Плазменная обработка металлов это

Обновлено: 05.10.2024

Процесс обработки материалов при помощи плазмы с целью изменения физических или химических свойств поверхности обрабатываемого объекта. Резка металлов сжатой плазменной дугой, которая горит между анодом (разрезаемым металлом) и катодом плазменной горелки.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	03.12.2013
Размер файла	356,0 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и науки РФ

Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Амосова»

по дисциплине: Материаловедение

Плазменная обработка материалов

студент 3 курса ОГР-11

Плазменная обработка -- процесс обработки материалов при помощи плазмы с целью изменения физических или химических свойств поверхности обрабатываемого объекта.

Подвидами плазменной обработки являются:

Плазмостимулированное осаждение из газовой фазы (PECVD)

Плазменная обработка, обработка материалов низкотемпературной плазмой, генерируемой дуговыми или высокочастотными плазматронами. При плазменной обработке изменяется форма, размеры, структура обрабатываемого материала или состояние его поверхности. Плазменная обработка включает: разделительную и поверхностную резку, нанесение покрытий, наплавку, сварку, разрушение горных пород (плазменное бурение).

Плазменная обработка получила широкое распространение вследствие высокой по промышленным стандартам температуры плазмы (~ 10 4 К), большого диапазона регулирования мощности и возможности сосредоточения потока плазмы на обрабатываемом изделии; при этом эффекты плазменной обработки достигаются как тепловым, так и механическим действием плазмы (бомбардировкой изделия частицами плазмы, движущимися с очень высокой скоростью -- так называемый скоростной напор плазменного потока). Удельная мощность, передаваемая поверхности материала плазменной дугой, достигает 10 5 --10 6 Вт/см 2 , в случае плазменной струи она составляет 10 3 --10 4 Вт/см 2 . В то же время тепловой поток, если это необходимо, может быть рассредоточен, обеспечивая «мягкий» равномерный нагрев поверхности, что используется при наплавке и нанесении покрытий.

Резка металлов осуществляется сжатой плазменной дугой, которая горит между анодом (разрезаемым металлом) и катодом плазменной горелки. Стабилизация и сжатие токового канала дуги, повышающее её температуру, осуществляются соплом горелки и обдуванием дуги потоком плазмообразующего газа (Ar, N₂, H₂, NH₄ и их смеси). Для интенсификации резки металлов используется химически активная плазма. Например, при резке воздушной плазмой O₂, окисляя металл, даёт дополнительный энергетический вклад в процесс резки. Плазменной дугой режут нержавеющие и хромоникелевые стали, Cu, Al и др. металлы и сплавы, не поддающиеся кислородной резке. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять её в поточных непрерывных производственных процессах. Мощность установок достигает 150 кВт. Неэлектропроводные материалы (бетоны, гранит, тонколистовые органические материалы) обрабатывают плазменной струей (дуга горит в сопле плазменной горелки между её электродами). Нанесение покрытий (напыление) производится для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах или подверженных интенсивному механическому воздействию. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, окислы, карбиды, силициды, бориды и др.) вводят в виде порошка или проволоки в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется, приобретает скорость ~ 100 -- 200 м/сек и в виде мелких частиц (20--100 мкм) наносится на поверхность изделия. Плазменные покрытия отличаются пониженной теплопроводностью и хорошо противостоят термическим ударам. Мощность установок для напыления 5--30 кВт, максимальная производительность 5--10 кг напыленного материала в час. Для получения порошков со сферической формой частиц, применяемых в порошковой металлургии, в плазменную струю вводят материал, частицы которого, расплавляясь, приобретают под действием сил поверхностного натяжения сферическую форму. Размер частиц может регулироваться в пределах от нескольких мкм до 1 мм. Более мелкие (ультрадисперсные) порошки с размерами частиц 10 нм и выше получают испарением исходного материала в плазме и последующей его конденсацией.

Свойство плазменной дуги глубоко проникать в металл используется для сварки металлов. Благоприятная форма образовавшейся ванны позволяет сваривать достаточно толстый металл (10--15 мм) без специальной разделки кромок. Сварка плазменной дугой отличается высокой производительностью и, вследствие большой стабильности горения дуги, хорошим качеством. Маломощная плазменная дуга на токах 0,1--40 а удобна для сварки тонких листов (0,05 мм) при изготовлении мембран, сильфонов, теплообменников из Ta, Ti, Mo, W, Al.

Плазматрон, плазмотрон, плазменный генератор, газоразрядное устройство для получения «низкотемпературной» (Т >> 10 4 К) плазмы. Плазматрон используются главным образом в промышленности в технологических целях, но устройства, аналогичные плазматрону, применяют и в качестве плазменных двигателей. Начало широкого использования плазматрона в промышленной и лабораторной практике (и появление самого термина «плазматрон») относится к концу 50-х -- началу 60-х гг. 20 в., когда были разработаны эффективные с инженерной точки зрения способы стабилизации высокочастотного разряда и дугового разряда, а также способы изоляции стенок камер, в которых происходят эти разряды, от их теплового действия. Соответственно, наиболее широкое распространение получили дуговые и высокочастотные (ВЧ) плазматроны.

Дуговой плазматрон постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества; разрядная камера может быть совмещена с электродами -- так называемыми плазматронами с полым катодом. (Реже используются дуговые плазматроны, работающие на переменном напряжении; при частоте этого напряжения » 10 5 Гц - их относят к ВЧ плазматронам.) Существуют дуговые плазматроны с осевым и коаксиальным расположением электродов, с тороидальными электродами, с двусторонним истечением плазмы, с расходуемыми электродами (рис. 1) и т.д. Отверстие разрядной камеры, через которое истекает плазма, называется соплом плазматрона (в некоторых типах дуговых плазматронов границей сопла является кольцевой или тороидальный анод). Различают две группы дуговых плазматронов -- для создания внешней плазменной дуги (обычно называется плазменной дугой) и плазменной струи. В плазматронах 1-й группы дуговой разряд горит между катодом плазматрона и обрабатываемым телом, служащим анодом. Эти плазматроны могут иметь как только катод, так и второй электрод вспомогательный анод, маломощный разряд на который с катода (кратковременный или постоянно горящий) «поджигает» основную дугу. В плазматронах 2-й группы плазма, создаваемая в разряде между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.

