Obrábění pomocí plazmy patří k novějším způsobům opracovávání materiálů, hlavně samozřejmě kovů. K rozšiřování této aplikace dochází hlavně v posledních deseti až patnácti letech. Ing. Stanislav Kahuda
Plyny zahřáté na teploty vyšší než několik tisíc stupňů Celsia tvoří svérázné čtvrté skupenství hmoty – plazmu. Plazmatické skupenství představuje hmotu úplně anebo neúplně ionizovanou, tedy s vysokým obsahem energie. Hmota v tomto stavu se některými vlastnostmi podobá stavu plynnému, některými zase stavu tuhému. V přírodě na Zemi je přirozenou formou ohřevu plynu do plazmového stavu blesk s teplotou až 30 000 K. V tomto případě jde o plazmu s vyšším stupněm ionizace – plazma totiž může být ionizovaná částečně, anebo úplně. Teplota částečně ionizované plazmy je 5000 až 10 000 K, úplně ionizované zhruba 100 000 K. Volně se pohybující elektrony v plazmě mohou přenášet elektrický proud, neboť plazma je vodivá. Plazma díky svým vlastnostem má předpoklady k tomu, aby byla široce využívána v technice jako elektrický vodič či jako prostředí s vysokou teplotou. Odtud také plyne její využívání – mimo jiné – pro řezání a obrábění. Jak je možné plazmu získat Plazmu lze získat těmito způsoby: • obloukovým výbojem (elektricky) • kompenzovaným iontovým svazkem (mechanicky) • rozpadovými a slučovacími jadernými reakcemi. Pro technickou praxi má význam zejména plazma, vznikající elektrickými výboji. Výboj vzniká mezi dvěma elektrodami. Jestliže elektrické pole v plynném prostředí přesáhne určitou kritickou hodnotu, pak nepatrný proud tvořený elektrony a ionty, jež se náhodně dostaly do prostředí zvenčí, náhle vzroste. Přitom nastane jev s intenzivní světelností ve viditelném a ultrafialovém spektru a vznikne jiskra. Ta někdy zhasne, resp. přejde do tlecího výboje anebo do trvalého oblouku. Oblouk je intenzivně svítící a zřetelně ohraničený výboj kruhového průřezu s vysokou teplotou. Elektrický oblouk se stabilizuje chlazením. V technické praxi se u plazmy vžil název stabilizace oblouku. Její pomocí se dosahuje určitého požadovaného kontrahovaného (zúženého) tvaru plazmového paprsku. Stabilizace lze dosáhnout vhodným tvarem trysky plazmového hořáku, proudícím plynem či vodou. Při intenzivním chlazení se dosahuje menšího průměru oblouku a vyšší teploty. Nejčastěji se chladí vodou nebo plynem. První teoretické práce o plazmovém oblouku stabilizovaném vodou za přítomnosti uhlíkové elektrody publikovali v roce 1922 Gedien a Lotz. V roce 1923 pak Langmuir zavedl fyzikální pojem plazma pro speciální stav plynů, které se stávají vodivými díky ionizaci atomů. Nejstarší způsob, jak utvořit trvalou plazmu ohřívanou elektrickým proudem, je obloukový výboj uhlíkovými elektrodami. Vliv plynu na elektrický oblouk Teplota plazmy bude do značné míry záviset na použitém plynu, který se bude uvádět do plazmatického stavu. Řezné plyny se používají buď jednotlivé anebo jako směsi různých aktivních či inertních plynů. Plyny mají různé fyzikální vlastnosti včetně ionizačních potenciálů. Kontrahovaný elektrický oblouk má vzhledem k použitým plynům tyto teploty: • vodíková plazma do 8000 K • dusíková plazma do 7000 K • argonová plazma do 15 000 K • heliová plazma do 20 000 K. Pro práci s plazmou v technické praxi je třeba znát tyto parametry: teplotu a elektrickou vodivost (zvyšováním velikosti proudu se zvyšuje teplota a elektrická vodivost plazmy) – hustotu proudu plazmy – průměr paprsku – stupeň fokusace paprsku po výstupu z trysky. Při plazmovém řezání se kov natavuje teplem kontrahovaného plazmového oblouku a z místa v řezu se odstraňuje kinetickou energií plazmových plynů. Princip plazmového řezání Princip řezání, respektive obrábění plazmou spočívá ve využívání par libovolného média ohřátých na takovou teplotu, při níž se páry dostávají do ionizovaného stavu a neřídí se obvyklými zákony platnými pro plyny. Plazma je ionizovaný plyn, jehož ionizace byla dosažena zahřáním na vysokou teplotu. Je charakteristická velice vysokou teplotou a elektrickou vodivostí. To umožňuje, aby