Plazma ile Kesme İşleminin Kısa Tarihçesi ve Yeni Gelişmeler

 

PLAZMA İLE KESME İŞLEMİNİN KISA

TARİHÇESİ VE YENİ GELİŞMELER

Plazma ile kesme işleminin keşfedilmesi 1950'li yıllara

rastlar. TIG kaynağının verimini artırmak için Union

Carbide firmasının kaynak laboratuvarında yapılan

çalışmalar sırasında araştırmacılar nozul ağız açıklığının

daraltıldığı zaman TIG torçundan malzemeye doğru

akan ark ve gazın özelliklerinin değiştiğini, ark ve gazın

daha yoğun hale geldiğini farkettiler [5,8]. Arkın ısısı daha

yüksekti ve nozul içinde artan basınç ile akış hızı artmıştı.

Artan sıcaklık nedeni ile malzeme arkın değdiği noktada

kalınlık boyunca lokal olarak ergiyor, plazma jetinin hızı

ergimiş metali basınçla iterek uzaklaştırıyordu. Böylece

malzeme kesilmiş oluyordu. Bu gelişmeyi takiben ilk

plazma torçları piyasaya sunulmaya başlandı. Bu kesme

metodu çok kalın malzemelerde bile yüksek hızlarda

kesme olanağı sağlıyordu. Konvansiyonel plazma kesimi

olarakta tanınan bu teknik 1970 li yıllara kadar yaygın

olarak kullanıldı. Bu teknikte, plazma arkı kesim esnasında

iyi kontrol edilemediği, ark konsantrasyonunun sürekliliği

ve plazma ark akışının yoğunluğu sağlanamadığı için elde

edilen malzemenin kalitesi hassas kesimler için

kullanılmasında bir engel olmuştur. Bu nedenle

başlangıçtan günümüze kadar çeşitli teknolojiler

geliştirilerek kesme kalitesinde iyileştirme yönünde çalışmalar yapılmıştır[5,8]. Örneğin plazma ark akışının

yoğunluğunu sabit tutmak için sırasıyla çift akışlı gaz

teknolojisi, su enjeksiyonlu plazma sistemleri ortaya

çıkmıştır. Bu tür sistemler plazma arkınının etrafında ikinci

bir akış sağlayarak onu çevreler ve böylece yoğunluğu

kesme işlemindeki ilerlemelerin ve ortaya çıkanteknolojilerin kısa bir özeti kronolojik olarak Tablo 2'desunulmuştur.Thermal Dynamics firması ilk düşük akım şiddetlihava plazması ile çalışan ve "Zip Cut" diye adlandırılanSAF sistemlerini 1980'li yıllarda Avrupa'ya pazarlamayabaşladı. Bu gelişme yeni üreticilerin piyasaya girmesininönünü açarak plazma kesme sistemleri pazarınıngenişlemesine yol açtı. Pazardaki genişleme plazmakesimindeki araştırma geliştirme faaliyetlerini artırarakkesme kalitesinin giderek artmasına ve başlangıçta oksi-gaz kesimine alternatif olarak sunulmuş bu prosesin

kesme süresince sabit kalan bir ark yaratır. Plazma ile

 

 Plazmaile Kesmede Yeni Gelişmeler

 

ve kalite olarak önemli bir yer edinmesine ve yaygınolarak kullanılmasını sağladı."Super konsantre plazma arkı ", "hassas plazma ilekesme", "yüksek tanımlı plazma kesme" başlıkları altındagerçekleştirilen plazma ile kesmede kalite arttırımına, enönemlisi verimliliği arttırıma yönelik faaliyetler ise yakıntarihte yeni bir plazma ile kesme teknolojisi ortaya çıkardı.Bu plazma kesme teknolojisinin adı "high density plasmacutting", yüksek yoğunluklu plazmadır.Buteknolojinin özelliği yüksek enerji yoğunluğunda daha ufakçaplı, konsantre vekararlı bir plazma arkı elde edilmesidir.Daha konsantre bir ark, kesme yüzeyindeki dikliktoleranslarında ve pürüzlülük değerlerinde iyileşme ilesonuçlanır. Dar çaplı ve yoğun enerjili plazma nedeni ile

