PLASMA ARC WELDING

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    1. 1. PLASMA ARC WELDING Lezione 1 IL PLASMA AD ARCO Mario Marconi – Plasma Team Snc Genova, 30 Giugno 2005. Istituto Italiano della Saldatura
    2. 2. SOMMARIO <ul><li>Proprietà del Plasma </li></ul><ul><li>Archi Plasma </li></ul><ul><li>Scarica ad Arco </li></ul><ul><li>Innesco Arco </li></ul><ul><li>Riscaldamento Catodo Anodo </li></ul><ul><li>Stabilizzazione Arco </li></ul><ul><li>Entalpia Arco </li></ul>
    3. 3. Lo stato Plasma Lo stato plasma è diffuso in tutto l’universo e rappresenta lo stato più comune della materia (oltre il 99% della materia si trova in questo stato. Il Plasma è il principale costituente dei gas ad altissima temperatura e pressione nel Sole e nelle altre stelle. I primi studi sul Plasma portarono alla scoperta dell’elettrone. Il termine plasma è stato introdotto dal fisico statunitense e premio Nobel Irving Langmuir nel 1930. Spazio Reattore nucleare Astrofisica Riporti PAW Natura
    4. 4. Formazione del Plasma - Principio Sottraendo energia al plasma, si ritorna nella condizione iniziale di gas neutro. Lo stato plasma può essere comunemente ottenuto fornendo energia ad un gas inizialmente neutro. Due distinti fenomeni caratterizzano la trasformazione a seconda del tipo di gas iniziale : <ul><ul><li>dissociazione molecolare </li></ul></ul><ul><ul><li>ionizzazione atomica </li></ul></ul>
    5. 5. Proprietà del Plasma <ul><li>Proprietà del Plasma </li></ul><ul><li>Archi Plasma </li></ul><ul><li>Scarica ad Arco </li></ul><ul><li>Innesco Arco </li></ul><ul><li>Riscaldamento Catodo Anodo </li></ul><ul><li>Stabilizzazione Arco </li></ul><ul><li>Entalpia Arco </li></ul>
    6. 6. Confronto tra stato Plasma e stato Gassoso Mentre sul nostro Pianeta la materia si manifesta nei tre stati fisici di aggregazione, il plasma è ampiamente diffuso in tutto l’Universo come quarto stato della materia. Sebbene lo stato di plasma provenga da una trasformazione dello stato gassoso, studi effettuati sulla composizione delle stelle hanno evidenziato che il plasma non presenta analogie con lo stato gassoso, e se ne discosta in maniera peculiare. Proprietà del Gas Proprietà del PLASMA Rottura struttura molecolare - atomica Urti anelastici in sistema non adiabatico Notevole potere elettroconduttore Alte temperature (oltre 15.000 K) Alto contenuto entalpico Confinamento in campi magnetici Leggi della meccanica statistica Integrità struttura molecolare - atomica Urti elastici in sistema adiabatico Notevole potere dielettrico Basse temperature (meno di 5000 K) Basso potere entalpico Incontenibilità in campi magnetici Leggi della meccanica classica
    7. 7. Resistività del Plasma La resistività elettrica del plasma diminuisce con l’aumento della temperatura secondo la formula :  = A Z/T <ul><li>Esempio: un Plasma ottenuto da Idrogeno alla temperatura di T=10 7 K, ha una resistività quasi uguale a quella del rame a T = ambiente: </li></ul><ul><li> (plasma : T = 10 7 K) = 17.9·10 -9 Ohm·m ; </li></ul><ul><li> (Cu : T = 300 K) = 17.9·10 -9 Ohm·m </li></ul><ul><li>dove: </li></ul><ul><ul><li>Z = numero cariche ioni; </li></ul></ul><ul><ul><li>T = temperatura (K); </li></ul></ul><ul><ul><li>A = constante ( 7.6·10 4 ·e 3/2 ); </li></ul></ul><ul><ul><li>e = carica elettrone (1.60·10 -19 C) </li></ul></ul>
