PLAZMA İLE KESME PRENSİBİ
1950'lerden bu yana plazma iletken malzemelerin kesiminde kullanılmaktadır. Bu makalede plazma ile kesme işlemi hakkında temel bir bilgi verilmesi hedeflenmektedir.
Plazmanın ne olduğu hakkında kısa bir giriş yapıldıktan sonra kesim işleminin tarihsel gelişimi, alışma prensipleri ve şu anki teknoloji anlatılacaktır. «alışma prensibi yardımcı
sistemler oluşturan birimler, kullanılan gazlar,önemli parametreler, kesilebilen malzemeler ve kalite tanımlarını içine alacak şekilde anlatılmıştır. Anahtar sözcükler : Plazma, plazma ile kesim Plasma is being used to cut electrically conductive materials with an history dating back to 1950's. The present paper will provide a fundamental information about plasma arc cutting process. A brief information on plasma is also presented. Emphasis is placed on the state of the art and principles of functioning. The principles of functioning is presented by describing key elements, materials that can be cut, plasma gases, important parameters and quality definitions of the cut surfaces. Keywords : Plasma, plasma arc cutting Politeknik ‹niversitesi, Milano
P
PLAZMA NEDİR ?
Plazma maddenin dördüncü halidir. Madde gaz halinde iken doğru koşullar altında maddeye enerji verilmesinin devam etmesi maddenin plazma haline geçmesine neden olacakt½r. Enerji kaynağı elektrik olabileceği gibi, ısıl veya ışın kökenli de olabilir. Plazmayı maddenin gaz halinden ayıran en önemli farkları, elektriği iletmesi, çok yüksek
sıcaklıkta olması ve ışık yaymasıdır. Maddenin plazma hali, serbest halde gezinen elektronlardan ve elektronlarını kaybetmiş atomlardan (iyonlardan) oluşur, eşit miktarda pozitif ve negatif yük içerir. Elektriği ileten tüm metallere uygulanan prensiplerin çoğu plazmalar içinde geçerlidir ve plazma manyetik ve elektrik alanlardan etkilenir.
Günümüzde plazmalar değişik teknolojiler geliştirilerek imalatta, tıpta, ışıklandırmada, televizyonlarda, enerji üretmekte (nükleer) ve daha birçok teknolojide kullanılmaktadır [1,2,3,4]. Plazmalar sıcaklıklarına göre ve hacimlerindeki yüklü parçacık sayısına göre sınıflandırılırlar. Florasan lambalarındaki ışıldama, kaynak sırasında görülen mavi ışık,
yıldırım ve şimşek birer plazmadır. Güneş içerisinde farklı türde plazmalar vardır. Kutuplarda görülen auroralar da bir çeşit plazmadır.
PLAZMA iLE KESME TEKNOLOJiSi
Plazma ile Kesme Teknolojisi
Plazma ile kesme metodu (bkz. fiekil 1), iletken metallerin kesiminde
makinalari sektörü, basınçlı kap sanayi gibi imalat sektörlerinde yoğunlukla kullanılmaktadır [5].Plazma ile Kesme Sistemi Genel olarak otomasyona yönelik bir plazma ile kesme sistemi şu alt sistemlerden oluşur(bkz. şekil 3);
Güç kaynağı bir doğru akım kaynağdır. Yüksek gerilimde, sabit doğru akım sağlar. Görevi iyonizasyon sonrası plazmanın devamlılığını sağlamak için gerekli enerjiyi sağlamaktır. Yüksek frekans (HF) ateşleme devresi, 2MHz de 5000 ile 10000 volt arası alternatif akım yaratan bir devredir [6]. Taşıyıcı gazın iyonlaması (plazma oluşumu) için gerekli olan pilot arkı ateşler. Gaz Konsolu, taşıyıcı (plazma) ve koruyucu gazın akışı zorlanır, karışım oranlarını ayarlamak ve plazma gazlarını seçmek için kullanılır. Günümüz sistemleri elektronik kontrollüdür. Torç, içinde plazma gazı ve koruma gazının aktığı, nozul,
elektrod, lüle, nozul diş kapağı, koruyucu kafa ve kapağını bir arada tutan parçadır (bkz. şekil 1, 4). Plazmayı kullanılan termal bir kesme metodudur. Kesme, basitçe,
torç içinde akan gaza enerji verilerek kısmen iyonlaştırılması (plazma haline dönüştürülmesi), oluşturulan yüksek sıcaktaki plazmanın da gaz akışı etkisi ile nozul ağzından pozitif kutup olan malzemeye yönelmesi, malzemeyi ergitmesi ve ergiyen malzemenin akan gazın jet etkisiyle itilerek uzaklaştırılması ile gerçekleştirilir. Geleneksel plazma sistemleri 20-150 mm kalınlık aralığında olan malzemelerin kesiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüz hassas plazma sistemleri ise lazer kesme sistemlerinin çalıştığı 1-12 mm malzeme kalınlığı arasında ve lazer sistemlerine yakın hassasiyette
kesme yapabilmek yönünde geliştirilmektedirler. şekil 2'de günümüz termal kesme teknolojileri kesme hassasiyeti ve malzeme kalınlığına göre karşılştırlmıştır.Plazma ile kesim düşük işletme ve yatırım maliyeti, yüksek kesme hızı, üretim hattı uygulamasına ve
otomasyona uygunluğu, sürekli iyileştirilen kesme kalitesi ile sanayide yaygın olarak kullanılmaktadır. Plazma ile kesme metodu vagon sanayi, gemi inşa sanayi vb.
