CONSIDERAłII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TĂIERE ...

of 65 /65
CONSIDERAłII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TĂIERE MECANIZATĂ CU PLASMĂ - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT - Ing. Alexandru VAS TEZĂ DE DOCTORAT - 1 - UNIVERSITATEA ,,TRANSILVANIA” BRAŞOV FACULTATEA DE ŞTIINłA ŞI INGINERIA MATERIALELOR Ing. Alexandru Livius VAS CONSIDERAłII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TĂIERE MECANIZATĂ CU PLASMĂ CONSIDERATIONS ON MODERN TECHNOLOGY FOR CUTTING MECHANIZED PLASMA Rezumatul tezei de doctorat Conducător ştiinŃific Prof. Dr. Ing. Radu IOVĂNAŞ BRAŞOV 2010

Embed Size (px)

Transcript of CONSIDERAłII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TĂIERE ...

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT - 1 -

    UNIVERSITATEA ,,TRANSILVANIA BRAOV

    FACULTATEA DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    Ing. Alexandru Livius VAS

    CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU

    PLASM

    CONSIDERATIONS ON MODERN TECHNOLOGY FOR

    CUTTING MECHANIZED PLASMA

    Rezumatul tezei de doctorat

    Conductor tiinific

    Prof. Dr. Ing. Radu IOVNA

    BRAOV 2010

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 2 -

    CUPRINS Introducere

    Cap. 1. Consideraii privind stadiul actual al procedeelor de tiere

    termic 1. Consideraii teoretice privind procedeele de

    tiere termic 5 1.1. Clasificarea procedeelor de tiere termic 5 1.2. Direciile de devoltare a tierii termice cu plasm 6 1.3. Evoluia principiilor de funcionare ale

    generatoarelor de tiere cu plasm 7 1.4. Variante constructive ale generatoarelor de

    tiere cu plasm 13 1.5. Procedee de tiere cu plasm de nalt preciyie

    i productivitate 15 1.6. Instalaii de tiere cu plasm de ultim generaie 15 1.7. Concluzii cu privire la caracteristicile constructive

    i a performanelor generatoarelor cu plasm 16 Cap. 2. Obiectivele tezei de doctorat 2.1. Contextul tiinific 17 2.2. Delimitarea domeniului de cercetare 17 2.3. Obiectivele tezei de doctorat 18 Cap. 3. Consideraii de ordin tehnologic cu privire la alegerea

    procedeului de tiere cu plasm 3.1. Parametrii regimurilor de tiere pentru diferite

    materiale cu gaze de protecie diferite 19 3.2. Clasificarea performanelor generatoarelor de

    plasm 19 3.3. Aspectul suprafeelor rezultate la tierea cu

    plasm, analizarea defectelor i cauzele lor 21 3.4. Microstructuri ale probelor prelevate din

    materialul de baz i din zona influienat termic a materialelor tiate 24

    Concluzii 29

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 3 -

    Cap.4. Cecetri experimentale privind determinarea duratei de via a electrozilor de tiere cu plasm i crearea unui echipament electronic de determinare a eroziunii electrodului

    4.1. Obiective propuse i metodologia cercetrilor

    experimentale 31 4.2. Cercetri i experimentri cu echipamentul

    electronic de determinare a eroziunii electrodului 32 4.2.1. Cercetri privind variaia eroziunii h funcie de

    numarul de aprinderi si ore de funcionare 33 4.2.2. Etalonarea numrtorului i cronometrului

    electronic 37 4.2.3. Teste cu diferite tipuri de echipamente de tiere

    cu plasm 46 Concluzii 53 Bibliografie selectiv 55 Lucrri tiinifice ,Contracte de cercetare 58 Curriculum vitae 63

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 4 -

    INTRODUCERE

    Dezvoltarea i extinderea progresului tiinei i tehnicii n toate ramurile economiei,creterea exigenei societaii n general, a condus la promovarea unor tehnici noi.Astfel cerinele actuale au impus implementarea n practica industriala a unor concepii noi in prelucrarea materialelor.

    Apariia i dezvoltarea anumitelor domenii, a condus la naterea noiunilor de fiabilitate, mentenabilitate, disponibilitate care reflect ntr-o manier tiinific modul de comportare al produselor n faza de exploatare n raport cu timpul.

    n acest context tierea termica cu plasma aduce o contribuie deosebita, in promovarea unor tehnici de vrf, dezvoltnd sursele de energie concentrata. Rezolvarea unor probleme fundamentale la generarea plasmei i aplicarea acestora la construcia generatoarelor de plasma din ara noastr, au contribuit la utilizarea plasmei pe plan mondial i n Romnia in mod special. Pentru sprijinul acordat de-a lungul ntregii perioade de realizare a lucrrii,adresez cu deosebit respect i consideraie cele mai sincere mulumiri Domnului Prof.dr.Ing.Radu Iovana n calitate de conductor tiinific. Mulumesc conducerii Universitii Transilvaniadin Braov, Facultailor de Inginerie Tehnologic i tiina i Ingineria Materialelor, Domnului Prof.dr.Ing.Teodor Machedon , Domnului Prof.dr.Ing. Mircea ierean precum i cadrelor didactice i personalului tehnic de la Catedra. Ingineria Materialelor si Sudarii , pentru sprijinul acordat pe tot parcursul realizrii lucrarii. Aduc cele mai profunde mulumiri si recunotiin domnului ing. Dorin Matei i ntregului colectiv de la SC CMMETAL SRL pentru tot sprijinul profesional i material pe care l-am primit pentru formarea i cariera mea profesional. Nu in ultimul rnd mulumesc familiei mele pentru sprijinul,rbdarea i ncrederea de care a dat dovad. Braov, februarie 2010

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 5 -

    Cap. 1. Consideraii privind stadiul actual al procedeelor de tiere termic

    Sub denumirea generic de tiere termic se neleg procedeele de tiere prin topire sau ardere cu ajutorul unei surse termice. n aceast grup intr procedeele de tiere cu flacr oxigaz, arc electric i laser. Teza de doctorat se refer n primul rnd la tierea cu arc electric trangulat de gazul plasmagen i duza, cunoscut ca tierea cu plasm .

    1. Consideraii teoretice privind procedeele de tiere termic

    Sunt cunoscute dezvoltrile spectaculoase din ultimii ani a procedeelor de tiere termic, datorit avantajelor de ordin tehnic i economic n comparaie cu prelucrrile mecanice clasice. La alegerea procedeului de tiere trebuie s se in seama de nivelul calitii tierii, a preciziei privind dimensiunile geometrice ale materialului prelucrat i nu n ultimul rnd cheltuielile specifice ale tieturii. Sub acest aspect pot fi luate n consideraie: tierea cu oxigen, tierea cu arc de plasm i tierea cu fascicul laser.

    1.1.Clasificarea procedeelor de tiere termic Pentru a avea o imagine asupra utilizrii procedeelor de tiere termic ce se refer la oelul carbon, prezentm n figura 1.1 o clasificare ale acestor procedee.

    Figura 1.1. Clasificarea procedeelor de tiere cu oxi-gaz, plasma de oxigen,plasma

    de nalt precizie i laser pentru oel carbon

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 6 -

    In diagrama din figura 1.3. se prezinta performanele tierii cu plasma de oxigen in comparaie cu tierea cu laser prezentat de Soren Carisson (ESAB) [2 ]

    Figura 1.3. Comparaia vitezelor de tiere funcie de grosime la tierea cu

    plasm i laser

    1.2. Direciile de dezvoltare a tierii termice cu plasm Direciile de dezvoltare a tierii termice cu plasm sunt ndreptate spre gsirea

    unor soluii prin care s creasc gradul de concentrare al arcului de plasm prin mrirea densitii de curent.

    Instalaia prezentat n figura 1.6. conceput de compania HYPERTHERM este echipat tot cu un generator de plasm care utilizeaz dou gaze; unul plasmagen, al doilea drept gaz de protecie. Principiul de funcionare a generatorului Nertajet OCP 150, gaz plasmagen (1) azot, gaz secundar (2) azot n amestec cu oxigen, sau cu metan,este prezentat in figura 1.6

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 7 -

    Figura 1.6 a. Generatorul Nertajet OCP 150, b. Principiul de funcionare a

    generatorului Nertajet OCP 150

    Parametrii regimului de tiere sunt prezentate n tabelul 1. 2. Tabelul 1.2. Parametrii regimului de tiere n funcie de calitatea materialului [5]

    Material

    Curent

    A

    Grosimea

    mm

    Viteza

    de tiere mm/min.

    Material

    Curent

    A

    Grosimea

    mm

    Viteza

    de

    tiere mm/

    min. 1 3555 1 5460 4 940 2 3935

    30

    6 635 2 5715

    45

    4 1520 2 8890 6 915 4 3050 8 710 6 1270

    70

    10 455 8 1140 6 3680

    70

    8 2795 6 1650

    100

    12 1850 8 1525 200 10 3175

    100

    12 1015 12 2515 10 2030 14 2055 12 1905 20 1650 15 1650

    Oeluri slab aliate O2 plasm O2 + N2 gaz de protecie

    25 890

    Oeluri inoxidabile N2 plasm N2 gaz de protecie

    200

    20 1270

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 8 -

    1.3. Evoluia pricipiilor de funcionare ale generatoarelor de tiere cu plasm

    Evoluia principiilor de funcionare ale generatoarelor de tiere cu plasm i performanele din ultimii ani i pn n prezent sunt prezentate n tabelul 1.3. Tabelul 1.3. Evoluia principiilor procedeelor de tiere cu plasm

    Nr. crt.

    Procedee de tiere cu

    arc de plasm i

    gaze plasmagene

    folosite

    Locul unde s-a

    dezvoltat

    Perioada dezvoltrii

    i domeniul

    de utilizare

    Domeniul curenilor de tiere

    Principii constructive

    ale generatorului

    de plasm

    Observaii

    0 1 2 3 4 5 6 SUA i Europa 1957

    Oeluri inoxidabile, aluminiu,

    cupru max. 120 mm la inox si 150

    mm la aluminiu

    120 600A Electrod de Wolfram, rcire cu ap n circuit

    nchis, injecie de gaz axial

    1 Tiere cu plasm de argon sau amestec de

    argon + hidrogen

    Azot +hidrogen Argon + azot +

    hidrogen

    Japonia 1965 1975 120 mm

    pentru inox, 150 mm Al

    120 300 A Similar ca n Europa i SUA

    2 Tiere cu plasm de azot

    drept gaz plasmagen i cu

    gaz secundar aer

    Europa 1967, grosime 120 mm pt

    inox, 150 mm pt. Al.

    120 600 A Electrod din wolfram, rcire cu

    ap, admisia de gaz turbionar n interior cu gaz plasmagen i n exterior cu gaz

    secundar

    n Romnia s-a dezvoltat n baza

    brevetului romnesc 51256/ 1967 i acelai

    brevet acceptat i n SUA, Anglia,

    Germania, Austria .a. Titlul inveniei

    romneti Generator de

    plasm cu focalizare

    magnetic i admisie de gaz suplimentar n

    exteriorul ajutajului.

