Плазменная резка металла теория

Обновлено: 17.05.2024

Плазменная резка осуществляется аппаратом под названием плазморез. Он создаёт поток высокотемпературного ионизированного воздуха (плазмы), который разрезает заготовку.

Принцип плазменной резки основан на свойстве воздуха в состоянии ионизации становиться проводником электрического тока.

Плазморез создаёт в плазмотроне плазму (ионизированный воздух, разогретый до высокой температуры) и сварочную дугу, которые осуществляют раскрой материала.

Устройство плазмореза

Плазморез состоит из нескольких блоков:

источник электропитания; ;
компрессор;
комплект кабель-шлангов.

Источник электропитания

Источником электропитания может быть:

трансформатор. Достоинством его является то, что он практически не чувствителен к перепадам напряжения электросети и позволяет резать заготовки большой толщины, а недостатком – значительный вес и низкий КПД;
инвертор. Единственным его недостатком является то, что он не позволяет резать заготовки большой толщины. Достоинств много:
- при питании от него стабильно горит дуга;
- КПД на 30 % выше, чем у трансформатора;
- дешевле, экономичнее и легче трансформатора;
- его удобно использовать в труднодоступных местах.
Плазмотрон

Плазмотрон – это плазменный резак, с помощью которого разрезается заготовка. Он является основным узлом плазмореза.

Конструкция и схема подключения плазмотрона

Конструкция плазмотрона состоит из следующих составляющих:

Компрессор

Компрессор в плазморезе требуется для подачи воздуха. Он должен обеспечивать тангенциальную (или вихревую) подачу сжатого воздуха, которая обеспечит расположение катодного пятна плазменной дуги строго по центру электрода. Если этого не будет обеспечено, то возможны неприятные последствия:
- плазменная дуга будет гореть нестабильно;
- могут образоваться одновременно две дуги;
- плазмотрон может выйти из строя.
Принцип работы

Результат работы плазмотрона

Принцип действия плазмотрона заключается в следующем. Создаётся поток высокотемпературного ионизированного воздуха, электропроводность которого равна электропроводности разрезаемой заготовки (т.е. воздух перестаёт быть изолятором и становится проводником электрического тока).

Образуется электрическая дуга, которая локально разогревает обрабатываемую заготовку: металл плавится и появляется рез. Температура плазмы в этот момент достигает 25000 – 30000 °С. Появляющиеся на поверхности разрезаемой заготовки частички расплавленного металла будут сдуваться с нее потоком воздуха из сопла.

Технология

Технология плазменной резки металла вкратце может быть описана следующим образом. Плазменной обработке поддаются все виды металлов толщиой до 220 мм.

Эффект появляется после воспламенения плазмообразующего газа при образовании искры в контуре электрической дуги (между наконечником форсунки и неплавящимся электродом. От искры загорается поток газа, здесь же он ионизируется, превращаясь в управляемую плазму (с крайне высокой, 800 и даже 1500 м/с скоростью выхода).

В выходном отверстии, от сужения, происходит ускорение потока плазмообразующего носителя. Высокоскоростная плазменная струя позволяет получить температуру на выходе около 20 0000с. Узконаправленная струя в тысячи градусов буквально проплавляет материал в точечной области воздействия, нагрев вокруг места обработки незначительный.

Плазменно-дуговой способ используется с замыканием обрабатываемой поверхности в проводящий контур. Другой вид резки (плазменной струей) — работает при наличии стороннего (косвенного) образования высокотемпературного компонента в рабочей схеме плазмотрона. Нарезаемый металл не включен в проводящий контур

Резка плазменной струей

Раскрой заготовок плазменной струей применяется для обработки материалов, не проводящих электрический ток. При резке этим методом дуга горит между формирующим наконечником плазмотрона и электродом, а сам разрезаемый объект в электрической цепи не участвует. Для разрезания заготовки используется струя плазмы.