23
oluşturmak ve odaklamak için tasarlanmıştır. Koruyucu gaz ve soğutma sıvısı akışını da sağlar. Gövde içinde gazlar, elektrik bağlantısı ve soğutma sıvısı için özel tasarlanmış kanallar ve elektrik bağlantıları vardır. Taşıyıcı Sistem ve Kontrol Sistemi, torç hareketini ve tüm sistemin kontrolünü¸ sağlar (bkz. şiekil 3). Numerik kontrol¸ herhangi bir kartezyen X-Y tablası olabileceği gibi, bir robotta olabilir. Kontrol sistemi ise güç kaynağını, ateşlemeyi, gaz akışını ve torç hareketini ilgili parametreler aracalığı ile kontrol eder. Soğutma Sistemi, soğutucu sıvının sistem içerisinde dolaşımını sağlar. Aspiratör Sistemi, kesme sirasında oluşan gazları ve dumanı kesme bölgesinden uzaklaştırmak için kullanılır.Torç Parçalarının işlevleri Plazma arkını oluşturmak ve malzemeye doğru odaklamak için tüm kesme torÁçarında şu temel parçalar
bulunur: elektrod, lüle, nozul ve koruyucu kap. Elektrod, güç kaynağının negatif kutbudur. Bakırdan imal edilir. Elektrod ucunda ise arkı yayan, ısıya dayanıklı ikincil bir malzeme vardır (bkz. fiekil 1, 4, 5). Bu uç için yüksek ergime noktalı hafniyum (hava ve oksijen plazma sistemlerinde) ve tungsten (azot ve argon-hidrojen plazma sistemlerinde) yaygın olarak kullanılır. Ateşleme sayısı ile ölçülen belli bir kullanım ömrü vardır. Aşınma ve bozulma elektrod ucunda görülür. Lüle, taşıyıcı gazı elektrod etrafında girdap etkisi vererek döndürerek iten yüzük şeklinde bir parçadır (bkz. şekil 4,5). Girdap etkisi arkı silindir şeklinde çevirerek arkın daha yoğun ve kararlı olmasına yardımcıdır. Günümüzde
neredeyse hemen hemen tüm plazma ile kesme sistemi üreticileri girdap etkisinden yararlanmaktadır. Girdap etkisini torç eksenine dik delikler yerine(nozul) belli bir açıda lüle ¸zerinde açılmış gaz giriş delikleri yaratır (şekil 5 ve 9b). Bu akış etkisi ile nozul içerisine giren gaz plazma arkını kesim süresince elektrottan malzemeye kadar ufak bir gaz girdabı içinde tutar. Nozul, plazma arkının konsantre olmasını ve odaklanmasını sağlar (bkz. şekil 1, 4, 5). Bu arkın enerji yoğunluğunu ve akış hızını arttırır. Ateşleme esnasında güç kaynağının pozitif kutbudur. Nozul ağız açıklığı belli bir tip nozul için maksimum kesme akım şiddetini belirler. Aşınma parçasıdır. Nozul ömrüde ateşleme sayısı ile ifade edilir.
Koruyucu kap ve başlığı nozulun dışında yer alır(bkz. şekil1,4). Kesilen malzeme ile nozulun arasında yalıtıcı olarak görev yapar.
Kesme Nasıl Başlar ?