    Europa i SUA 1968, oeluri slab aliate

    pn la 30 mm grosime

    50 100 A Electrod din Zirconiu sau

    Hafniu. Admisie de gaz plasmagen

    turbionar

    Se folosete i n prezent

    3 Tiere cu plasm de aer

    sau oxigen

    Japonia 1973 1993 oel naval 5-

    40 mm grosime

    80 250 A Similar ca n Europa i SUA

    4 Tiere cu Japonia 1980 1983 15 80 A RCIRE Nu se folosete

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 9 -

    Oeluri slab aliate i navale

    (3-12 mm)

    DIRECT CU AER. Nu s-a rspndit pt.

    tierea mecanizat. Se

    folosete numai la tierea manual.

    plasm de azot sau aer, prin

    contact direct ntre duz i tabla de tiat

    Europa 1987 (3 6 mm)

    15 40 A Similar ca n Japonia.

    5 Tiere cu plasm de azot

    cu injecie exterioar de

    ap

    Europa 1965 - 1968 50 200 A Electrod din carbine. Admisie de gaz turbionar

    Nu s-a rspndit

    6 Tiere cu plasm de argon sau azot sub ap

    pt. reducerea noxelor

    Europa 1977, oeluri aliate i

    nealiate (5-40 mm)

    120 400 A Rcire cu ap. Electrod din Wolfram sau

    Zirconiu

    Nu s-a rspndit din cauza producerii

    hidrogenului n ap prin disociere, cu pericol mare de

    explozie. 7 Tiere cu

    plasm de aer cu costuri

    reduse

    Japonia (Tanaka) i n

    Europa din 1986

    1983 1999. Oeluri carbon

    (3-35 mm) 1986 1999 n Europa (5-

    25 mm)

    10 140 A Electrozidin Zr sau Hf, rcire cu

    aer

    Foarte rspndit n Japonia i n

    prezent n Europa, mai ales la tiere

    manual.

    8 Tiere cu plasm de

    oxigen sau azot sub ap i

    injecie de ap cu dou duze

    SUA HYPERTHERM

    1983 Oel carbon

    pn la 32 mm i aluminiu cu 760 A cu azot pn la 75 mm

    Maximum 340 A pentru oxigen i 760 A pentru azot

    Rcire cu ap. Electrod din

    Hafniu. Generatorul este scufundat n ap, ceea ce asigur rcirea duzei.

    Rspndit n SUA i Europa

    9 Tiere cu plasm de

    oxigen sau azot sub ap i

    injecie de ap cu dou duze

    (duza exterioar poate fi i din

    ceramic)

    SUA Hypertherm i LTEC ESAB

    1990 Oeluri pentru

    industria naval

    260 A pt. 8-25 mm

    340 A pt. 8-32 mm

    260 A sau 340 A

    Rcire cu ap. Electrod din

    Hafniu cu inserie de Ag-Ni pentru a

    mri rcirea i durata de via a electrodului. Se regleaz debitul

    de gaz i curentul de taiere dup

    program

    Rspndit n SUA i Europa. Prin

    opiune se poate echipa i cu

    dispozitive pt. sanfrenare. Este prevzut i cu nsemnarea

    reperelor prin vopsire sau gravare cu jet de plasm cu programarea CNC

    10 Tiere cu plasm de

    oxigen cu dou duze cu gaz de

    protectie

    Japonia KOMATSU, TANAKA i

    KOIKE

    1991 Oeluri pentru

    industria naval 8-45 mm la 120

    450 A

    120 450 A Rcire cu ap. Electrod din Hf. Prin modificarea debitului gazului de protecie se

    schimb unghiul de nclinare a

    deeului. Partea activ rmne perpendicular

    11 Tiere cu plasm de

    oxigen de nalt precizie cu o

    singur duz i

    Japonia KOMATSU Co.

    1989 Oeluri aliate i nealiate 0,5-8 mm la 5-40 A i 3-12 mm

    5-40 A li

    12-90 A

    Rcire cu ap. Electrod din Hf.

    Turbionare puternic a

    gazului

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 10 -

    gaz plasmagen n cmp magnetic

    la 12-90 A plasmagen, suprapus n cmp

    magnetic, care modific unghiul

    de nclinare a feelor. Faa activ este

    perpendicular, iar faa deeului

    rmne nclinat. 12 Tierea cu

    plasm de oxigen de nalt

    precizie cu turbionare

    puternic n interior realizat prin evacuarea unei pri din

    gazul plasmagen n

    exterior i introducerea ntre duze a

    gazului suplimentar tot

    turbionar

    SUA HYPERTHERM

    1991 Oeluri aliate i nealiate de

    0,5 mm grosime la

    15A i 15 mm pentru 100 A.

    n 2002 2007

    domeniul grosimilor

    mari s-a extins la 75 mm

    (tabelul II/ 9)

    16 100 A

    I5 260 A

    Rcire cu ap Electrod in HF cu inserie de Ag-Ni. Reglarea debitelor

    de gaze se realizeaz n

    timpul procesului de tiere. Se

    regleaz att gazul plasmagen prin

    valoarea debitului de gaz plasmagen

    evacuat n atmosfer, ct i

    prin valoarea gazului

    suplimentar introdus ntre

    duze.

    n baza acestor deziderate prezenta lucrare trateaz o problem de actualitate legat de prelucrarea aliajelor uoare prin procedee de tiere cu plasm n locul procedeelor mecanice. Avnd n vedere c tierea cu plasm se apropie tot mai mult de tierea cu fascicul laser la un pre mai redus i o calitate comparabil, decizia final va fi luat innd seama i de economiile realizate. Aceste economii fa de tierea cu laser i raportul dintre costul investiiilor i calitatea suprafeelor rezultate dup tiere din studiile dup [7] sunt prezentate n figura 1.8.

    Figura 1.8.Costurile tierii cu laser si plasm

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 11 -

    Dac pentru oelurile de carbon nealiate tierea oxigaz poate fi luat n considerare pentru grosimi ce depesc 3-5 mm, n cazul oelului inoxidabil i a aluminiului, acest procedeu nu poate fi utilizat. Din acest motiv, din punct de vedere a vitezelor, tierea cu plasm, ocup primul loc pentru grosimi cuprinde ntre 0,5 i 120 mm.

    Figura 1.9 Variaia vitezei de tiere n funcie de grosime la tierea oelului carbon

    Principiile constructive ale generatoarelor de plasm au determinat folosirea diferitelor amestecuri de gaze, aa cum se prezint n figura 1.11 .Injectia axiala la nceputul dezvoltrii generatoarelor de plasm,a permis folosirea numai a gazelor inerte,in special al argonului in amestec cu hidrogenul sau a heliului.

    Figura 1.11 Evoluia dezvoltrii generatoarelor de plasm folosind diferite gaze

    Diferite moduri de realizare a injeciei de gaze i vrtejuri

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 12 -

    Figura 1.12 O singura injecie de gaz (axial),Figura 1.13 Injecie de gaz plasmagen

    turbionar + injecie de gaz de protecie

    Pentru a putea urmri fazele n care se produce eroziunea prezentm mai jos un electrod nou nefolosit cu tiftul de hafniu presat n mantaua din cupru intens rcit.

    Figura 1.16 Electrod nou cu tiftul de hafniu presat n mantaua din cupru

    Pata catodic care se formeaz dup aprindere datorit curentului se topete i n contact cu gazul plasmagen cu coninut de oxigen,se oxideaz formnd o pelicul foarte subire de oxid de zirconiu sau hafniu .

    Figura 1.14 Injecii cu dou gaze

    turbionare :gaz plasmagen pentru centrare i

    protecie pentru rcire si tiere

    Figura 1.15 Injecii cu dou gaze

    turbionare : gaz plasmagen turbionar i

    turbion de apa pentru protecie i

    constrngere

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 13 -

    Figura 1.17 Pelicul de oxid de zirconium, Figura 1.18 Pelicul de oxid de zirconiu sinitruri de zirconiu

    Oxidul are o putere de emisie de electroni foarte bun i plutete pe un al doilea strat format din nitruri de zirconiu sub 0,1 mm.

    n tabelul 1.4 se prezint problemele cu care se confrunt specialitii din domeniu atunci cnd trebuie s aleag sau s renune la un anumit procedeu. Tabelul 1.4 Avantaje i dezavantaje ale unor procedee de tiere termic

    Procedeu Avantaje Dezavantaje

    Tiere oxigaz

    Grosimi mari (> 500 mm), investiie redus, cost redus de exploatare, tierea n orice poziie, arztoare multiple pe aceeai instalaie

    Pot fi tiate numai oelurile carbon, vitez mic de tiere la grosimi mai mari de 30 mm, deformaii, ZIT mare, genereaz tensiuni i deformaii sub aciunea cldurii, calitatea este influenat de starea suprafeelor.

    Tierea cu plasm

    Vitez ridicat de tiere, precizie mare a tieturilor, lime mic a ZIT, investiie moderat, uor de utilizat.

    Tieturi cu nclinaie pronunat a feelor la tierea clasic cu plasm

    Tierea cu laser

    Vitez mare de tiere a pieselor subiri, precizie mrit tieturi fine, care conduce la economie de material, ZIT redus, fr deformaii, form nelimitat a tieturilor.

    Unele materiale nu pot fi tiate (cuprul de exemplu), investiii ridicate, randament sczut, cost de ntreinere ridicat, grosimi reduse

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 14 -

    Tierea cu jet de ap

    cldurii reduse, fr gaze sau fum toxic, forma geometric a tieturilor nelimitat.

    uzura rapid a diuzei, zgomot foarte mare, cost ridicat al instalaiei.

    1.4. Variante constructive ale generatoarelor de tiere cu plasm Tierea cu plasm de aer S-a utilizat la tierea oelurilor carbon ncepnd cu anul 1980. Principiul procedeului a fost prezentat in figura 1.20 .

    Figura 1.20 Procedeul de tiere cu plasm de aer

    La grosimi de 12 mm oel carbon pot fi atinse viteze de 2-2,5 m/ min ceea ce determina un pre de cost de cca. 20 de ori mai mic fa de tierea oxigaz. Tierea cu gaz de protectie (secundar)

    n figura 1.21 s-a prezentat principiul tierii cu gaz secundar (gaz de protecie).

    Figura 1.21 Principiul tierii cu gaz secundar

    Tierea cu plasm de azot i vrtej de ap Procedeul este utilizat pentru tierea mecanizat a oelurilor. Apa sub form de

    vrtej (vortex), permite o trangulare mrit a arcului, o rcire a prii inferioare a duzei, precum i o reducere a fumului i a deformaiilor piesei n timpul tierii figura 1.22.

    Gaz plasmagen

    Suport electrod

    Diuz constrngere arc

    Canale rcire cu ap

    Vortex de gaz

    Pastil de hafniu

    (aer, oxigen)

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 15 -

    Figura 1.22 Tierea cu plasm de azot i vrtej de ap

    Tierea cu plasm de oxigen n jurul electrodului se creeaz un vrtej de gaz plasmagen pentru a crea o

    depresiune n axa electrodului ceea ce menine arcul de plasm centrat pe plcua de hafniu i reduce uzura acestuia figura 1.23.