    8. 8. Legge di SAHA Per differenziare uno stato gassoso a debole ionizzazione da un vero e proprio stato di plasma, si deve soddisfare alla seguente condizione necessaria. <ul><li>Il grado di ionizzazione del plasma deve obbedire alla legge di SAHA : </li></ul><ul><li>P · a/(1-a 2 ) = A · T 5/2 · e (-eU/kT) </li></ul><ul><li>dove : </li></ul><ul><ul><li>P = pressione gas (N·m -2 ); </li></ul></ul><ul><ul><li>a = numero di ioni ; </li></ul></ul><ul><ul><li>T = temperatura media plasmoni (K); </li></ul></ul><ul><ul><li>A = costante dipendente dal gas plasmageno ; </li></ul></ul><ul><ul><li>e = carica elettrone ( 1.60·10 -19 C ); </li></ul></ul><ul><ul><li>U = potenziale ionizzazione del gas (eV); </li></ul></ul><ul><ul><li>k = costante di Boltzmann (1.38 · 10 -16 erg · K -1 ). </li></ul></ul>
    9. 9. Classi di Plasmi <ul><li>D piccolissimi = 10 -7 - 10 -5 cm </li></ul><ul><li>D piccoli = 10 -5 - 10 -2 cm </li></ul><ul><li>D grandi = 10 -2 - 10 2 cm </li></ul><ul><li>D grandissimi = 10 2 - 10 4 cm </li></ul>PLASMI TECNOLOGICI PLASMI NATURALI Le classi di plasmi dipendono dalla distanza che le particelle elementari percorrono nel contenitore in cui si trovano confinate. D = distanza di Debye
    10. 10. Plasmi Tecnologici La Figura mostra alcuni campi di plasmi tecnologici tipici del plasma ad arco. Le zone 1, 2 e 3 sono pertinenti a plasmi ad arco ottenuti rispettivamente da Idrogeno, Azoto ed Argon. Plasma ad Arco
    11. 11. Plasmi Termici e Freddi <ul><li>Plasmi freddi Usati in nuove tecnologie industriali, sterilizzazione nuovi materiali. Sono caratterizzati da temperature molto basse, come nelle lampade al Neon. I plasmoni non sono in equilibrio termico. </li></ul><ul><li>Plasmi termici Usati generalmente nella produzione di energia mediante fusione nucleare. Sono caratterizzati da temperature estremamente elevate e le particelle (elettroni, ioni, atomi e molecole) sono in equilibrio termodinamico. </li></ul>Sterilizzazione con Plasma Freddo da Azoto (Capsula di Petri)
    12. 12. Applicazioni del Plasma <ul><ul><li>Produzione di ceramiche e materiali metallici esotici; </li></ul></ul><ul><ul><li>Taglio e saldatura di acciai e leghe speciali; </li></ul></ul><ul><ul><li>Costruzione di materiali refrattari a forma prestabilita (near-net shape); </li></ul></ul><ul><ul><li>Produzione di polveri ceramiche con melt spraying; </li></ul></ul><ul><ul><li>Sviluppo nuove leghe altofondenti e cermeti ; </li></ul></ul><ul><ul><li>Rivestimenti mediante proiezione polveri; </li></ul></ul><ul><ul><li>Sviluppo materiali compositi per barriere termiche; </li></ul></ul><ul><ul><li>Controllo e simulazioni materiali speciali (space shuttle); </li></ul></ul><ul><ul><li>Reazioni chimiche ad alta temperatura; </li></ul></ul><ul><ul><li>Applicazioni Bio-medicali; </li></ul></ul><ul><ul><li>Bonifica e trattamento rifiuti speciali; </li></ul></ul><ul><ul><li>Riporti antiusura con polveri con Plasma Arco Trasferito (PTA). </li></ul></ul>Comuni applicazioni dei plasmi tecnologici si trovano nei seguenti campi :
    13. 13. Archi Plasma <ul><li>Proprietà del Plasma </li></ul><ul><li>Archi Plasma </li></ul><ul><li>Scarica ad Arco </li></ul><ul><li>Innesco Arco </li></ul><ul><li>Riscaldamento Catodo Anodo </li></ul><ul><li>Stabilizzazione Arco </li></ul><ul><li>Entalpia Arco </li></ul>
    14. 14. Torcia Plasma ad Arco Il plasma ad arco viene ottenuto fornendo l’energia prodotta in una potente scarica elettrica ad un gas plasmageno (normalmente Argon puro).
    15. 15. Radiazioni nel Plasma Le radiazioni luminose del plasma ad arco si trovano distribuite nella regione UV - A e nel campo dell’infrarosso. Si devono usare vetri inattinici di protezione contro queste radiazioni molto dannose alla vista. UV near UV-A 315 nm - 380 nm   UV medium UV-B 280 nm - 315 nm   UV far FUV 200 nm - 280 nm FUV + VUV = UV-C UV vacuum VUV 100 nm - 200 nm FUV + VUV = UV-C
    16. 16. Temperature Plasma Il plasma ad arco ottenuto da Argon mostra gradienti di temperatura superiori a 15.000 K in prossimità del foro di uscita dell’ugello anodico.
