Procesări electrotehnologice - sudarea cu plasmă

1. INTRODUCERE:

Plasma - a patra stare a materiei, este de departe cea mai întâlnită formă de prezentare a acesteia; În stele şi în spaţiul interstelar plasma reprezintă peste 99% din universul vizibil şi aproape majoritatea din cel invizibil. Termenul „plasmă” a fost utilizat prima dată pentru a denumi un gaz ionizat în anul 1929 de către savantul american Irving Langmuir.

Plasma reprezintă un ansamblu conductiv de particule încărcate electric sau neutre care manifestă efecte colective; plasma conduce curentul electric şi generează câmpuri magnetice.Deoarece plasma este conductivă şi interacţionează cu câmpul electromagnetic, se utilizează în numeroase aplicaţii care necesită etape de control sau în care sunt cerute surse specială de energie de radiaţie.

Plasma stă la baza a numeroase aplicaţii tehnologice şi dispozitive ca şi explicarea şi înţelegerea unor fenomene şi procese din univers. Procesarea semiconductorilor, sterilizarea unor produse medicale, laseri, filme de acoperire cu diamant, surse de mare putere de microunde, întrerupătoare de putere şi pulsatoare sunt doar câteva dintre actualele aplicaţii specifice; ea constituie, de asemenea, oportunităţi de utilizare pentru aplicaţii potenţiale de tipul generării energiei electrice, controlul poluării şi eliminarea chimicalelor toxice.

"Ştiinţa plasmei” include o diversitate de discipline ştiinţifice decurgând din fizica plasmei şi privind aspecte de chimie, fizică atomică şi moleculară, ştiinţa materialelor; amplitudinea sa şi natura interdisciplinară caracterizează de asemenea componentele fizice ale plasmei care includ gaze ionizate care se întind de la slab ionizate la cele puternic ionizate, de ciocnire sau nu, de la rece la cald. Aceşti termeni caracterizează diverse plasme începând cu gaze de presiune relativ ridicată cu o mică fracţiune de atomi ionizaţi şi temperaturi relativ coborâte ale particulelor încărcate (plasme utilizate în procesarea circuitelor integrate şi surselor luminoase) şi până la cele cu gaze de foarte mică densitate cu o mare fracţiune de atomi ionizaţi şi particule încărcate de foarte mare temperatură.

Plasma este un gaz ce a fost încălzit la o temperatură extrem de ridicată şi ionizat, astfel încât devine conductiv din punct de vedere electric. Prin încălzirea treptată a unei anumite substanţe are loc trecerea gradată din starea solidă în cea lichidă şi apoi gazoasă. Pentru orice gaz procesul de încălzire poate continua, putând conduce la dezintegrarea moleculelor în atomi şi a acestora în electroni şi ioni. Spre deosebire de celelalte transformări de fază, trecerea între stările gaz-plasmă nu este bruscă; este un proces continuu. Raportul concentraţiei de sarcini libere din gaz la concentraţia de particule neutre este o mărime contiuu variabilă cu creşterea gradului de încălzire. Principala caracteristică a plasmei (şi diferenţa faţă de un gaz banal) este prezenţa în amestec a sarcinilor electrice libere.Plasma, ca stare a materiei, este cea mai răspândită stare din Univers. Elementele de fizica plasmei au un rol remarcabil în explicarea fizică actuală a proceselor de existenţă şi evoluţie a materiei în Univers. Aceasta înseamnă în mod primordial procese energetice majore. Dintre acestea, pe om îl preocupă cu deosebire în ultimii aproape 50 de ani problema generării de energie. De rezolvarea acestei probleme se leagă una din principalele aplicaţii actuale ale cercetărilor teoretice şi experimentale de fizica plasmei.

Produse realizate prin tehnologii ce utilizează plasma se întâlnesc în diverse domenii ale activităţilor cotidiene: procesarea deşeurilor, circuite integrate şi alte componente ale computerelor, sisteme electronice, maşini unelte, implanturi medicale şi protezare, sisteme audio şi video, aeronautică şi automobile, containere din plastic pentru alimente, sisteme de acoperire de înaltă energie sau eficienţă, etc; evaluările economice apreciază valoarea anuală a tehnologiilor pe bază de plasmă la peste 2 000 milioane USD.

Producerea si prelucrarea materialelor folosind proprietăţile plasmei termice a câştigat tot mai multă credibilitate şi o importanţă crescândă în câteva dintre ţările vest şi est europene, Africa de Sud şi în Japonia.În ţările în care costul energiei electrice este mai mic de 4 cents/kW, s-au generat noi posibilităţi de aplicare a plasmei termice în producerea de materii prime. Aceasta va oferi un nou impuls studiilor de dezvoltare a tehnologiei plasmei de la scară redusă la scară industrială.Aplicatiile industriale ale plasmei depind deci de echilibrul dintre beneficiile obtinute si pretul materialelor din care sunt fabricate tortele de plasma ceea ce face ca locul de prelucrare sa apara si sa dispara in functie de necesitati.

Acest referat oferă evaluarea a cinci grupuri de tehnologii plasmatice de interes pentru industrie:

(a) Topirea si rafinarea metalelor

(b) Taierea cu jet de plasmă

(c) Prelucrarea prin eroziune cu plasmă

(d) Sudarea cu plasmă

(e) Incinerarea deseurilor

2. PRINCIPIUL PLASMELOR TERMICE

Plasma - ultima descoperire din domeniul stărilor de agregare ale materiei - formează cea mai mare parte a universului,se obţine prin constrângerea unui arc electric sub formă de gaz plasmogen,puternic ionizat de obicei cu argon. În plasmă gazele încălzite la temperaturi foarte înalte se transformă,iar cu plasma se pot suda şi tăia toate aliajele metalice. Ea este compusă din particule cu sarcini pozitive şi negative, având o sarcină totală nulă.

Fig. 2.Plasma

Plasma poate fi:

- plasmă rece (104...1050C);

- plasmă caldă (temperatura ajunge la milioane °C).

Deoarece posedă o densitate mare de energie şi temperaturi înalte, plasma poate fi folosită la prelucrarea aliajelor metalice greu prelucrabile sau imposibil de prelucrat prin alte procedee.

Plasma industrială este constituită din electroni, ioni, molecule excitate, molecule disociate, precum şi molecule şi atomi neutrii . Corpurile în stare de plasmă se comportă ca şi conductoarele de electricitate. Sub efectul curentului care parcurge o coloană gazoasă şi a forţelor electromagnetice, se produce o ingustare a acestei coloane gazoase, fapt ce conduce la o creştere foarte puternică a temperaturii, în special în partea centrală a coloanei (6000-20000 K). In consecinţă luminozitatea jetului de plasmă devine foarte intensă şi se impune măsuri de protecţie împotriva efectelor ei directe.