Pengelasan Busur Plasma: Dijelaskan

1. Karakteristik Busur Plasma dan Generatornya

1. 1. Pembentukan Busur Plasma

Busur plasma adalah busur argon elektroda tungsten terkompresi dengan kepadatan energi, suhu, dan gaya busur yang tinggi. Busur plasma diperoleh melalui tiga efek kompresi:

1) Kompresi Mekanis: Perluasan terbatas area penampang kolom busur, yang disebabkan oleh bukaan nosel tembaga berpendingin air, dikenal sebagai kompresi mekanis.

2) Kompresi Termal: Air pendingin dalam nosel membentuk lapisan gas dingin di dekat dinding bagian dalam nosel, sehingga mengurangi area konduktif efektif kolom busur. Hal ini semakin meningkatkan densitas energi dan suhu kolom busur. Efek ini, yang dicapai melalui pendinginan air untuk lebih meningkatkan suhu dan kepadatan energi kolom busur, dikenal sebagai kompresi termal.

3) Kompresi Elektromagnetik: Karena efek kompresi yang disebutkan di atas, densitas arus busur meningkat, dan gaya kontraksi elektromagnetik yang dihasilkan oleh medan magnet arus busur itu sendiri menjadi lebih kuat. Hal ini menghasilkan kompresi busur yang lebih jauh, yang dikenal sebagai kompresi elektromagnetik.

2. Klasifikasi Busur Plasma

(1) Busur yang tidak ditransfer

Busur yang tidak ditransfer terbakar di antara elektroda tungsten dan nosel. Selama pengelasan, kutub positif sumber daya dihubungkan ke nozzle tembaga berpendingin air, sedangkan kutub negatif dihubungkan ke elektroda tungsten. Benda kerja tidak terhubung ke sirkuit pengelasan. Busur dilakukan oleh ejeksi gas plasma berkecepatan tinggi. Busur jenis ini cocok untuk mengelas atau memotong logam dan non-logam yang lebih tipis.

(2) Busur yang ditransfer

Busur yang ditransfer terbakar secara langsung di antara elektroda tungsten dan benda kerja. Selama pengelasan, busur yang tidak ditransfer antara elektroda tungsten dan nosel dinyalakan terlebih dahulu, lalu busur ditransfer ke elektroda tungsten dan benda kerja. Nosel tidak terhubung ke sirkuit pengelasan selama pengoperasian. Jenis busur ini digunakan untuk mengelas logam yang lebih tebal.

(3) Busur Gabungan

Busur gabungan mengacu pada busur di mana busur yang ditransfer dan busur yang tidak ditransfer hidup berdampingan. Busur campuran dapat mempertahankan stabilitas pada arus yang sangat rendah, sehingga sangat cocok untuk mengelas pelat tipis dan sangat tipis.

3. Karakteristik Busur Plasma

(1) Kurva karakteristik statis busur dari busur plasma secara signifikan berbeda dari busur TIG:

• 1.1 Nilai E lebih besar, sehingga bergeser ke atas. Bagian lurus menjadi lebih sempit, dan kemiringan bagian yang menanjak meningkat.
• 1.2 Bagian menurun dari busur gabungan tidak terlihat jelas; oleh karena itu, busur arus kecil sangat stabil.

(2) Suhu busur tinggi, berkisar antara 24000K hingga 50000K, dengan densitas daya tinggi dan densitas energi 105-106W/cm2. Sebaliknya, busur TIG memiliki kisaran suhu 10000-24000K dan densitas daya kurang dari 104W/cm2.

(3) Kekakuannya tinggi, dengan faktor konsentrasi busur yang besar.

(4) Panas yang dihasilkan oleh kolom busur memiliki efek yang signifikan pada pemanasan benda kerja.

4. Karakteristik dan Aplikasi Pengelasan Busur Plasma

(I) Karakteristik

Karena kepadatan energi, suhu, dan kekakuannya yang tinggi, busur plasma memiliki keunggulan sebagai berikut dibandingkan dengan busur konvensional pengelasan busur:

1) Kemampuan penetrasi yang kuat, mampu mengelas melalui pelat baja tahan karat dengan ketebalan 8-10mm tanpa perlu kawat beveling atau filler.

