Taglio al plasma: come funziona

Il taglio al plasma viene sviluppato alla fine degli anni '50 per il taglio dell'acciaio alto-legato e l'alluminio.

In particolare, questa tipologia di taglio viene progettata per essere utilizzata su tutti i metalli che, a causa della loro composizione chimica, non possono essere sottoposti all'ossitaglio, ovvero il taglio eseguito tramite fiamma ossiacetilenica e getto di ossigeno puro.

Grazie alle sue altissime velocità di taglio - specialmente con i materiali sottili - e alla ristretta zona termo-alterata, la tecnica viene tutt'oggi utilizzata per il taglio di acciai non legati e basso-legati.

Il taglio al plasma può essere utilizzato per tagliare tutti i materiali in grado di condurre elettricità, come acciai strutturali, acciai alto-legati, metalli non ferrosi come alluminio e rame e lamiere placcate. A seconda della tecnologia di taglio al plasma, della capacità del sistema di taglio e del tipo di materiale, è possibile tagliare lamiere tra circa 0,5 e 180 mm di spessore.

Il taglio al plasma non ha rivali quando si tratta di tagliare lamiere medio-pesanti in acciaio alto-legato e alluminio. Viene anche utilizzato per tagliare il normale acciaio strutturale fino a circa 40 mm di spessore. Grazie al suo basso apporto di calore, è anche particolarmente adatto per il taglio di acciai strutturali a grana fine ed alta resistenza. Le alte velocità di taglio sono particolarmente importanti nel processo di fabbricazione preliminare: rispetto all'ossitaglio, è possibile ottenere velocità di taglio da 5 a 6 volte maggiori.

Inoltre, il processo di taglio può essere facilmente automatizzato. Attraverso l'uso di diversi sistemi di guida, possono essere prodotti componenti sia piatti che tridimensionali. Sono inoltre disponibili numerosi dispositivi e accessori moderni per il taglio manuale, che consentono una più facile gestione delle parti durante la lavorazione e semplificano il lavoro di assemblaggio e riparazione.

La moderna tecnologia di taglio al plasma sta diventando sempre più importante. In particolare, per quanto riguarda il taglio di acciai sottili e alto-legati, il taglio al plasma consente di produrre tagli verticali su più fogli contemporaneamente, con la stessa qualità del taglio laser, senza la necessità di ulteriori lavorazioni.

Che cos'è il plasma?

Per capire il funzionamento del taglio al plasma, dobbiamo innanzitutto capire che cos'è il plasma.

Il plasma viene spesso definito dai fisici come il quarto stato della materia. Come sappiamo la materia può cambiare stato attraverso l'applicazione di energia, come il calore. L'acqua, per esempio, può passare dallo stato solido del ghiaccio allo stato liquido, per poi raggiungere lo stato gassoso - il vapore. Tuttavia, dallo stato gassoso è possibile raggiungere, tramite l'applicazione di ulteriore calore, un quarto stato, in cui il gas è ionizzato ed elettricamente conduttivo. Questo stato viene chiamato plasma.

Solitamente, il getto di plasma viene prodotto conducendo un flusso di gas ad alta pressione- come ossigeno, azoto o argon - attraverso un arco elettrico.

Taglio al plasma: principi

Il taglio al plasma è un processo di taglio termico in cui un arco di plasma viene costretto attraverso l'ugello della torcia. Tale arco, che si forma quando l'elettricità fluisce dall'elettrodo non fuso (catodo) al pezzo (anodo), viene utilizzato per tagliare materiali elettricamente conduttivi. Parliamo in questo caso di torce ad arco trasferito. Al contrario, quando è l'ugello ad assolvere la funzione di anodo, parliamo di torce ad arco non trasferito.

Nell'arco di plasma, i gas sono parzialmente dissociati e ionizzati e ciò li rende elettricamente conduttivi. Grazie all'alta densità di energia e temperatura, il plasma si può espandere e spostare verso il pezzo in lavorazione fino a tre volte la velocità del suono.

Attraverso la ricombinazione degli atomi e delle molecole sulla superficie del pezzo, l'energia assorbita viene immediatamente rilasciata, intensificando l'effetto termico dell'arco di plasma su di esso.

Unendo al processo anche l'elevata energia cinetica del gas, il taglio al plasma acquisisce un'altissima velocità di taglio, che varierà in base allo spessore del materiale.

Per avviare il processo di taglio, un arco pilota viene inizialmente acceso tra l'ugello e l'elettrodo, applicando una tensione elevata. Questo arco pilota a bassa energia ha lo scopo di preparare lo spazio tra il bruciatore al plasma e il pezzo in lavorazione provocando una ionizzazione parziale. Quando l'arco pilota entra in contatto con il pezzo in lavorazione, l'arco principale del plasma si accende attraverso un aumento automatico della potenza.