    Figura 1.23 Tierea cu plasm de oxigen

    1.5.Procedee de tiere cu plasm de nalta precizie i productivitate Caracteristicile principale ale procedeelor de tiere de inalt precizie i productivitate HTPAC

    nainte de a ameliora calitatea tieturii i de a concura tierea laser, generatoarele de plasm au fost aduse n stadiul n care, se poate obine un arc foarte puternic constrns. Aceste sisteme poart numele de HTPAC.

    (+)

    (-)Electrod

    material ceramic

    Tabla

    Plasma

    Diuza exterioar din

    Vortex de ap

    Azot (gaz plasmagen)

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 16 -

    Figura 1.24 Schema de principiu generator de plasm HTPAC

    Concluzii Principalele caracteristici ale procedeelor de tiere de tip HTPAC sunt:

    - calitatea tieturii se situeaz ntre tierea cu plasm clasic i tierea cu laser; - viteza de tiere este echivalent cu cea de la tierea cu laser; - cost inferior fa de tierea cu laser; - domeniul optim de grosimi este ntre 1,6 i 6,4 mm; - maina de debitat trebuie s fie de nalt precizie pentru a asigura stabilitatea

    generatorului de plasm; - tierea d rezultate optime la aluminiu i oeluri carbon obinuite; - noxe reduse.

    1.6. Instalaii de tiere cu plasm din ultima generaie

    Printre nouti se poate aminti realizarea unui vrtej special de gaz adugnd azot n debitul de oxigen la nceputul tierii.

    Figura 1.26 Generatorul de plasm de inalt performan HPR 130

    Compania KOMATSU produce generatoare de tiere cu gaz plasmagen oxigen, geometria duzei, precum i configuraia canalelor (figura 1.30) ce creeaz vrtejul duce la obinerea unei viteze foarte mari de ieire a gazului plasmagen precum i obinerea unei plasme de oxigen foarte dens i stabil.

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT

    - 17 -

    Figura 1.30 Generator de plasm Komatsu Dual Gas Swirl

    Rotirea arcului de plasm pe suprafaa electrodului este rezultatul interaciunii cmpului magnetic cu particulele electrizate din arcul electric.Acest fenomen mrete stabilitatea arcului, iar vrtejul dublu de gaz face ca suprafaa activ a piesei tiate s nu fie nclinat (figura 1.31).

    Figura 1.31 Rotirea arcului de plasm pe suprafaa pastilei de hafniu

    1.7. Concluzii cu privire la caracteristicile constructive i a performanelor generatoarelor de plasm

    Din prezentarea facut rezult c generatoarele de plasm din ultima generaie rezolv taierea oelului carbon,inoxidabil i aluminiu,respectnd prescripiile actelor normative care privesc calitatea tieturilor;

    Evoluia principiilor constructive a fcut posibil reducerea preului de cost specific, prin folosirea gazelor active n locul gazelor inerte i creterea productivitii ca urmare a creterii vitezei de tiere;

    n baza studiilor comparative a rezultat c domeniul de grosimi a materialelor tiate cu plasm s se suprapun cu cele tiate cu laser,excepie fcnd grosimile sub 0,5 mm care nu pot fi tiate dect cu laser; Viteza mare de tiere cu plasm de oxigen a fcut posibil ca prelucrarea cu plasm s fie cu mult mai ieftin n comparaie cu prelucrarea cu laser.La acest lucru a avut o contribuie important costurile ce privesc investiiile legate de instalaie, care n cazul tehnologiei de tiere cu plasm sunt de cca 10 ori mai redus

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 18

    CAPITOLUL 2

    OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT

    2.1. Contextul tiinific

    La proiectarea proceselor tehnologice sau la analizarea celor existente se

    pornete de la dou condiii principale: condiia tehnologic i condiia economic.

    Condiia tehnologic se refer la faptul c procesul tehnologic proiectat pentru realizarea unui anumit produs s asigure obinerea acestuia cu respectarea tuturor cerinelor tehnice i de calitate, n condiiile unei baze materiale determinate.

    Condiia economic pornete de la ideea c produsul s fie realizat n urma aplicrii unui proces tehnologic, care asigur un cost de fabricaie minim.

    n domeniul tierii, obiectivul cel mai frecvent este proiectarea tehnologiilor astfel c tietura pieselor s corespund performanelor nscrise n documentaia de execuie sau caietul de sarcini. La acest obiectiv se adaug necesitatea de a economisi energie i materiale, de a realiza productivitate ridicat, mecanizare i robotizare.

    Optimizarea unui sistem poate presupune multe probleme de rezolvat, de aceea se impune delimitarea domeniului de cercetare abordabil.

    2.2. Delimitarea domeniului de cercetare

    n cazul tierii cu plasm, optimizarea proceselor tehnologice se pot obine

    pe dou ci, respectiv: optimizarea parametrilor n vederea stabilirii tehnologiilor pentru

    obinerea unor tieri cu respectarea tuturor cerinelor tehnice i de calitate

    optimizarea procesului de sudare prin organizarea produciei, astfel nct s se obin costuri minime de producie, timpi intermediari mici, consum redus de materiale, etc. Acest lucru presupune folosirea unor utilaje cu performane ridicate i acionarea ct mai mic de ctre personalul de deservire

    n acest context, teza de doctorat se va axa asupra urmtoarelor dou

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 19

    direcii independente: optimizarea parametrilor de tiere din punct de vedere calitativ i

    din punct de vedere al costurilor

    optimizarea consumului de piese consumabile cu implicare direct n procesul de tiere n vederea scderii consumului acestora i a creterii duratei de via, prin crearea unui echipament electronic de determinare a uzurii specifice ale acestora ce apar n timpul procesului de tiere, mai ales c din studiul teoretic rezult c nu exist o metod specific n acest sens.

    2.3. Obiectivele i activitile de cercetare

    Dup analiza stadiului actual al tierii termice, a contextului tiinific i a

    delimitrii domeniului de cercetare descris s-au fixat urmtoarele obiective ale cercetrii:

    1. Consideraii de ordin tehnologic cu privire la alegerea procedeului de tiere cu plasm

    - prezentarea parametrilor regimurilor de tiere - prezentarea aspectului tieturii diverselor materiale; - prezentarea aspectului suprafeei tiate cu diferite viteze de tiere - prezentarea de microstructuri ale probelor prelevate din

    materialul de baz, i din zona influenat termic a materialelor tiate;

    - prezentarea defectelor i cauzelor se au rezultat n urma procesului de tiere

    2. Cercetri experimentale privind determinarea duratei de via a electrozilor de tiere cu plasm i crearea unui echipament electronic de determinare a eroziunii electrodului

    - tieri de diferite dimensiuni i grosimi, echipament de tiere cu plasm

    - efectuarea msurtorilor eroziunilor pentru electrozii de tiere; - variaia eroziunii n funcie de numrul de aprinderi i ore de

    funcionare; - secionarea electrozilor pentru a determina stadiile de uzur; - metod de apreciere a eroziunii electrozilor pe baz de calcul - alegerea dispozitivului de msurare a eroziunii electrozilor; - realizarea echipamentului electronic compus din traductorul de

    curent, programatorul electronic, soft cu algoritm de calcul laptop;

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 20

    CAPITOLUL 3

    Cap. 3. Consideraii de ordin tehnologic cu privire la alegerea procedeului de tiere cu plasm

    3.1. Parametrii regimurilor de tiere pentru diferite materiale cu gaze de protecie diferite n tabelul 3.1. se prezint din datele de catalog tipurile de generatoare HYPERTHERM de nalt definiie gazele de tiere corespunztoare, materialele ce pot fi tiate i grosimile aferente. Tabelul 3.1. Analiza performantelor tehnice

    Sistemul de

    tiere* Material Grosime

    maxim de tiere

    Tiere de calitate

    Gaz plasmagen/

    protecie

    POWERMAX 1000 i 1250

    Oel carbon Oel inoxidabil aluminiu

    32 mm 10 mm Aer/ aer Aer, azot/ aer, azot Aer, azot/ aer azot

    POWERMAX 1650

    Oel carbon Oel inoxidabil Aluminiu

    44 mm 12 mm

    MAX 200 i HT 2000

    Oel carbon Oel inoxidabil aluminiu

    50 mm 25 mm Aer, O2, N2/ aer O/CO2 Aer, N2, H2/Aer CO2, N2 O2/ Aer

    HT 4001 Oel carbon cu oxigen Oel carbon cu azot Oel inoxidabil

    32 mm 75 mm 75 mm 75 mm

    32 mm 32 mm 32 mm 32 mm

    O2, N2/ H2O O2, N2/ H2O N2/ H2O N2/ H2O

    HT 4400 Oel carbon Oel inoxidabil Aluminiu

    50 mm

    32 mm

    O2/ Aer N2/ O2-N2

    HPR 130 i HSD 130

    Oel carbon Oel inoxidabil Aluminiu

    38 mm 25 mm 25 mm

    25 mm 20 mm 20 mm

    O2/ Aer, O2 H35, N2, H35-N2, F5/ N2 H35, Aer, H35-N2/ N2

    HPR 260 Oel carbon Oel inoxidabil Aluminiu

    64 mm 50 mm 50 mm

    32 mm 32 mm 25 mm

    Idem ca la HPR 130

    3.2. Clasificarea performanelor generatoarelor de plasm Materialele ce se pot tia cu procedeele laser i plasm care ar putea s fac

    obiectul unui studiu economic sunt: oelul carbon, oelul inoxidabil i aluminiul.

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 21

    Din punct de vedere tehnic cea mai sever problem este legat de viteza de tiere, respectiv de urmrire a conturului prin comand numeric a mainii de tiere. Aceast vitez trebuie s fie de 13-15 m/ minut conform valorilor de regim rezultate din tabelul 3.2. Tabelul 3.2 Parametrii regimurilor de tiere Sistemul de

    tiere* Material Grosime minim de tiere/ vitez

    maxim/ curent Grosime maxim de tiere/

    vitez minim POWERMA

    X 1000 Oel carbon

    Oel inoxidabil Aluminiu

    0,5 mm/ 8635 mm/ min./ 20 A 0,5mm/ 7370 mm/ min./ 20A 0,8 mm/ 5080 mm/min./ 20A

    19mm/ 559 mm/ max./ 60A 19mm/ 456 mm/ max./ 60A

    15,9mm/ 838 mm/ max./ 60A

    POWERMAX 1650

    Oel carbon Oel

    inoxidabil Aluminiu

    0,5 mm/ 16205 mm/ min./ 30 A 0,5 mm/ 16027 mm/ min./ 30 A 0,8 mm/ 15494mm/ min./ 30 A