2) Kualitas dari jahitan las tidak sensitif terhadap perubahan panjang busur. Hal ini karena bentuk busur mendekati silindris dan memiliki kelurusan. Variasi panjang busur memiliki dampak minimal pada area titik pemanasan, sehingga memudahkan untuk mendapatkan bentuk lapisan las yang seragam.

3) Elektroda tungsten tersembunyi di dalam nosel tembaga berpendingin air, menghindari kontak dengan benda kerja dan mencegah terjadinya inklusi tungsten dalam logam las.

4) Busur plasma memiliki tingkat ionisasi yang tinggi, membuatnya stabil bahkan pada arus rendah, sehingga memungkinkan pengelasan komponen presisi miniatur.

Kerugian pengelasan busur plasma adalah sebagai berikut:

1) Terbatas ketebalan pengelasanumumnya di bawah 25mm.

2) Pistol las dan sirkuit kontrol rumit, dan nosel memiliki masa pakai yang rendah.

3) Ada beberapa parameter pengelasanyang membutuhkan kemahiran teknis tingkat tinggi dari operator pengelasan.

(2) Aplikasi

Las busur plasma dapat digunakan untuk mengelas berbagai logam yang dapat dilas dengan las tungsten inert gas (TIG), seperti baja tahan karat, aluminium, dan paduan aluminiumtitanium dan paduan titanium, nikel, tembaga, dan paduan Monel. Metode pengelasan ini dapat diaplikasikan di bidang kedirgantaraan, penerbangan, energi nuklir, elektronik, pembuatan kapal, dan sektor industri lainnya.

5. Generator Busur Plasma

1. Klasifikasi: Pistol Las Busur Plasma, Pistol Pemotong, Pistol Semprot.

2. Komponen

Komponen utama meliputi elektroda, dudukan elektroda, nosel terkompresi, isolator perantara, badan senjata atas, badan senjata bawah, dan selongsong pendingin. Komponen yang paling penting adalah nozzle dan elektroda.

1. Nosel

Klasifikasi: Berdasarkan jumlah lubang nosel, ada dua jenis: lubang tunggal dan lubang banyak.

Pada nozel multi-lubang, selain lubang utama di tengah, terdapat beberapa lubang kecil di sisi kiri dan kanan lubang utama. Gas plasma yang dikeluarkan dari lubang-lubang kecil ini memiliki efek tekan tambahan pada busur plasma, menyebabkan penampang busur plasma menjadi elips. Apabila sumbu panjang elips sejajar dengan arah pengelasan, maka secara signifikan dapat meningkatkan kecepatan pengelasan dan mengurangi lebar zona yang terpengaruh panas.

Parameter bentuk nozzle yang paling penting adalah aperture kompresi dan panjang saluran kompresi.

1) Bukaan diafragma nosel (dn):

Dn menentukan diameter dan densitas energi busur plasma. Diameter yang lebih kecil menghasilkan kompresi busur yang lebih besar, tetapi jika terlalu kecil, hal ini dapat menyebabkan penurunan stabilitas busur plasma, bahkan menyebabkan lengkung ganda dan kerusakan nosel. Pemilihan dn harus didasarkan pada arus pengelasan, jenis gas plasma, dan laju aliran.

2) Panjang saluran nosel (l0):

Di bawah aperture kompresi tertentu, l0 yang lebih panjang memberikan kompresi yang lebih kuat pada busur plasma. Namun demikian, jika l0 terlalu besar, busur plasma menjadi tidak stabil. Biasanya, rasio l0/dn harus berada dalam kisaran tertentu. Untuk busur transfer, pada umumnya 1,0-1,2, dan untuk busur campuran, 2-6.

3) Sudut kerucut (α):

Sudut kerucut tidak banyak berpengaruh pada kompresi busur plasma dan dapat berkisar dari 30° hingga 180°. Namun demikian, lebih baik mencocokkan bentuk ujung elektroda untuk memastikan penahan yang stabil pada titik anoda di ujung elektroda. Selama pengelasan, sudut umumnya 60° hingga 90°.

Bahan Nozzle:

Nosel biasanya terbuat dari tembaga dan didinginkan secara langsung oleh air.