A causa dell'energia termica dell'arco e del gas plasma, il materiale metallico si scioglie e vaporizza parzialmente. La fusione viene espulsa dal solco di taglio - chiamato kerf - a causa dell'energia cinetica del gas plasmatico. A differenza dell'ossitaglio, in cui circa il 70% dell'energia termica è prodotta dalla combustione del ferro, nella fusione al plasma l'energia necessaria per fondere il materiale nel kerf viene prodotta solo elettricamente.

Componenti per il taglio al plasma

Alimentazione

La fonte di energia fornisce la tensione di esercizio e la corrente di taglio per l'arco principale ed ausiliario. La tensione a vuoto delle sorgenti di potenza da taglio al plasma va da 240 a 400 V. L'alimentazione contiene un sistema di accensione ad arco pilota, responsabile dell'accensione dell'arco plasma principale. Questo avviene generalmente accendendo per la prima volta un arco di plasma non trasferito con impulsi ad alta tensione. Questo arco è responsabile della ionizzazione dello spazio tra l'ugello e il pezzo in lavorazione, permettendo così di produrre l'arco plasma principale.

Elettrodo e ugello

L'ottimizzazione del taglio al plasma dipende in larga misura dal bruciatore al plasma. Quanto più l'arco di plasma è stretto, tanto maggiore è la velocità e la qualità del taglio.

I componenti chiave del bruciatore al plasma sono l'ugello e l'elettrodo del plasma. Sia l'ugello al plasma che l'elettrodo sono componenti con una durata di vita limitata. La scelta sbagliata o l'uso scorretto di un ugello, o di un elettrodo, può ridurre notevolmente il loro ciclo di vita e danneggiare il bruciatore. La durata dell'elettrodo è fortemente determinata dall'intensità della corrente di taglio, dal numero di accensioni e dal tipo di gas plasma utilizzato. Inoltre, anche la gestione del gas e della potenza all'inizio e alla fine del taglio, così come la dissipazione di calore dall'elettrodo giocano un ruolo chiave. Generalmente si usano elettrodi di tungsteno a forma di asta ed elettrodi di zirconio o afnio a forma di perno, che possono essere trasformati in elettrodi appuntiti o piatti. A causa della loro tendenza all'erosione, gli elettrodi di tungsteno possono essere utilizzati solo con gas plasmatici inerti e relative miscele, nonché con gas plasmatici a bassa reattività e riducenti.

Sistema di raffreddamento

A causa degli elevati carichi termici, il taglio al plasma richiede un raffreddamento efficace. Si distingue tra raffreddamento a circolazione d'acqua integrato ed esterno e raffreddamento a gas. I bruciatori di circa 100 ampere o più sono generalmente raffreddati ad acqua.

Pezzo di lavorazione

Nel taglio al plasma con arco di plasma trasferito, il materiale da tagliare deve essere elettricamente conduttivo, poiché il pezzo in lavorazione fa parte di un circuito elettrico. La messa a terra del pezzo collegato deve essere progettata in modo da consentire un flusso continuo di corrente.

Caratteristiche del gas plasma

I sistemi di taglio al plasma funzionano con differenti tipologie di gas, tra cui gas attivi, inerti, a ridotta reattività e a bassa reattività.

Prima di tutto, bisogna fare una distinzione tra gas plasma, di taglio e ausiliario. Il primo si riferisce a tutti i gas o miscele di gas utilizzati per la creazione del plasma, mentre il secondo indica il gas utilizzato per accendere l'arco di plasma, che facilita il processo di accensione. Il gas ausiliario, infine, è il gas che racchiude il getto di plasma, raffreddandolo e costringendolo, migliorando così la qualità del taglio e proteggendo l'ugello durante la penetrazione del pezzo in lavorazione ed il taglio sott'acqua.

Il gas plasma utilizzato gioca un ruolo decisivo per la qualità e l'efficienza economica del processo di taglio al plasma. Materiali e spessori diversi richiedono infatti mezzi di produzione del plasma diversi. Questi mezzi possono essere gas, miscele di gas e acqua.

Per evitare un'ulteriore lavorazione dopo il taglio al plasma, è necessario utilizzare il gas più adatto per il materiale in questione. Per ottenere un'elevata velocità di taglio e una buona qualità, il getto di plasma deve avere un elevato contenuto energetico e buone proprietà conduttive per la trasmissione del calore al metallo, oltre a possedere un'elevata energia cinetica. Le proprietà chimiche hanno un grande impatto sulla forma dei bordi tagliati e, quindi, su eventuali costi di rifinitura.

I gas plasmatici che possono essere utilizzati sono l'argon, l'idrogeno, l'azoto, l'ossigeno e l'aria. In termini di vantaggi e svantaggi, nessuno di questi gas plasma è migliore dell'altro. Pertanto, nella maggior parte dei casi, viene solitamente utilizzata una miscela di tali gas.

Di seguito alcuni prodotti utili per il taglio al plasma:

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