    17. 17. Emissione Acustica Plasma Distribuzione ampiezza emissione acustica Spettro di potenza emissione acustica
    18. 18. Tipi Plasmi ad Arco PLASMA Arco NON Trasferito PLASMA Arco Trasferito PLASMA con Archi Sovrapposti Plasma Spraying Plasma Welding Plasma Hardfacing Si possono definire tre tipi di plasmi ad arco, in funzione del numero di generatori e al loro collegamento con gli elettrodi (catodo - anodo) durante la saldatura.
    19. 19. Plasma ad Arco Semi-Trasferito PLASMA ad Arco Semi-Trasferito <ul><li>Maggiori correnti arco Pilota per aumentare il calore fornito alle polveri prima del loro ingresso nel bagno di fusione; </li></ul><ul><li>Minori correnti arco Trasferito per limitare l’apporto termico fornito al pezzo, minimizzando così il grado di diluizione. </li></ul>Questa variante operativa è utile nei riporti di pezzi di piccole dimensioni evitando eccessiva distorsione oppure quando è richiesto un deposito di alta qualità a diluizione ottimizzata (sedi di valvole motori endotermici). Il Plasma ad Arco Semi Trasferito (PSTA) usa due generatori di corrente con regolazione separata ed indipendente della corrente per ottenere :
    20. 20. Gas Plasmageni
    21. 21. Ionizzazione Argon IONIZZAZIONEARGON Quando l’Argon viene riscaldato a temperature elevate (circa 10.000 K), gli atomi subiscono una rottura della struttura a causa del fenomeno di ionizzazione termica, con produzione di ioni positivi ed elettroni negativi. La presenza di questi elettroni liberi rende il gas Argon conduttore, favorendo quindi la scarica ad arco. La ionizzazione del gas neutro può essere considerata una reazione chimica tra atomi, ioni ed elettroni del tipo : Ar <=> Ar + + e -
    22. 22. Scarica ad Arco <ul><li>Proprietà del Plasma </li></ul><ul><li>Archi Plasma </li></ul><ul><li>Scarica ad Arco </li></ul><ul><li>Innesco Arco </li></ul><ul><li>Riscaldamento Catodo Anodo </li></ul><ul><li>Stabilizzazione Arco </li></ul><ul><li>Entalpia Arco </li></ul>
    23. 23. Caratteristiche Arco Elettrico Caratteristiche Arco Elettrico – Generatore Corrente L’arco elettrico è una potente scarica in un mezzo dielettrico, accompagnata da radiazioni luminose. L’arco scocca tra due elettrodi (catodo ed anodo) quando essi sono alimentati da una tensione superiore alla rigidità del mezzo ( (5.000 V/mm per l’aria). A basse correnti, la tensione d’arco diminuisce rapidamente all’aumentare della corrente d’arco; continuando ad aumentare la corrente, le curve si appiattiscono in una zona costante. La curva dell’arco in questa regione è a resistenza negativa (bipolo di tipo S ) ed è necessario usare generatori di corrente con caratteristiche cadenti per ottenere un punto di lavoro stabile.
    24. 24. Equazione Arco Elettrico V = A + B · l + (C + D · I)/I n L’arco elettrico è descritto da equazioni del tipo : <ul><li>dove : </li></ul><ul><ul><li>V = tensione arco (V); </li></ul></ul><ul><ul><li>I = corrente arco (A); </li></ul></ul><ul><ul><li>l = lunghezza arco (cm); </li></ul></ul><ul><ul><li>A, B, C, D, N = parametri variabili con tipo elettrodo e gas plasmageno. </li></ul></ul>
    25. 25. Lunghezza Arco Variando la lunghezza d’arco (corrente arco = cost = 50 A) il punto di lavoro si muove su curve diverse di caratteristiche d’arco. V = A + B · l + (C + D · I)/I n
    26. 26. Regioni Arco Nella curva Tensione arco – Distanza elettrodi si possono identificare tre zone : Movimento Ioni - Elettroni Regione caduta catodica . Molto vicina punta catodo – Alto campo elettrico (ca 10 V) Regione caduta anodica . Vicina ugello anodico – Medio campo elettrico (1-4 V) Colonna arco . Zona centrale – Piccole variazioni campo elettrico – Elevate temperature
    27. 27. Colonna Arco Colonna PLASMA Bilancio Termico  = conduttività elettrica del plasma; E = campo elettrico scarica Consideriamo una colonna plasma cilindrica di raggio r. L’energia termica che entra nella colonna plasma è : Il calore uscente dalla colonna è somma del calore di convezione q(k) e di quello per irradiazione q(rad) : Il bilancio termico nella colonna è espresso da : Se sono noti i valori sperimentali della conduttività del plasma e la loro dipendenza da T, l’equazione può essere integrata determinando così la temperatura e la sua distribuzione nella colonna plasma.
