Spawanie Plazmowe

Spawanie Plazmowe Pokazane z bliska

Spawanie plazmowe jest podobne do spawania TIG. Ogrzany, zjonizowany gaz zwany plazmą posiada mniej więcej równe ilości dodatnio i ujemnie naładowanych jonów i elektronów. Plazmę uważa się za unikalny czwarty stan materii, ponieważ jej właściwości różnią się drastycznie od właściwości zwykłych gazów obojętnych. 

Plazma jest gazem, który intensywnie podgrzew się do punktu, w którym staje się ekstremalnym przewodnikiem. Umożliwia to przesyłanie prądu elektrycznego podczas spawania i cięcia.

Co to jest spawanie plazmowe?

W metodzie spawania łukiem plazmowym (PAW) do łączenia metali wykorzystuje się elektryczny łuk plazmowy i niekonsumpcyjną elektrodę. Różnica polega na tym, że chłodzona dysza gazowa, przez którą kierowany jest strumień gazu plazmowego, znacznie zwęża łuk podczas spawania plazmowego. Gaz osłonowy przechodzi przez zewnętrzną dyszę gazową, zapewniając spoinie najlepszą możliwą osłonę gazową. Tylko wiązka laserowa może dorównać skoncentrowanemu łukowi pod względem głębokiego przenikania do obrabianego przedmiotu ze względu na najwyższą energię skupienia. Ponadto, w porównaniu ze zmechanizowanym spawaniem TIG, tempo spawania jest do 20% szybsze.

W porównaniu z technikami konwencjonalnymi, spawanie plazmowe często stosuje się do łączenia twardych metali, takich jak stal nierdzewna, aluminium i inne. Metoda ta, która umożliwia cięcie metalu za pomocą plazmy (podobnie jak spawanie tlenowo-paliwowe), czyni ją elastycznym narzędziem dla fabrykantów i producentów.

Proces spawania plazmowego 

Tig vs. Łuk plazmowy

Gaz, który został podgrzany do niewiarygodnie wysokiej temperatury i zjonizowany, aby stał się przewodnikiem elektrycznym, nazywany jest plazmą. Procedura spawania łukiem plazmowym wykorzystuje tę plazmę do transportowania łuku elektrycznego do przedmiotu obrabianego, podobnie jak w przypadku GTAW (Tig). Ogromne ciepło łuku topi metal, który ma być spawany, powodując jego stopienie. 

Elektrodę wolframową umieszcza się wewnątrz miedzianej dyszy z maleńkim otworem na końcu palnika do spawania plazmowego. Pomiędzy elektrodą palnika a końcówką dyszy zapoczątkowany zostaje łuk pilotujący. Metal, który ma zostać połączony, jest następnie wystawiony na działanie tego łuku. 

Palnik koncentruje dużą ilość ciepła w niewielkiej przestrzeni, kierując gaz plazmowy i łuk przez mały otwór. Procedura spawania plazmowego pozwala na uzyskanie spoin o wyjątkowo wysokiej jakości, gdy stosuje się ją z wysokowydajnym sprzętem spawalniczym. 

Zazwyczaj jako gaz plazmowy używa się argon. W palniku stosuje się również gaz dodatkowy, taki jak argon, argon/wodór lub hel, który pomaga chronić roztopioną grudkę spoiny i zapobiega jej utlenianiu.

Kluczowe Cechy

Spawanie plazmowe to precyzyjna metoda spawania, która wykorzystuje wysokoprędkościowy strumień plazmy do topienia i łączenia metalu.
Proces spawania plazmowego wymaga palnika plazmowego, źródła zasilania, gazu ochronnego i przedmiotu spawanego.
Gaz ochronny jest używany do ochrony spoiny przed utlenianiem i zanieczyszczeniami.
Spawanie plazmowe można stosować do różnych metali, w tym do stali, aluminium, tytanu i stopów miedzi.
Zalety spawania plazmowego to wysoka prędkość spawania, precyzyjna kontrola i niski pobór ciepła.
Wady spawania plazmowego to wysoki koszt sprzętu, wrażliwość na przygotowanie przedmiotu spawanego i ograniczona głębokość penetracji.
Spawanie plazmowe jest powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i elektronicznym, a także w produkcji precyzyjnych elementów.