Рис. 1. Схема дуговых плазматронов: а -- осевой; б -- коаксиальный; в с тороидальными электродами; г -- двустороннего истечения; д -- с внешней плазменной дугой; е -- с расходуемыми электродами (эрозионный); 1 -- источник электропитания; 2 -- разряд; 3 -- плазменная струя; 4 -- электрод; 5 -- разрядная камера; 6 -- соленоид; 7 -- обрабатываемое тело

Стабилизация разряда в дуговых плазматронах осуществляется магнитным полем, потоками газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространённых способов магнитной стабилизации плазменно-струйных плазматронов с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости анода сильного магнитного поля, которое вынуждает токовый канал дуги непрерывно вращаться, обегая анод. Поэтому перемещаются по кругу анодные и катодные пятна дуги, что предотвращает расплавление электродов (или их интенсивную эрозию, если они выполнены из тугоплавких материалов).

К числу способов газовой стабилизации, теплоизоляции и сжатия дуги относится так называемая «закрутка» -- газ подаётся в разрядную камеру по спиральным каналам, в результате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и генерируемую плазменную струю: слой более холодного газа под действием центробежных сил располагается у стенок камеры, предохраняя их от контакта с дугой. В случаях, когда не требуется сильного сжатия потока плазмы (например, в некоторых плазматронах с плазменной дугой, используемых для плавки металла), стабилизирующий газовый поток не закручивают, направляя параллельно столбу дуги, и не обжимают соплом (катод располагают на самом срезе сопла). Очень часто стабилизирующий газ одновременно является и плазмообразующим веществом. Применяют также стабилизацию и сжатие дуги потоком воды (с «закруткой» или без неё).

Плазма дуговых плазматронов неизбежно содержит частицы вещества электродов вследствие их эрозии. Когда этот процесс по технологическим соображениям полезен, его интенсифицируют (плазматрон с расходуемыми электродами); в других случаях, напротив, минимизируют, изготовляя электроды из тугоплавких материалов (вольфрам, молибден, спец. сплавы) и (или) охлаждая их водой, что, кроме того, увеличивает срок службы электродов. Более «чистую» плазму дают ВЧ плазматроны (см. ниже).

Плазматроны с плазменной струёй обычно используют при термической обработке металлов, для нанесения покрытий, получения порошков с частицами сферической формы, в плазмохимической технологии и пр.; плазматроны с внешней дугой служат для обработки электропроводных материалов; плазматроны с расходуемыми электродами применяют при работе на агрессивных плазмообразующих средах (воздухе, воде и др.) и при необходимости генерации металлической, углеродной и т.д. плазмы из материала электродов (например, при карботермическом восстановлении руд).

Мощность дуговых плазматронов 10 2 --10 7 Вт; температура струи на срезе сопла 3000--25000 К; скорость истечения струи 1--10 4 м/сек; промышленное кпд 50--90%; ресурс работы (определяется эрозией электродов) достигает несколько сотен ч, в качестве плазмообразующих веществ используют воздух, N2, Ar, H₂, NH₄, O₂, H₂O, жидкие и твёрдые углеводороды, металлы, пластмассы.

Высокочастотный плазматрон включает: электромагнитную катушку-индуктор или электроды, подключенные к источнику высокочастотной энергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Различают индукционные, ёмкостные, факельные плазмотроны, плазматроны на коронном разряде и с короной высокочастотной, а также сверхвысокочастотные (СВЧ) плазматроны (рис. 2). Наибольшее распространение в технике получили индукционные ВЧ плазматроны, в которых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами. Т. к. индукционный высокочастотный разряд является безэлектродным, эти плазматроны используют для нагрева активных газов (O₂, Cl₂, воздуха и др.), паров агрессивных веществ (хлоридов, фторидов и др.), а также инертных газов, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте. С помощью индукционных плазматронов получают тонкодисперсные и особо чистые порошковые материалы на основе нитридов, боридов, карбидов и др. химических соединений. В плазмохимических процессах объём разрядной камеры таких плазматронов может быть совмещен с реакционной зоной. Мощность плазматрона достигает 1 МВт, температура в центре разрядной камеры и на начальном участке плазменной струи ~ 10 4 К, скорость истечения плазмы 0--10 3 м/сек, частоты -- от нескольких десятков тыс. Гц до десятков МГц, промышленное кпд 50--80%, ресурс работы до 3000 ч. В СВЧ плазматроне рабочие частоты составляют тысячи и десятки тыс. МГц; в качестве питающих их генераторов применяются магнетроны. ВЧ плазматроны всех типов, кроме индукционных, применяются (70-е гг. 20 в.) главным образом в лабораторной практике. В ВЧ плазматроне, как и в дуговых, часто используют газовую «закрутку», изолирующую разряд от стенок камеры. Это позволяет изготовлять камеры ВЧ плазматрона из материалов с низкой термостойкостью (например, из обычного или органического стекла).

Рис. 2. Схемы высокочастотных плазматронов: а -- индукционный; б ёмкостный; в -- факельный; г -- сверхвысокочастотный; 1 -- источник электропитания; 2 -- разряд; 3 -- плазменная струя; 4 -- индуктор; 5 -- разрядная камера; 6 -- электрод; 7 -- волновод

Для пуска плазматрона, т. е. возбуждения в нём разряда, применяют: замыкание электродов, поджиг вспомогательного дугового разряда, высоковольтный пробой межэлектродного промежутка, инжекцию в разрядную камеру плазмы и др. способы. Основные тенденции развития плазматронов: разработка специализированных плазматронов и плазменных реакторов для металлургической, химической промышленностей, повышение мощности в одном агрегате до 1--10 МВт, увеличение ресурса работы и т.д.