Elektroda:

1) Bahan:

Pengelasan busur plasma umumnya menggunakan elektroda tungsten berthoriasi atau elektroda tungsten berthoriasi. Dalam beberapa kasus, elektroda tungsten zirkoniasi atau elektroda zirkonium dapat digunakan. Elektroda tungsten umumnya membutuhkan pendinginan air. Untuk aplikasi arus rendah, digunakan pendingin air tidak langsung, dan elektroda tungsten berbentuk batang. Untuk aplikasi arus tinggi, digunakan pendinginan air langsung, dan elektroda tungsten memiliki struktur tertanam.

2) Bentuk:

Ujung elektroda berbentuk batang biasanya digerinda menjadi bentuk kerucut yang tajam atau bentuk platform kerucut. Untuk aplikasi arus yang lebih tinggi, elektroda ini juga dapat digerinda menjadi bentuk bulat untuk mengurangi pembakaran.

3) Panjang dan Konsentrisitas Kontraksi Bagian Dalam:

Tidak seperti Pengelasan TIGDalam pengelasan plasma, elektroda tungsten umumnya dikontraksikan di dalam nosel yang dikompresi. Jarak dari permukaan luar nosel ke ujung elektroda tungsten dikenal sebagai panjang kontraksi bagian dalam (lg).

Untuk memastikan stabilitas busur dan mencegah lengkung ganda, elektroda tungsten harus konsentris dengan nosel, dan panjang kontraksi bagian dalam (lg) elektroda tungsten harus sesuai (lg = l0 ± 0,2 mm).

3. Metode Pengiriman Gas:

a) Tangensial: Metode ini memberikan kompresi tinggi, dengan tekanan rendah di bagian tengah dan tekanan tinggi di bagian pinggir. Ini membantu menstabilkan busur di bagian tengah.

b) Radial: Metode ini memberikan kompresi yang lebih rendah dibandingkan dengan metode tangensial.

5. Busur Ganda dan Tindakan Pencegahannya

1. Busur Ganda

Dalam kondisi normal, busur yang ditransfer terbentuk antara elektroda tungsten dan benda kerja.

Namun demikian, dalam situasi abnormal tertentu, busur paralel dapat terjadi, yang dikenal sebagai busur ganda, yang membakar antara elektroda tungsten dan nosel, serta antara nosel dan benda kerja.

2. Mekanisme pembangkitan busur ganda

Teori kerusakan film gas dingin

3. Penyebab dan tindakan pencegahan pembangkitan busur ganda

1. Dalam kondisi tertentu saat ini, bukaan kompresi nosel terlalu kecil atau panjang saluran kompresi terlalu panjang, sehingga mengakibatkan panjang kontraksi internal yang berlebihan.

2. Aliran gas plasma yang tidak mencukupi.

3. Penyimpangan yang berlebihan antara sumbu elektroda tungsten dan sumbu nosel.

4. Penyumbatan nosel karena percikan logam.

5. Karakteristik eksternal catu daya yang salah.

6. Jarak yang salah antara nozzle dan benda kerja.

2. Pengelasan dan pemotongan busur ion.

1. Proses pengelasan busur plasma

Ada tiga metode: tipe perforasi, tipe fusi, dan pengelasan busur plasma sinar mikro.

(1) Pengelasan busur plasma tipe perforasi

Dengan menggunakan arus pengelasan dan aliran plasma yang lebih besar, busur plasma memiliki densitas energi dan gaya aliran plasma yang lebih tinggi. Benda kerja benar-benar meleleh dan membentuk lubang kecil yang menembus benda kerja di bawah aksi gaya aliran plasma, sementara logam cair dikeluarkan di sekitar lubang kecil.

Saat busur plasma bergerak ke arah pengelasan, logam cair bergerak di sepanjang dinding busur dan mengkristal menjadi lapisan las di belakang kolam las, sementara lubang kecil bergerak maju dengan busur plasma.

Sangat cocok untuk pengelasan satu sisi dan pembentukan sisi ganda, dan hanya dapat digunakan untuk pengelasan satu sisi dan pembentukan sisi ganda.

Saat mengelas benda kerja tipis, hal ini dapat dilakukan tanpa memiringkan, pelat bantalan, atau mengisi logam, sehingga menghasilkan pembentukan dua sisi dalam satu lintasan.

