Lezioni, Applicazioni Industriali dei Plasmi

5.3. IL PROCESSO DI TAGLIO

Figura 5.19: Illustrazione del kerf e di tutti gli elementi che lo caratterizzano

La qualità di taglio consiste in quello che nella figura 5.19 è indicato come bave angle,

ovvero l’angolo formato dal profilo di taglio con l’asse verticale. La normativa UNI EN

ISO 9013 è la normativa di riferimento sulla classificazione del taglio plasma e sulle

tolleranze relative alla qualità. In particolare si definiscono i range di taglio: il range è

definito come l’angolo al di sotto del quale è contenuto l’angolo di taglio su una lamiera

◦

mild steel spessa 10mm; ad esempio per un range 1 l’angolo di taglio è inferiore a 1 . Le

torce Hypertherm raggiungono range 3 mentre quelle Kjellberg raggiungono range 1,

dunque sono caratterizzate da una maggiore qualità di taglio.

La qualità di taglio è un parametro che varia in funzione dell’usura dei componenti

consumabili, dunque l’azienda costruttrice della torcia può fornire una previsione

dell’andamento del range di taglio in funzione del numero di tagli operati, secondo

condizioni operative specificate. La definizione del taglio è rappresentata dallo spessore

del kerf; ovviamente minore è tale spessore e minore è la quantità di metallo asportata

e persa dal pezzo. Dall’immagine 5.19 si nota che il kerf è anche caratterizzato dalla

presenza di striature sul profilo di taglio: maggiore è l’entità di tali striature e maggiore

sarà la rugosità superficiale del solco di taglio, per cui possono essere necessarie ulteriori

lavorazioni meccaniche se la rugosità ottenuta in fase di taglio è superiore rispetto al

limite richiesto. Vi è infine la formazione di bave sul bordo inferiore del taglio: queste

sono presenti a causa del metallo fuso che, procedendo verso il basso, si risolidifica in

parte sul pezzo tagliato. Anche in questo caso possono essere necessarie successive

lavorazioni meccaniche per migliorare la qualità della superficie del pezzo interessata

dal taglio. 53

Si definiscono torce da taglio in alta definizione quelle torce per le quali non è necessario

operare successive lavorazioni meccaniche sul pezzo tagliato.

5.4 I transitori di accensione e spegnimento

Un lavoro compiuto dal gruppo di Colombo è stato svolto per indagare il

comportamento dei catodi in Hf durante la fase di arco pilota a bassa corrente per

evidenziare i fenomeni che accadono durante la transizione da una fase fredda, isolata

e non emissiva ad una fase conduttiva, emissiva e calda per i materiali a base di Hf

utilizzati per la realizzazione di elettrodi per il taglio plasma (PAC). L’erosione del catodo

è un fenomeno che limita l’incremento delle prestazioni nel taglio plasma, soprattutto

quando l’Hf è utilizzato in catodi in combinazione con aria o ossigeno come gas primario.

Oltre all’erosione che si manifesta durante il periodo di sostentamento dell’arco plasma

per il taglio si ha un’addizionale erosione ad ogni formazione dell’arco. Questo

fenomeno diventa particolarmente importante quando la torcia viene impiegata per

piccoli cicli di taglio.

Lo studio compiuto del gruppo di Colombo ha utilizzato una torcia con catodo in Hf e

aria come gas primario; si è sfruttato l’uso di una telecamera high speed imaging in

modo da osservare i fenomeni che si verificano su una ridotta scala temporale.

La fase iniziale dell’arco è formata da più passaggi. Prima di tutto un segnale ad alta

frequenza attraversa la camera di plasma, come rappresentato nell’immagine 5.20a. In

seguito a ciò si stabilisce un arco a bassa corrente (circa 20A) tra l’elettrodo e il nozzle.

La colonna dell’arco è fatta uscire dal nozzle, formando un attacco a forma di occhiello

dell’arco sulla sua superficie esterno, come mostrato nella figura 5.20c. In questa fase

l’arco pilota opera in modo non trasferito.

Figura 5.20: Fasi di generazione dell’arco in processo PAC

Lo scopo dell’arco pilota è di creare un mezzo conduttivo nello spazio compreso tra

l’ugello e il pezzo da lavorare. Quando l’arco pilota tocca il pezzo il sistema di controllo

elettronico, presente nel generatore, isola il nozzle; si stabilisce così l’arco fra l’elettrodo

e il pezzo da lavoro in modo trasferito, come illustrato in figura 5.20d. La corrente

54 CAPITOLO 5. IL TAGLIO PLASMA

dell’arco principale ha un valore iniziale relativamente basso che viene poi aumentato

nel tempo fino al valore desiderato.

Osservando l’elettrodo si nota che l’arco inizialmente si forma sul supporto in

5.4. I TRANSITORI DI ACCENSIONE E SPEGNIMENTO

rame per poi muoversi sul contorno dell’inserto emettitore. Gli elettrodi nuovi sono

caratterizzati da una superficie liscia di Hf metallico mentre quelli usati, dopo essere

stati esposti ad un’atmosfera ossidante ad alta temperatura, sono caratterizzati da uno

strato superficiale di ossido di afnio (HfO ) avente uno spessore dell’ordine di 500µm.