Плазменная горелка, ручной дуговой плазматрон для нанесения покрытий, резки, сварки, наплавки и др. процессов плазменной обработки. По принципу действия различают две группы плазменных горелок: для работы плазменной дугой и для работы плазменной струёй. При механизированной обработке плазменная горелка закрепляется на специальной установке; для нанесения покрытий и наплавки она обычно оснащается устройством для подачи распыляемого или наплавляемого материала (в виде порошка или проволоки). Такая плазменная горелка называется плазменной головкой. Мощность плазменной горелки достигает 100 кВт, плазмообразующими газами служат Ar, Не, N₂, NH₄, воздух и их смеси. Для зажигания дугового разряда в начале работы необходимо замкнуть зазор между катодом и анодом плазменной горелки (плазменная струя) или между катодом и обрабатываемым металлом (плазменная дуга) или иным образом возбудить разряд.

плазма металл горелка резка

1. Соснин, Н.А. Плазменные процессы [Текст]: руководство для инженеров / Н.А. Соснин, С.А. Ермаков, П.А. Тополянский. - СПб.: Политехника, 2008. - 406 с.

2. Кречмар, Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс [Текст] / Э. Кречмар. - М.: Машиностроение, 1966. - 432 с.

3. Хасуй, А. Наплавка и напыление [Текст] / А. Хасуй, О. Моригаки. - М.: Машиностроение, 1985. - 239 с.

4. Хасуй, А. Техника напыления [Текст] / А. Хасуй. - М.: Машиностроение, 1975. - 288 с.

Плазменная обработка материалов

Внедрение плазменной обработки в промышленность ознаменовало технологический прорыв и переход на качественно новый уровень производства. Область применения полезных свойств плазмы очень обширна. Прежде всего это производство приборов электроники и полупроводниковых приборов. Без плазмохимического травления свет вряд ли увидели бы современные производительные персональные компьютеры. Но это далеко не все.

Ионно-плазменная обработка применяется также в оптике и машиностроении для полировки изделий, нанесения защитных покрытий, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов, а также для сварки и раскроя листовой стали. В данной работе основное внимание уделяется именно технологиям сварки и резки с использованием плазмы.

Общие положения

Из школьных уроков по физике каждый знает, что вещество может существовать в четырех состояниях: твердое, жидкое, газ, а также плазма. Больше всего вопросов возникает при попытке представить последнее состояние. А на самом деле все не так сложно. Плазма – это тоже газ, только его молекулы, что называется, ионизированы (то есть оторваны от электронов). Такое состояние может быть достигнуто разными способами: в результате воздействия высоких температур, а также как результат бомбардировки электронами атомов газа в вакууме.

Такую плазму принято называть низкотемпературной. Такая физика процесса используется при осуществлении плазменного напыления (травления, насыщения) в вакууме. Помещая частицы плазмы в магнитное поле, им можно придавать направленное движение. Как показала практика, такая обработка более эффективна по ряду параметров классических операций в технологии машиностроения (насыщение в порошковых средах, газопламенная резка, поливание при помощи пасты на основе оксида хрома и так далее).

Виды плазменной обработки

В настоящее время плазма активно используется практически во всех отраслях промышленности и народного хозяйства: медицина, машиностроение, приборостроение, строительство, наука и так далее.

Первопроходцем в применении плазменных технологий было приборостроение. Промышленное применение плазменной обработки началось с использования свойств ионизированного газа для распыления всевозможных материалов и нанесения их на подкладки, а также для травления каналов с целью получения микросхем. В зависимости от некоторых особенностей устройства технологических установок различают плазмохимическое травление, ионно-химическое, а также ионно-лучевое.

Освоение плазмы – это невероятно ценный вклад в развитие технологий и улучшение, без преувеличения, качества жизни всего человечества. С течением времени область применения ионов газа расширялась. И сегодня плазменная обработка (в том или ином виде) применяется для создания материалов с особыми свойствами (жаростойкость, твердость поверхности, коррозионная стойкость и так далее), для эффективной резки по металлу, для сваривания, для полирования поверхностей и устранения микронеровностей.

Этим списком не ограничивается применение технологий, основанных на воздействии плазмы на обрабатываемую поверхность. В настоящее время активно развиваются средства и методы плазменного напыления с использованием различных материалов и режимов обработки с целью достижения максимальных показателей механических и физических свойств.

Сущность плазменной сварки

В отличие от установок ионно-плазменного насыщения и напыления, в данном случае плазменная обработка осуществляется с применением высокотемпературной плазмы. Эффективность данного метода более высокая, чем при применении традиционных методов сварки (газопламенная, электродуговая, сварка под флюсом и так далее). В качестве рабочей газовой смеси используется, как правило, обычный атмосферный воздух под давлением. Таким образом, данная методика характеризуется отсутствием затрат на расходные газы.

Преимущества плазменной сварки

По сравнению с традиционными видами сварки использование плазменного сварочного аппарата более безопасно. Причина вполне ясна – применение в качестве рабочего газа атмосферного кислорода под давлением. В настоящее время безопасности на производстве уделяется очень пристальное внимание со стороны владельцев бизнеса, руководителей и надзорных органов.

Еще одно очень важное преимущество – высокое качество сварного шва (минимум наплывов, непроваров и других дефектов). Хотя для того чтобы научиться умело пользоваться плазменным сварочным аппаратом, необходимы долгие месяцы практики. Только в таком случае сварной шов и соединения в целом будут соответствовать высоким стандартам.

Данная технология имеет целый ряд и других преимуществ. Среди них: высокая скорость процесса сваривания (производительность возрастает), небольшой расход энергоресурсов (электроэнергия), высокая точность соединения, отсутствие деформаций и короблений.