Güç kaynağına gelen bir sinyal eşzamanlı olarak açık devre gerilimini açar ve torça gaz akışını başlatır. Sistemde nozul ve malzeme güç kaynağının pozitif kutbuna, elektrod ise negatif kutbuna bağlıcır. Taşıyıcı gaz nozul ve elektrod arasındaki boşluktan geçerek nozul ağzından dışarı akmaya başlar(bkz. şekil 5). Bu esnada yüksek frekans ateşleme devresi, nozul ile elektrod arasında yüksek frekansta arklar oluşturur(bkz. şekil 6). Taşıyıcı gaz bu arklardan gelen enerji ile kısmen iyonize olur. Yüksek akış hızındaki gaz, itme etkisi ile bu akım yolunun pozitif kutbunu dışarıya -nozuldan malzemeye doğru yöneltir (bkz. şekil 1). Pozitif kutuptaki malzeme ile artık akım devresi tamamlanmıştır ve yüksek frekans devresi kapanır. Gazın sürekli olarak iyonizasyonu (arkın sürekliliği) doğru akım devresinden gelen enerji ile sağlanır. Bu şekilde elde edilen plazma metoduna "taşınan ark metodu" (transferred arc method) denir. şekil 5. Torç Parçaları ve Girdap Etkisi
Kesme işlemi plazmanın yüksek sıcaklığı nedeni ile
malzemeyi lokal olarak ergitmesi ve yüksek akış hızındaki taşıyıcı gazın ergimiş malzemeyi püskürterek malzemede bir delik açması ile başlar. Bu esnada torç taşıyıcı sistem ile -arkın sürekliliğini kaybetmeyecek bir hızda- hareket ettirilerek kesme işlemi gerçekleştirilir. Plazma ile kesme işlemi genel olarak taşınan ark metodu ile gerçekleştirilir. Bir diğer metot ise "taşınmayan ark metodu"dur(non-transferred arc method). Torç teknolojisi farklıdır[7]. Plazma arkı malzemeye transfer edilmeden nozul ile elektrod arasında başlar ve akan gaz etkisi ile -sürekliliğini kaybetmeyecek şekilde- plazma torç ucunda alev şeklinde çıkar. Genel olarak bu metot iletken
olmayan malzemelerde kullanılır ve diğer plazma işlemlerinde (örneðin yüzey kaplamada, atık işlemede) kullanılır. Kesmede yaygın olarak kullanılmamasının nedeni plazma ark yoğunluğunun kontrol edilememesidir.
PLAZMA iLE KESiLEBiLEN MALZEMELER
Plazma ile kesme yöntemi sanayide yaygın olarak alaşımlı çelik, paslanmaz çelik, karbon çeliği, alüminyum alaşımları, titanyum alaşımları ve bakır kesmekte kullanılır. Nikel, titanyum ve alaşımları gibi malzemelerin kesimi ancak talaşlı işlemeden önce malzemeyi kesip hazırlamak için uygun olabilir. çünü¸ bu malzemelerin plazma ile kesiminde kesme ağzı ve yüzeyinde pürüz, malzemede de renklenme görülmektedir [10, 11]. Koruyucu ve
plazma gazı kombinasyonları, gazların akış hızları ve malzeme kalınlığı malzemelerin kesme kalitesini etkiler.
PLAZMA iLE KESMEDE KULLANILAN
GAZLAR VE ÖZELLİKLERİ
Modern plazma ile kesme sistemlerinde, iyi bir kesme kalitesi elde etmek için taşıyıcı (plazma) ve koruyucu gaz olarak çeşitli gazlar ve karışımları
kullanılmaktadır. Kullanılacak plazma gazları arasındaki farklar gazın iyonlaıma enerjisi, termal iletkenlik ve reaktiflik özelliklerine bağlıdır. Gazın iyonlaşma enerjisi arkın gerilme değerini ve açığa çıkan enerji yoğunluğunu etkiler. Termal iletkenlik, arkın sürekliliğini etkilediği gibi enerjinin ısı formunda iletilmesinde de rol oynar. Reaktiflik ise ısı etkisi altında gazın ergiyen malzeme ile etkileşmesidir (azotun yüksek sıcaklıkta karbon şelikleri ile etkileşip nitrat oluşturması gibi). Plazma torçunun teknolojisine göre de kullanılan gazların karışım oranlarıda değişebilir. Plazma ile kesmede en çok kullanılan gazlar hava, azot, oksijen ve argon-hidrojendir (H-35, Ar-H2). Genel bir fikir vermek için Hypertherm
HD3070 sisteminde kullanılan gazlar malzeme cinsine göre dizilerek Tablo 1'de örnek olarak sunulmuştur.
