Desenvolvimento de uma tocha de plasma híbrida para o processamento de materiais

Abstract

O principal objetivo deste trabalho foi apresentar o projeto, o desenvolvimento, a caracterização e a aplicação de um novo dispositivo híbrido gerador de plasma. Este dispositivo consiste em uma tocha de plasma híbrida, a qual é caracterizada pela formação simultânea de dois arcos plasmas, em apenas um dispositivo, que geram um jato de plasma com elevada densidade de energia. Esta tocha é proveniente da união de dois processos geradores de plasma: Plasma Não-Transferido e Propulsor Magnetoplasmadinâmico. A tocha de plasma híbrida desenvolvida no Laboratório de Soldagem & Técnicas Conexas foi submetida aos seguintes testes: testes iniciais de funcionamento para verificar possíveis problemas de projeto e limites de operação da tocha; testes experimentais para caracterização da tocha de plasma híbrida, os quais consistiram em determinar as curvas características de tensão e corrente, o comprimento do jato de plasma, a distribuição de temperatura do jato de plasma expulso para fora da câmara, e a força propulsora resultante do jato de plasma; e testes de aplicação da tocha de plasma híbrida em processos de fabricação, tais como soldagem, corte e endurecimento superficial. Com base nos resultados obtidos para os testes de funcionamento do dispositivo, alguns problemas de isolamento elétrico e térmico foram encontrados e resolvidos. Quanto aos resultados dos testes de caracterização, os parâmetros de funcionamento da tocha de plasma híbrida apresentaram influência significativa sobre as curvas características de tensão e corrente, os comprimentos do jato de plasma, as forças propulsoras resultantes e as distribuições de temperatura. Os resultados obtidos nos testes de aplicação do dispositivo em processos de fabricação foram satisfatórios, isto é, foi possível realizar soldagens, cortes e endurecimento superficial com a tocha de plasma híbrida. Contudo, um novo dispositivo gerador de plasma foi desenvolvido para aplicações em processos de fabricação, porém novos estudos devem ser realizados para encontrar melhores parâmetros e assim conseguir soldagem, corte e endurecimento superficial com excelentes qualidades.

The main objective of this work was to present the project, development, characterization and application to a new hybrid plasma generator device. This device consists of a hybrid plasma torch that is characterized by the simultaneous formation of two plasma arcs in only one device, generating a plasma jet with high energy density. This torch arises from the union of two different plasma processes: Plasma Non-transferred and Magnetoplasmadynamic Thruster. The hybrid plasma torch developed in the Welding & Related Techniques Laboratory was submitted to the following trials: trials of operation to identify possible design problems and operations torch limits; trials to characterization of hybrid plasma torch that determined the characteristics curves of voltage and current, the length, the temperature distribution, and the thruster of the plasma jet; and application trials of hybrid plasma torch in manufacturing process, such as welding, cutting and hardening surface. Based at initial operation trials results with the device, some electrical and thermal insulation problems were found and solved. Concerning the results of the characterization trials, the hybrid plasma torch parameters had a significant influence over the voltage and current curves, the lengths of the plasma jet, the resultant thrusters and the temperature distributions. The results obtained in manufacturing process application trials were satisfactory, i.e. was possible to carry out welding, cutting and hardening surface with the hybrid plasma torch. However, a new plasma generated device was developed for application in manufacturing processes, but further studies should be performed to find the best parameters to acquire excellent qualities of welding, cutting and hardening surface.