Оборудование для плазменной резки

Сам процесс очень чувствителен к используемым источникам тока. Поэтому допускается применять лишь очень качественные и надежные трансформаторы, демонстрирующие постоянство выдаваемого напряжения. Используются понижающие трансформаторы, которые преобразовывают высокое напряжение на входе в низкое на выходе. Стоимость подобного оборудования в разы меньше стоимости традиционных преобразователей для электродуговой сварки. К тому же они более экономичны.

Оборудование для плазменной резки характеризуется простотой использования. Поэтому при наличии хотя бы минимального опыта и навыков можно производить все сварочные работы самостоятельно.

Технология плазменной сварки

В зависимости от напряжения питания плазменная сварка подразделяется на микросварку, сварку на среднем и на большом токе. Сам процесс основан на воздействии направленного потока высокотемпературной плазмы на электрон и на свариваемые поверхности. Электрод оплавляется, в результате чего образуется неразъемное сварочное соединение.

Плазменная резка

Плазменной резкой называется процесс, при котором металл разрезается на составные части направленным потоком высокотемпературной плазмы. Данная технология обеспечивает идеально ровную линию разреза. После плазменного резака необходимость в дополнительной обработке контура изделий (будь то листовой материал или трубная продукция) отпадает.

Процесс может осуществляться как при помощи ручного резака, так и с использованием станка плазменной резки для раскроя листового стального проката. Плазма образуется при воздействии на поток рабочего газа электрической дуги. В результате значительного локального нагрева происходит ионизация (отрыв отрицательно заряженных электронов от положительно заряженных атомов).

Область применения плазменной резки

Струя высокотемпературной плазмы обладает очень большой энергией. Температура ее настолько велика, что она с легкостью буквально испаряет многие металлы и сплавы. В основном данная технология используется для нарезания стальных листов, листов из алюминия, бронзы, латуни и даже титана. Причем толщина листа может быть самой разной. На качестве линии среза это не отразится – она будет идеально гладкой и ровной, без потеков.

Однако следует учесть, что для получения качественного и ровного среза при работе с толстостенными материалом необходимо использовать станок плазменной резки. Мощности ручного резака будет недостаточно для раскроя металла толщиной от 5 до 30 миллиметров.

Газовая резка или плазменная?

Какому виду резки и раскроя металла отдать предпочтение? Что лучше: кислородно-газовая резка или же технология плазменной резки? Второй вариант, пожалуй, является более универсальным, так как подходит практически для любого материала (даже склонного к окислению при повышенных температурах). Кроме того, плазменная резка осуществляется с использованием обычного атмосферного воздуха, а значит, не требует приобретения дорогостоящих расходных материалов. Да и линия разреза получается идеально ровной и не требует доработки. Все это в комплексе значительно снижает себестоимость изделия и делает продукцию более конкурентоспособной.

Материалы, подвергаемые плазменной резке

Следует учитывать тот факт, что максимально допустимая толщина обрабатываемого металла или сплава зависит от самого материала или его марки. Опираясь на многолетний производственный опыт и опыт лабораторных исследований, специалисты дают следующие рекомендации по толщине обрабатываемых материалов: чугун – не более девяти сантиметров, сталь (вне зависимости от химического состава и наличия легирующих элементов) – не более пяти сантиметров, медь и сплавы на ее основе – не более восьми сантиметров, алюминий и его сплавы – не более 12 сантиметров.

Все перечисленные значения характерны для условий ручной обработки. Примером такого агрегата отечественного производства может служить плазменный аппарат «Горыныч». Он гораздо дешевле зарубежных аналогов, при этом ничуть не уступает, а возможно, даже и превосходит их по качеству. На рынке представлен широкий модельный ряд аппаратов данного производителя, которые предназначаются для выполнения различных работ (бытовые сварочные работы, резка и сварка металлов различной толщины включительно). Листы большей толщины могут обрабатываться исключительно на станочном оборудовании большой мощности.

Существующие способы плазменной резки

Все существующие способы плазменной резки можно разделить на струйные и дуговые. Причем совершенно не имеет значения, используется ли ручной резак или же станок плазменной резки и раскроя листового материала с ЧПУ. В первом случае все необходимые условия для ионизации газа реализованы в самом резаке. Такой аппарат может обрабатывать практически любые материалы (металлы и неметаллы). Во втором случае обрабатываемый материал должен обладать электропроводностью (в противном случае не будет возникать электрическая дуга и происходить ионизация газа).

Помимо различий в способе образования плазмы, плазменная обработка может также классифицироваться по технологическим особенностям резания на простую (без использования вспомогательных веществ), на обработку с водой и обработку в среде защитного газа. Последние два способа позволяют значительно увеличить скорость резания и при этом не опасаться окисления металла.

Плазменная обработка

Применение плазмы в технологических целях основано на использовании высоких температур (4000. 16 000 °С), возникающих при соприкосновении ионизированного газа (плазмы) с поверхностью обрабатываемойдетали. Плазму используют для резки, сварки, плавки, нанесения покрытий, испарения, очистки и подогрева детали (при обработке резанием).

Струю плазмы получают при помощи двух типов плазмотронов, в которых происходит нагрев какого-либо газа концентрированной электрической дугой. Различают плазмотроны двух типов. В первом, плазмотроне прямого действия (рис. 18, а), электрическая дуга возникает между электродом и изделием, и струя плазмы совпадает со столбом дуги (образуется плазменная дуга). Во втором плазмотроне (косвенного действия, рис. 18, б) дуга возникает между электродом и соплом, а газ, проходящий через столб дуги, выходит в форме плазменной струи.

Электроды плазмотронов изготовляют из тугоплавких материалов — вольфрама или графита. В качестве плазмообразующих веществ используют воздух, азот, аргон, водород, кислород, воду, аммиак и др.

Плазменное нанесение покрытий (напыление и наплавка) используется для нанесения покрытий из любых тугоплавких материалов. Характеризуется высокой скоростью и равномерностью. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, оксиды, карбиды, силициды, бориды и др.) вводят в виде порошка, ленты или проволоки в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется и наносится на поверхность изделия. Плазменной наплавкой можно получить покрытия с высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью, с вкрапленными тугоплавкими частицами (армированные покрытия), а также покрытия с низкими коэффициентами трения.

