Tecnologia di taglio al Plasma

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La tecnologia al plasma nasce da una modifica al funzionamento della saldatura TIG, e si diffonde con la denominazione PAC (Plasma Arc Cutting) per il taglio grossolano di lamiere metalliche anche di grande spessore a costi convenienti. In seguito ad un processo di perfezionamento e miglioramento della qualità durato dagli anni '50 agli anni '90, si approderà alle torce HDP (High Definition Plasma) in grado di avvicinarsi alla qualità delle lavorazioni laser a prezzi concorrenziali. Il sistema dunque si concentra principalmente sulle operazioni di taglio e saldatura, permettendo alte intensità energetiche in particolare per materiali conduttori.

Tecnologia al plasma, funzionamento generale

Un sistema di taglio al plasma è composto fondamentalmente da una testa di taglio (torcia) composta da un ugello al cui interno è posto un elettrodo, da un circuito elettrico ed uno di gas in pressione. Tra l'elettrodo e l'ugello (arco non-trasferito) o più comunemente tra l'elettrodo e lo stesso pezzo da lavorare (arco trasferito) si impone una differenza di potenziale che innesca la ionizzazione del gas che fluisce nell'ugello e il passaggio di corrente tramite un arco auto-sostenuto che trasferisce energia termica al gas. Il gas ionizza e, in stato di plasma, si proietta sul pezzo da lavorare cedendogli calore.

Il plasma è uno stato aeriforme della materia complessivamente neutro in cui gli atomi sono ionizzati in particelle positive (H+) e negative (e-). Lo stato di plasma è ottenibile tramite riscaldamento, radiazione elettromagnetica o per sottoposizione ad un campo elettrico intenso.

Per ionizzare un gas tramite un campo elettrico è necessario raggiungere il fenomeno della rottura del dielettrico, che si verifica quando un isolante come l'aria (in condizioni ambiente) viene sottoposto ad una differenza di potenziale tale da ionizzare il gas e renderlo conduttore.

Il fenomeno del nozzle-clogging permette di distinguere all'interno di un fascio di plasma due zone, una molto calda e conduttiva interna, ed una tubolare esterna in cui fluisce gas più freddo e denso, che è capace di costringere il flusso interno un una piccola sezione, accelerando il plasma centrale fino all'impatto con il pezzo da lavorare.

Evoluzione storica della tecnologia

Ecco una tabella che rappresenta la cronologia della tecnologia delle torce plasma verso le attuali soluzioni HDP, caratterizzate da flussi precisi e concentrati.

Denominazione	Vantaggi e soluzioni	Svantaggi e problemi	Ugello	Gas	Elettrodo
TIG	Semplice saldatura a gas inerte	Non taglia	No convergente	Inerte, argon	Tungsteno
PAC	Nozzle-clogging	Arrotondamento dell spigolo superiore e bave sullo spigolo inferiore	Semplice, in rame	Inerte	Tungsteno
Torcia Dry	Restrizione e allungamento dell'ugello con innalzamento temperature, minore distanza stand-off	Doppio arco in serie, problemi di smaltimento calore	Semplice, in rame	Inerte	Tungsteno
Torcia Dual Flow	Doppio gas: gas plasma e gas d'assistenza protettivo e refrigerante, cappuccio protettivo	Talvolta doppio arco, qualità bassa	Con cappuccio ceramico, ugello in rame	Inerte	Tungsteno
Torcia Dual Flow ad aria	Aria come gas di plasma (ossitaglio), reazione esotermica: incremento di potenza e velocità di avanzamento	Erosione dell'elettrodo in tungsteno, talvolta doppio arco	Con cappuccio ceramico, ugello in rame	Inerte	Tungsteno, poi Afnio-Zirconio
A iniezione radiale d'acqua	Iniezione radiale d'acqua per raffreddamento e concentrazione del flusso	Minore energia, talvolta doppio arco	Con cappuccio, ugello in rame	Inerte	Afnio-Zirconio
Torcia High Flow Vortex Nozzle	Effetto vortice con anello diffusore (swirl ring), Shield Technology (guscio in lava) con minore distanza di stand-off	Inclinazione degli spigoli	Salto di qualità e precisione, guscio in lava, cappuccio ceramico e ugello in rame, concentricità dei componenti, longlife technology	Inerte e/o aria o ossigeno	Afnio-Zirconio ricoperto di argento

