Lavorazioni al plasma

Materie:	Appunti
Categoria:	Tecnologia
Download:	284
Data:	29.01.2007
Numero di pagine:	5
Formato di file:	.doc (Microsoft Word)

IL PLASMA

Generalità
Se un gas neutro viene riscaldato sino a raggiungere una temperatura che ne aumenti l’energia cinetica oltre un livello “critico”, gli atomi e le molecole di tale gas, urtandosi, liberano elettroni che si muovono per un breve tempo completamente svincolati dalle orbite descritte abitualmente attorno al nucleo di appartenenza. Le molecole e gli atomi privati di tali elettroni si caricano di elettricità positiva e vengono detti per questo ioni. In tali condizioni si genera il plasma.

Applicazioni
Il plasma è ottimo conduttore di energia elettrica e termica per via della grande energia elettrica posseduta dagli elettroni liberi. Viene realizzato artificialmente ai fini produttivi per saldatura, taglio, spruzzatura a caldo ad una temperatura di 5000/50000 K.

Formazione
Da un elettrodo in tungsteno avente funzione di catodo (D), scocca l’arco elettrico che si dirige verso l’anodo rappresentato dal pezzo (F). La tensione caratterizzante questo arco è piuttosto bassa (30/150 V); viceversa la corrente continua è decisamente elevata (200/4000A). Torcia (C) ed elettrodo in fusibile (D) sono raffreddati da acqua posta in circolazione in canali ricavati al loro interno. Superiormente un gas (A) viene introdotto ad una pressione di circa o,3 Mpa e costretto a passare in un anello di rame (E), con foro calibrato di 2/5 mm, insieme all’arco voltaico diretto sull’anodo (F). A causa sia della tensione esistente, sia del riscaldamento dovuto all’arco, il gas aumenta di volume ma non potendosi espandere liberamente, viene proiettato fuori dall’anello in rame a velocità ultrasonica. In questo breve spazio contiguo alla torcia:
- i gas biatomici si scindono in atomi e successivamente vengono dissociati in ioni positivi ed elettroni;
- i gas monoatomici si trasformano completamente in ioni positivi ed elettroni.
Quando atomi, ioni positivi ed elettroni raggiungono l’anodo:
- gli atomi dei gas biatomici si riuniscono ricomponendo le molecole iniziali, cedendo così notevole energia termica;
- gli elettroni liberi si uniscono agli ioni positivi, ricomponendo così gli originari atomi dei gas monoatomici.
Tutto ciò si traduce nella liberazione di un’enorme quantità di energia e in una temperatura del getto di plasma sull’anodo di circa 10000/30000 K.

In quasi tutti i casi è presente un arco ausiliario generato da una corrente ad alta frequenza, finalizzato alla guida e stabilizzazione dell’arco principale in ogni istante e condizione di funzionamento. Costruttivamente si utilizza un gas in pressione che viene fatto convergere sul getto di plasma al fine di contenerlo e concentrarlo.

Tipologie di arco-plasma
L’arco può essere fatto scoccare in 2 modi:
- arco trasferito, tra elettrodo in tungsteno e materiale del pezzo e viene usato in saldatura e taglio;
- arco non trasferito, tra elettrodo e parte esterna dell’ugello in rame e viene usato per saldare piccoli spessori e per la spruzzatura a caldo.

plasma trasferito plasma non trasferito

Saldatura al plasma
La saldatura al plasma è particolarmente indicata per gli acciai inossidabili, per il rame, per l’ottone, per il titanio, per il nickel, per l’alluminio, per il magnesio.
Nel plasma ad arco trasferito si distinguono 2 diversi metodi di saldatura:
- per fusione semplice, con la quale si ottengono saldature di elevata qualità su tutti gli spessori ma particolarmente su spessori di circa 10 mm. Spessori che vanno da 2,5 a 5 mm sono saldabili in una sola passata.
- per fusione passante, che è un tipo di saldatura in cui l’alto potere termico concentrato dell’arco plasma produce nel giunto un foro passante che si richiude progressivamente con lo spostamento della torcia lungo il giunto stesso. Tale processo mostra le sue migliori caratteristiche su spessori compresi tra i 2 e i 10 mm.
Il plasma richiede l’uso di due gas: un gas primario ed un gas secondario.
La funzioni del gas primario sono quelle di regolare il cono plasma, controllare le caratteristiche dell’arco e proteggere l’elettrodo. ( generalmente argon)
Le funzioni del gas secondario sono quelle di forzare il passaggio del gas primario nell’orifizio dell’anello in rame tramite la riduzione della superficie utile di passaggio di quest’ultimo e di proteggere il bagno di fusione dall’ossidazione dell’aria. ( generalmente elio)
Il processo di saldatura al plasma è un’evoluzione del processo TIG, rispetto al quale, a parità di qualità di saldatura, consente un incremento di produttività. Rispetto ai metodi laser e fascio elettronico si distingue per i bassi costi d’acquisto e di gestione nonché per la più elevata flessibilità d’impiego.