    32mm/ 482 mm/ max 100A 32mm/ 356 mm/ max 100A

    25,4mm/ 838 mm/ max./ 100A

    MAX 200 Oel carbon Oel

    inoxidabil Aluminiu

    6 mm/ 3400 mm/ min./ 200 A 5 mm/ 5600 mm/ min./ 200 A 5 mm/ 5600 mm/min./ 200 A

    50mm/ 150 mm/ max./ 200A 38mm/ 250 mm/ max./ 200A 38mm/ 300 mm/ max./ 200A

    HT 4001 Oel carbon Oel

    inoxidabil Aluminiu

    8 mm/ 3850 mm/ min./ 260 A 1 mm/ 11430 mm/ min./ 260A 1 mm/ 13700 mm/ min./ 260A

    30mm/ 1280 mm/ max./340A 50mm/ 310 mm/ max 400A

    50mm/ 400 mm/ max./ 400A

    HT 4400 Oel carbon Oel

    inoxidabil Aluminiu

    3 mm/ 6462 mm/ min./ 100 A 6 mm/ 3226 mm/ min./ 200A 6 mm/ 4301 mm/min./ 200A

    32 mm/ 1386 mm/ max 400A 32 mm/ 756 mm/ max./ 400A

    30 mm/ 1085 mm/ max./ 400A

    HPR 130 Oel carbon Oel

    inoxidabil Aluminiu

    0,5mm/ 5355 mm/ min./ 30A 1 mm/ 5740mm/ min./ 45 A 1,5mm/ 4420 mm/min./ 45A

    38mm/ 255 mm/ max 200 A 25mm/ 260 mm/ max 130 A 25mm/ 540 mm/ max 130 A

    HPR 260 Oel carbon Oel

    inoxidabil Aluminiu

    0,5 mm/ 5355 mm/ min./ 30 A 1 mm/ 5740 mm/ min./ 45A 1,5mm/ 4420 mm/min./ 45A

    64mm/ 195 mm/ max 260A 50mm/ 270 mm/ max / 260A

    50mm/ 390 mm/ max./ 260A

    * Sistemul de tiere se refer la instalaiile HYPERTHERM. Din analiza tabelului 3.2 rezult urmtoarele concluzii pentru instalaiile de

    tiere cu plasm de nalt definiie,precizie i durat mare de utilizare a electrozilor si duzelor:

    a) Instalaia POWERMAX 1000 n domeniul grosimilor mici poate realiza tierea oelului carbon i a oelului inoxidabil la cea mai sczut grosime i anume 0,5 mm;

    b) Viteza de tiere maxim pentru 0,5 mm are valoarea de 8635 mm/ min. la oelul carbon i 7370 mm/ min. la oelul inoxidabil;

    c) Instalaia POWERMAX 1000 realizeaz tierea aluminiului de 0,8 mm grosime la o vitez de 5080 mm/ min., iar instalaiile HPR 130 pot tia oel carbon de 0,8 mm la 6500 mm/ min.;

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 22

    d) Grosimea maxim de 75 mm pentru aluminiu, oel carbon i inoxidabil aparine instalaiei HT 4001. tierea se realizeaz cu vrtej de ap n exteriorul duzei i drept gaz plasmagen se folosete n toate cazurile azot, iar la oelul carbon azotul poate fi nlocuit cu oxigen;

    e) Domeniul cel mai larg de reglare al curentului aparine instalaiei HPR 260 (45 260 A). La valorile maxime ale curentului instalaia poate tia oel carbon la 64 mm grosime, respectiv aluminiu i oel inoxidabil la 50 mm grosime;

    f) n toate cazurile analizate problema cea mai grea const n realizarea unor viteze de deplasare foarte mari a grinzii mobile a mainii de tiere;

    g) Din punct de vedere a perforrii directe cele mai bune rezultate se constat la: MAX 200 (32 mm) i HPR 130 (25 mm).

    3.3. Aspectul suprafeelor rezultate la tierea cu plasm, defectele i cauzele lor n cele ce urmeaz se prezint cteva din rezultatele experimentale realizate:

    a) cu instalaia HPR 130 s-a tiat oel de 10 mm grosime la un curent de tiere de 130 A. n figura 3.1 se prezint suprafaa tieturii cu parametri prescrii cu viteza de 580 mm/ min. Se observ stratul de zgur mai puin aderent i rizurile de tiere neregulate cu adncime redus.

    Figura 3.1. Aspectul suprafeei tiate cu vitez prescris, Figura 3.2 Aspectul

    suprafeei tiate cu vitez mrit

    b) Mrindu-se viteza de tiere la 630 mm/ min, suprafaa tieturii are aspectul prezentat n figura 3.2. Se observ apariia rizurilor de tiere curbate ce atest rmnerea n urm a jetului plasmagen precum i apariia unor caviti centrale acoperite cu un strat subire de zgur.

    c) Micornd viteza de tiere la 380 mm/ min. s-a nrutit aspectul suprafeei rezultate aa cum este prezentat n figura 3.3. Suprafaa prezint caviti pe muchia superioar, rizuri pronunate uor nclinate fa de direcia de tiere, poriuni reduse acoperite de zgur.

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 23

    Figura 3.3 Aspectul suprafeei tiate cu vitez sczut, Figura 3.4 Aspectul

    suprafeei tiate cu 130 A folosind H35, cu protecie de N2, la vitez optim de

    260 mm/ min.

    d) Cu instalaia HPR 130 s-au executat tieri cu 130 A oel avnd grosimea de

    25 mm. n figura 3.4 se prezint aspectul suprafeei rezultate. Mrind viteza de la 260 mm/ min. la 400 mm/ min. au aprut striuri ce au evideniat rmnerea n urm a jetului de plasm care a prsit tietura. n figura 3.5 se prezint aspectul suprafeei tiate cu vitez mrit.

    Figura 3.5 Aspectul suprafetei taiate cu viteza mrit de la 260 la 400 mm/min

    Scopul elaborrii tehnologiilor de tiere cu plasm are la baz o serie de experimentri folosind diferite regimuri de tiere pe diverse instalaii,dar mai ales alegerea generatoarelor de plasm funcie de materialul de tiat si grosimea acestuia.Studiind aspectul tieturilor realizate si incadrarea lor in criteriile de calitate,au rezultat in afara tieturilor acceptate din punct de vedere calitativ si o serie de defecte.Din analiza macrostructurilor bune i a celor care prezentau defecte s-au putut evidenia i cauzele care le-au produs. n toate cazurile analizate, defectele au aprut din cauza unor programri la care nu a existat o corelaie ntre diferii parametrii ai regimului de tiere.Conform parametrilor care definesc sistemul de tiere pentru un anumit generator de plasm exist urmtorii parametrii de verificat:

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 24

    - sistemul de tiere (tipul generatorului de plasm); - materialul de tiat (oel carbon,oel inoxidabil,aluminiu); - grosimea maxim/minim; - curentul de tiere; - viteza de tiere (maxim/minim); - natura gazului plasmagen/gaz de protecie

    (aer/aer;N2/aer;O2/aer;N2/CO2;H35/N2 ,etc); - debitele gazelor la pornire, plasmagen/protecie (mc/ora); - debitele gazelor n timpul tierii,plasmagen/protecie; - presiunea gazelor, la pornire/n timpul tierii (bar); - distana diuza-piesa etc.

    Verificarea permanent a strii electrodului si a diuzei,prin msurarea adncimii eroziunii stiftului de hafniu sau de zirconiu si concentricitatea diuzei.Aceast operaie dei este cea mai important din punct de vedere funcional,este foarte dificil de realizat.Dificultatea const din aceia c producatorul autorizat pentru comercializarea pieselor de uzur ofer prea puine informatii in legatur cu timpul de utilizare a electrozilor,respectiv a diuzelor.n general n cartea tehnic se specific numrul orelor de utilizare i un numr maxim de aprinderi ale arcului pilot.Unii productori mai specific i adncimea maxim admis a eroziunii tiftului de hafniu sau zirconiu dup care trebuie nlocuit electrodul.n cazul folosirii aerului comprimat drept gaz plasmagen,toate datele ce privesc durata de utilizare a electrozilor este condiionat de calitatea aerului (umiditatea relativ,grad de puritate,lipsa suspensiilor de ulei etc.).Pentru aceste condiii prescrise, nu se specific metodele de msurare i aparatura necesar,n schimb se ofer: filtre, usctoare de aer,etc. n scopul rezolvrii acestor probleme lucrarea prezint rezultatele unor cercetri experimentale n baza crora au fost emise metodele de msurare indirect a adncimii de eroziune a electrozilor independent de tipul generatorului de plasm.Metoda face o distincie ntre verificarea datelor primite de la productor n legatur cu timpul de utilizare a electrozilor si determinarea pe baz de masurtori de lot, al acestui timp.Determinrile se fac direct pe instalaia utilizatorului in condiiile de lucru concrete ( puritatea aerului, regimul tehnologic,numrul de aprinderi etc.). ntre regimurile de tiere, aspectul suprafeelor tiate i verificarea lor n conformitate cu actele normative ce privesc calitatea tieturilor i defectele constatate exist anumite corelaii. Pentru a verifica natura defectului i a cauzei care l-a generat s-au executat analize structurale prin microstructuri din probele rezultate dintr-un anumit regim de tiere. Concluziile la care s-au ajuns, arat c orice defeciune ce provine din geometria tieturii i din aspect, are un corespondent n analiza metalografic a microstructurii probei respective.Aceast concluzie intrete justeea ntre prevederile actelor normative legate de calitatea tieturilor i regimul optim de

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 25

    tiere.Se poate afirma c respectnd regimul optim de tiere,n mod implicit sunt ndeplinite condiiile de calitate impuse i condiiile ce privesc analiza structural a probelor.Exist totui situaii n care este obligatoriu s fie cunoscute i rezultatele analizelor structurale (Registrul naval,construcii aerospaiale,autorutiere s.a.).n cazul n care aceste analize nu corespund,obligatoriu trebuie s se elaboreze alte tehnologii. 3.4. Microstructuri ale probelor prelevate din materialul de baz i din zona influienat termic a materialelor tiate

    Din materialele tiate au fost prelevate probe ce conin zona influenat termic, ct i materialul neafectat de temperatura ridicat a jetului de plasm. Probele au fost lefuite i atacate cu reactiv Kaling apoi au fost supuse examinrii la microscop cu ordinul de mrire X100, realizndu-se poze ale structurii cristaline. Microstructurile evideniaz componentele structurale din zona influenat termic i din materialul neafectat de cmpul termic. Structura materialului de baz al probei nr. 1 este martensitic cu austenit acicular i este prezentat n figura 3.6 (oel inoxidabil grosime 10 mm).

    Figura 3.6 Structura materialului de baz: martensitic, cu austenit acicular

    Figura 3.7 Structura zonei influenate termic: martensitic cu austenit fin

    globulizat

    Structura zonei influenate termic a probei nr. 1 este martensitic, fin globulizat i este prezentat n figura 3.7 Structura materialului de baz al probei nr. 2 este martensitic cu austenit acicular si este prezentat in figura 3.8 .

    Structura zonei influenate termic a probei nr. 2 este martensitic, fin globulizat i este prezentat n figura 3.9.

    Structura materialului de baz al probei nr. 3 este martensitic cu austenit acicular i este prezentat n figura 3.10 (Tierile s-au realizat . cu 130 A i viteza 580 mm/min )

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 26

    Figura 3.8 Structura materialului de baz: martensitic cu austenit acicular

    Figura 3.9 Structura zonei influenate termic: martensitic cu austenit fin

    globulizat

    Figura 3.10 Structura materialului de baz: martensitic cu austenit

    acicular

    Figura 3.11 Structura zonei influenate termic: martensitic cu austenit fin

    globulizat

    Structura zonei influenate termic a probei nr. 3 este martensitic, fin globulizat i este prezentat n figura 3.11.