2

Si è ipotizzato che l’erosione che ha luogo nella fase iniziale sia legata alla difficoltà che

l’arco incontra nel muoversi dalla regione di contorno della zona emettitrice al centro

della stessa. Questo si dimostra essere vero per gli elettrodi usati nei quali l’arco si

muove su uno strato solido di afnio ossidato che, a differenza della sua fase liquida, è

uno scarso conduttore elettrico e termico.

Durante lo studio di questi fenomeni sono stati utilizzati tre differenti tipi di elettrodi:

• elettrodo nuovo con una superficie piana;

• elettrodo nuovo con una superficie concava di emissione;

• elettrodo usato con un recesso spontaneo generato sulla superficie di emissione

in seguito ad un dato numero di cicli di taglio.

La seconda soluzione è largamente l’attacco al catodo che si sposta molto

utilizzata poichè riduce gli effetti negativi velocemente verso il centro della

generati dalla naturale erosione della superficie di afnio, al pari di un collasso.

superficie in afnio; questa consente di Questo porta all’emissione di vapori di

ottenere una minore deposizione di afnio e, nel caso di elettrodi usati, anche

materiale emettitore all’interno del all’espulsione di particelle di metallo

nozzle, riducendo il rischio di formazione fuso.

dei doppi archi ed incrementando la

stabilità dell’arco e la qualità del taglio. I

risultati hanno mostrato che il processo

di arco pilota è formato da sue fasi

successive: nella prima l’attacco sul

catodo ruota attorno alla periferia della

superficie emettitrice, come mostrato

nell’immagine 5.21a; questa fase è

caratterizzata anche dall’emissione di

vapori di afnio. Nella seconda fase

l’attacco al catodo non è più rotante in

quanto si è stabilizzato al centro della

superficie di afnio, come mostrato

nell’imamgine 5.21b. La transizione tra le

due fasi avviene in modo improvviso, con

Queste due particolari fasi per l’arco pilota vengono confrontate per i tre diversi tipi

di elettrodi utilizzati.

• Elettrodo nuovo con superficie piana. L’arco esce dal nozzle in un tempo di 2ms;

in seguito a ciò l’attacco al catodo inizia a ruotare sulla periferia della superficie

in afnio creando un anello di afnio fuso. Al tempo di 6.56ms si ha la transizione

alla seconda fase con una durata di circa 1ms. In questo caso l’evento di

transizione è accompagnato dalla sola emissione di vapori di afnio e non appare

traumatico.

• Elettrodo nuovo con superficie concava. L’arco esce dal nozzle in un tempo

paragonabile a quello del caso di elettrodo nuovo con superficie piana. A

differenza di questo caso però l’evento di transizione inizia a 10ms, ovvero

all’incirca 3.5ms dopo rispetto al primo caso. Questo può essere dovuto alla

maggiore superficie di afnio che deve essere riscaldata. Anche in questo caso

l’evento di transizione dalla prima alla seconda fase si manifesta con la sola

emissione di vapori di afnio e si completa entro 12ms dall’inizio della fase di

arco pilota.

• Elettrodo usato. L’arco pilota esce dall’ugello a circa 3ms e l’attacco al catodo

ruota attorno alla superficie in afnio per un tempo molto più grande rispetto a

quello del caso di elettrodo nuovo, fino a circa 174ms. Durante la prima fase

l’attacco al catodo scalda un anello di ossido di agnio; a circa 173.5ms si ha la

transizione alla seconda fase. Questa transizione dura 1ms ed è accompagnata

dall’emissione di vapore di afnio e dall’espulsione di gocce di metallo fuso.

Prima di compiere tale lavoro di ricerca si immaginava che l’attacco del plasma al

catodo si muovesse radialmente verso il centro della superficie in afnio, mentre le

riprese in high speed imaging hanno consentito di vedere che l’attacco ruota lungo

un anello il cui spessore cresce progressivamente; nella fase finale questa espansione

progredisce molto velocemente determinando una specie di collasso dell’attacco al

centro della superficie emettitrice.

Si suppone che il differente comportamento fra elettrodi nuovi ed usati sia

principalmente influenzato dalla diffusività termica del metallo. Si hanno infatti i

seguenti valori: α = 1.4 × 10 m s α = 5.1 × 10 m s

e

Hf −5 2 −1 HfO −7 2 −1

2

56 CAPITOLO 6. I PLASMI RF

α

Il rapporto /α è circa pari a 25; questo è lo stesso ordine di grandezza del

Hf HfO

2

rapporto fra i tempi caratteristici della prima fase di arco pilota, calcolato per

elettrodo usato ed elettrodi nuovo, circa pari a 20.

In un altro lavoro del gruppo di Colombo, risalente al 2011, si fa uso di un sistema

integrato di diagnostica e simulazione con lo scopo di ottimizzare il funzionamento

delle torce da taglio. In questo lavoro viene impiegata la tecnica di high speed imaging

per osservare lo sviluppo dell’arco pilota e della fotografia

Schlieren per capire meglio l’interazione fra la scarica di plasma e la parte superiore

del kerf.

Sul mercato si trovano torce da taglio che possono avere due differenti modi di

innescare la scarica di plasma con un arco pilota: uno sfrutta l’impulso ad alta

frequenza mentre l’altro prevede una movimentazione meccanica dell’elettrodo che

inizialmente si trova a contatto con l’ugello. Esiste anche la modalità di accensione

ad arco trasferito. La modalità di accensione con arco pilota e impulso ad alta

frequenza è già stata descritta in precedenza, dunque in seguito si riporteranno

unicamente le specifiche condizioni dell’esperimento es