Tryby pracy podczas spawania łukiem plazmowym 

W spawaniu plazmowym stosuje się trzy tryby pracy, które umożliwiają stosowanie różnych poziomów natężenia prądu:

Spawanie mikroplazmowe (0,1 – 15A) 

Mikroplazmę stosuje się do łączenia segmentów drutu i siatki, a także cienkich blach (do 0,1 mm grubości). Wędrówka łuku i odkształcenia minimalizują się dzięki sztywnemu, igłowemu łukowi.

Średni prąd (15 – 200A) 

Charakterystyka łuku plazmowego jest bardzo podobna do spawania TIG, jednak ze względu na to, że plazma jest ograniczona przez mały otwór palnika, łuk jest sztywniejszy. Przyspieszając przepływ plazmy, możemy zwiększyć penetrację jeziorka spawalniczego, jednak wiąże się to z możliwością zanieczyszczenia gazem osłonowym. 

TIG oferuje mniejszą ochronę i mniejszą penetrację niż tryb średnioprądowy lub topienie. Cięższe rozmiary palnika i wymagania konserwacyjne to jego jedyne wady w porównaniu z palnikami TIG.

Spawanie z głębokim wtopieniem (ponad 100A) 

Poprzez zwiększenie natężenia prądu spawania oraz przepływu gazu plazmowego można wytworzyć niezwykle silną wiązkę plazmy, która może w pełni penetrować materiał, podobnie jak w przypadku spawania laserowego lub wiązką elektronów. W trakcie spawania powstaje głębokie wtopienie, które stopniowo przebija metal, podczas gdy stopione jeziorko spawalnicze przepływa za nim, tworząc stopkę spawalniczą dzięki siłom napięcia powierzchniowego. Grubszy materiał (do 10 mm stali nierdzewnej) można spawać tą metodą w jednym przejściu. 

Zazwyczaj do obsługi łuku plazmowego stosuje się zasilacz prądu stałego (kropelkowego). Konsola sterowania plazmą może być wbudowana w system plazmowy ze względu na specyficzną konfigurację palnika oraz niezależne przepływy plazmy i gazu osłonowego, które nadają mu odrębną charakterystykę pracy.

Tryb głębokiego wtopienia jest doskonały do spawania grubszych materiałów przy dużych prędkościach spawania, podobnie jak w przypadku spawania wiązką elektronów. W większości przypadków stosuje się materiał wypełniający, aby zapewnić doskonałe spoiny. Spawanie zmechanizowane, spawanie pozycyjne i spawanie rur to niektóre z jego zastosowań.

Zasilanie 

Ponieważ prąd stały jest zazwyczaj zawsze źródłem zasilania dla spawania plazmowego, charakterystyka wyjściowa znana jako opadanie lub stały prąd, będzie wytwarzać praktycznie stały prąd dla danego ustawienia źródła zasilania. Źródło zasilania jest idealne do spawania zmechanizowanego, ponieważ utrzymuje ustawienie prądu nawet przy zmianie długości łuku, a także do spawania ręcznego, ponieważ może uwzględnić wrodzoną zmienność spawacza. 

W celu zmniejszenia ciepła generowanego w elektrodzie podczas procesu plazmowego, elektrody są często eksploatowane z polaryzacją ujemną. Niemniej jednak, istnieją specjalistyczne palniki do użytku z elektrodami o dodatniej polaryzacji, które polegają na skutecznym chłodzeniu, aby zapobiec stopieniu elektrody. Podczas spawania aluminium przy użyciu płomienia elektrody dodatniej, katoda musi znajdować się na metalu, aby usunąć osad tlenku.

Ze względu na trudności w stabilizacji łuku AC, AC nie jest zwykle stosowany w procesie plazmowym. Zwężenie dyszy, duża odległość między elektrodą a przedmiotem obrabianym oraz kulkowanie elektrody spowodowane przerywaną dodatnią polaryzacją elektrody są czynnikami utrudniającymi ponowne zajarzenie łuku. Wykorzystanie procesu plazmowego AC jest prostsze dzięki źródłu zasilania w postaci fali kwadratowej AC (inwerter, przełączany DC) oraz efektywnie chłodzonemu palnikowi. Szybkie przełączanie prądu sprzyja ponownemu zajarzeniu łuku, a dzięki pracy z bardzo krótkimi okresami dodatniej polaryzacji elektrody, ogrzewanie elektrody jest zredukowane, co pozwala na utrzymanie ostro zakończonej elektrody. 