    Structura materialului de baz al probei nr. 4 este martensitic cu austenit acicular i este prezentat n figura 3.12. (Probele s-au realizat cu curent = 130 A, viteza = 360 mm/ min ).

    Figura 3.12 Structura materialului de baz: martensitic cu austenit acicular

    Figura 3.13. Structura zonei influenat termic: martensitic cu austenit fin

    globulizat

    Structura zonei influenate termic a probei nr. 4 este martensitic, fin globulizat i este prezentat n figura 3.13. Structura materialului de baz al probei nr. 5 este austenito-fenitic n benzi i este prezentat n figura 3.14 (curent de tiere 130 A, grosime 25 mm, vitez 260 mm/ min.)

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 27

    Figura 3.14 Structura materialului de baz: austenito-feritic n benzi.

    Figura 3.15. Structura zonei influenate termic: structur austenito-feritic de

    solidificare cu constitueni orientai n direcia eliminrii fluxului termic.

    nr. 5 este o structur austenito-feritic de solidificare cu constitueni orientai n direcia eliminrii fluxului termic (figura 3.15).

    a) Pentru primele patru probe din oel inoxidabil, marca W4306 valorile duritilor nregistrate pe materialul de baz sunt cele mai sczute min. 190, max. 232 HV, cele msurate n zona de trecere au valori ceva mai ridicate min. 210, max. 312 HV, iar n zona influenat termic sunt valorile cele mai mari justificate de structura martensitic rezultat dup tiere. Aceste valori sunt cuprinse ntre 290 i 462 HV. Proba 4 tiat oxigaz cu pulbere de fier prezint valorile cele mai ridicate ale duritii n zona de trecere i n zona influenat termic. b) Pentru probele 5-6 din oel marca X3-CrNiMo 13/ 4 valorile minime ale duritii se nregistreaz pe materialul de baz neafectat termic 152 168 HV, iar maximele n zona de trecere, 186 188 HV. Zona influenat termic sufer o scdere a duritii, ea avnd valori cuprinse ntre 169 i 176 HV. Aceast scdere a duritii se poate explica prin creterea cantitii de ferit n structura ferito-austenitic a zonei supus topirii de jetul de plasm.

    c) Variaia limii zonei influenate termic Limea zonei influenat termic variaz pentru fiecare grosime de material n funcie i de parametrii reglai pentru regimul de tiere. De asemenea, se remarc diferene ale limii zonei influenate termic pe suprafaa de intrare a jetului de plasm fa de partea opus. Aceast zon dac din punct de vedere tehnologic trebuie s fie redus sau s nu existe deloc (de ex.n aeronautic,aerospaiale,s.a.), prelucrarea prin tiere termic cu plasm trebuie nlocuit cu alte procedee (laser,sau prelucrare mecanic). Valorile msurate n cadrul cercetrilor experimentale au fost executate pe probe din oel carbon sau inoxidabil i sunt prezentate ntr-o form centralizat n tabelul 3.4, menionandu-se i procedeul de tiere utilizat.

    Tabel 3.4 Variaia limii zonei influenate termic ZIT Numrul probei Grosimea

    [mm] Limea ZIT pe

    suprafaa de intrare a jetului

    Limea ZIT pe suprafaa de

    ieire a jetului

    Procedeul de tiere

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 28

    de plasm [mm]

    de plasm [mm]

    1 10 0,6 0,6 Plasm (Tabel 6/Il)

    2 12 0,8 0,6 Plasm(Tabel 6/II)

    3 15 1,5 1,2 Plasm (Tabel 8/II)

    4* 20 7,5** 6 Oxigaz cu pulbere de fier

    5 25 2,5 1,7 Plasm (tabel 8/II)

    6 30 2,7 2,2 Plasm (Tabel 8/ II)

    *S-a tiat cu oxigen i pulbere de fier ** Valoarea ZIT foarte mare Variaia limii zonei influenate termic pe cele dou suprafee cea de intrare (superioar) a jetului de plasm, respectiv cea de ieire (inferioar) are drept cauz principal, scderea energiei termice a jetului de plasm, pe msur ce crete distana de la duz, la suprafaa opus a componentelor de tiat.

    Defectele tieturilor rezultate n urma procesului de tiere cu plasm, au fost cauzate de reglarea incorect a parametrilor regimului de tiere.

    Au rezultat urmtoarele tipuri de defecte: - defecte ale muchiei tieturii; - defecte ale suprafeei tieturii; - depuneri de zgur; - fisuri; - alte tipuri de defecte.

    Din prima categorie fac parte abateri ale muchiei tieturii: rotunjiri, stropi, crestturi, etc.

    Grupa defectelor suprafeei tieturii cuprinde: neuniformitile sau denivelrile reprezentate de scobituri ale muchiei,

    concavitatea profilului, abateri unghiulare i neuniformiti ale rostului de tiere;

    rizuri de diverse forme i profunzimi; cratere, capete netiate; suprafee ondulate n plan longitudinal.

    Depunerile de zgur pe muchia inferioar (bavur) sau pe suprafaa tieturii (crust) sunt defecte, ce se ndeprteaz cu dificultate.

    Pe suprafaa tiat pot s apar micro i macrofisuri sau n zona influenat termic.

    Calitatea tieturii este caracterizat prin forma, netezimea suprafeelor i a muchiilor rezultate n urma procesului de tiere.

    Distana generator-pies nu poate fi redus sub o anumit limit, dependent

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 29

    de puterea Pe absorbit n arc. Limitarea apare datorit formrii arcului secundar, a aciunii radiaiilor termice asupra generatorului, etc.

    S-a constatat c unghiul de nclinaie a marginilor crete odat cu mrirea vitezei de tiere Vp. Unghiul devine negativ dac viteza de tiere scade sub o anumit limit, sau cnd coninutul de hidrogen din amestecul gazului plasmagen H35 este prea mare. Prin creterea puterii electrice absorbite Pe sau a debitului de gaz plasmagen, unghiul scade iar odat cu creterea distanei generator plac, unghiul crete.

    Rotunjirea muchiilor a fost cauzat de o puternic insuficien, de viteza de lucru prea mare sau o distan excesiv ntre generator i plac. Prin reducerea vitezei de tiere s-a obinut o ameliorare.

    Gradul de neuniformitate privind rugozitatea suprafeelor tiate n general este mai mare pe una din laturi, datorit efectului de turbionare. Dac nu se include hidrogen n amestecul plasmagen (H35), suprafeele tieturilor vor prezenta striuri.

    Bavuri i mprocri n cazul folosirii unei viteze de tiere prea mari, metalul topit s-a adunat pe partea inferioar a canalului tieturii, unde s-a sudat. Acest fapt impune prelucrri mecanice ulterioare, care mresc considerabil preul de cost. Pentru a elimina acest neajuns, viteza de tiere trebuie redus la valoarea Vp. La o distan prea mare ntre generator i pies sau a turbionrii prea puternice a gazului, crestturile i mprocrile de metal topit au aprut i pe faa superioar a tieturii. n tabelul 3.5 sunt centralizate defectele rezultate n urma tierii probelor din oel inoxidabil.

    Tabelul 3.18 Defectele ce au rezultat n urma procesului de tiere Defectul Oel inoxidabil

    Muchie rotunjit n partea superioar - vitez de tiere prea mare; - distan prea mare.

    Bavur superioar - distant prea mare. Rugozitate local n partea superioar - alegerea greit a vitezei si a

    distanei. nclinaie pozitiv - distan prea mare;

    - vitez de tiere prea mare. nclinaie negativ - vitez de tiere prea mic Cavitate local n partea superioar - coninut prea mare de N2.

    Cavitate local n partea inferioar - neglijabil; Suprafa concav - coninut prea mare de N2.

    Suprafa convex - vitez de tiere prea mare. Muchie rotunjit n partea inferioar - rar; Bavur inferioar - vitez de tiere prea mic,

    coninut insuficient de N2;

    Rugozitate local n partea inferioar - rar.

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 30

    Procedeele de tiere termic prezint n general dezavantajul c modific

    structura i compoziia metalului n vecintatea marginilor tiate. Zona influenat termic poate fi redus prin creterea vitezei de tiere, dar acest lucru poate provoca tensiuni interne relativ mari, care pot s produc n unele cazuri fisurri la cald. n cazul oelurilor inoxidabile austenitice (de exemplu CrNI 18/ 8) n urma tierii cu plasm, pe suprafeele tiate rmne un strat de metal topit avnd o grosime de 0,01 - 0,02 mm. n cazul tierii cu oxigen i pulbere de fier, acest strat crete pn la 0,3 mm. Prin utilizarea hidrogenului, zona influenat termic se reduce de la 1,5 mm la numai 0,2 mm. La tierea oelurilor feritice, cu coninut ridicat de crom, se obine o zon influenat termic mult mai mare dect n cazul oelurilor inoxidabile. n urma tierii cu plasm se produce o clire a marginilor pn la 3 mm adncime.

    Din analizele fcute i concluziile ce se refer la calitatea tieturilor cu plasm de nalt performan rezult c soluia ideal din punct de vedere a calitii dac nu s-ar ine seama de costuri ar fi prelucrrile mecanice.n majoritatea cazurilor exigena calitii reglementat de norme face posibil ca i tierea termic s poat fi practicat n anumite limite.Dac aceste norme sunt respectate rezultatele economice sunt spectaculoase.Aceiai pies prelucrat prin tiere termic ajunge s coste de 100 de ori mai puin fa de prelucrarea mecanic.Aceste economii au stat la baza dezvoltrii tierii cu plasm n general i de nalt definiie n special.Aceleiai deziderate au stat i la baza dezvoltrii tierii cu fascicul laser care n domeniul grosimilor mici (sub 0,5 mm) este la nivelul prelucrrilor mecanice,dar cu mult mai ieftin. La ora actual, n domeniul grosimilor foarte mici (sub 0,5 mm) nu se poate vorbi din cauza condiiilor de

    calitate dect de prelucrarea cu laser. CONCLUZII

    Ca urmare a gradului foarte ridicat de automatizare a procesului de tiere cu plasm pe instalaiile de tiere cu comand numeric se remarc urmtoarele: cresc vitezele de tiere; crete calitatea tieturii; scade limea de tiere i mrimea zonei influenate termic. Stabilirea regimului de tiere presupune determinarea urmtorilor parametri:

    - curentul arcului de plasm, Ip; - tensiunea arcului de plasm, Up; - viteza de tiere vt; - natura i debitul gazului plasmagen, Dgp.

    Alegerea parametrilor se face n funcie de instalaia utilizat, natura materialului ce urmeaz s fie tiat i de grosimea materialului. Natura materialului influeneaz viteza de tiere; astfel la aceeai grosime i aceeai putere a arcului de plasm cuprul se taie cu viteza cea mai mic, oelurile cu viteza medie, iar aluminiul se taie cu cea mai mare vitez.