Pembuatan lubang kecil bergantung pada densitas energi busur plasma. Semakin tebal pelat, semakin tinggi kerapatan energi yang dibutuhkan. Untuk pelat yang lebih tebal, pengelasan busur plasma tipe perforasi hanya dapat digunakan untuk lapisan las pertama.

Tabel 6-1: Ketebalan yang berlaku untuk pengelasan busur plasma tipe perforasi

(2) Pengelasan busur plasma tipe fusi

Dengan menggunakan laju aliran gas plasma yang lebih rendah, gaya aliran plasma lebih kecil, dan kemampuan penetrasi busur rendah.

Fitur:

• Hanya melelehkan benda kerja dan tidak membentuk lubang kecil, mirip dengan pengelasan TIG.
• Cocok untuk mengelas pelat tipis, pengelasan penutup dalam beberapa lapisan, dan pengelasan sudut.

(3) Pengelasan busur plasma sinar mikro

Fusi arus rendah (biasanya kurang dari 30A) proses pengelasan.

Fitur peralatan:

• Nosel kompresi apertur kecil (0,6 mm hingga 1,2 mm).
• Busur gabungan. Busur yang tidak ditransfer berperan sebagai inisiasi dan pemeliharaan busur, memastikan bahwa busur yang ditransfer tetap stabil bahkan pada arus yang sangat rendah (serendah 0,5A).

Fitur proses:

• 1) Dapat mengelas logam yang lebih tipis, dengan ketebalan minimum yang dapat dilas 0,01 mm.
• 2) Busur tidak putus bahkan dengan variasi panjang busur yang besar, dan busur tetap berbentuk kolom.
• 3) Kecepatan pengelasan cepat, jahitan las sempit, zona kecil yang terkena panas, dan minimal distorsi pengelasan.

(4) Pengelasan busur plasma pulsa

Menggunakan arus berdenyut di bawah 15Hz, bukan arus searah yang stabil. Busur lebih stabil, menghasilkan zona yang terpengaruh panas (HAZ) yang lebih kecil dan distorsi yang lebih sedikit.

(5) Pengelasan plasma arus bolak-balik

Umumnya menggunakan catu daya gelombang persegi untuk mengelas paduan aluminium.

(6) Busur plasma yang ditransfer

Malahan, ini adalah kombinasi busur yang ditransfer dan busur plasma, dan ada dua bentuk:

2. Proses dan parameter pengelasan

(1) Bentuk sambungan dan kemiringan

Bentuk sambungan dipilih berdasarkan ketebalan pelat:

• Apabila ketebalannya antara 0,05 mm dan 1,6 mm, bentuk sambungan yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini biasanya digunakan, dan pengelasan dilakukan dengan menggunakan busur plasma sinar mikro.
• Jika ketebalan pelat lebih besar dari 1,6 mm tetapi kurang dari material yang tercantum pada Tabel 6-4, biasanya tidak dibuat bevel, dan pengelasan dilakukan dengan metode perforasi.
• Jika ketebalan pelat lebih besar dari batas pada Tabel 6-4, bevel berbentuk V atau U diperlukan untuk pengelasan multi-layer. Dibandingkan dengan pengelasan TIG, bevel yang lebih kecil dan permukaan akar yang lebih besar dapat digunakan. Nilai maksimum yang diijinkan untuk permukaan akar sama dengan ketebalan pengelasan maksimum untuk metode perforasi. Lapisan pertama dilas menggunakan metode perforasi, dan lapisan lainnya dilas menggunakan metode fusi atau metode lainnya. metode pengelasan.

(2) Arus pengelasan dan bukaan nosel

Arus pengelasan selalu dipilih berdasarkan ketebalan pelat atau persyaratan penetrasi. Jika arus terlalu rendah, pengelasan tidak dapat menembus dan tidak ada lubang kecil yang terbentuk. Jika arus pengelasan terlalu tinggi, logam cair dapat terkulai karena diameter lubang yang besar.

Bukaan nozzle dipilih berdasarkan arus pengelasan, dan keduanya harus dicocokkan secara tepat. Hal ini juga terkait dengan laju aliran gas plasma.