Плазменные покрытия используют для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах или подверженных интенсивному механическому воздействию. Важным направлением использования плазменной наплавки является восстановление изношенных поверхностей деталей (например, валов полиграфического и бумажного производства, тормозных дисков автомобилей, лопаток турбин и т. д.).

Плазменная резка представляет собой процесс проплавления (насквозь) материала и удаления расплавленного металла мощным потоком плазмы. Плазмой могут быть разрезаны не только металлы, но и диэлектрики, например стекло или слюда. Достоинством плазменной резки является отсутствие необходимости очищать заготовку от окалины и оксидов, так как в процессе резки они плавятся и удаляются вместе с расплавленным материалом.

Плазменной дугой режут коррозионно-стойкие и хромоникелевые стали, медные, алюминиевые и другие сплавы. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять ее в поточных непрерывных производственных процессах. Плазменная резка широко применяется при производстве труб и в судостроительной промышленности.

Плазменная сварка использует свойство плазменной дуги глубоко проникать в материал. Ею можно сваривать достаточно толстый металл (10. 15 мм) без специальной разделки кромок. Сварка плазменной дугой отличается высокой производительностью и качественностью за счет стабильности горения дуги. Сварка плазмой незаменима при сварке высокотеплопроводных материалов (цветных металлов и сплавов), которые невозможно сварить другими методами.

Плазменные технологии в порошковой металлургии. Для получения специальных порошков в плазменную струю вводят материал, частицы которого, расплавляясь, приобретают необходимую в порошковой металлургии сферическую форму. Размер частиц может регулироваться в пределах от нескольких микрометров до 1 мм. Более мелкие (ультрадисперсные) нанопорошки с размерами частиц от 10 нм получают испарением исходного материала в плазме с последующей его конденсацией.

Плазменно-механическая обработка представляет собой совокупность операций по термическому разупрочнению плазменной дугой и последующему удалению с заготовки слоя металла режущим инструментом. Плазменно-механическая обработка позволяет обрабатывать такие труднообрабатываемые материалы-, как жаропрочные и коррозионно-стойкие стали, титановые сплавы, от 4 до 7 раз быстрее по сравнению с механической обработкой.

Плазменное нанесение покрытий (напыление и наплавка), плазменная резка и сварка; плазменные технологии в порошковой металлургии, плазменно-механическая обработка.

Возможности плазменной резки

Возможности плазменной резки если чем-то и ограничены, то не слишком сильно. Вообще, данный метод обработки металла пользуется в последнее время все большей популярностью благодаря своим многочисленным преимуществам.

Более того, появление автоматизированного оборудования сделало возможности плазменной резки еще шире. Главное – четко понимать, в каких случаях использование данного способа металлообработки наиболее экономически выгодно.

Технология плазменной резки металла

Плазменная резка металла представляет собой процесс, основной принцип которого выглядит следующим образом. На головку плазмотрона под высоким давлением из компрессора подается воздух. Он быстро нагревается благодаря воздействию электрического тока. В ходе нагрева возрастает количество электричества, пропускаемого сквозь себя воздушным потоком. Результатом является образование плазмы. Помимо воздуха, в ряде моделей оборудования для тех же целей используется инертный газ.

Если говорить подробнее, то плазменная резка происходит путем нагревания поверхности металла узконаправленным лучом до установленной температуры и последующим выдуванием расплава из реза.

В процессе плазменной резки неизбежно появляются отходы. Это остатки листов металла, образовавшиеся после вырезания из них деталей, их еще называют высечкой, и окалина, которая представляет собой части расплавленного материала.

Характеристики резки плазмой во многом зависят от способа обработки металла. На сегодняшний день основными являются два из них. Это:

Плазменно-дуговая резка – используется для работы с любыми проводящими электрический ток металлами. Чаще всего данный вид раскроя материалов применяют в условиях промышленного производства. Суть процесса заключается в плазме, которая образуется с помощью дуги, тянущейся от плазмотрона к поверхности металла.
Плазменно-струйная резка – считается более универсальным способом, используется для раскроя и неметаллических материалов. В отличие от предыдущего метода, здесь дуга появляется уже непосредственно внутри плазмотрона.

5 преимуществ плазменной резки

Резка материалов необходима в различных местах: на строительной площадке, в производственном цехе, в небольшой мастерской. При малом объеме работ вполне достаточно автогена. Но если необходимо высокое качество резки при больших объемах, то стоит задуматься о более совершенной аппаратуре – плазморезе (аппарате для проведения резки плазмой).

Рекомендуем статьи по металлообработке

Более полувека прошло с тех пор, как были выпущены первые модели таких аппаратов. Однако массовое их применение началось совсем недавно – около двух десятилетий назад.

Преимущества и возможности плазменной резки металла:

Высокая производительность – она может превышать показатели газовой горелки в 4–10 раз, если правильно настроить мощность аппарата. Только промышленный лазерный станок выдает большую производительность, но он значительно дороже, что сказывается на себестоимости продукции. Максимальная толщина материала составляет 50–60 мм, при больших значениях плазменная резка становится экономически невыгодной. Для толщины более 50 мм следует использовать кислородную резку металлов.
Универсальность процесса – одним аппаратом можно производить резку любого металла: чугуна и стали, титана и меди, алюминия и пр. Для работы с различными материалами необходимо только выставить правильное давление воздуха и настроить оптимальную мощность. Кроме того, не нужно специально подготавливать и очищать металл. Аппаратура одинаково режет и ржавую, и окрашенную, и грязную поверхности.
Высокое качество и точность реза – предлагаемое в настоящее время оборудование дает возможность выполнять рез минимальной ширины, кромки металла не будут иметь наплавов и грата, а также перекаливания. Это дает возможность в большинстве случае обойтись без дополнительной обработки заготовок. Аппаратура обеспечивает меньшую зону нагревания металла, чем в ходе работы автогеном, что позволяет избежать деформации даже тонких деталей.
Безопасность процесса – при работе не используются баллоны с газом.
Экологичность – за счет снижения уровня загрязнений происходит сохранение природы.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Экономическая составляющая процесса сводится к рентабельности в зависимости от объемов производства. При больших показателях плазменная резка становится эффективнее механической или кислородной. В остальном же следует обращать внимание на суммарную трудоемкость того или иного процесса. Примером может служить фигурный рез, который необходимо сделать в листе большой толщины. Его можно выполнить автогеном, но дальнейшая обработка заготовки (шлифовка кромок) отнимет много сил и времени.