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 31

    Mrirea vitezei de tiere se poate realiza prin: - creterea tensiunii arcului care se poate realiza prin folosirea amestecurilor

    de gaze biatomice azot, hidrogen, oxigen, etc. - creterea curentului de tiere, respectiv a densitii de curent prin mrirea

    gradului de concentrare a arcului de plasm; - reducerea limii tieturii, prin creterea concentrrii arcului; - creterea randamentului arcului de plasm prin reducerea pierderilor i folosirea unor medii exoterme ceea ce duce la creterea puterii. - curentul Ip i tensiunea Up determin mpreun puterea arcului de plasm Pp. Creterea puterii se poate obine prin mrirea unuia sau a ambilor parametrii. - creterea gradului de trangulare al arcului de plasm este limitat de varianta constructiv a generatorului de plasm,precum i de procesul fizic care are loc n fanta de tiere.

    - valoarea tensiunii Ua este mai mare la gazele biatomice dect la cele monoatomice. Dac debitul de gaz plasmagen crete, va crete i tensiunea Ua,iar odata cu mrirea grosimii materialului se alungeste coloana arcului, ceea ce are ca efect creterea valorii lui Ua. - n cazul grosimilor mari, creterea puterii arcului trebuie s se realizeze att pe seama creterii lungimii arcului, ct i prin creterea curentului de tiere Ip. La viteze de tiere prea mici, calitatea suprafeelor tiate se nrutete, mrindu-se totodat i limea ZIT .

    Calitatea corespunztoare a tieturilor presupune asigurarea unui paralelism ct mai perfect al feelor tieturii.

    Odat cu creterea vitezei de tiere pata anodic se plaseaz tot mai aproape de faa superioar a tablei i deci are loc o alungire a coloanei arcului n lungul tieturii. Prin mrirea n continuare a vitezei, tabla va fi complet tiat. Se obine o form n V a tieturii, iar ameliorarea acesteia se poate face numai prin msuri constructive ale generatorului de plasm.

    La viteze reduse, crete limea tieturii precum i cantitatea de material topit. Se formeaz picturi mari de metal care ader pe faa inferioara a tieturii, iar ndeprtarea se poate realiza foarte greu. Prin creterea vitezei de tiere, limea de tiere scade, iar picturile de metal topit devin mai fine. n acest fel se reduc bavurile pe partea inferioar a piesei. Este deosebit de dificil ndeplinirea simultan a condiiilor: paralelismul feelor, lipsa bavurilor, rugozitate redus i vitez mrit.

    n cazul unei viteze de tiere prea mari, pe partea inferioar a tieturii apare o zon n care metalul topit se solidific i impune prelucrri ulterioare ceea ce mrete preul de cost. Apariia bavurilor se poate produce i din cauza creterii concentraiei de hidrogen.

    Existenta unei turbionri prea puternice a gazului plasmagen, sau a distanei prea mari ntre generator i tabl, produce crestturi i mprocri de material topit

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 32

    pe faa superioar a suprafeelor tiate. Unghiul de nclinare a marginilor crete odat cu mrirea vitezei de tiere.

    Unghiul devine negativ dac viteza de tiere scade sub o anumit limit sau cnd coninutul de hidrogen din gazul plasmagen este prea mare. Prin creterea puterii electrice absorbite Pe, sau a debitului de gaz plasmagen, unghiul de nclinare scade.

    Natura gazului plasmagen determin implicit creterea vitezei de tiere. Concentrarea energetic mrit se poate obine prin folosirea hidrogenului n amestec cu argonul. Hidrogenul absoarbe o cantitate nsemnat de energie pentru ionizare, ceea ce are un efect de rcire asupra coloanei arcului de plasm. Arcul se contract i energia specific crete. Dac crete puterea absorbit de arc, concentrarea de energie scade iar tierea unor grosimi mari de material este imposibil. Rugozitatea suprafeelor tiate n majoritatea cazurilor este mai mare pe una din laturi.

    Distana generator pies, nu trebuie s fie redus sub o anumit limit considerat critic. La micorarea excesiv a distanei, apare pericolul amorsrii arcelor electrice secundare i topirea sau arderea diuzei generatorului de plasm. Rezultatele experimentale prezentate n capitolul II pun n eviden n cazul debitrii unor probe de diferite grosimi, felul n care parametrii principali ai regimului de tiere, influeneaz calitatea i structura suprafeelor rezultate dup tiere.

    CAPITOLUL 4

    Cap. 4. Cercetri experimentale privind determinarea duratei de via a electrozilor de tiere cu plasm si crearea unui echipament electronic de

    determinare a eroziunii electrodului

    4.1. Obiective propuse i metodologia cercetrilor experimentale Realizarea obiectivelor din prezenta tez de doctorat s-a realizat datorita bazei

    materiale proprii existente in cadrul laboratoarele catedrei I.M.S., Facultatea S.I.M. din cadrul Universitii Transilvania din Braov i n colaborare cu societi comerciale care utilizeaz procedeul de tiere cu plasm, n cadrul creia s-au realizat cercetrile i experimentrile legate de testarea diferitelor tipuri de electrozi si instalaii.

    A fost utilizat o baz de date realizat prin eforturi proprii, precum i informaii recente din literatura de specialitate i de pe internet.

    Ca i metodologie de cercetare, s-au utilizat table de oel carbon de grosime 2,5 3 , 4 , 5 , 8 , 10 ,12, 25, mm , evi din oel de grosime 8 si 12 mm , table de oel inox de grosime 10 , 15 , 25 mm , care s-au tiat cu diferite regimuri de tiere ,utiliznd tipuri de electrozi de tiere diferii,la care s-a masurat uzura respectiv eroziunea tiftului de hafniu sau zirconiu.

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 33

    4.2. Cercetri i experimentri cu echipamentul electronic de determinare a eroziunii electrodului

    n cazul utilizrii gazelor plasmagene cu coninut de oxigen,cercetrile au artat c metalele refractare ca: zirconiul, hafniul i beriliul absorb oxigenul i azotul, formnd straturi de oxizi i nitruri n zona de emisie a electronilor.Aceste straturi se caracterizeaz printr-o mare capacitate de termoemisie i o rezisten electric sczuta.Cnd temperatura crete de la 1000K la 2300K rezistena specific scade de la 0,0008 ohm/cm la 0,0000004 ohm/cm.Ca urmare,cldura dezvoltat n electrod prin trecerea curentului de tiere l-ar putea distruge. Pentru a se evita acest fenomen nedorit,catozii din zirconiu sau hafniu se execut sub forma unor stifturi presate n corpul de cupru al electrodului.Rezultate bune s-au obinut n ultimul timp prin nvelirea stiftului din zirconiu sau hafniu cu un strat de argint care marete cedarea cldurii.Pata catodic poate fi privit ca o surs termic concentrat sub aciunea creia apare un cmp termic.Conductibilitatea redus a zirconiului determin un gradient de temperatur relativ mare,motiv pentru care poriunea topit la captul de lucru al catodului este redus.Cercetri efectuate au aratat c pelicula de pe suprafaa frontal a stiftului din zirconiu este format din dou straturi.Primul strat aflat n spre exterior este format din oxid de zirconiu ( ZrO2) i asigur existena petei catodice,datorit lucrului mecanic de ieire sczut.Cel de al doilea strat conine o cantitate nsemnat de nitruri i dac curentul nu depete 85-90 A,grosimea acestuia este redus (sub 0.1 mm).Cnd curentul atinge 100A,pelicula interioar se topete,iar metalul se combin cu oxigenul din aer,n felul acesta se formeaz o adncitur sub forma unui crater.Diametrul i adncimea acestuia depind de intensitatea curentului, de centrarea craterului n axa generatorului de plasm,numrul de aprinderi i timpul total de folosire. Cercetrile experimentale efectuate n cadrul prezentei lucrri au evideniat faptul c durata de viaa a electrodului depinde de factorii enumerai mai sus la care se mai adaug i calitatea aerului plasmagen care trebuie s fie lipsit de umiditate i ulei.Toi aceti factori determin n final n anumite condiii date timpul de viaa a electrodului Te. Firmele productoare de electrozi i diuze nu comunic un timp real de utilizare pentru electrozi.n cataloage se specific numai condiiile i foarte rar se menioneaz n cartea tehnic timpii dup care este obligatoriu schimbarea electrozilor.Deoarece odat ce eroziunea stiftului depaete anumite limite centrarea arcului nu se mai poate realiza,urmeaz imediat i distrugerea diuzei.Dac electrodul erodat a fost schimbat la timp,diuza se mai poate utiliza nc un interval de timp.In cadrul cercetrilor experimentale s-a pus accentul pe determinarea intervalului de timp pentru schimbarea obligatorie a electrodului (Te) i de schimbare a diuzei (Td).Dac electrodul nu se schimb la depirea duratei Te, urmeaz distrugerea diuzei i n condiiile tierii cu maini automate,este compromis tietura. n cadrul lucrrii s-a conceput un dispozitiv pentru msurarea adncimii craterului (h) n tiftul de hafniu sau zirconiu n anumite intervale de timp.Odat

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 34

    cu msurarea adncimii craterului sunt nregistrate i urmtoarele mrimi: curentul de tiere,numrul de aprinderi i calitatea gazului plasmagen. n scopul reducerii numrului de determinri,s-a lucrat cu un curent de tiere constant, curentul maxim al generatorului. Pentru nregistrarea timpului s-a folosit un cronometru electronic.Numrul de aprinderi s-a nregistrat cu un numrtor electronic. Atat cronometrul cat i numrtorul fac parte dintr-un programator de timp. S-a meninut constant numrul de aprinderi la valorile 100,200,300 i 600 de aprinderi.Cu cronometrul s-au msurat intervalele de timp:1,2,3,4,5 i 6 ore. Pentru exemplificare redm n continuare cteva din rezultate: s-au realizat 100 de aprinderi i dupa 1 or s-a oprit procesul de tiere, iar cu comparatorul s-a msurat adncimea erodat a electrodului. Pentru cazul discutat s-a msurat h=0,05 mm. Meninand curentul de tiere constant la valoarea de 200A s-a tiat timp de 6 ore tot cu 100 aprinderi/or msurnd o adncime de 0,35 mm. Dac s-a mrit numrul de aprinderi la 300,n prima or, adncimea msurat a fost de 0,15 mm,iar dupa 6 ore s-a msurat 1,075 mm. Rezultatele msuratorilor s-au trecut n tabelul 4.1 . 4.2.1 Cercetri privind variaia eroziunii h funcie de numrul de aprinderi i ore de funcionare

    Pentru a testa dispozitivul de msurare a eroziunii i viteza de eroziune funcie de numrul de aprinderi i timpul de funcionare, s-au construit diagrame care reprezint dependena funcional ntre fenomenul de eroziune i factorii care-l influeneaz. Tabelul 4.1 Timpul de funcionare (ore)

    Nr.aprind.