• Problema del doppio arco: questo problema si evidenzia quando la resistenza ohmica del percorso elettrodo-plasma-ugello-plasma-pezzo è minore di quella del percorso elettrodo-plasma-pezzo e dunque nascono due archi in serie che passano per la parete dell'ugello, con conseguente usura dell'ugello e deterioramento della qualità e precisione della lavorazione.
• L' effetto vortice comporta una diminuzione di pressione al centro del ciclone, dove di conseguenza si concentra la frazione del plasma più calda e leggera.
• L' iniezione radiale d'acqua comporta la rapida espansione dell'acqua in evaporazione che costringe ulteriormente il flusso plasma in una sezione minore, sebbene assorba una porzione di energia termica.
• L'anello diffusore (swirl ring) direziona il flusso di gas attorno all'elettrodo in maniera vorticosa.
• La tecnica Longlife Oxigen Consumable Technology permette una maggiore vita dell'elettrodo, sottoponendolo a minori stress termo-meccanici. Fondamentalmente il sistema modula la portata di gas e la corrente elettrica imposta in modo da limitare gli shock termici di accensione e spegnimento: essa all'accensione attiva gradualmente in anticipo la portata di gas e in seguito la corrente, mentre allo spegnimento disattiva in anticipo gradualmente la portata di gas ed in ritardo la corrente elettrica.
• L' usura dell'elettrodo è un fenomeno che per gli elettrodi in afnio-zirconio consiste principalmente nella fusione della punta dell'elettrodo e nella dispersione di materiale trasportato dal plasma. Per questo problema una buona soluzione è lun rivestimento in argento che, seppur bassofondente, ricopre in stato liquido l'afnio-zirconio contenendolo. Per quanto riguarda gli elettrodi in tungsteno (dotati di temperatura di fusione più alta)

Taglio in immersione

Il taglio al plasma in immersione è una variante che permette di ridurre rumore, fumi, polveri e radiazioni luminose anche UV, nonché di refrigerare facilmente la testa. L'immersione avviene in acqua, solitamente ad una profondità di 75mm. Tuttavia bisogna gestire la formazione di bolle di H2 e la minore velocità di avanzamento possibile.

Fasi del funzionamento del taglio

• Innesco: l'innesco della torcia avviene tramite un arco pilota prodotto dalla console ad alta frequenza (attorno ai 2 MHz). L'arco si innesca sempre tra elettrodo e ugello in rame, poi nel caso di arco trasferito viene diretto verso il pezzo. In ogni caso normalmente la consol ad alta frequenza viene disattivata e la lavorazione è sostenuta dal generatore in corrente continua.

  La lavorazione viene tipicamente iniziata da un bordo o da un pre-foro, soprattutto in caso di alti spessori. Altrimenti è necessario un tempo in cui a testa ferma avviene lo sfondamento della lamiera.

• Taglio in crociera:
  • Fusione superficiale ed eventuale vaporizzazione
  • Il materiale fuso viene sospinto in profondità dal plasma
  • Si innesca la reazione esotermica ferro-ossigeno che libera potenza termica
  • La fusione raggiunge l'altra superficie e il materiale viene soffiato via dal flusso di gas

Nella fase di attraversamento della lamiera il plasma perde progressivamente energia, producendo un arrotondamento sugli spigoli superiori ma un' inclinazione convergente delle pareti e bave dure da risolidificazione sullo spigolo inferiore. Tuttavia la qualità può essere incrementata fino ad eliminare questi difetti.

Parametri caratteristici

Le condizioni estreme delle teste al plasma sono caratterizzate da temperature del plasma fino a 20-30'000 °C (ma ben più basse sul materiale della torcia 3000°C), velocità del gas ben superiori a quella del suono, pressioni di qualche MPa.

Ci sono tre categorie di parametri, tutti tendenzialmente correlati tra loro:

• elettrici
• legati al gas
• meccanici

Tra i parametri elettrici abbiamo la tensione V e la corrente I (di conseguenza P = I V ): per il taglio ad arco trasferito, la tensione tra elettrodo e pezzo è direttamente proporzionale alla distanza di stand-off, per questo motivo il posizionamento verticale della testa è controllato automaticamente al fine di mantenere costante la tensione. È inoltre ottimale da tutti i punti di vista ridurre la tensione e dunque la distanza di stad-off. In base alla tensione fissata, la corrente dipende dalla potenza necessaria da erogare per tagliare un dato spessore e dalla velocità di avanzamento voluta, nonché da parametri di qualità del taglio.

I parametri legati al gas invece consistono nella pressione del gas e nella scelta del gas plasma e del gas di assistenza. La pressione e la portata dipendono dalla viscosità del materiale fuso e dalla necessità di eliminare le bave, mentre la tipologia di gas dipende dal materiale da tagliare e dallo spessore (per alti spessori e materiali altofondenti è possibile usare ossigeno puro o idrogeno come gas reattivo).

I parametri meccanici includono la geometria della testa e soprattutto la velocità di avanzamento, che è proporzionale alla corrente imposta ed inversamente proporzionale allo spessore da tagliare.