Zużycie elektrody w systemach plazmy powietrznej i tlenowej

How to tell good electrode wear from bad and improve system performance

Dodano 29.01.2016
Opublikowane przez Hypertherm

Elektrody używane w systemach cięcia plazmowego dużej mocy to bardzo dokładnie zaprojektowane materiały eksploatacyjne, które pod względem konstrukcji, zastosowanego materiału i działania są podobne do samochodowych świec zapłonowych. Podobnie jak świece zapłonowe, elektrody wytwarzają bardzo duże napięcie w warunkach wysokiej temperatury. Użyty materiał musi wytrzymywać temperaturę towarzyszącą emisji łuku plazmowego, być odporny na wirowe strumienie gazu o dużym natężeniu przepływu oraz gwarantować hermetyczne uszczelnienie gazów i cieczy przesyłanych pod wysokim ciśnieniem. Elektroda, podobnie jak świeca zapłonowa, to najciężej pracujący element systemu.

Patrząc na zużycie świecy zapłonowej, dobry mechanik może bardzo dużo powiedzieć o stanie silnika spalinowego. Podobnie przeszkolony technik systemów plazmowych jest w stanie określić stan systemu, jeśli wie, jak sprawdzić elektrodę, zna objawy prawidłowego zużycia oraz potrafi rozpoznać oznaki usterki.

Elektroda przekazuje prąd stały z zasilacza plazmy do metalowej płytki. Zwykle składa się z miedzianej albo miedziano-srebrnej oprawy, która utrzymuje wkładkę emitującą wykonaną z hafnu. Hafn to metal charakteryzujący się wysoką temperaturą topnienia, zdatny do utrzymywania łuku w środowisku cięcia powietrzem i tlenem. Wkładka emitująca powoli eroduje pod wpływem działania ciepła łuku oraz strumienia gazu plazmowego o dużej szybkości. Wkładka zużywa się najbardziej na początku i na końcu cięcia, gdy stopiony materiał hafnowy szybko się nagrzewa lub schładza, topiąc się, a następnie ponownie zestalając.

W typowych warunkach zużycia na końcu wkładki formuje się nieznacznie wklęsłe wgłębienie, które zwiększa się co kilka tysięcznych milimetra do głębokości około 1,02–3,18 mm zależnie od stosowanego palnika, konstrukcji materiałów eksploatacyjnych oraz materiałów. (Patrz tabela poniżej). Gdy wgłębienie staje się zbyt duże, łuk przyczepia się do materiału oprawy i topi ją. Elektroda jest uznawana za „zepsutą”, gdy nie umożliwia zainicjowania i utrzymania łuku. Jeśli stopiony materiał elektrody odkłada się w otworze dyszy, powoduje tzw. „wydmuchanie”, czyli poważną usterkę zarówno elektrody, jak i dyszy.

System cięcia łukiem plazmowym (PAC) Elektrody miedziane zużycie w mm Elektrody miedziano-srebrne zużycie w mm
System PAC o wysokiej precyzji
(plazma tlenowa)
 0,76–1,27 mm  1,52–2,03 mm

System PAC z wtryskiem wody
(plazma tlenowa)

 1,02–2,03 mm  2,54–3,56 mm
Konwencjonalny system PAC z dwoma gazami (plazma tlenowa)  1,02–2,03 mm  2,54–3,56 mm
Konwencjonalny system PAC z dwoma gazami  2,29–3,05 mm  2,54–3,56 mm

 

Typowa trwałość części eksploatacyjnych nowoczesnego systemu plazmy tlenowej wynosi 1–2 godziny pracy łuku oraz 200–300 przebić. Systemy powietrza charakteryzują się zwykle dwukrotnie większą trwałością, tj. 400–600 rozruchów, ponieważ dzięki obecności azotu powietrze mniej gwałtownie reaguje z elektrodami. Systemy plazmy tlenowej z obojętnymi gazami rozruchowymi oraz narastaniem prądu mogą osiągnąć nawet powyżej 1000 rozruchów do momentu wymaganej wymiany elektrody.

Stan nowego materiału eksploatacyjnego

Rysunek 1

 

Stan nowy

Na rysunku 1 pokazano nową elektrodę. W tym przykładzie użyto spawanej elektrody z kompozytu miedzi i srebra, w której przednia część jest wykonana ze srebra, a tylna — z miedzi. Na środku znajduje się nieużywana wkładka hafnowa.

 

Typowe zużycie materiału eksploatacyjnego

Rysunek 2

 

Typowe zużycie

Na rysunku 2 pokazano elektrodę, która zużywa się w typowy sposób. Wgłębienie w hafnie jest dobrze wyśrodkowane i ma jednorodny kształt, co świadczy o dobrym wyosiowaniu materiałów eksploatacyjnych oraz prawidłowym zawirowaniu gazu plazmowego. Głębokość wgłębienia wynosi około 2,54 mm. Przednie krawędzie części są ostre i wyraźne. Nie ma oznak znacznego odbarwienia srebra. Zabarwione na szaro ślady utleniania na przedniej powierzchni to normalne zjawisko.

 

Typowe zużycie materiału eksploatacyjnego — 1/2 trwałości

Rysunek 3

 

Typowe zużycie — 1/2 trwałości

Na rysunku 3 pokazano elektrodę, która zużywa się w typowy sposób, ale została przedwcześnie wymontowana z innego powodu, takiego jak uszkodzenie płytki palnika, zderzenie z palnikiem, zmiana napięcia, zmiana jakości cięcia itp. Głębokość wgłębienia wynosi 1,98 mm. Mimo że ta część wygląda na całkiem zużytą, może jeszcze posłużyć do kolejnych 100 rozruchów, a wgłębienie może się zwiększyć do ok. 2,54–3,56 mm.