    1 2 3 4 5 6 7 Curba

    100 0,05 0,107 0,165 0,225 0,29 0,35 0,425 1 200 0,10 0,214 0,33 0,45 0,58 0.717 0,85 2 300 0,15 0.32 0,495 0,675 0,87 1,075 1,275 3 600 0,30 0,599 0,924 1,26 4 Calculnd derivata functiei h = f(t) i dnd diferite valori pentru timpul de funcionare t se obine h/dt = const. Constanta depinde de numrul de aprinderi. Pentru curbele reprezentate n figura 4.3 efectund h/t se obine pentru fiecare din curbele 1,2,3 i 4 cate o valoare, care ramne constant.Se obin valorile: {h/t}la 100 aprinderi = 0,05 ; {h/t}la 200 aprinderi = 0,10 ; {h/t}la 300 aprinderi = 0,15 ; {h/t}la 600 aprinderi = 0,30 ; Asimilnd adncimea eroziunii h cu spaiul parcurs la o micare uniform h/t la t = 0 ,coeficientul unghiular reprezint viteza cu care se deplaseaz un punct mobil.n cazul nostru avem de a face cu viteza de eroziune a stiftului din zirconiu sau hafniu. Aceast vitez crete dac se mrete numrul de aprinderi,deci crete proporional i adncimea eroziunii.Variaia lui k = h/t funcie de numrul de aprinderi este reprezentat n figura 4.2

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 35

    Din alura caracteristicilor 1,2,3 i 4 se constat c n intervalul de timp t = 0.2 ore creterea n timp a lui h este practic liniar.Pentru a etalona traductorul cu numrul de aprinderi i viteza de erodare k,s-a reprezentat n figura 4.2 funcia k = f(nr.aprinderi). Aceast funcie corespunde pentru un generator original HYPERTHERM tip HPR-260,iar electrodul testat constituie modelul de referina. Pentru a se evita situaiile n care n cazul folosiririi aerului comprimat,acesta nu ar ndeplini condiiile impuse (uscat i fr ulei),s-a utilizat un amestec format din 19% oxigen si 21% azot, similar cu cel al aerului. Metoda i aparatura descris poate fi folosit pentru determinarea variaiei uzurii h a stiftului din hafniu sau zirconiu a electrozilor, pentru orice generator de plasm ce folosete drept gaz plasmagen aer,oxigen,sau amestec de gaze cu coninut de oxigen,respectnd parametrii regimului de tiere date de ctre productorul instalaiei.Se poate determina uzura electrodului n urmtoarele situaii:

    a) calitatea aerului ; b) calitatea materialului electrozilor (hafniu,zirconiu); c) comparaie ntre electrozii provenii de la diferii productori; d) comparaie ntre soluiile constructive ale generatoarelor de plasm

    destinate tierii cu aer,sau oxigen.

    Figura 4.2 Graficul de etalonare

    Pentru fiecare caz va exista o funcie k = f (nr.aprinderi) cu coeficienii unghiulari identici sau diferii fat de graficul prezentat n figura 4.3 . Cu ct coeficientul unghiular este mai mare,viteza de uzur crete i odat cu aceasta, crete i consumul de electrozi i duze.

    Determinarea indirect a eroziunii maxime msurnd timpul de utilizare cu numrul de aprinderi, att ca procedeu,ct i prin aparatura folosit, are elemente de noutate pe plan tehnic i tiinific. Aplicnd procedeul pentru determinarea adncimii de eroziune a electrozilor, se elimin oprirea permanent a instalaiei de

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 36

    tiere pentru a se demonta electrodul n vederea msurrii eroziunii. Este suficient o singur msurtoare pentru a determina valoarea vitezei de eroziune k funcie de numrul de aprinderi pentru un electrod dat.Se introduc n memoria programatorului valorile lui k, care dup trecerea unui timp egal cu Te corespunztor unei adncimi de eroziune limita va emite un semnal de avertizare n vederea schimbrii electrodului.

    Figura 4.3 Dependena dintre eroziune i timpul de funcionare

    n baza rezultatelor experimentale obinute s-au reprezentat grafic funciile ce reprezint dependena ntre eroziunea (h) i timpul de fucionare (t). n figura 4.3 s-au reprezentat cele 4 funcii h=f(t) pentru 4 cazuri ce depind de numrul de aprinderi (100,200,300 si 600 de aprinderi). Era important s se determine grafic i analitic variaia eroziunii stiftului din hafniu sau zirconiu, tiind c dac adncimea eroziunii depete 1 -1,2 mm arcul de plasm numai arde stabil,se stric centrarea faa de axa descrcrii i n cteva fraciuni de secund se formeaz un arc secundar care are drept efect distrugerea instantanee a diuzei i tierea este compromis.n cazul tierii automate cu maini CNC acest fenomen trebuie prentmpinat, deoarece piesa care a fost supus operaiei de tiere numai corespunde cerinelor de calitate i este rebutat. Din acest motiv fabricanii de generatoare de plasm prevd n carile tehnice ale mainii, valoarea maxim a eroziunii stiftului de hafniu,care dup unii autori nu trebuie s depeasc 1 mm, dup alii 1,2-1,5 mm.Singurul mijloc care poate asigura aceast condiie impus este msurarea indirect a adncimii craterului. Cu dispozitivul de msurare prezentat s-au executat msurtorile cuprinse n tabelul 4.1 i diagrama din figura 4.3.Cu ajutorul numrtorului electronic din programator se msoara n tot intervalul, timpul i concomitent numrul de aprinderi care se cumuleaz.Determinnd i expresia analitic a funciei exponeniale h = k.t exp.1,1,unde coeficientul unghiular k (la t = 03 ore) primete valorile:k = 0,05 la 100 aprinderi;k = 0,1 la 200 de aprinderi;k = 0,15 la

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 37

    300 aprinderi i k = 0,28 la 600 aprinderi,n orice moment, msurat cu cronometrul electronic din programator, se poate determina valoarea eroziunii (h). Numrtorul electronic conceput introduce numrul de aprinderi,calculeaz valoarea lui k i inmulete cu t exp 1,1.Deoarece din alura curbelor 1,2,3 i 4 se poate constata c pentru primele valori ale timpului (0-6 ore) variaia lui k este lineara,calculul eroziunii h poate fi asemnat cu variaia spaiului parcurs la o micare uniform cu o vitez k.n orice moment valoarea lui k se modific funcie de numrul de aprinderi. Pentru exemplificare vom prezenta 3 cazuri:

    a) se taie timp de 1 ora cu 200 de aprinderi,rezult din tabele h200 = 0,1mm,n continuare se taie 1 ora cu 100 aprinderi,rezult h100 = 0,05 mm,deci dupa 2 ore eroziunea total va fi ht = 0,1 + 0,05 = 0,15 mm.Dac se continu tierea cu nca 1 ora cu 300 aprinderi rezult h300 = 0,15 mm deci eroziunea total dup 3 ore va fi ht = 0,1 + 0,05 + 0,15 = 0,30 mm.Deoarece eroziunea total este sub 1 mm se poate continua procesul de tiere;

    b) se taie timp de 2 ore cu 300 aprinderi,rezult h300 = 0,32 mm.Procesul de tiere continu cu nc 3 ore cu 600 aprinderi.Rezult h600 = 0,924 mm .n total eroziunea dupa 5 ore va fi ht = 0,32 + 0,924 = 1,244 mm. n aceast situaie dispozitivul electronic trebuie s avertizeze oprirea procesului pentru schimbarea electrodului,deoarece eroziunea total depete limita admis de 1-1,2 mm dat de productor;

    c) se taie timp de 2 ore cu 200 aprinderi.Din tabele rezult h200 = 0,214 mm.Se continu procesul de tiere timp de 2 ore cu 100 aprinderi,rezultnd h100 = 0,107 mm.Dac se continu procesul de tiere timp de 2 ore cu 300 aprinderi rezult h300 = 0,32mm .Continund procesul de tiere timp de 1 or cu 600 aprinderi,rezult h600=0,28 mm.Eroziunea totala va fi ht = 0,214 + 0,107 + 0,32 + 0,28 = 0,921 mm.n aceast situaie dispozitivele electronice i cronometrul trebuie s avertizeze oprirea instalaiei pentru schimbarea electrodului,deoarece eroziunea total este foarte aproape de limita admis.

    Prin cunoaterea funciilor h = f(t) s-a gsit o metod de msurare pe cale electric a unei mrimi neelectrice i anume a eroziunii electrozilor n timpul funcionrii, evitnd n felul acesta producerea unor avarii i rebutarea pieselor de tiat.

    In figura 4.4 reprezentm variaia eroziunii (h) a stiftului din hafniu sau zirconiu pentru cazurile a),b) i c) prezentate mai sus. Se poate observa ca n cazul b) adncimea eroziunii a depit limita maxim admis de productor,iar n cazul c) eroziunea a fost la limit.

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 38

    Figura 4.4 Variaia eroziunii

    4.2.2 Etalonarea numrtorului i cronometrului electronic Pentru a testa calitatea unui electrod n condiii normale de funcionare,s-a utilizat drept gaz plasmagen un amestec de 19 % oxigen i 21 % azot, fiecare dintr-o butelie de gaz separat, avnd cte un reductor de presiune,amestecator de gaz (6,3 bar,100 l/minut pentru fiecare gaz . n cazul unui test rapid (cca 10 minute),numrtorul se va programa pentru un regim de 100 aprinderi/or. Fiecare aprindere reprezint un impuls,ceea ce nseam ca n 10 minute 0,166 ore ( 10 minute = 1/6 ore) se vor produce 100 x 0,166 = 16 ,66 aprinderi (rotunjit 16 -17 aprinderi) Dup ce s-a executat tierea la curentul nominal a electrodului (n timpul celor 10 minute, realizndu-se cele 16 17 ntreruperi respectiv reaprinderi), se msoar cu dispozitivul din figura 4.1 adncimea eroziunii h. Rezultatele sunt cuprinse n tabelul 4.2

    Tabelul 4.2 Msurarea adncimii craterului pentru diferii electrozi Electrod h (mm)

    masurat Timp t masurat efectiv (ore)

    k= h / t

    h calculat la t=2 ore h=k x t

    A 0,0083 0,166 0,050 0,100

    B 0,0139 0,166 0,084 0,168 C 0,0180 0,166 0,108 0,216 D 0,0120 0,166 0,072 0,144

    Pentru verificarea linearitii s-a executat cte o msurtoare la 100 aprinderi dup 4 ore de funcionare.Rezultatele msurtorilor s-au trecut n tabelul 4.

