Se ciò che salda… taglia: la storia del plasma
In principio era la saldatura mediante getto di plasma. Funzionava grazie ad un sistema che è ancor oggi utilizzato: per cui si riusciva a realizzare un getto di plasma ad alto contenuto energetico in grado di lavorare la superficie del pezzo,
- sia per effettuare trattamenti superficiali,
- sia per ottenere una vera e propria saldatura.
Tra questa tecnologia e l’attuale taglio plasma si colloca, nel 1955, il brevetto di Robert Gage per la Union Carbide. l’invenzione di Gage consisteva in un ugello, una parete che, posta lungo il percorso del plasma caldo, lo costringe all’interno di una forma ben definita.
Il nuovo componente dava come risultato un getto di plasma molto più sottile, più rigido e più stabile. Ma la vera novità stava nella sua potenza specifica: talmente alta che quel getto di plasma riusciva a tagliare i metalli!
Le due fasi del taglio al plasma
Immagina un foglio di burro che viene tagliato con un sottile getto di aria calda. Da un ugello, simile a quel primo inventato da Gage, Un gas viene soffiato ad alta pressione. Al tempo stesso, attraverso questo gas si instaura un arco elettrico tra un elettrodo e la superficie da tagliare. Il gas si trasforma in plasma che cede calore al materiale metallico fino a portarlo alla temperatura di fusione e rompere così la continuità del metallo. L’energia cinetica del gas espelle il metallo fuso dalla zona di taglio permettendo così il procedere dell’operazione, che si articola in due fasi: innesco e trasferimento.
- fase d’innesco: una corrente ad alta tensione e a bassa intensità innesca una scintilla ad alta intensità tra elettrodo e ugello, generando una piccola tasca di plasma che viene chiamata arco pilota. Esiste anche un sistema di innesco alternativo, detto ‘per contatto’, più ‘pulito’ dal punto di vista delle interferenze elettromagnetiche. La tecnologia prevede che l’elettrodo sia a contatto con l’ugello e che una corrente passi tra questi due elementi in corto circuito. Al passaggio della corrente viene inviato anche il gas che stacca l’elettrodo dall’ugello generando la scintilla di innesco.I metodi di innesco per l’arco pilota cambiano in relazione all’ambiente in cui l’unità è in uso e alla sua modernità. Le taglierine al plasma più vecchie usano un circuito ad elevata frequenza ed elevata tensione per l’innesco dell’arco: e tra i molti svantaggi ci sono il rischio di cortocircuito, la difficoltà a effettuare riparazioni, la manutenzione dello sparkgap e la gran quantità di emissioni di radio frequenze. Le taglierine al plasma che lavorano vicino apparecchiature elettroniche sensibili, come apparecchiature CNC di strumenti al plasma si basano su quelli ad aria, ad acqua o a gas, notevolmente più dispendiosi.
- fase di trasferimento: mettendosi in contatto con il pezzo in lavorazione, che costituisce l’anodo, il plasma completa il circuito fra questo e l’elettrodo e conduce l’alta corrente elettrica a bassa tensione. Se la macchina da taglio al plasma usa alta frequenza / alto voltaggio per avviare il circuito, il circuito è solitamente spento per abbattere i consumi. Il plasma,tenuto fra il pezzo in lavorazione e l’elettrodo, viaggia a più di 15mila km/h (supera cioè di dodici volte la velocità del suono nell’atmosfera).
Sottili o spesse, con le lamiere il plasma ci va a nozze
Il ‘cilindro’ caldissimo e perfettamente direzionabile sulla linea di taglio che si può ottenere on le macchine da taglio al plasma le rende irrinunciabili quando si tratta di procedere al taglio di fogli metallici curvati o superfici variamente angolate.
Il plasma va benissimo per tagliare le lamiere, tanto quelle sottili quanto le spesse. Infatti, le torce manuali riescono di norma a tagliare piastre d’acciaio al carbonio spesse fino a 50 millimetri. La cosa riguarda l’acciaio al carbonio, con cui il massimo spessore raggiungibile è di solito inferiore ai 35 mm (e inferiore dunque agli spessori raggiungibili a mano), poiché lo sfondamento della lamiera in automatico è molto delicato.
Però si può arrivare a perforare e tagliare strati d’acciaio fino ai 130 millimetri usando una miscela di argon e idrogeno e montando sulle macchine utensili torce più potenti. Questo concerne invece il mondo dell’inox, dove i 130 mm si raggiungono partendo da bordo lamiera o con un preforo e grazie all’uso di un gas dall’alto potere calorifico.