HF wykorzystuje się wyłącznie do zapalania łuku pilotażowego, który znajduje się w korpusie palnika w unikalnym systemie uruchamiania łuku w systemie plazmowym. Kiedy łuk pilotujący jest potrzebny do spawania, automatycznie przenosi się on z miedzianej dyszy i elektrody na przedmiot spawany. Ten mechanizm startowy jest bardzo niezawodny i całkowicie wyklucza możliwość zakłóceń elektrycznych HF.

Łuk skupiony 

Skupiony łuk tworzony metodą PAW przez kryzę końcówki jest jedną z jej głównych zalet. Aby dopasować się do potrzeb amperażowych i konkretnych zastosowań, można podnieść lub zmniejszyć rozmiar kryzy. Łuk skupiony ma następujące zalety: 

  • Rozległa penetracja 
  • Mniejsza ilość obszarów objętych działaniem ciepła 
  • Szybkie prędkości przemieszczania się 
  • Mniejsze wahania łuku 
  • Precyzja w zastosowaniach zrobotyzowanych i zautomatyzowanych 

Chroniona elektroda 

Elektroda wolframowa w procesie plazmowym jest zamknięta w komorze palnika i osłonięta osłoną gazową, w przeciwieństwie do spawania TIG, gdzie po cyklu spawania jest wystawiona na działanie atmosfery. Dzięki temu elektroda może pozostać w tym samym stanie przez dłuższy czas. Znacznie zwiększa to wydajność w zastosowaniach zautomatyzowanych, ponieważ eliminuje konieczność przerywania procesu spawania w celu ostrzenia elektrody.

Plazma i gaz osłonowy  

Standardowa mieszanka gazów składa się z argonu jako gazu osłonowego i argonu – 2 do 8% H2 jako gazu plazmowego. Użycie argonu jako gazu plazmowego powoduje najniższy wskaźnik erozji elektrody i dyszy, niezależnie od spawanego materiału. Nieco gorsze środowisko i czystsze spoiny wytwarza się przez mieszankę gazową argon-wodór używaną do osłony. Hel wytwarza gorętszy łuk, ale jego użycie jako gazu plazmowego zmniejsza zdolność dyszy do transportowania prądu i sprawia, że rozwój głębokiego wtopienia jest trudniejszy. Materiały takie jak miedź są ekranowane przez mieszaniny helu i argonu, np. 75% helu i 25% argonu. 

Precyzyjne ustawienie natężenia przepływu gazu plazmowego jest konieczne, ponieważ reguluje ono penetrację jeziorka spawalniczego, ale osłona

Spawanie Plazmowe

Spawanie plazmowe a TIG 

W celu wytworzenia łuku pomiędzy płomieniem a elementem spawanym w metodzie TIG, zazwyczaj stosuje się elektrodę wolframową. Chociaż płomień spawalniczy w procesie plazmowym jest inaczej ustawiony, działa on identycznie. Elektrony mogą poruszać się z dużą prędkością dzięki ograniczonej konstrukcji dyszy. W rezultacie gaz zostaje zjonizowany, co powoduje powstanie strumienia plazmy o wysokiej koncentracji ciepła i większej penetracji. 

Spawanie plazmowe jest idealne do wykonywania dokładniejszych spoin, ponieważ zapewnia większą precyzję niż spawanie TIG i ma mniejszą strefę wpływu ciepła. Ponieważ spawanie plazmowe jest rozwinięciem spawania TIG, jest ono preferowane w stosunku do tego ostatniego. Technologia jego urządzeń pozwala na pracę z mniejszym poborem prądu, lepszą stabilnością łuku, co zwiększa odległość od siebie, oraz lepszą tolerancją dla zmian długości łuku.