    Tabelul 4.3 Verificarea liniaritii la 100 de aprinderi Electrod h masurat

    (mm) Timp t masurat

    K = h / t

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 39

    (ore) A 0,198 4 0,0495 B 0,328 4 0,082 C 0,43 4 0,1075 D 0,28 4 0,07

    ntre msurtorile de scurt durat i cele de 4 ore, erorile pentru valoarea lui k au fost:

    (0,050-0,0495)/0,050 x 100 =1%; (0,084-0,082)/0,084 x 100 = 2,3%;

    (0,108-0,1075)/0,108 x 100 = 0,46%; (0,072-007)/0,072 x 100 = 2,7%

    Eroarea maxim fiind de 2,7% ne permite ca pentru a semnala timpul de funcionare critic s folosim o msurtoare scurt de 10 minute pentru a testa valoarea lui k,deci a vitezei de eroziune. Folosind noua metod de msurare a adncimii eroziunii pentru electrozii A,B,C i D am introdus 300 de aprinderi respectiv stingeri la un current constant reglat la 200A,timp de 10 minute. Numrul de 300 aprinderi corespunde cu 30 de aprinderi/minut. Rezultatele msurtorilor s-au prezentat n tabelul 4.4

    Tabelul 4.4 Verificarea liniaritii la 100 de aprinderi Electrod h masurat (mm) timp masurat t

    (ore) K=h/t

    A 0,025 0,166 0,15 B 0,042 0,166 0,25 C 0,053 0,166 0,32 D 0,035 0,166 0,21

    Cu valorile msurate a adncimii erodate i a timpului ct a durat eroziunea pentru fiecare electrod (conform tabelului 4.4),s-a construit diagrama prezentat n figura 4.5

    Figura 4.5 Diagrama vitezei de eroziune pentru diferii electrozi

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 40

    Din analiza diagramelor prezentate n figura 4.5 rezult ca valorile lui k pentru cei 3 electrozi testati B,C i D sunt cu mult mai mari faa de electrodul A ales drept model de referina.Viteza de eroziune k la un numr de 300 de aprinderi la electrodul C, este de 2,13 ori mai mare faa de modelul de referina. Eroziunea h va atinge valoarea de 1,0 1,2 mm la 300 aprinderi n cazul electrodului C ntr-un timp de Te=1/0,32 = 3,125 ore, respectiv pentru o eroziune admis de 1,2 mm adncime,rezult Te = 1,2/0,32 = 3,75 ore. n funcie de valorile vitezei de eroziune k pentru electrozii A,B,Ci D rezult la 300 aprinderi urmtoarele valori: TeA=1/0,15 = 6,66 ore; TeB=1/0,25 = 4,00 ore ; TeC= 1/0,32= 3,125 ore; TeD= 1/0,21= 4,76 ore In cazul n care adncimea maxim admis pentru eroziunea h este de 1,2 mm,valorile timpului de utilizare cresc cu 20%,respectiv: TA= 7,992 ore; TB = 4,80 ore; TC= 3,75 ore; TD = 5,712 ore. Pentru a verifica metoda propus n legtur cu programarea timpului de utilizare a electrodului prin metoda indirect,s-a folosit un electrod de la un generator HPR 130 tot din sistemul HYPERTHERM. S-au efectuat probe de tiere pe oel carbon de 25 mm grosime folosind parametrii conform regimurilor de tiere la un current de 200 A.Drept gaz plasmagen s-a folosit oxigen i de protecie aer. Rezultatele msurtorilor s-au trecut n tabelul 4.5. Tabelul 4.5 Variaia vitezei de erodare k funcie de un numr diferit de aprinderi

    n intervale de timp egale Intervale de timp

    de 1 ora,nr.apr.

    t (ore) Viteza de

    erodare k

    (mm/ora)x

    1/1000

    Adancimea

    erodata h (mm)x

    1/1000

    Eroare (x1/1000)

    0 1;

    nr.apr.=50;

    1 25 h1 = 25 4,75

    1 2:nr.apr.=20 1 10 h2 =10 1,90 2 - 3;nr apr.=300 1 150 h3 =150 2,85 3 4;nr.apr.=100 1 50 h4 = 50 9,50 4 5;nr.apr.=50 1 25 H5 = 25 4,75

    5 - 6 ;nr.apr = 30 1 15 H6 =15 2,85 6 7;nr.apr.=50 1 25 h7 = 25 4,75 7 8;nr.apr.= 40 1 20 h8 = 20 3,80 8 9;nr.apr.=10 1 5 h9 = 5 0,95

    9 10;nr.apr.=20 1 10 h10 =10 1,90

    t =10 ore;nr.apr.= 670

    Total 335/1000 = 0,335

    63,65/1000 = 0,06365 6,36%

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 41

    n baza rezultatelor cuprinse n tabelul 4.5 s-a trasat diagrama prezentat n figura 4.6. Din analiza acestei diagrame se poate constata c n cazul n care cronometrul electronic emite cte un semnal n intervale regulate de timp (n cazul de fa n fiecare or) dup care se msoar adncimea erodat h, se ajunge dup 10 ore s se obin h1,h2,h3,.h9 i h10 adncimi de eroziune.Fiecare din aceste eroziuni s-a produs din cauza timpului de funcionare i a numrului de aprinderi care a avut loc n intervalul de timp respectiv. nsumnd intervalele de timp: t = t1 + t2 + t3 +..t9 + t10 =1 0 ore,respectiv eroziunile aferente: h1 + h2 + h3 +..h9 + h10, se obine eroziunea total htotal = hi.n cazul nostru nsumnd msurtorile pariale hi, se obine valoarea final htotal = 0,335mm. n triunghiul dreptunghic format se observ c htotal = t x tg, unde tg este coeficientul unghiular al dreptei 0-h10 (colorat n rou).Fiind vorba de o relaie spaiu-timp,respectiv adncimea eroziunii i timpul total t n care a avut loc aceast eroziune,se poate afirma c: eroziunea totala hi = htotal ,se mai poate obine din produsul t x viteza medie de eroziune,adic htotal = t x kmed. Valoarea lui kmed se citete din diagrama K=f(nr.apr) reprezentat n figura 4.2. Numrul de aprinderi se cunoate din impulsurile date de instalaie la fiecare aprindere.mprind deci timpul total de funcionare n intervale de timp egale ti i numrtorul de aprinderi fcnd suma aprinderilor aferente intervalului de timp ti se determin valoarea lui ki med.Pentru fiecare interval de timp se calculeaz produsul Ki med x t obinndu-se astfel valoarea lui hi .Deoarece valoarea lui t este aceiai (5 -10 min.),numrtorul de aprinderi poate fi etalonat direct la valoarea lui Ki med .Aceast valoare se nmulete cu constanta t ( 1/12 sau 1/6 dintr-o or) adic cu 0,083 sau 0,166 i astfel se obine hi .Adic hi=Kimed x 0,083 (sau 0,166). Fcnd suma hi se obine: Htotal = hi = nore 0,083(0,166) x {K1 +K2 + .............+Kn} (1) Dar K1 =f1(N1 apr.) ; K2 = f 2(N2 apr.) ; .........Kn = f n(Nn apr.) (conform figurii 3.2) Deci { K1+K2+......Kn }= f(N1 apr) +f( N2 apr) +........f(Nn apr) Rezulta ca Htotal = nore x 0,083 x { f1 +f2 +.........fn} (2) Dac pentru un anumit electrod se cunoate Htotal adic eroziunea maxim permis din relaia (1) se determin nore. Acesta va fi nore =Htotal/0,083(0,166)x{ f1+f2+.....fn} (3) Din relaia (3) se poate calcula numrul de ore de funcionare dup care trebuie s se emit semnalul de oprire,n vederea schimbrii electrodului. De exemplu:dac Htotal = 1,2 mm i au fost nregistrate n de aprinderi,valoarea lui nore va fi:nore = 1,2/0,08 {f1+ f2 + .....fn} (4).Dac programatorul pentru exemplul dat a nsumat pentru fiecare interval valorile: f1 = f2 = 0,05mm/or; f3 = 0,1mm/or; f4 = 0,2mm/or; f5 = f6 = f7 = 0,2mm/or s.a.m.d. n total se obine suma fn. n cazul exemplului dat, programatorul a nsumat pentru fn valoarea fn= 3,3 mm/or.Astfel valoarea lui nore va fi :

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 42

    nore = 14,4/3,3= 4,36 ore Astfel cronometrul electronic din programator va emite un semnal de avertizare asupra faptului c trebuie s se schimbe electrodul, dup un timp de 4,36 ore. Din cercetrile experimentale s-a ajuns la concluzia c este suficient ca pentru electrodul supus testrii s se construiasc o diagram reprezentnd funcia k=f(Nr.aprind.) similar cu cea reprezentat n figura 4.5, fcndu-se numai 2 msurtori timp de cte 5 minute.S-a folosit procedeul ce este descris n continuare.

    Se stabilete o baza de timp t egala de exemplu cu 5 minute adic 0,083 ore.Se regleaz curentul de tiere la valoarea curentului nominal al electrodului,i n primul interval de timp se execut 50 de aprinderi (10 aprinderi/minut),n cel de al doilea interval t se mai execut 100 de aprinderi (20 aprinderi/minut).Considernd funcia k=f(nr.aprinderi) liniar, sunt determinate coordonatele pentru 3 puncte ale funciei h (primul punct se poate considera originea axelor de coordonate).Se construiete diagrama k=f(nr.aprinderi). Cu valorile citite de pe diagram se etaloneaz numrtorul de impulsuri,considernd fiecare impuls drept o aprindere. Cronometrul electronic care face parte dintr-un programator,realizeaz contactul cu numrtorul,la sfritul fiecrui interval.n acest fel pentru fiecare interval de timp t s-a nregistrat numrul de aprinderi. Cu ajutorul diagramei k=f(nr.aprinderi),sau printr-o etalonare direct,se marcheaz pentru fiecare interval de timp t valoarea eroziunii h. n diagrama h=f(t) se traseaz dreapta corespunztoare lui H=h max.admis,de exemplu 1,2 mm i astfel se determin timpul Te prin intersecia dreptei H cu diagrama h=f(t). Programatorul este astfel reglat ca s emit un semnal la atingerea valorii lui H=hmax pentru a nlocui electrodul uzat care n urma funcionrii are eroziunea maxim.Timpul dup care cronometrul n corelaie cu numrtorul din programator emite acest semnal corespunde cu durata de utilizare Te a electrodului. Exist i momente cnd instalaia nu funcioneaz. De exemplu, la schimbarea tablelor tiate i nlocuirea lor cu alte table noi.n aceste intervale de timp cnd sesizorul de curent de tiere nu emite semnal,cronometrul st n repaus. Redm mai jos n tabelul 4.6 valorile msurate pe cale experimental pentru determinarea vitezei de erodare k (mm/or) funcie de numrul de aprinderi. Tabelul 4.6 Nr.aprind. t1 = 0,083 ore t2 = 0,083 ore 50 aprinderi h1 =0,002mm (masurati)

    K1 = h1/t1 K1= 0,002/0,083 K1=0,024mm/ora

    100 aprinderi h2= 0,00415mm (masurati)

    K2=h2/t K2=0,00415/0,083 K2=0,05 mm/ora

    Pentru a putea construi diagrama k = f(nr.aprind.), ne folosim de relaia;

  • CONSIDERAII ASUPRA TEHNOLOGIILOR MODERNE DE TIERE MECANIZAT CU PLASM - REZUMAT TEZA DE DOCTORAT -

    Ing. Alexandru VAS TEZ DE DOCTORAT 43

    K = nr.aprind. x {k2 k1}/ {n2 n1}; (5) Fcnd pe nr.aprind.= 600 obinem pentru k valoarea K3 = 600 x {0,05 0,025}/100 50 ; K3 = 0,3 mm/or (la 600 de aprinderi) Cu valorile K1,K2 i K3 se traseaz funcia k = f(Nr.apr). Pentru cazul studiat, diagrama corespunde cu cea prezentat n figura 4.2. n baza cunoaterii vitezelor de eroziune k, funcie de numrul de aprinderi,s-a testat electrodul considerat drept mode