byla orientována pomocí magnetických či elektromagnetických polí (odchylování, fokusace, stlačování). Rychlost pohybu částic je velmi vysoká, kolem 15 000 m/s. Při plazmovém obrábění se plazmovým paprskem, který je zúžen na malý průměr pomocí trysky, taví řezný materiál teplotou asi 10 000 °C a více. Používaná média Plazma se vytváří rozkladem molekul plynu při vývinu vysokého tepla při průchodu elektrickým obloukem, který hoří mezi elektrodou (katodou), jež se netaví, a řezaným – obráběným materiálem (anodou). Plazma pro tento účel vzniká použitím těchto médií: směsi plynů, stlačeného vzduchu, vodního proudu nebo kombinace plynu a vody. Při řezání klasickou plazmou se nejčastěji používá směs Ar (argon) a H2 (vodík). Na rozdíl od řezání, respektive obrábění kyslíkem je princip řezání plazmou založen na tavení řezaného materiálu extrémně vysokou teplotou. Výbava plazmového zařízení K základnímu vybavení plazmového řezacího – obráběcího zařízení patří: • speciální zdroj elektrické energie (zajišťuje vhodnou charakteristiku napětí elektrického oblouku potřebnou pro vznik plazmy) • vysokofrekvenční ionizátor (zapaluje plazmový oblouk na začátku řezného procesu) • řídicí skříň (slouží k nastavení parametrů řezání – proud, napětí, průtok médií apod.) • plazmový hořák. Účinek plazmy charakterizují změny, k nimž dochází buď na elektrodě vrhající plazmu ESP. I s materiálem elektrody proti povrchu, anebo změny vznikající přímo na povrchu tuhého (opracovávaného) materiálu. Druhy plazmatronů Mechanizmy, v nichž se tvoří plazma, se označují jako plazmatrony. Konstrukce plazmatronu předurčuje i účinnost plazmatického obrábění. Podle charakteru účinků plazmatronů se tato zařízení dělí na tři druhy: • V plazmatronech s přenosem oblouku hoří oblouk mezi elektrodou a obrobkem. Pro takovýto plazmový paprsek se vžilo označení PAM – Plasma Arc Machining. Tento způsob se používá pro vodivé materiály. Tryska plazmového hořáku je zde relativně méně namáhána. • Plazmatrony bez přenosu oblouku se vyznačují tím, že elektrický oblouk hoří mezi elektrodou z nesnadno tavitelného materiálu (třeba grafitu) a tryskou, jež je anodou. Chladí se vodou kolem trysky anebo kanálem, kde se plyn procházející obloukem ionizuje a vystupuje z hrdla trysky v podobě paprsku plazmy. Tento způsob – PBM (Plasma Beam Machining) – se používá pro elektricky nevodivé materiály. Hořáky nejčastěji pracují s plynem Ar anebo se směsí Ar + H2 • Stále častěji se v posledních letech používá plazmové řezání se stlačeným vzduchem (Air Plasma System) a plazmové hořáky se vstřikováním vody (Water-Injected Plasma), jež jsou ekonomicky méně nákladné a hodí se i k řezání, resp. obrábění nízkolegovaných ocelí. Při řezání hořáky se vstřikováním vody se do komory tangenciálně přivádí proud vody pod vysokým tlakem (jakožto plazmový plyn se zde používá dusík). Tak se vytvoří vír, který sevře plazmový paprsek a vyvádí jej tvarovaným otvorem k hlavě hořáku. Chlazení vodou příznivě ovlivňuje šířku řezu a samotnou jeho kvalitu. Vířivé vstřikování vody do plazmového oblouku způsobuje, že při vysokých teplotách kolem 50 000 K voda vytváří kolem oblouku tenký film, a to místo toho, aby se odpařovala. Při této metodě se odpaří cca 10 % vody, její většina vychází z trysky ve tvaru kužele. Tato voda, lépe řečeno vodní clona, má chladivý účinek na povrch materiálu a zároveň zabraňuje tomu, aby se v zóně řezu tvořily oxidy. Tento systém má název Hydroterm. Řezací tryska má přídavné kanály, jimiž se vstřikuje voda do plazmového paprsku. Voda prodlužuje životnost trysek a stabilitu oblouku. Výsledný řez je vysoce kvalitní, má téměř pravoúhlé hrany, povrch materiálu je tepelně ovlivněn jen minimálně. Aplikační sféra a její meze Plazmové obrábění se používá zvláště pro všechny elektricky vodivé materiály jako mosaz, bronz, nikl, wolfram, hliník molybden, titan, hořčík, měď, uhlíkové oceli, šedá litina apod. Plazmové opracování se nehodí pro plasty. S ohledem na povahu plazmového paprsku s ním nelze pořizovat dutiny a neprůchodné otvory. Řezání plazmou se dá používat i pod vodní hladinou, takže se s ním pracuje i v loděnicích, při opravách ponorek apod. Pokud jde o použití metody u konstrukčních ocelí, je toto sice možné, ale ukázalo se zatím jako ekonomicky spíše nevýhodné. Náklady na stabilizační plyny jsou vyšší než náklady na kyslík a příslušný plyn. Při menších tloušťkách opracovávaného materiálu lze sice dosáhnout vyšších řezných rychlostí, ale ani v tomto případě se to nerentuje. Při zvýšení příkonu plazmatronu na 150 až 200 kW při řezání oceli o tloušťce kolem 100 mm jsou řezné rychlosti přibližně stejné jako při řezání kyslíkem. Investiční náklady, tím i cena za běžný metr vykonaného řezu, jsou vyšší. Co se týká hliníku, je doporučováno řezat plazmou od nejmenších tloušťek až do 100 mm, přičemž kvalita hran řezů je velmi dobrá. Obtížnější je řezání mědi, u níž při větších tloušťkách dochází k nabalování materiálu na spodní hranu řezu. Řezání svazku plechů lze plazmou bez problémů provést, pokud jsou plechy rovné anebo natolik tenké, že se dají k sobě stáhnout svorkami, a to tak, aby mezi jednotlivými plechy (listy) nebyly vzduchové mezery. Jsou-li mezi listy mezery, nateče do nich roztavený materiál a plechy se de facto svaří dohromady. Za účelem rozšíření možností využití plazmy pro řezání konstrukčních ocelí byly vyvinuty plazmatrony, ve kterých se ke stabilizaci oblouku používá vzduch. Exotermická chemická reakce mezi kyslíkem obsaženým ve vzduchu a železem zvyšuje řeznou rychlost, takže stačí vyvinout menší výkon zdroje. Co vše ovlivňuje proces práce s plazmou Tloušťka plazmou opracovávaného materiálu závisí na použitém zařízení a druhu plazmového plynu. K této otázce lze podrobněji dodat, že proces plazmového řezání ovlivňují dále uváděné parametry a okolnosti: Průměr trysky: kvalita řezu závisí na tepelné intenzitě. Pro dosažení co nejvyšší teploty je třeba velmi malý průměr trysky. Udávají se v rozmezí 0,79 až 6,35 mm. Zdroj výkonu pro oblouk: užitečný výkon při řezání plazmou je kolem 250 kW pro proudy v rozsahu 50 až 1000 A, a napětí 100 až 250 V. Potřebný výkon je různý podle druhu a tloušťky materiálu. Používané plazmové plyny: argon, helium, dusík aj. Plazmové plyny svou cenou ovlivňují náklady na pracovní proces, ale i kvalitu řezu, rychlost řezání a životnost trysek. Vzdálenost mezi hořákem a opracovávaným materiálem: uvádí se rozmezí od 6,4 do 76,2 mm s tím, že kvalita řezné spáry se zlepšuje přímo úměrně s menší vzdáleností a se zvyšováním tepelné intenzity. Rychlost řezání: má vliv na kvalitu řezné spáry, na dosahovanou drsnost, na velikost tepelně ovlivněné zóny. Šířka řezné spáry a kolmost hran: řezná spára je po řezání plazmou charakteristická výraznou šířkou až několik milimetrů, a též výrazným zešikmením hran ve svislém směru. Kvalita řezu Na kvalitu řezu má vliv rozložení tepelného toku v řezné spáře. Velmi dobrá kvalita řezu se dosáhne rovnoměrným přívodem tepla po celé tloušťce materiálu. Zajímavé při plazmovém řezání je to, že tvar hran po plazmovém řezání je odlišný na pravé a levé straně (relativně ve směru pohybu materiálu). Pravá strana má obvykle menší sklon, asi 3°. Levá strana mívá někdy sklon až 15°. Jev je způsoben vířivým pohybem plynu ve směru proti pohybu hodinových ručiček. Natavený materiál z místa řezu je obvykle odváděn plynem s vysokou průtokovou rychlostí, a to má za následek tvorbu čistého hladkého povrchu na levé straně řezu. Hořáků a složitost plazmového opracování Podle složitosti vyráběných, resp. obráběných či řezaných součástek lze plazmové řezání rozčlenit do tří kategorií: • řezání jedním hořákem (pomocí dvouosového řízení), • řezání větším počtem hořáků (trojosé řízení). Zde musí být plazmové zařízení vybaveno přídavnou technikou – tzv. rotační úkosovací hlavou, která slouží k pořizování řezů ve všech směrech včetně oblouků, přičemž úkosový úhel je nastaven v rozmezí 15–60°, • řezání robotem (víceré řízení). Jde o náročnou automatizaci s použitím sofistikovaného hardware a software.