Ponieważ jednak spawanie gazowe plazmowe wymaga skomplikowanych parametrów, spawanie TIG jest prostszym procesem. Operator wymagałby dodatkowego szkolenia, aby przejść z już zaawansowanego spawania TIG na PAW. I wreszcie, sprzęt do spawania TIG jest mniej kosztowny i wymaga mniej konserwacji niż delikatny i skomplikowany palnik do spawania łukiem plazmowym.

Materiały 

Podobnie jak w przypadku spawania TIG, spawanie plazmowe można stosować do łączenia większości popularnych metali, choć nie zawsze jest to najbardziej ekonomiczna metoda dla wszystkich z nich: Stal nierdzewna, stal stopowa, ołów, aluminium, brąz, stal węglowa, żelazo, nikiel, miedź, magnez, wolfram.

Lista wymaganego sprzętu 

  • Źródło energii 
  • Konsola plazmowa (czasem zewnętrzna, czasem wbudowana) 
  • Cyrkulacja wody (czasami zewnętrzna, czasami wbudowana) 
  • Palnik do spawania plazmowego 
  • Zestaw akcesoriów do palników (końcówki, ceramika, tuleje zaciskowe, elektrody, przyrządy pomiarowe)

Różne tryby pracy 

Dwa tryby pracy podczas spawania plazmowego są zwykle określane jako plazma miękka i otwór kluczowy. 

Ustawienie materiałów eksploatacyjnych palnika i parametrów jest przede wszystkim tym, co odróżnia tryb dziurki od trybu miękkiej plazmy (nonkeyhole). W trybie spawania z głębokim wtopieniem elektroda jest przesunięta dalej od otworu końcówki, co pozwala na skupienie ciepła z łuku plazmowego w bardziej skondensowanym obszarze. W tym trybie można ustawić palnik tak, aby strumień plazmy mógł przebijać materiały o grubości do 0,39 cala bez konieczności przygotowywania złącza, uzyskując pełną penetrację. 

Bez głębokiego wtopienia (plazma miękka) elektroda jest umieszczona bliżej kryzy końcówki. Zmniejszając skupienie łuku i stosując odpowiednie natężenie prądu, gaz plazmowy i natężenie przepływu, można czerpać korzyści z procesu plazmowego bez konieczności stosowania spoin z pełną penetracją.

Wybór gazu 

W celu usprawnienia procesu spawania można zastosować wiele gazów. Na przykład, można połączyć czysty argon z 2% do 5% wodorem, aby stworzyć gaz plazmowy lub gaz osłonowy. 

gaz osłonowy składający się z argonu/wodoru i plazmy argonowej. Zwiększony dopływ ciepła w gazie osłonowym obniża napięcie powierzchniowe materiału i umożliwia szybsze przejście. 

w połączeniu z gazem osłonowym wykonanym w całości z argonu/wodoru. podgrzewa strumień plazmy bardziej intensywnie, aby zwiększyć penetrację (tryb spawania z głębokim wtopieniem).

Korzyści 

Chociaż istnieje wiele powodów, dla których warto stosować spawanie plazmowe, można je sprowadzić do trzech kluczowych cech, w przypadku których klienci chcą skorzystać z co najmniej jednej z nich. 

Precyzja: W porównaniu z tradycyjnymi Metodami, proces plazmowy zazwyczaj oferuje większą precyzję (pamiętaj, że ulepszone źródła zasilania mogą tworzyć łuk, który różni się od konwencjonalnego łuku Tig) Następujące korzyści z plazmy w stosunku do tradycyjnego Tig: 

  • Skoncentrowany, stały łuk 
  • Różnice w długości łuku są akceptowalne (Tig +/- 5%, Plazma +/- 15%). 
  • Spawanie drobnych elementów: 
  • Niski zakres amperażu (wiele zasilaczy plazmowych schodzi do .1 ampera) 
  • Konsekwentnie przy niskich amperach 
  • Początek łuku z delikatnym transferem i bez szumu o wysokiej częstotliwości. 
  • Możliwe szybkie czasy spawania (dla spawów punktowych – prowadnice, rury itp.)  
  • Wysoka wydajność spawania: W porównaniu do Tig, długa żywotność elektrody pozwala na znacznie dłuższy czas spawania zanim nastąpi zanieczyszczenie elektrody.