Плазменно-дуговая резка

Плазменно-дуговой резке подвергаются токопроводящие материалы. При выполнении резки этим методом дуга горит между разрезаемой заготовкой и электродом, её столб совмещен со струей плазмы. Последняя образуется за счет поступления газа, его нагрева и ионизации. Газ, продуваемый через сопло, обжимает дугу, придает ей проникающие свойства и обеспечивает интенсивное плазмообразование. Высокая температура газа создает высочайшую скорость истечения и увеличивает активное воздействие плазмы на плавящийся металл. Газ выдувает из зоны реза капли металла. Для активизации процесса используется дуга постоянного тока прямой полярности.

Плазменно-дуговая резка применяется при:
- производстве деталей с прямолинейными и фигурными контурами;
- вырезании отверстий или проемов в металле;
- изготовлении заготовок для сварки, штамповки и механической обработки;
- обработке кромок поковок;
- резке труб, полос, прутков и профилей;
- обработке литья.
Виды плазменной резки

В зависимости от среды, существуют три вида плазменной резки:
- простой. Этот метод подразумевает использование только воздуха (или азота) и электрического тока;
- с защитным газом. Применяются два вида газа: плазмообразующий и защитный, который сохраняет зону реза от влияний окружающей среды. В результате повышается качество реза;
- с водой. В этом случае вода выполняет функцию, аналогичную защитному газу. Кроме того, она охлаждает компоненты плазмотрона и поглощает вредные выделения.
Основанная на указанных принципах плазменная резка обеспечивает не только высокопроизводительное производство, но и совершенно пожаробезопасное: применяемые в технологии материалы не огнеопасны.

Видео

Посмотрите ролики, где наглядно объясняется, как происходит плазменная резка:

Принцип работы воздушно-плазменной резки металла

Воздушно-плазменная резка: на чем основан принцип осуществления. Плазма, производящая резку, является разогретым газом с высоким значением электропроводности . Его еще называют ионизованным. Генерируется плазма специальным дуговым элементом. Принято называть этот способ резки плазменным.

Обычная дуга сжимается плазмотроном. Ионизованный газ вдувается в нее, с помощью чего она может генерировать горячий воздух. Она способна производить обработку, при помощи повышенной температуры. Металл разрезается, плавясь при этом.

Осуществление обработки металла происходит благодаря, как плазменной дуге, так и струе. В первом варианте на металлическое изделие оказывается прямое воздействие, во втором — косвенное. Наиболее распространенным и действенным является метод резки с помощью действия напрямую. Для материала, который не обладает электропроводностью (как правило это неметаллические изделия) применяют способ непрямого влияния. При любом из вариантов разрезаемый материал не теряет агрегатного состояния и его конструкция слабо подвергается деформации.

Принцип работы плазменного резака

Плазмотрон – это техническое устройство, которое образует электрический разряд между электродом (катодом) и поверхностью обрабатываемого изделия (анодом), это происходит в потоке газа который образует плазму.

Принцип работы устройства: для охлаждения применяется вода или газ, для получения плазмы используется плазмообразующий газ. Поток входящего в камеру газа подвергается нагреванию до высоких температур после чего ионизируется, тем самым приобретает свойства плазмы. Плазмообразующий газ и охлаждающий подаются в различные каналы плазматрона. При подаче питания между катодом и соплом образуется так называемый вспомогательный разряд, визуально её можно видеть как небольшой факел.

Основная (рабочая дуга) образуется при касании второстепенного разряда обрабатываемой поверхности, которая в данном случае выполняет роль анода (плюс). Стабилизация разряда может осуществляться магнитным полем, водой либо газом, зачастую стабилизирующий газ является и плазмообразующим. После этого можно проводить резку материала, нанесение покрытий, сварку, наплавку или даже добычу полезных ископаемых, путём разрушения горных пород.

Условно конструкцию плазмотрона можно представить как несколько основных элементов:
1. изолятор;
2. электрод;
3. сопло;
4. механизм для подвода плазмообразующего газа;
5. дуговая камера.
Конструкция и принцип работы плазмотрона с совмещенным соплом и каналом

Особенностью плазмотрона, использующего воздушно-плазменную резку является совмещение канала и сопла. Воздух проходит через канал сопла наружу. Принцип работы схож, при подаче электропитания промеж катодом и соплом образуется вспомогательный разряд. Воздух закрученный по спирали, стабилизирует и сжимает столб рабочего разряда. Он же предотвращает соприкосновение электрической дуги стенок соплового канала.