3 недостатка плазменной резки

Помимо достоинств, у плазменной рези есть и недостатки. Во-первых, чрезвычайно небольшая толщина обрабатываемого материала, самые мощные из аппаратов способны разрезать металл толщиной не более 80–100 мм. В сравнении с ней кислородный способ резки допускает раскрой стали и чугуна толщиной до 500 мм.

Во-вторых, наличие чрезвычайно жестких требований, не допускающих отклонения от перпендикулярности реза. Угол отклонения в 10– 50° (зависит от толщины материала) не должен быть превышен. В противном случае рез значительно расширится, а расходные материалы будут быстро изнашиваться.

В-третьих, используемое оборудование настолько сложно, что у мастера нет возможности применения сразу двух резаков. Это можно делать при более простой резке штучным электродом.

6 технических возможностей плазменной резки металла

Возможности плазменной резки с успехом используются во многих областях промышленного производства. Данная технология может быть применена практически ко всем материалам, скорости работы могут быть любыми, как и достаточно большой диапазон разрезаемых толщин.

Плазменная обработка листов металла – незаменимый способ резки для листового материала небольшой толщины. Ручная плазменная резка дает возможность делать приборы небольшого размера, которые имеют малые вес и энергопотребление. Плазмой можно разрезать большинство материалов, в список которых входят бронза и сталь, чугун и латунь, титан и медь, а также алюминий и сплавы с этими металлами. А вот на толщину металла надо обращать большое внимание, она связана с его теплопроводностью. При высоком показателе толщина разрезаемого материала уменьшается, а при низком возрастает.
Плазменная обработка стали – плазмой режется сталь самой разной толщины. Ей подвластна даже нержавейка, чего не скажешь о кислородной резке. Грот при работе практически не образуется, это дает возможность резать качественно и быстро. Плазменная резка ускоряет процесс производства узких продольных полосок стали (штрипсов) и листов определенного размера из рулонной стали.
Плазменная обработка чугуна – для данного материала это самый эффективный способ резки. Он экономичен и быстр, что дает ему преимущества перед обработкой посредством газа и болгарки. В тяжелой промышленности плазменную резку чугуна использовать чрезвычайно выгодно и предпочтительно, к примеру, для обработки большого количества лома, скопившегося в цехе и нуждающегося в разборке и транспортировке. Плазма глубоко режет металл, что дает возможность использовать метод в самых трудоемких задачах.
Плазменная обработка труб – самым удобным оборудованием для этой цели являются труборезы с центраторами. Они дают значительно большую четкость обработки металла, чем классическое оборудование для резки труб, например, в сравнении с автогенной газовой резкой. Помимо основных функций, аппаратура плазменной резки труб способна проводить подготовку поверхности материала к работе, снимать фаску, зачищать швы, разделывать кромки. Для удобства и точности перемещения вдоль трубы на аппараты установлены специальные приводы.
Плазменная обработка отверстий – достаточно частый процесс, который происходит на металлообрабатывающих производствах. Отверстия для болтовых соединений изготавливают на самых современных станках плазменной резки. Причем их качество не ниже, а иногда и выше, результатов лазерной или гидроабразивной резки.
Плазменная фигурная обработка материалов – относится к художественным видам резки, выполняется на специальном оборудовании. Применяется как в строительстве, так и в иных сферах производства. Фигуры и детали разной степени сложности могут быть получены благодаря применению станков с ЧПУ со специально написанными программами.

Сложная контурная резка доступна для заготовок толщиной не более 100 мм. Важной особенностью является независимость результата от таких негативных факторов, как грязь, ржавчина, краска или цинковое покрытие листов металла. Детали нагреваются до +30 000 °С, но только локально. Данная температура способна расплавить любой из металлов.

Сферы применения плазменной резки металла

Существует ряд неоспоримых преимуществ данного способа резки материалов. Это высокая скорость и производительность, универсальность (раскрой любых материалов), сравнительно невысокая стоимость.

По этой причине плазменная резка стала пользоваться большой популярностью в таких отраслях промышленного производства, как:

строительство судов;
обработка металлов;
промышленное и гражданское строительство;
автомобилестроение;
машиностроение (тяжелое);
самолетостроение;
металлургическая промышленность;
создание металлических конструкций.

Впрочем, ее использование не ограничивается вышеперечисленным. Плазменную резку можно применять для производства мебели и торгового оборудования (особенно высокотехнологичного), а также рекламных конструкций. Услуги по резке плазмой на станках с ЧПУ востребованы в сфере ЖКХ, а также в различных частных мастерских.

Подводя итог перечислениям сфер применения и возможностей плазменной резки, можно сказать, что она нужна практически везде: и на крупных государственных предприятиях, и в маленьких компаниях, специализирующихся на обработке деталей или ковке. Ей подвластны любые металлы, в том числе тугоплавкие, а также цветные и черные, что значительно расширяет возможность использования плазменной резки.

От чего зависит стоимость плазменной резки

Возвращаясь к преимуществам плазменной резки, напомним, что основными из них являются низкая себестоимость работ на единицу длины реза, высокая производительность, а также дешевое обслуживание всего комплекса оборудования. Это дает низкую стоимость работ.

Цена проведения плазменной резки зависит от:

сложности вырезаемого изделия;
параметров заготовки;
размеров поверхности обработки.