 

Przykład materiału eksploatacyjnego z niewyśrodkowanym wypaleniem

Rysunek 4

 

Wypalenie poza środkiem

Na rysunku 4 pokazano wypalenie poza środkiem. Ten problem łatwo zauważyć. Zwykle wskazuje na poważny problem z przepływem gazu (na przykład uszkodzony lub zapchany pierścień zawirowujący) albo na nieprawidłowe wyosiowanie części palnika (wynikające z błędnego montażu i zamocowania). Jeśli wymiana wszystkich części palnika nie rozwiąże problemu, palnik jest prawdopodobnie uszkodzony.

 

Przykład obecności wilgoci podczas zapalania łuku

Rysunek 5

 

Wilgoć przy zapalaniu

Na rysunku 5 pokazano sytuację, w której podczas rozruchu łuku jest obecna wilgoć. W takich warunkach łuk jest bardzo zawirowany i biegnie od krawędzi mocowania płaskiego klucza do czoła elektrody. Wilgoć w gazie wstępnego przepływu sprawia, że materiał ze srebra jest poddawany działaniu wysokiej częstotliwości. Przednie krawędzie srebra nie są ostre. Są wygładzone, a powierzchnia wygląda na „piaskowaną”. Należy sprawdzić gaz wstępnego przepływu na obecność wilgoci. Aby to szybko zrobić, można użyć testu z ręcznikiem papierowym. W tym celu należy przytrzymać czysty ręcznik papierowy pod palnikiem i włączyć przepływ gazu w systemie (wyłącznie w trybie testowym lub sprawdzania gazu!). Na ręczniku nie powinno być żadnych śladów wilgoci ani zanieczyszczeń.

 

Przykład wyciekania płynu chłodzącego na materiał eksploatacyjny

Rysunek 6

 

Wycieki płynu chłodzącego

Rysunek 6 — wycieki płynu chłodzącego to problem, który najłatwiej zauważyć. Poważne odkształcenie czoła i boków elektrody odznaczające się wgłębieniami i wypukłościami na powierzchni. Powierzchnia czołowa jest nierówna i czarna oraz zawiera błyszczące stopione plamy materiału oprawy. Ten problem jest często powodowany przez przecięte pierścienie uszczelniające o przekroju okrągłym, niedostateczne nasmarowanie pierścieni albo przez luźne i nieprawidłowo wyosiowane części.

 

Przykład niedostatecznej ilości gazu podczas aktywacji łuku

Rysunek 7

 

Niski przepływ wstępny

Rysunek 7 — niedostateczna ilość gazu podczas aktywacji łuku skutkuje „powolnym rozruchem”. Łuk zbyt długo przemieszcza się od punktu rozruchu (zwykle ostrego narożnika, takiego jak krawędź mocowania klucza płaskiego) do wkładki emitującej. Na tych częściach wokół wgłębienia będzie widoczny jednorodny pierścień stopionego materiału oprawy. Powierzchnia może wyglądać tak, jakby wzdłuż części uformował się odprysk lutowniczy lub jeziorko spawalnicze.

 

Przykład wydmuchanej elektrody

Rysunek 8

 

Wydmuchanie

Na rysunku 8 pokazano elektrodę, która doświadczyła poważnej usterki. Ponieważ elektroda znajduje się na początku strumienia, gdy stopiony materiał zostanie wydmuchany z końcowej części i osadzi się we wnętrzu dyszy, dojdzie do uszkodzenia dyszy. Jeśli taka praca będzie trwać długo, wszystkie części ulegną uszkodzeniu.

 

Przykład zbyt niskiego ciśnienia gazu plazmowego (gaśnięcie)

Rysunek 9

 

Wydmuchanie

Rysunek 9 — niskie ciśnienie gazu plazmowego (gaśnięcie) Jeśli na końcowej części elektrody znajdują się wszędzie małe wgłębienia, a podobne uszkodzenia można zauważyć we wnętrzu dyszy, przepływ gazu jest zbyt mały. Zbyt mały przepływ gazu prowadzi do niekontrolowanego zapalania łuku między dyszą a elektrodą. Należy wtedy sprawdzić szybkości przepływu gazu do palnika. Najlepszą metodą jest zastosowanie przepływomierza (0–400 cfh) i węża założonego na wylocie palnika, który jest podłączony do testowanego systemu. Jeśli nie jest to możliwe, inny szybki test polega na dotykowym sprawdzeniu przepływu gazu na wylocie palnika przy włączonym wyłącznie gazie plazmowym. Powinno dać się wyczuć zawirowany przepływ gazu, który odznacza się siłą ssania.

 

Przykład zbyt dużego przepływu gazu

Rysunek 10

 

Duży przepływ gazu

Rysunek 10 — jeśli dysza jest w dobrym stanie, ale w elektrodzie znajduje się głębokie koncentryczne wgłębienie, procentowe natężenie przepływu gazu plazmowego może być zbyt duże. Jeśli zawirowanie gazu plazmowego jest zbyt intensywne, wkładka szybko zeroduje. Będzie to skutkować gwałtownym zużyciem. Należy sprawdzić szybkość przepływu gazu plazmowego.

 

Dodano 29.01.2016
Opublikowane przez Hypertherm