    28. 28. Innesco Arco <ul><li>Proprietà del Plasma </li></ul><ul><li>Archi Plasma </li></ul><ul><li>Scarica ad Arco </li></ul><ul><li>Innesco Arco </li></ul><ul><li>Riscaldamento Catodo Anodo </li></ul><ul><li>Stabilizzazione Arco </li></ul><ul><li>Entalpia Arco </li></ul>
    29. 29. Innesco Arco In tutti i sistemi automatici di saldatura, l’innesco arco avviene con una scarica ad Alta Frequenza, poiché questa modalità evita la rapida usura della punta elettrodo (PAW, GTAW) tipica dell’innesco manuale mediante corto circuito iniziale seguito da rapido allontanamento. La potente scarica provoca la rapida ionizzazione del mezzo dielettrico (aria o gas plasmageno) per distanze comprese tra 4 e 10 mm. Gli elettroni liberi possono fluire nel mezzo reso conduttivo e così inizia la ionizzazione per urto che supporta la corrente d’arco in condizioni stabili, dopo una prima fase di stabilizzazione. Gli impulsi (15-20 kHz ; 10-15 kV) generati nel box ad HF vengono addotti alla torcia (elettrodo catodico e ugello anodico) mediante accoppiamento induttivo.
    30. 30. Innesco Dolce - Duro Durante l’innesco, la corrente d’arco ha un valore minimo che dipende sia dalla lunghezza d’arco (arretramento elettrodo) che dal diametro dell’ugello anodico. Tale valore minimo si colloca tra 10 e 20 A. <ul><li>1) Innesco dolce : valori bassi di corrente (10 – 20 A) ; </li></ul><ul><li>2) Innesco duro : usa valori maggiori di corrente fino a 50 A. </li></ul><ul><li>Innesco suggerito : 40 - 50 A. </li></ul>Duro Duro Dolce Dolce
    31. 31. Riscaldamento Catodo Anodo <ul><li>Proprietà del Plasma </li></ul><ul><li>Archi Plasma </li></ul><ul><li>Scarica ad Arco </li></ul><ul><li>Innesco Arco </li></ul><ul><li>Riscaldamento Catodo Anodo </li></ul><ul><li>Stabilizzazione Arco </li></ul><ul><li>Entalpia Arco </li></ul>
    32. 32. Riscaldamento Ugello Una grande quantità di calore viene dissipata sull’ugello anodico e quindi si deve usare un sistema di raffreddamento molto efficiente per evitare una rapida usura dello stesso. Ugello Anodico
    33. 33. Riscaldamento Elettrodo Il calore dissipato al catodo è molto inferiore (circa 1/3) a quello dissipato su ugello anodico e quindi il raffreddamento idrico del catodo non è necessario. Fatica Termica su Elettrodo Catodico
    34. 34. Costrizione Arco <ul><li>Diminuendo il diametro ugello anodico: </li></ul><ul><li>Tensione arco </li></ul><ul><li>Temperatura Plasma </li></ul><ul><li>Ionizzazione Plasma </li></ul><ul><li>Velocità Plasma </li></ul><ul><li>> 100 A : l’arco mostra un tratto a resistenza positiva </li></ul>Ugello Strozzato Diametro Ugello Costrizione Arco
    35. 35. Costrizione Ugello <ul><li>Il rapporto costrizione ugello dipende da: </li></ul><ul><li>Forma e diametro ugello </li></ul><ul><li>Forma punta elettrodo </li></ul><ul><li>Distanza arretramento </li></ul>Ugello fori multipli Diametro Elettrodo (mm) Rapporto di costrizione (k) 2.4 5.25 3.2 4.47 4.8 3.00
    36. 36. Stabilizzazione Arco <ul><li>Proprietà del Plasma </li></ul><ul><li>Archi Plasma </li></ul><ul><li>Scarica ad Arco </li></ul><ul><li>Innesco Arco </li></ul><ul><li>Riscaldamento Catodo Anodo </li></ul><ul><li>Stabilizzazione Arco </li></ul><ul><li>Entalpia Arco </li></ul>