Taglio al plasma
Nel taglio al plasma non si usa un gas protettivo specifico, ma bensì l’aria. Le tensioni di lavoro sono relativamente basse (70/150 V), mentre le correnti sono elevate (200/1200 A), con una potenza termica media elevatissima. In virtù delle altissime temperature che raggiunge (20000/30000 K) ed all’istantanea fusione, l’arco al plasma è adatto al taglio di qualunque metallo ed in particolare dei metalli ad alta temperatura di fusione.
Lo spessore massimo tagliabile è di circa 100 mm e si possono realizzare tagli subacquei a patto di isolare la torcia. I sistemi di taglio al plasma vengono classificati in funzione della densità d’energia in A/cm². Essa abitualmente varia da 1900 a 4300 A/cm².
Nel 1980 venne introdotto l’ossigeno come gas plasma nel taglio degli acciai al carbonio, migliorando la qualità del taglio. Il bordo del taglio è a spigoli vivi, con una minima perdita di materiale ed essendo un taglio molto pulito facilita le operazioni successive come la saldatura. Purtroppo questa soluzione determina un’usura precoce degli elementi consumabili a causa della reazione dell’ossigeno con il materiale dell’elettrodo.
Un problema del taglio al plasma è la formazione dell’arco secondario. Ciò accade quando, in concomitanza con l’arco principale, si sviluppa un ulteriore arco che, generato dallo stesso elettrodo, utilizza a mo di sponda lo schermo di protezione, per poi ricongiungersi, sul pezzo, nell’arco principale. Quando questo accade, l’orifizio dell’ugello subisce gravi danni che determinano una modifica della sua geometria. La formazione dell’arco secondario può esser provocata da:
- taglio praticato troppo vicino al pezzo,
- ugello trascinato sul pezzo,
- portata di gas o intensità di corrente non adeguate.
I metodi di taglio usati sono principalmente 2:
- taglio ad aria compressa, dove viene usata aria compressa a 5 bar come gas ionizzante, e si presta per il taglio di tutti i materiali metallici,
- taglio con iniezione di acqua, dove da gas ionizzante funge l’azoto alla pressione di 10 bar. In questo sistema l’acqua in pressione viene fatta convergere tra anello di rame e parte terminale della torcia in ceramica. L’acqua che fuoriesce dall’ugello raffredda la superficie e funge da antiossidante.
Come per la saldatura, il gas utilizzato nel taglio viene scelto in funzione del metallo da tagliare e da considerazioni di carattere economico. Le miscele più usate sono: argon/idrogeno, azoto/ossigeno/argon, idrogeno/azoto, argon/elio.
A parità di materiale e di spessore, rispetto al taglio ossiacetilenico, il taglio alò plasma consente:
- velocità di taglio superiori,
- taglio di tutte le leghe (non possibile per l’ossiacetilenico),
- livello di finitura del taglio nettamente superiore.
Unico contro è da riscontrarsi nello spessore massimo di taglio che per il taglio ossiacetilenico è maggiore.

Spruzzatura al plasma
Lo stato di plasma viene impiegato anche per il processo di spruzzatura di materiale fuso. Detto materiale viene ridotto a minuscole gocce e quindi depositato su materiali (anche non metallici) al fine di ricoprire la superficie del pezzo sottoposto alò processo di lavorazione. In questo tipo di lavorazione i materiali destinati alla copertura del pezzo pervengono alla pistola tramite il condotto sotto forma di filo, polvere o palline.
Il materiale, passando attraverso un arco al plasma che lo fonde, viene ridotto in microgocce. Mediante un getto propulsivo dovuto ad un gas ausiliario immesso nella manichetta, il materiale fuso attraversa uno speciale ugello venendo spruzzato sul pezzo in rotazione. Come gas viene utilizzata aria compressa deumidificata, impiegata sia come gas primario sia come gas propulsore.