sürati artar ki bu da kalitenin ve verimliliğin artmasıdemektir [9]. Kısaca bu teknolojilere bir göz atacakolursak;Razor Cutting1989 da Komatsu-Cutting Technologies Divisiontarafından patenti alınan teknolojinin ismi "Rasor-FinePlasma Cutting"idi (bkz. Şekil 9a). Bu teknolojinin ayırtedici özelliği bilinen girdap şeklinde gaz akışına ek olarakmıknatıslama ile yaratılan Lorentz kuvvetleri ile, -manyetik alan oluşumu ile -, plazma arkını kararlı haldeve konsantre halde tutmasıdır. Bu manyetik kuvvetlerplazma arkına iki şekilde etki eder. Birinci olarak plazmaarkının kendisine etki eden Lorentz kuvvetleri arkınelektrod kısmından çıkışında kendi ekseni etrafında dahahızlı dönmesine olanak sağlar (bkz. Şekil 9a). İkinciolarakta etki eden manyetik alan dönerek inen plazmaarkını hapsederek sürekli konsantre ve yoğun bir arksağlar. Ayrıca nozul çıkışında da bu etki devam ettiğiiçin çift ark tehlikesi de yalıtılmış bir dış kapkullanılmadan önlenir1990 yılında patenti alınan Hypertherm firmasının"HyDefinition Plasma" teknolojisinin razor cuttingteknolojisinden farkı nozul ve seramik lületasarımlarındandır. Bu tasarımlar ile elektrod etrafındadaha güçlü girdap akımları yaratıp ark kararlılığı vesürekliliği arttırılmıştır (bkz. Şekil 9b). HyFlow VortexNozzle olarak adlandırılan seramik lüle ve nozulteknolojisi ark etrafındaki iyonlaşmamış ve soğuk gazınozul içerisinden başlayarak plazma arkı  etrafında girdaphalinde akıtmayı sağlar. HyFlow Vortex Nozzleteknolojisinin bilinen girdap etkisine getirdiği yenilik isenozul duvarı içerisinde yer alan ve nozul ağzında bir nevihava yastığı etkisi yaratan ikinci bir gözdedir. Bu sistemdolayısıyla daha yoğun ve kararlı bir ark elde edilmesinderol oynar.Kalkan teknolojisi (Shield Technology)olarakadlandırılan seramik kaplı izole dış kapak teknolojisi isenozul ve malzeme arasında bir kalkan olarak kullanılmaamacı ile ortaya çıkarılmıştır. Bu kalkan kesim esnasındaoluşan ve sıçrayan ergimiş malzemenin nozula yapışmasınıönlediği gibi seramik kaplama nedeni ile de nozul vemalzeme arasında oluşabilecek olası ikinci bir ark etkisiniengeller. Böylece plazma torçu malzemeye daha yakınbir standoff değerinde çalışabilmekte, ve nozul ömrüuzatılmaktadır.Hyperthermin patentini aldığı Uzun ömür (LongLife) teknolojisi ise özellikle oksijen kullanılan kesimlerdeelektrot ömrünün uzatılmasını amaçlamıştır. Bilindiği gibielektrot ömrü ateşleme sayısı ile ifade edilir. Kesimesnasında elektrot ucundaki bir yuvada bulunan hafniyummalzeme (bkz bölüm 2.1.2) içeride girdap şeklinde akangaz etkisi ile ergimiş halde yuvasında durur. Fakat herkesim sonunda torç kapatılırken bu teknolojiye sahipolmayan sistemlerde 100-150 ateşleme sonunda elektrotfonksiyonunu yitirmeye başlar ve bu kesim kalitesindekesim sonunda nozul iç çeperlerine ya da nozul ağzınayapışarak akış profilinin de bozulmasına neden olurlar.Gelişen mikroişlemci teknolojisinden yararlanılarakgeliştirilen uzun ömür teknolojisi kapalı devre kontrolü ile gaz akışını ve elektrik akımını aynı anda ve kontrollüyuvasında katılaşmasını sağlar. Bu sistem ayrıca nozuliçerisinde oluşan ani termal ve kimyasal şokların etkisinide azaltır.