Типы плазмотронов

Плазмотроны можно условно разделить на три глобальных типа
1. электродуговые;
2. высокочастотные;
3. комбинированные.
Устройства работающие на основе электрической дуги оснащены одним катодом, который подключен к источнику питания постоянного тока. Для охлаждения применяют воду, которая находится в охладительных каналах.

Можно выделить следующие виды электродуговых аппаратов
- с прямой дугой;
- косвенной дугой (плазмотроны косвенного действия);
- с использованием электролитического электрода;
- вращающимися электродами;
- вращающейся дугой.
Автомат: принцип работы

Станок плазменной автоматической резки имеет:
1. пульт управления,
2. плазмотрон
3. рабочий стол для заготовок.
На пульте управления происходит корректировка предварительно установленных программ, если резка отклоняется от установленных параметров. Для оперативного исправления в процессе работы и выбора оптимальных режимов резания.

Через установленный на рабочем столе лист, пропускается электрический ток. Между поверхностью листа и плазмотроном пробегает первичная электродуга. В которой сжатый воздух, разогревается до состояния плазмы. Первичная дуга скрывается в раскаленной ионизированной струе, которая и режет металла.

Резка начинается с середины или с края. Чем чаще происходит прерывание дуги и зажигание новой искры, тем меньше становится ресурс сопла и катода. Грамотный оператор автоматической резки выбирает режимы резания по таблице и отталкиваясь от конкретных условий (толщина металла, диаметр сопла). Благодаря чему можно добиться значительного сокращения расходов. По окончанию операции, автомат самостоятельно оповестит оператора, выключит и отведет плазмотрон от материала.

Какие газы используются, их особенности

Плазменная резка металла представляет собой процесс проплавления и удаления расплава за счет теплоты, получаемой от плазменной дуги. Скорость и качество резки определяются плазмообразующей средой. Также, плазмообразующая среда влияет на глубину газонасыщенного слоя и характер физико-химических процессов на кромках среза. При обработке алюминия, меди и сплавов, изготовленных на их основе, используются следующие плазмообразующие газы:
- Сжатый воздух;
- Кислород;
- Азотно-кислородная смесь;
- Азот;
- Аргоно-водородная смесь.
Важно! Для некоторых марок металла недопустимо применение определенных плазмообразующих смесей (к примеру, для резки титана нельзя использовать смеси, содержащие в составе азот или водород).

Все газы, используемые при выполнении плазменной обработки, условно делятся на защитные и плазмообразующие.

В целях бытового назначения (толщина до 50 мм, сила тока дуги – менее 200 А) применяется сжатый воздух, который может использоваться как защитный, так и плазмообразующий газ, а в более сложных условиях промышленного назначения применяются другие газовые смеси, которые содержат кислород, азот, аргон, гелий или водород.

Достоинства и недостатки плазменной резки

Обработка металлов аппаратами или станками плазменной резки дает в работе целый ряд преимуществ.
1. По сравнению с кислородной горелкой, плазморез обладает более высокой мощностью, и соответственно, производительностью, и по данному параметру уступает только лазерным установкам промышленного масштаба.
2. Плазменная резка выгодна с экономической точки зрения при толщине металла до 60 мм. Для резки материалов с толщиной более 60 мм рекомендуется использовать кислородную резку.
3. Современные плазморезы отличаются высокоточной и качественной обработкой металлов. Срез получается «чистый», с минимальной шириной, благодаря чему, практически не требует дополнительной шлифовки.
4. Также, плазменно-дуговая обработка характеризуется универсальностью применения, безопасностью и низким уровнем загрязнения окружающей среды.
Из недостатков можно отметить скромную толщину среза (до 100 мм), а также невозможность одновременной работы двух плазморезов и соблюдение жестких требований к отклонениям от перпендикулярности среза.