(3) Gas plasma

Gas plasma dan gas pelindung biasanya dipilih berdasarkan logam yang dilas dan besarnya arus. Ketika menggunakan arus pengelasan tinggi dalam pengelasan busur plasma, umumnya disarankan untuk menggunakan gas yang sama untuk gas plasma dan gas pelindung, karena menggunakan gas yang berbeda dapat mengakibatkan stabilitas busur yang buruk.

Tabel 6-5 berisi daftar gas yang biasa digunakan untuk pengelasan busur plasma arus tinggi pada berbagai jenis logam. Untuk pengelasan busur plasma arus rendah, gas argon murni biasanya digunakan sebagai gas plasma. Hal ini karena gas argon memiliki tegangan ionisasi yang lebih rendah, yang menjamin penyalaan busur yang mudah.

Laju aliran gas plasma secara langsung menentukan gaya aliran plasma dan kemampuan penetrasi. Semakin besar laju aliran gas plasma, semakin besar kemampuan penetrasinya. Namun demikian, jika laju aliran gas plasma terlalu tinggi, diameter lubang kecil bisa menjadi terlalu besar, yang bisa memengaruhi pembentukan lasan.

Oleh karena itu, perlu untuk memilih laju aliran gas plasma yang sesuai berdasarkan diameter nosel, jenis gas plasma, arus pengelasan, dan kecepatan pengelasan.

Apabila menggunakan metode fusi, maka perlu mengurangi laju aliran gas plasma secara tepat untuk meminimalkan gaya aliran plasma.

(4) Kecepatan pengelasan

Kecepatan pengelasan harus dipilih berdasarkan laju aliran gas plasma dan arus pengelasan, memastikan bahwa ketiga parameter tersebut disesuaikan dengan tepat. Apabila kondisi lainnya konstan, meningkatkan kecepatan pengelasan akan mengurangi masukan panas dan mengurangi diameter lubang kecil sampai menghilang.

Namun, peningkatan kecepatan pengelasan yang berlebihan dapat mengakibatkan undercut atau porositas.

Di sisi lain, jika kecepatan pengelasan terlalu rendah, logam dasar dapat menjadi terlalu panas dan logam cair dapat terkulai. Oleh karena itu, kecepatan pengelasan, laju aliran gas plasma, dan arus pengelasan harus disesuaikan dengan baik.

(5) Jarak nozzle ke benda kerja

Jika jaraknya terlalu jauh, kemampuan penetrasi akan berkurang. Jika jaraknya terlalu kecil, ini dapat menyebabkan penyumbatan nozzle. Umumnya, jarak diatur antara 3 hingga 8mm. Dibandingkan dengan pengelasan tungsten inert gas (TIG), variasi jarak nosel tidak terlalu berdampak pada kualitas pengelasan.

(6) Laju aliran gas pelindung

Laju aliran gas pelindung harus dipilih berdasarkan arus pengelasan dan laju aliran gas plasma. Di bawah laju aliran gas plasma tertentu, laju aliran gas pelindung yang berlebihan dapat mengganggu aliran gas, sehingga memengaruhi stabilitas busur dan efektivitas perlindungan.

Di sisi lain, laju aliran gas pelindung yang terlalu rendah dapat mengakibatkan perlindungan yang tidak memadai. Oleh karena itu, laju aliran gas pelindung harus dalam proporsi yang sesuai dengan laju aliran gas plasma.

Untuk pengelasan jenis perforasi, laju aliran gas pelindung umumnya berkisar antara 15 hingga 30 L/menit.

(7) Inisiasi busur dan pemutusan busur

Ketika menggunakan metode perforasi untuk mengelas pelat tebal, cacat seperti porositas dan undercut cenderung terjadi pada titik inisiasi dan terminasi busur.

Untuk sambungan butt, digunakan pelat inisiasi dan terminasi busur. Busur pertama-tama diinisiasi pada pelat inisiasi, kemudian dialihkan ke benda kerja, dan akhirnya diakhiri pada pelat terminasi, menutup lubang kecil.

Namun, untuk sambungan melingkar, pelat inisiasi dan terminasi busur tidak dapat digunakan. Sebagai gantinya, metode peningkatan arus pengelasan dan laju aliran gas plasma secara bertahap digunakan untuk memulai busur pada benda kerja, dan busur ditutup dengan secara bertahap mengurangi arus dan laju aliran gas plasma untuk menutup lubang kecil.