 

 

HyDefinition Plasma

1990 yılında patenti alınan Hypertherm firmasının

"HyDefinition Plasma" teknolojisinin razor cutting

teknolojisinden farkı nozul ve seramik lüle

tasarımlarındandır. Bu tasarımlar ile elektrod etrafında

daha güçlü girdap akımları yaratıp ark kararlılığı ve

sürekliliği arttırılmıştır (bkz. Şekil 9b). HyFlow Vortex

Nozzle olarak adlandırılan seramik lüle ve nozul

teknolojisi ark etrafındaki iyonlaşmamış ve soğuk gazı

nozul içerisinden başlayarak plazma arkı  etrafında girdap

halinde akıtmayı sağlar.

HyFlow Vortex Nozzle

teknolojisinin bilinen girdap etkisine getirdiği yenilik ise

nozul duvarı içerisinde yer alan ve nozul ağzında bir nevi

hava yastığı etkisi yaratan ikinci bir gözdedir. Bu sistem

nozul ağız çapının daha ufak ve uzun olmasına ve

dolayısıyla daha yoğun ve kararlı bir ark elde edilmesinde

rol oynar.

Kalkan teknolojisi

(Shield Technology)

olarak

adlandırılan seramik kaplı izole dış kapak teknolojisi ise

nozul ve malzeme arasında bir kalkan olarak kullanılma

amacı ile ortaya çıkarılmıştır. Bu kalkan kesim esnasında

oluşan ve sıçrayan ergimiş malzemenin nozula yapışmasını

önlediği gibi seramik kaplama nedeni ile de nozul ve

malzeme arasında oluşabilecek olası ikinci bir ark etkisini

engeller. Böylece plazma torçu malzemeye daha yakın

bir standoff değerinde çalışabilmekte, ve nozul ömrü

uzatılmaktadır.

Hyperthermin patentini aldığı Uzun ömür (Long

Life) teknolojisi ise özellikle oksijen kullanılan kesimlerde

elektrot ömrünün uzatılmasını amaçlamıştır. Bilindiği gibi

elektrot ömrü ateşleme sayısı ile ifade edilir. Kesim

esnasında elektrot ucundaki bir yuvada bulunan hafniyum

malzeme (bkz bölüm 2.1.2) içeride girdap şeklinde akan

gaz etkisi ile ergimiş halde yuvasında durur. Fakat her

kesim sonunda torç kapatılırken bu teknolojiye sahip

olmayan sistemlerde 100-150 ateşleme sonunda elektrot

fonksiyonunu yitirmeye başlar ve bu kesim kalitesinde

 

düşüşe neden olur. Ayrıca ergimiş halde kopan parçacıklar

kesim sonunda nozul iç çeperlerine ya da nozul ağzına

yapışarak akış profilinin de bozulmasına neden olurlar.

Gelişen mikroişlemci teknolojisinden yararlanılarak

geliştirilen uzun ömür teknolojisi kapalı devre kontrolü ile gaz akışını ve elektrik akımını aynı anda ve kontrollü

olarak kapanmasını sağlayarak hafniyum malzemenin

yuvasında katılaşmasını sağlar. Bu sistem ayrıca nozul

içerisinde oluşan ani termal ve kimyasal şokların etkisini

de azaltır.

günümüz termal kesme prosesleri içerisinde verimlilik

 daha dar ve düzgün kesme ağızları elde edilir ve kesim