Возможности плазменной резки

Сфера применения плазменной резки очень разнообразна, благодаря своей универсальности и диапазону обрабатываемых металлов и металлических сплавов. Автоматизированная и ручная плазменная резка материалов широко применяется на предприятиях и во многих отраслях промышленности для выполнения обработки:
- Труб;
- Листового металла;
- Чугуна;
- Стали (в т.ч. нержавеющей);
- Бетона;
- Отверстий;
- Фигурной и художественной резки.
Характеристики плазморезов позволяют выполнять обработку нержавеющей стали, что недоступно кислородным горелкам. Плазморезы практически незаменимы для обработки тонкой листовой стали. Особого внимания заслуживают ручные устройства, которые отличаются компактными размерами и экономичным потреблением электроэнергии. Технология плазменно-дуговой резки особенно ценится за выполнение чистого среза без «наплывов», что положительно влияет на скорость и точность выполнения работ, а также на производственные возможности предприятий.

Плазменная резка металла

Плазменная резка - способ обработки материалов (чаще всего - металла, но подойдут и неметаллические проводниковые материалы), при котором в качестве режущего инструмента выступает не резец, а дуга или струя плазмы.

Требования к резке металла, особенно на крупном производстве, затрагивают скорость работы без потери качества. Под эти критерии как раз подходит плазменная резка, которая обеспечивает высокую скорость работы при изначально низких эксплуатационных расходах. Под плазменной резкой подразумевается подача неионизированного газа в столб дуги, где этот газ становится нагретой плазменной струей. Сама дуга дополнительно сжимается скоростным потоком газа, из-за чего резка металла выполняется без проблем.

Принципы плазменной резки металла
- Резка дугой плазмы, при которой металл, подлежащий резке, попадает в электрическую цепочку. Дуга возникает между электродом и самим материалом, что выдвигает особенные требования к материалу, так как он должен проводить ток.
- Резка струей плазмы, при которой материал не участвует в электрической цепочке, так как дуга появляется между электродами, в резаке. С помощью резака косвенного воздействия можно разрезать практически любой металл, в том числе и диэлектрики.
Принцип работы плазменного резака заключаются в следующем. Сформированный в газовом канале сжатый воздух поступает в зону с зажженной электрической дугой, которая отвечает за преобразование газа в плазму. Материал разрезается путем его плавления, лишние частички металла сразу удаляются потоком воздуха, поэтому зачистка рабочей зоны происходит моментально. Материал греется только в локальных зонах.
- Скорость работы. Предварительно нагревать материал не требуется, ширина разреза получается минимальной. Кроме того, так как зона термического влияния относительно небольшая, то слой краски или другое покрытие не будет разрушено.
- Универсальность заготовок. Если газовая резка не подходит для работы с алюминием или с нержавеющей сталью, то плазменная резка совместима с практически всеми типами металлов.
- Безопасность работы. В оборудовании для газовой резки, в отличие от оборудования для плазменной резки, существует вероятность обратного удара пламени или даже взрыва газовых баллонов при неправильном подключении устройства.
- Позволяет обрабатывать листы большего размера чем при лазерной резке. На выходе получаются детали с меньшим количеством дефектов.
- Слабое загрязнение воздуха.
Газы для плазменной резки
- обычный воздух;
- технический кислород;
- азот;
- водород;
- аргон.
Газы имеют решающее значение для качества резки материалов. В зависимости от типа разрезаемого металла применяются различные газы или сочетания газов. Каждый газ имеет свои физические свойства. При выборе газа необходимо учитывать энергию ионизации и диссоциации, теплопроводность, атомную массу и химическую реакционную способность. Для резки нержавеющих сталей не рекомендуется использовать сжатый воздух, в зависимости от толщины материала может применяться азот в чистом виде, либо смешанный с аргоном.

Плазменная резка алюминия толщиной до 70 мм может осуществляться сжатым воздухом. Более качественный рез листа алюминия до 20 мм достигается при использовании чистого азота, а с 70 мм до 100 мм включительно с помощью азота с водородом. Резка алюминия плазмой при толщине от 100 мм осуществляется смесью аргона с водородом. Этот же состав рекомендовано использовать для меди и высоколегированной толстостенной стали.