Качественный результат плазменной резки выражается в обработке кромок с высокой точностью. Края получаются практически идеальными, что достижимо при данном виде обработки. Но требуется работа высококвалифицированного и сертифицированного специалиста, чей труд дороже. Это выливается в достаточно высокую стоимость изделия.

Почему только профессионал способен выполнить эту работу? Потому что на конечный результат влияют два важных фактора: выбор аппаратуры для резки и опыт мастера. И это еще без учета опасности и сложности процесса.

Для проведения резки специалист обязан знать и неукоснительно применять правила техники безопасности при работе, а также владеть знаниями особенностей оборудования и технологии. Кроме того, само оборудование должно находиться в специально подготовленном помещении, соответствующем всем нормам. Требования к такому цеху высокие, поскольку он относится к классу повышенной опасности.

Итак, для получения продукции высокого качества требуется воспользоваться услугами профессионалов, работающих на самом современном оборудовании, расположенном в специально подготовленном помещении.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Применение плазменной резки

Резка металла сегодня задействована во многих местах: на строительных площадках, в крупных цехах и небольших мастерских. Чаще всего для таких работ применяется обычный автоген. Применение плазменной резки обосновано при увеличенных объемах работ и в тех ситуациях, когда требуется точность и высокое качество. Специальное оборудование для использования этой технологии появилось более 50 лет назад. За последние два десятилетия такие аппараты и установки стали доступны большинству заинтересованных мастеров.

Что такое плазменная резка металла

При таком типе обработки металл нагревается струей плазмы. Этот процесс происходит с помощью специального агрегата – плазмореза. Во время работы между соплом резака и листом металла формируется высокотемпературная электродуга. Однако температуры самой дуги (+5 000 °С) недостаточно для эффективной резки, поэтому в рабочую область плазмореза в дополнение подается газ, способствующий формированию плазмы. В результате работа происходит при температуре до +30 000 °С.

Как происходит резка? Есть два способа применения этой технологии: ручной и автоматизированный.

Плазменная резка в ручном режиме проводится портативными плазморезами, конструкция которых выглядит следующим образом:

Имеется основа с трансформатором и выпрямительной подстанцией.
К основному аппарату подведен силовой кабель питания.
От аппарата к плазменному пистолету идет шлангопакет. В нем проложен воздушный шланг и силовой кабель.
В плазмотроне (его же называют плазменным пистолетом) формируется плазма для резки.

Говоря о ручном раскрое с помощью плазмы, мы имеем в виду два основных способа:

Косвенная резка струей плазмы. Данный способ практически не применяется для резки металлических деталей. Материал, который подвергается разрезанию, при использовании этого метода не принимает участия в формировании плазмы. Электрическая дуга возникает между соплом и электродом плазмотрона. Плазма образуется внутри аппарата и, вырываясь из резака, разделяет обрабатываемый материал.
Прямая плазменно-дуговая резка. Именно этот способ применяют для работ по металлу. Данная технология одинаково эффективна при ручной и механизированной плазменной резке. В этом случае электрическая дуга горит между электродом плазмотрона и обрабатываемым металлом. Плазма образуется в результате совмещения дуги со скоростным потоком воздуха. Этот метод настолько мощный, что металл практически испаряется при проведении резки.

Применение ручной плазменно-дуговой резки сегодня широко распространено: практически каждое предприятие с цехом металлообработки использует эту технологию. Более того, подобная методика стала основой бизнеса многих частных мастеров. Современные плазмотроны – это достаточно мобильные аппараты, их легко можно переносить на плечевом ремне, работать, держа в руках. С таким устройством может справится один человек.

Применение плазменной резки посредством станков с ЧПУ также находит все более широкое применение. Методика совмещения плазмотрона и возможностей числового программного управления станка позволяет раскраивать металлические детали различных форм: листы, круглые и профильные трубы. Резка происходит на высокой скорости (до 7 м/мин.) и отличается точностью (±0,25–0,35 мм).

Широкое применение получила автоматическая плазменная резка при обработке листового металла. Мощные профессиональные агрегаты способны разрезать с высокой точностью металл толщиной до 70 мм. Резаки, работающие на средней мощности, пробивают до 30 мм металла.

Ряд плазмотронов подразделяют на ручные и механизированные. Остальные аппараты плазменной резки находят применение и в ручных операциях, и при автоматическом раскрое, причем в обоих случаях это может быть один и тот же агрегат.

Станки с ЧПУ обычно гораздо производительнее ручных моделей. Наиболее распространены те, что питаются от сети в 380 V. При этом их мощность находится в пределах от 65 до 125 А.

Применение плазменной резки на станках с ЧПУ позволяет существенно сократить расход металла. Для этого разрабатываются специальные программы. Создаваемые технологами производства карты раскроя представляют собой оцифрованную копию листа металлопроката. Эта цифровая модель учитывает площадь поверхности, ширину реза и позволяет максимально эффективно расположить заготовки. Таким образом достигается наиболее рациональная обработка металлопроката на станке.

Плюсы и минусы применения плазменной резки

Плазморезы сегодня активно используются при проведении строительных работ.

Применение таких агрегатов имеет ряд плюсов.

1. Высокая производительность. Плазмотрон мощнее кислородной горелки. При правильном подборе мощности этого аппарата можно увеличить производительность в 4–10 раз. В данном аспекте плазменный резак уступает лишь промышленной лазерной установке, но это сполна перекрывается его себестоимостью.

С экономической точки зрения плазморез выгоден при работах с металлом толщиной до 60 мм. Более толстые стальные листы целесообразнее раскраивать посредством кислородной резки.

2. Универсальный метод. Применение данной технологии позволяет проводить работы практически с любым видом металлопроката. Один и тот же аппарат при разных выставленных значениях мощности и давления воздуха может обрабатывать сталь, алюминий, титан, чугун, медь и другие металлы. Удобно и то, что для резки не требуется предварительной подготовки поверхности – манипуляции можно проводить на ржавой, окрашенной или грязной.

