili, viene utilizzato l'arco del metodo indiretto e per quelli più spessi, le torce al plasma a collegamento diretto funzionano meglio.

Il taglio al plasma è il più economico per tutti i metalli, compreso l'acciaio al carbonio.

Per eseguire la saldatura e il taglio al plasma, sono state sviluppate linee automatizzate e installazioni manuali.

Tipi di saldatura al plasma

La potenza della corrente applicata influisce sulla potenza dell'arco creato. Tre tipi di saldatura sono determinati dalle sue dimensioni:

1. microplasma;

2. media;

3. a correnti elevate.

Saldatura al microplasma

Funziona su correnti limitate a 0,1 ÷ 25 ampere. Questa tecnologia viene utilizzata in elettronica, strumentazione, gioielli, soffietti di fabbricazione, membrane, termocoppie, fogli, tubi e contenitori a parete sottile, che consentono di collegare saldamente parti con uno spessore di 0,2 ÷ 5 mm.

Per elaborare materiali diversi, vengono selezionate combinazioni di gas di formazione del plasma e gas protettivi, grado di compressione dell'arco e vicinanza all'anodo. Quando si elaborano materiali particolarmente sottili, la modalità a impulsi viene utilizzata per l'alimentazione dell'arco a basso ampere con la fornitura di impulsi di corrente bipolare.

Durante il passaggio di un impulso di una polarità, il metallo viene depositato o saldato e quando viene messo in pausa a causa di un cambio di direzione, il metallo si raffredda e si cristallizza e viene creato un punto di saldatura. Per la sua buona istruzione, il processo di fornitura di corrente e pausa è ottimizzato. In combinazione con il controllo dell'ampiezza e la rimozione dell'elettrodo, ciò consente di ottenere composti di alta qualità di vari metalli e leghe.

Per eseguire la saldatura al microplasma, sono state sviluppate molte tecnologie che tengono conto di diversi angoli di inclinazione delle torce al plasma, creando vibrazioni trasversali per la distruzione degli strati di ossido, spostando l'ugello rispetto alla saldatura in lavorazione e altri metodi.

Saldatura al plasma a correnti medie di 50 ÷ 150 ampere utilizzato nella produzione industriale, ingegneria meccanica e scopi di riparazione.

Correnti elevate da 150 ampere vengono utilizzati per saldature al plasma, effettuando in condizioni industriali la lavorazione di acciai legati e a basso tenore di carbonio, leghe di rame, titanio, alluminio. Consente di ridurre il costo dei taglienti, aumentare la produttività del processo, ottimizzare la qualità delle cuciture rispetto ai metodi di giunzione dell'arco elettrico.

Superficie del metallo al plasma e spruzzatura della superficie

Le singole parti della macchina richiedono la fornitura di superfici ad alta resistenza o resistenti alle alte temperature o agli ambienti aggressivi. A tal fine, sono rivestiti con uno strato protettivo di metallo costoso mediante metodi di trattamento al plasma. Per fare ciò, il filo o la polvere preparati in piccoli granuli vengono introdotti nel flusso del plasma e spruzzati allo stato fuso sulla superficie da trattare.

Vantaggi di questo metodo:

• la capacità del plasma di fondere qualsiasi metallo;

• la capacità di ottenere leghe di diverse composizioni e creare rivestimenti multistrato;

• la disponibilità di forme di elaborazione di qualsiasi dimensione;

• convenienza nell'adattare le caratteristiche energetiche dei processi.

Vantaggi della saldatura al plasma

La sorgente di arco creata dalla saldatura al plasma differisce da quella convenzionale elettrica:

1. un'area di contatto più piccola sul metallo trattato;

2. maggiore effetto termico dovuto all'approccio a una forma cilindrica;

3. aumento della pressione meccanica del getto sul metallo (circa 6 ÷ 10 volte);

4. La capacità di mantenere la combustione dell'arco a basse correnti, fino a 0,2 ampere.

Per questi quattro motivi, la saldatura al plasma è considerata più promettente e multiuso nella lavorazione dei metalli. Fornisce una migliore fusione in un volume ridotto.

L'arco al plasma ha la più alta concentrazione di temperatura e consente di tagliare e saldare metalli di spessore maggiore anche con determinati aumenti della distanza dall'ugello del bruciatore al pezzo.

Inoltre, i dispositivi di saldatura al plasma differiscono:

• dimensioni relativamente piccole;

• affidabilità nel lavoro;

• semplicità di regolazione della potenza;

• inizio facile;

• chiusura rapida della modalità operativa.

carenze

L'elevato costo delle apparecchiature limita la diffusa introduzione della saldatura al plasma in tutti i settori e tra le piccole imprese.