Do czego stosuje się plazmę?

Elektronika 

Zdolność procesu spawania plazmowego do pracy w trybach niskoprądowych jest jednym z jego parametrów spawalniczych. Technika ta umożliwia spawanie małych elementów metalowych, które pracują z delikatnymi materiałami wrażliwymi na zmienne warunki otoczenia. 

Medycyna  

Aby gadżety medyczne mogły prawidłowo funkcjonować, potrzebne są precyzyjne komponenty. Ze względu na zdolność do niezawodnego wytwarzania spójnej spoiny, PAW jest idealnym rozwiązaniem do spawania tych elementów.

Spawanie małych elementów

Metoda plazmowa może wytwarzać powtarzalne spoiny o bardzo krótkim czasie spawania poprzez łagodne, ale konsekwentne zajarzenie łuku na końcówce drutów lub innych małych elementów. Jest to przydatne w przypadku spawania takich elementów jak igły, druty, żarniki żarówek, termopary, sondy i niektóre urządzenia chirurgiczne.

Rury stalowe 

Rury stalowe mogą być produkowane przy użyciu metody PAW, która pozwala na spawanie z dużą prędkością i doskonałą penetrację metalu. Ponieważ jest to szybsze i zużywa mniej materiału wypełniającego niż tradycyjne spawanie TIG, kilka branż wybiera spawanie plazmowe.

Cięcie plazmą.

Zalety spawania plazmowego 

  • Możliwość stosowania we wszystkich pozycjach spawania. 
  • Szybki ruch spowodowany skoncentrowanym dopływem ciepła. 
  • Spawanie z głębokim wtopieniem umożliwia całkowitą penetrację. 
  • W przypadku delikatnych i cienkich elementów odpowiedni jest tryb niskiego natężenia prądu. 

Negatywne aspekty spawania plazmowego 

  • Drogie komponenty i sprzęt. 
  • Aby wykonać wysokiej jakości spawy, konieczne jest szkolenie i umiejętności. 
  • Wytwarza hałas o wartości 100 dB. 
  • Wytwarza promienie podczerwone i ultrafioletowe. 
  • Ze względu na wysokie temperatury pracy wymagane jest chłodzenie wodą. 
  • Sprzęt, który jest delikatny, wymaga większej konserwacji. 

Często zadawane pytania

Jak działa spawarka plazmowa?

Plazma to gaz przewodzący prąd elektryczny, który został podgrzany do bardzo wysokiej temperatury i zjonizowany. Procedura spawania łukiem plazmowym wykorzystuje tę plazmę do przenoszenia łuku elektrycznego do przedmiotu obrabianego, podobnie jak GTAW (Tig).

Czy do plazmy potrzebny jest gaz?

Tak. Gazy laminarne (niskie ciśnienie i mały przepływ) i turbulentne (wysokie ciśnienie i duży przepływ) są wykorzystywane do tworzenia łuków plazmowych. Stosuje się argon, hel, wodór lub kombinację tych gazów.

Jaki gaz do plazmy?

Typowa mieszanina gazów to argon jako gaz osłonowy i argon + 2 do 5% wodoru dla gazu plazmowego. Chociaż jest cieplejszy, hel może być wykorzystywany jako gaz plazmowy, jednak obniża to prąd znamionowy dyszy.

Czy plazma jest szkodliwa?

Tak. Wdychanie dymu plazmy lub oparów powstałych podczas cięcia lub spawania jest niebezpieczne. Nawet nietoksyczne żelazo może gromadzić się w płucach i z czasem je uszkadzać. Ponieważ cząsteczki metalu wytwarzane podczas spawania lub cięcia są tak małe, łatwo się nimi oddycha, co zagraża płucom.

O autorach

Author Image

Artur Kowalski

Jestem certyfikowanym ekspertem ds. spawania i twórcą DobrySpawacz.com, bloga, na którym dzielę się ponad 30-letnim doświadczeniem w branży spawalniczej. Skontaktuj się ze mną pod adresem [email protected] w razie potrzeby pomocy.