3. Высокоточная и качественная резка. Полученные детали отличает ровная, «чистая» кромка без наплывов и перекаливания. Дополнительной обработки практически не требуется, поскольку ширина реза современных аппаратов минимальна. В отличие от использования автогена, нагреваемая при резке зона листа металла в разы меньше. Благодаря этому достигаются минимальные значения тепловой деформации.

4. Безопасность технологии. Применение метода не требует наличия взрывоопасных газовых баллонов.

5. Экономическая выгода. Безусловно, с экономической точки зрения при больших объемах производства применение плазменной резки более оправдано, чем, например, кислородной или механической. В остальных же случаях не стоит забывать о трудоемкости дополнительной обработки вырезанных деталей. Для фигурного реза толстого листа металла возможно применение автогена, но шлифовка краев после такой операции займет немало времени.

Упомянем и недостатки данной технологии. Ключевой из них – относительно небольшая толщина реза. Даже у мощных аппаратов этот показатель не превышает 100 мм. Для сравнения – кислородный метод позволяет пробить сталь или чугун толщиной до 500 мм.

Еще один минус методики – минимальный угол отклонения от перпендикулярного реза. Этот показатель не должен превышать 10–50°. Конкретная цифра зависит от толщины листа металла. Если наклон будет слишком сильный, то увеличится ширина реза и, как следствие, будет быстрее происходить износ расходных материалов.

В отличие от применения штучных электродов, подключить два плазмотрона к одному аппарату практически невозможно. Это обусловлено сложностью конструкции оборудования.

Где чаще всего применяется плазменная резка

Использование технологии плазменной резки становится все популярнее. Если сравнивать этот метод с другими, то можно сделать вывод о том, что плазмотрон позволяет достичь высоких показателей качества при достаточно простой эксплуатации и дешевой ручной установке. Поэтому применение плазменной резки металла в бизнесе разной направленности получает все более широкое распространение:

При обработке различного металлопроката – метод применим к цветным, тугоплавким и черным металлам.
Плазменная резка используется в производстве металлоконструкций.
Применение плазменной резки позволяет создавать сложные по форме детали, что используется в художественной ковке при обработке элементов.
Другие виды промышленных производств, включая машиностроение, авиастроение и даже капитальное строительство, также не обходятся без плазменной резки металла.

Ручные установки для плазменной резки сегодня применяются наравне со станками ЧПУ, оснащенными плазмотронами. Изготовленные таким методом элементы становятся частью декора лестниц, перил, ограждений и т. д.

Применение плазменной резки помогает предпринимателям построить бизнес на использовании этой технологии: имея в наличии плазмотрон, можно брать заказы на раскрой металлопроката. Подавляющее большинство металлообрабатывающих предприятий малого и среднего объема имеют в своем арсенале эту технологию.

Плазменная резка при обработке различных металлов

Широкое применение установок плазменной резки обусловлено особенностями данной технологии. Немаловажное значение имеет и экономическая выгода метода. Большим плюсом является возможность раскраивать различные типы металлов при помощи одного и того же аппарата. Кроме того, плазмотроны справляются с широким диапазоном толщины листов.

Производительность оборудования для плазменной резки в разы выше этого же показателя у газопламенных аппаратов, особенно при обработке тонких листов и металла средней толщины. Благодаря этому скорость работы на плазмотроне выше, чем при использовании газовой резки кислородом.

Применение плазменной резки подразумевает использование активных или неактивных газов в зависимости от параметров металлопроката – его толщины и типа металла:

Азотоводородная смесь применяется для работы с медью, алюминием и раскройки сплавов на их основе, но не подходит для титана и стали. Максимальная толщина листа для работы – 100 мм.
Азот с аргоном применяется при работе с высоколегированными видами сталей, не подходит для черных металлов, меди, титана и алюминия. Максимальная толщина листа стали для работы – 50 мм.
Азот применяют для резки листов титана различной толщины, меди и алюминия – до 20 мм, латуни – вплоть до 90 мм, а также при раскрое сталей различного состава и толщины: с низким содержанием углерода и легирующих компонентов – до 30 мм, высоколегированных образов – до 75 мм.
Сжатый воздух применяют для резки черных металлов, меди – до 60 мм, алюминия – до 70 мм. Этот состав не подходит для работы с титаном.
Смесь аргона с водородом применяется для резки сплавов, в основе которых алюминий и медь, а также высоколегированных сталей толщиной более 100 мм. Данный состав не подходит для раскроя титана и других типов сталей (с низким содержанием углеродов и легирующих элементов, углеродистых).

После подключения баллона с соответствующим плазмообразующим газом необходимо провести настройку технических характеристик плазмотрона:

мощности аппарата, а также статистических и динамических установок источника питания;
циклограммы плазмотрона;
метода крепления и материала катода внутри аппарата;
типа механизма охлаждения для сопла плазмореза.

Применение плазменной резки оправдано для изготовления элементов сложной конструкции, проделывания ровных отверстий. С помощью этого метода вырезают детали, которым не потребуется дополнительной обработки механическим способом. Плазменной резкой пользуются при подготовке кромок под сварку, для разрезания труб и различных профилей.

Применение станков для плазменной резки позволяет решить задачи изготовления деталей с любой формой сечения, объемных элементов (прибылей, отливок и др.). Эта технология допускает использование разных типов реза: разделительного, копьевого, поверхностного, под водой, а также плазменного пресса. Применение плазменной резки позволяет проводить финишную обработку для литья, плавку, прожигание отверстий, нанесение узора, нагрев металла, плавление, разрезание и последующую сварку, обточку и строжку, наплавку, а также закалку изделий и т. д.

Оборудование для плазменной резки заменяет собой многие инструменты: болгарки, ножовочное полотно, паяльную лампу, термофен, токарный резец, газовую горелку, лазерный резак, сварочный инвертор и др.

Читайте также: