Plazma sa pre svoju vysokú teplotu a výbornú elektrickú vodivosť používa v priemysle a v dielňach na efektívne delenie (rezanie) materiálov. Ako ale funguje rezanie plazmou a na aké materiály ju môžeme použiť? Aké výhody a nevýhody prináša využitie plazmy? Vieme ovplivňovať kvalitu a rýchlosť plazmového rezania?
Plazma je vysoko ionizovaný plyn
Celosvetovo zaužívaný názov plazma vzišiel od amerického fyzika Irvinga Langmuira pred približne 100 rokmi. Plazma je ionizovaný plyn zložený z nabitých iónov a záporných elektrónov, kvôli čomu je vysoko vodivý. Ionizácia plynu sa dosahuje jeho ohrevom na vysokú teplotu alebo pomocou elektrického výboja medzi elektródami. Vtedy sa elektrická energia zmení na tepelnú, aby mohla vzniknúť plazma. Je to štvrté skupenstvo hmoty (prvé tri si pamätáme zo ZŠ :)). Na našej planéte ju v prirodzenej podobe poznáme ako plamene ohňa, vo forme blesku alebo polárnej žiary. V okolitom vesmíre však má však takmer absolútne zastúpenie, keďže všetky hviezdy sú v podstate plazmatické gule. Pre vysokú teplotu a vodivosť si našla množstvo uplatení aj v technike.
Výhody plazmového rezania
Plazmové rezanie ponúka zjavné výhody, kvôli ktorým sa čoraz viac uplatňuje nielen v priemysle, ale aj v dielňach:
- vysoká rýchlosť rezania – vyššia produktivita, v porovnaní s rezaním kyslíkom je plazmové rezanie omnoho rýchlejšie (až 5x),
- jednoduché ovládanie rezačky,
- rezanie všetkých kovových materiálov, aj vysoko legovaných a farebných kovov, vďaka vysokej teplote v pracovnej oblasti,
- rezanie rôznych geometrických tvarov,
- relatívne malé tepelné ovplyvnenie materiálu,
- mobilita ručnej rezačky,
- pri ručnom rezaní sa nepoužívajú žiadne špeciálne plyny - používa sa stlačený vzduch, čo zvyšuje aj bezpečnosť (nepoužívajú sa horľavé plyny),
- na manuálne plazmové rezanie nie je potrebná vysoká kvalifikácia.
Nevýhody rezania plazmou
- nižšia kvalita povrchu rezu,
- obmedzená hĺbka rezu – bežne do 30 mm, pre hrubšie materiály je rezanie plazmou neekonomické. Pri strojných CNC rezačkách sa preto kombinuje technológia rezania plazmou napr. s rezaním plameňom, ktorý umožňuje hlbšie rezy.
- vyššia šírka reznej škáry – dosahuje až niekoľko milimetrov,
- vyššia hlučnosť – rastie so zvyšovaním intenzity prúdu,
- pri priemyselnom použití majú CNC plazmy relatívne nižšiu zvislú rovnomernosť rezu,
- odsávanie spalín odsávacími a filtrovacími zariadeniam pri priemyselných rezačkách.
Aké materiály sa dajú rezať plazmovým lúčom?
Plazma sa používa prioritne na rezanie kovov (vodivých materiálov). Podobným spôsobom je však možné deliť ňou aj nevodivé materiály, k čomu sa ale používa iný princíp vytvorenia plazmového oblúka, ktorý je popísaný nižšie.
Plazmové rezanie vieme teda použiť pre:
- všetky vodivé materiály:
- konštrukčná oceľ, mäkká, uhlíková, nerezová aj legovaná oceľ,
- hliník, meď, mosadz, zliatiny, titán, mangán...
- nevodivé materiály - plast, keramika.
Princíp plazmového rezania
Plazmové rezanie materiálov prebieha pomocou vysokoteplotného plazmového oblúka. Proces rezania vodivých a nevodivých materiálov je podobný, ale spôsob vzniku plazmového oblúka je rozdielny.
Vodivé materiály ako oceľ alebo hliník sa režú tak, že plazmový oblúk vzniká medzi plazmovým horákom a obrábaným kovovým materiálom. Inertný plazmový plyn (stlačený vzduch) je hnaný vysokou rýchlosťou do úzkej dýzy v horáku. Vysoké napätie medzi netaviacou volfrámovou elektródou a tryskou vytvorí elektrický oblúk, ktorý zionizuje prúdiaci plyn. Tento oblúk sa nazýva pilotný netransferový oblúk. Časť z plazmového plynu sa premení na plazmu a prenesie sa (preskočí) na obrábaný materiál. Tak sa už vytvorí plazmový elektrický oblúk medzi elektródou, ktorá je katódou (-) a vodivým povrchom obrábaného materiálu, ktorý tvorí anódu (+). Pilotný oblúk sa vypína, medzi elektródou a materiálom už horí plazmový oblúk (rezací, transferovaný oblúk) vysokej teploty, ktorý roztaví materiál. Prebytočný roztavený materiál je odfukovaný plazmovým plynom s vysokou prietokovou rýchlosťou, čím vzniká rezná medzera.
Teplota oblúka môže dosiahnuť až 33 000 °C a rýchlosť prúdu častíc 1500 až 2300 m/s. Plazmový oblúk je stabilizovaný (po výstupe z trysky je potrebné ho udržať v tvare tenkého lúča) a chránený voči atmosfére ochranným plynom alebo vodou (priemyselné rezačky). Stabilizačné médium zároveň chladí horák aj rezaný materiál.
Nevodivé materiály ako plasty a keramika sa režú pomocou plazmového oblúka, ktorý je vytvorený v horáku medzi výstupnou tryskou (väčšinou medenou) a volfrámovou elektródou. Keďže tieto materiály nie sú vodivé, nemôžu vytvoriť s elektródou horáku elektrický obvod. Ten musí prebiehať výlučne v plazmovom horáku. Pri tomto spôsobe rezania je tryska intenzívne namáhaná a preto sa rýchlo opotrebováva. Tento princíp je známy ako netransferovaný oblúk a je použiteľný aj pre vodivé materiály.
Čo vplýva na rýchlosť a kvalitu rezu plazmou?
Efektivitu a kvalitu plazmového rezania je možné ovplyvniť kombinovaním parametrov (chce to trošku skúsenosti a experimentovania, ako pri všetkom):
- výkon zdroja, napájací prúd a napätie - pre tenšie materiály použijeme nižší výkon, aby sme materiál zbytočne po krajoch neroztavili, rez by bol nerovný,
- hrúbka a druh rezaného materiálu – pri hrubšom materiáli klesá rýchlosť rezania,
- priemer dýzy – pre získanie čo najvyššej teploty je potrebný veľmi malý priemer otvoru dýzy,
- vzdialenosť plazmového horáka od materiálu – pri menšej vzdialenosti sa zvyšuje kvalita rezu; pre udržanie konštantnej vzdialenosti slúži tzv. vozík (vodítko) na plazmový horák,
- plazmové plyny a ich čistota – plyny vysokej čistoty zvyšujú rýchlosť rezania.
Kompresor plazmovej rezačky a plyny na rezanie plazmou
Pre ručné plazmové rezanie sa ako plyn používa stlačený vzduch. Pre vháňanie vzduchu využíva ručná plazmová rezačka väčšinou kompresor, ktorý je buď zabudovaný priamo v rezačke alebo najčastejšie ako samostatné zariadenie. Takýto kompresor musí spĺňať požiadavky podľa pokynov výrobcu plazmovej rezačky, kde je presne definový maximálny tlak vzduchu, plniace množstvo, chladenie, filter, odlučovač oleja a kondenzátu a podobne.
Priemyselné plazmové rezacie stroje niekedy používajú okrem vzduchu aj inertné plyny. Dôvodom je zlepšenie vlastností, napríklad pri rezaní neželezných kovových materiálov.
- plazmové plyny - privádzajú sa priamo do elektrického oblúka a následne sú ionizované: argón, hélium, dusík N2, kyslík O2, oxid uhličitý CO2, zmes Ar+H2, filtrovaný vzduch,
- ochranné plyny - chránia lúč plazmy a oblasť taveného materiálu pred nepriaznivými účinkami atmosféry: argón, dusík N2, zmes O2 + N2, Ar + H2, Ar + N2, filtrovaný vzduch,
- fokusačné plyny - sú málo používané, zužujú, zaostrujú lúč plazmy, ktorý vystupuje z dýzy: argón, zmes Ar + H2, Ar + N2.
Výber plynu záleží od hrúbky materiálu, žiadanej kvalite rezu, použitého plazmového zdroja a horáka, aj na nákladoch na plyn.
Plazmové rezanie na jednoduché a rýchle delenie kovov
Rezanie plazmovým lúčom patrí medzi rýchly a jednoduchý proces delenia kovových vodivých materiálov do hrúbky cca 30 cm. Je efektívnejšie, než rezanie plameňom, avšak má obmedzenú hrúbku rezania. Na druhej strane môžeme porovnávať laserové rezanie, ktoré je zasa nepomerne drahšie. Vďaka efektivite, možnosti rezať komplikované tvary s pomerne malým tepelným ovplyvnením materiálu sa z čisto priemyselného využitia rozšírilo rezanie plazmou aj do dielní. V dielňach sa samozrejme nepoužívajú veľké CNC priemyselné stroje, ale malé, prenosné rezačky, o ktorých sa dočítate viac v článku Ručná plazmová rezačka - ako si vybrať a používať.