Un processo correlato: la scriccatura o “sgorbiatura” al plasma
Tipicamente implementato nella stessa macchina che effettua il taglio al plasma, la scriccatura o “sgorbiatura” al plasma non taglia il materiale. Vede impieghi in molte applicazioni, come la rimozione di una saldatura con esposizione del cianfrino per una sua rilavorazione. Utilizzando una diversa configurazione di torcia (gli ugelli della torcia e i diffusori del gas sono normalmente differenti), e una maggiore distanza tra la torcia e il pezzo in lavorazione, allontana il metallo “sgorbiato” o inciso. Spesso grazie all’uso di guide specifiche o della morfologia della cuffia di protezione della torcia, la torcia è tenuta inclinata per favorire l’espulsione del materiale. L’operatore addetto alla scriccatura deve proteggere mani e avambracci indossando una protezione in scorza di pelle.
Come orientarsi tra le torce
I prezzi elevati fanno sì che le torce al plasma siano prevalentemente riservate ad utilizzi professionale. Come accade per altre apparecchiature, si può osservare che i produttori spingono molto la portabilità, riducendo da un lato ingombri e pesi , e incrementando dall’altro le capacità funzionali.
Le torce al plasma da taglio possono essere alimentate da apparecchi ad inverter. Una soluzione, che consente l’impiego di un trasformatore ad alta frequenza molto compatto e leggero invece del tradizionale pesante trasformatore alla frequenza di rete, considerato oltretutto che le torce da taglio richiedono tipicamente più di 2 kW,
Negli apparecchi di alimentazione per torce al plasma ad inverter, l’alimentazione di rete è dapprima convertita in tensione continua, che va ad alimentare l’inverter, un circuito a commutazione basato su IGBT o MOSFET. Questi ultimi funzionano da interruttori e sono pilotati a frequenze di qualche decina o centinaio di kHz, producendo una tensione alternata a una frequenza idonea a ridurre molto il flusso magnetico richiesto nel trasformatore, a valle del quale si trova un raddrizzatore.
Sebbene più leggere e più potenti, alcune torce al plasma alimentate ad inverter privi di correzione del fattore di potenza (o Power factor correction – PFC) non possono essere alimentate da un gruppo elettrogeno. Questo perché il PFC rende la tensione di alimentazione dell’inverter indipendente dalle fluttuazioni di tensioni a cui è soggetto il gruppo elettrogeno.
Vuoi darci un taglio (al plasma)? Chiama SteelBetter
Il taglio al plasma sta ormai divenendo uno dei sistemi più usati e funzionali per il taglio delle lamiere e dei metalli in genere, ma non è ancora del tutto uscito da un iter sperimentale che peraltro coincide con il nostro mood in Steelbetter.
In quanto esperto di metalli, e in specie di acciaio, mi viene naturale mettermi sempre dalla parte delle criticità e sono pronto ad ascoltarti e spianarti la strada, non certo nascondendo le difficoltà, ma decidendo con te come superarle. Arrivare alla fine della strada avendo salvato prodotto e portafoglio non è mai facile. Ma senza le informazioni giuste, diciamocelo chiaro, è impossibile.
Ti serve senz’altro sapere che il taglio al plasma, come processo, sta crescendo anche perché ammicca agli ecologisti: è molto usato, infatti, per l’eliminazione ed il successivo recupero di materiali metallici di scarto e rifiuti, come le carcasse di elettrodomestici. Bene, direi. Ma non è questa la sua sola faccia. Quando lo si esegue, si supera non solo la temperatura di fusione dei metalli ma talvolta anche il loro punto di ebollizione. E qui c’è da stare molto attenti, perché la maggior parte dei vapori metallici, ad esempio il titanio, sono tossici e non devono essere respirati. Cosa cerco di dire? Che è raccomandabile, se non necessario, operare in ambienti bene aerati o sotto una cappa aspirante, e per le macchine più grandi è il caso di dotarsi di un adeguato impianto di smaltimento dei fumi.
C’è poi da prendere in considerazione l’alta tensione presente in un impianto e i rischi sempre connessi all’uso di sorgenti di corrente. Come tutti gli archi elettrici, l’arco plasma produce radiazioni luminose ultraviolette. maschere, occhiali con filtri e vestiti adeguati non sono un’opzione. Non è finita! L’arco è anche una sorgente di rumore, una sorgente di radiazioni elettromagnetiche che possono interferire con dispositivi tipo “pacemaker”.