    37. 37. Stabilizzazione Arco Stabilizzazione con involucro di gas <ul><li>Due metodi di stabilizzazione d’arco vengono usati nelle torce plasma : </li></ul><ul><ul><li>stabilizzazione con vortice (Torce Plasma Spray) </li></ul></ul><ul><ul><li>stabilizzazione con involucro gas (Torce PAW) </li></ul></ul>Nella stabilizzazione con involucro di gas, l’elettrodo ha forma tronco conica leggermente sfericizzata in punta e viene inserito nella camera anulare formata da ugello anodico e il plenum. La radice d’arco inizia dalla scia interna dove trova un cammino preferenziale a bassa energia. La colonna d’arco è isolata dall’ugello tramite una scia fredda e viene forzata ad allinearsi con l’asse della torcia. Scia gassosa su punta elettrodo
    38. 38. Effetto Pinch – Modello Jordan King MODELLO JORDAN-KING 1° – Un arco corto scocca tra la punta elettrodo e un punto interno ugello formando la macchia anodica. 2° – Appena formato, la pressione del gas piega l’arco come una forcella, mentre la macchia anodica rimane ferma. 3° – La forza d’arco aumenta la lunghezza scarica finchè la caduta di potenziale è maggiore della tensione necessaria per innescare un nuovo arco corto. Jordan e King hanno osservato una frequenza ripetizione ciclo di circa 15 kHz, variabile a seconda del tipo di gas plasmageno. Verifiche di ugelli usurati rivelano che la zona usurata si estende da ¼ a 1/8 della lunghezza dell’orifizio, fornendo così la prova che l’arco plasma termina proprio in questa zona.
    39. 39. Centratura Arco <ul><li>Un cattivo progetto della geometria ugello normalmente provoca : </li></ul><ul><li>comportamento difettoso arco ( double arcing ) </li></ul><ul><li>basse temperature getto plasma </li></ul><ul><li>rapida usura ugello anodico </li></ul>Cattiva Centratura Centratura ottimale
    40. 40. Entalpia Arco <ul><li>Proprietà del Plasma </li></ul><ul><li>Archi Plasma </li></ul><ul><li>Scarica ad Arco </li></ul><ul><li>Innesco Arco </li></ul><ul><li>Riscaldamento Catodo Anodo </li></ul><ul><li>Stabilizzazione Arco </li></ul><ul><li>Entalpia Arco </li></ul>
    41. 41. Apporto Termico – Efficienza Arco L’apporto termico per unità di lunghezza Q fornito dall’arco è espresso da : <ul><li>dove: </li></ul><ul><ul><li>V = Tensione arco trasferito (V) </li></ul></ul><ul><ul><li>I = Corrente arco trasferito (A) </li></ul></ul><ul><ul><li>w = Velocità saldatura (cm/min) </li></ul></ul>L’apporto termico fornito al pezzo dipende anche dal Rendimento termico dell’arco  e viene espresso come : Rendimento Termico Arco PROCESSO RENDIMENTO TERMICO ARCO  (%) TIG (GTAW) 25 -50 Plasma (PAW) 50 - 60 MIG (GMAW) 60 -70 Elettrodo (SMAW) 65 - 85 Arco Sommerso (SAW) 95 - 98
    42. 42. Variazioni Rendimento Termico Torcia Distanza torcia-pezzo H = 5 mm <ul><li>Il rendimento della torcia viene calcolato come il rapporto tra l’energia conferita al pezzo e l’energia fornita dal plasma ad arco. Tale rendimento dipende da : </li></ul><ul><ul><li>Corrente Arco I [A] trasferito al pezzo ; </li></ul></ul><ul><ul><li>Portata del gas plasmageno q [l/min] (Argon) ; </li></ul></ul><ul><ul><li>Distanza H [mm] torcia-pezzo </li></ul></ul>Distanza torcia-pezzo H = 7 mm
    43. 43. Rendimento termico – valori sperimentali Il rendimento termico di una torcia plasma varia tra il 60% e il 75% in funzione dei valori di corrente e di distanza torcia-pezzo. Per i valori tipici utilizzati nel riporto (I=100-150 A) il rendimento termico della torcia può essere assunto  = 70% Distanza torcia-pezzo H= 5 mm Distanza torcia-pezzo H= 7 mm
    44. 44. Fine Lezione 1 Lezione 2 Mario Marconi Plasma Team S.n.c. info @ plasmateam . com

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