2. Pemotongan Busur Plasma

1. Prinsip Pemotongan

Prinsip peleburan dan peniupan: Busur plasma sepenuhnya melelehkan benda kerja, dan gaya pembilasan mekanis berkecepatan tinggi dari aliran plasma menerbangkan logam cair atau non-logam, membentuk potongan yang sempit.

Pemotongan gas: Memanfaatkan pembakaran dan hembusan.

Keuntungan:

• 1. Dapat memotong logam apa saja: baja, aluminium, tungsten, tembaga, titanium, molibdenum, dll. Dapat memotong non-logam: seperti granit, batu bata tahan api, beton, dll.
• 2. Kecepatan potong yang cepat dan produktivitas tinggi.
• 3. Kualitas potongan yang baik: halus, zona terpengaruh panas (HAZ) kecil, deformasi minimal, dan potongan mendekati vertikal.

Kekurangan:

• Beban peralatan, tegangan tanpa beban tinggi.

2. Teknik pemotongan

1. Gas Plasma

1) Jenis

• Gas argon: Tegangan tanpa beban rendah (70-80V), tetapi suhu busur rendah, cocok untuk memotong ketebalan kurang dari 30mm.
• Gas nitrogen: Karena penguraian gas nitrogen secara endotermis, busur semakin terkompresi, menghasilkan suhu busur yang lebih tinggi dan daya dukung panas yang lebih tinggi, sehingga memungkinkan peningkatan ketebalan dan kecepatan pemotongan. Tegangan tanpa beban lebih tinggi dari 165V.
• Gas nitrogen + gas hidrogen: Lebih jauh meningkatkan suhu busur dan daya dukung panas, memungkinkan peningkatan ketebalan dan kecepatan pemotongan. Tegangan tanpa beban lebih tinggi dari 300V.
• Gas nitrogen + gas argon
• Udara: Biaya rendah, suhu busur tinggi karena reaksi oksidasi eksotermik, memungkinkan ketebalan pemotongan yang besar dan kecepatan pemotongan yang tinggi. Kualitas pemotongan juga bagus, tetapi elektroda tungsten rentan terhadap oksidasi. Oleh karena itu, elektroda hafnium-tembaga atau elektroda komposit zirkonium-tembaga sering digunakan, karena elektroda ini membentuk lapisan oksida yang mencegah oksidasi lebih lanjut.

2) Laju aliran

Laju aliran gas plasma jauh lebih tinggi daripada yang digunakan dalam pengelasan, karena busur plasma membutuhkan busur yang lebih keras.

2. Parameter Proses

1) Tegangan tanpa beban:

Hal ini tidak hanya mempengaruhi kinerja pengapian busur tetapi juga mempengaruhi kekakuan busur. Tegangan tanpa beban yang lebih tinggi menghasilkan busur yang lebih kuat dan gaya pembilasan yang lebih besar, sehingga memungkinkan kecepatan dan ketebalan pemotongan yang lebih tinggi.

2) Arus dan tegangan busur:

Meningkatkan arus dan tegangan busur dapat meningkatkan ketebalan dan kecepatan pemotongan, dengan tegangan memiliki efek yang lebih signifikan. Namun demikian, meningkatkan arus dapat menyebabkan terbentuknya busur ganda dan lebih besar kerf.

3) Kecepatan pemotongan:

Direkomendasikan untuk memaksimalkan kecepatan sekaligus memastikan penetrasi yang sempurna. Meningkatkan kecepatan potong akan meningkatkan produktivitas dan mengurangi deformasi serta zona yang terpengaruh panas. Pemotongan lambat kecepatan menghasilkan produktivitas yang lebih rendah, peningkatan risiko pembentukan sampah, dan zona yang terpengaruh panas yang lebih besar.

4) Jarak nozzle ke benda kerja:

Pada umumnya, jarak 8-10mm lebih disukai. Menambah jarak akan meningkatkan daya busur, tetapi juga menyebabkan pembuangan panas yang lebih besar, efisiensi busur yang lebih rendah, gaya pembilasan yang berkurang, dan peningkatan risiko pembentukan sampah. Hal ini juga lebih rentan terhadap busur ganda. Sebaliknya, jarak yang terlalu rendah dapat menyebabkan penyumbatan nozzle.