Виды плазменной резки
- воздушно-плазменную резку металла;
- газоплазменную;
- лазерно-плазменную резку.
Первые два способа похожи по принципу действия: электродуга и ионизированный поток раскалённого газа. Основное отличие в рабочем теле, в первом случае — это воздух, во втором — газ или водяной пар. Переносные (ручные) аппараты режут металл с помощью воздушной ионизированной струи.

Лазерно-плазменный раскрой металла используется в промышленности и представляет собой комбинацию способов лазерной и плазменной резки на одном станке с ЧПУ, что повышает производительность оборудования.

Оборудование для плазменной резки металла

Станки бывают ручными, портальными и переносными.

Ручной станок представляет собой относительно небольшой короб, к которому подводится плазморежущая горелка. Специальный компрессор может спускать воздух, азот вместе с воздухом и другие газы. Такие аппараты могут работать, как с переменным, так и с постоянным током, но первое допускается, только если материалом заготовки является нетвердый сплав. Устройства компактные, их легко транспортировать на рабочее место, а для работы требуется только подключить устройство в розетку. Ручные станки хороши там, где подобные работы выполняются редко, а точность проведения операций не критична.

Портальные установки намного крупнее ручных, а их конструкция специально разработана для выкладки металлических листов. Процесс максимально автоматизирован, темп работы портального оборудования высокий, высока и точность резки. Портальные станки могут использоваться для резки заготовок, с толщиной не более 80 мм. С учетом того, что оборудование потребляет много энергии, важно грамотно просчитать объем выполняемых операций.

Наиболее функциональные - переносные аппараты, которые имеют секцию для укладки металлических листов. Листы укладываются автоматически, а управление станком происходит посредством ЖК-монитора с клавиатурой. Подобное оборудование обеспечивает еще большую точность работы по металлу, полную автоматизацию всех процессов и экономию энергии. Оправдает себя только в цеховом помещении или на объектах строительства.

Отдельно нужно выделить следующие два важных элемента, которые встречаются во всех перечисленных станках: сопло и компрессор.

В первую очередь сказать нужно о сопле. Основные характеристики сопла - сечение и длина. Первый параметр влияет на точность резки, второй параметр определяет скорость работы, поэтому тут нужно искать золотую середину. У резаков косвенного действия отдельно подбираются электроды, которые могут изготовляться из разных материалов. Считается, что лучшим материалом является гафний.

Теперь поговорим о втором важно элементе – компрессоре. От качества работы компрессора зависит многое, например, скорость реза заготовки. Воздух, подаваемый в рабочую зону, должен быть не только нагретым до определенной температуры, но и чистым. Соответственно, никаких примесей там быть не должно. Для домашнего пользования подойдут резаки, в которых компрессор встроенный, с функцией очистки и осушки воздуха.

Рекомендации по работе резака

Подготовка оборудования подразумевает подачу в аппарат сжатого воздуха, что может быть выполнено за счет небольшого компрессора, системы сжатого воздуха или баллона. Практически все аппараты способы регулировать поток воздуха. Чтобы выбрать оптимальную температуру, стоит сначала попробовать разрезать на самом большом напряжении, после чего постепенно уменьшать ее. Нужно добиться максимально чистого разреза, так как при слишком большом напряжении или при маленькой скорости резки на заготовке может появиться окалина.

Горелку нужно располагать как можно ближе к краю заготовки. Как только режущая дуга будет зажжена, то нужно начинать движение, причем, сама дуга должна быть направлена под прямым углом к листу. Признаком качественного разреза являются искры с обратной стороны металла – это будет означать, что материал прорезан насквозь. Если требуется выполнить строжку плазменной дугой, то это будет возможно, только если средний угол наклона горелки будет составлять 40 градусов. Длина горящей плазменной дуги в начале строжки должна быть минимальной, но ее можно увеличить в процессе работы.

Для выполнения отверстия также потребуется перевести начальное положение аппарата таким образом, чтобы угол наклона составлял 40 градусов. После запуска режущей дуги останется повернуть горелку так, чтобы угол составил 90 градусов. Дуга без проблем расплавит металл, но только при условии, что толщина заготовки не превышает предельно допустимой толщины, которая прописывается в аппарате устройства.

Как выбрать аппарат плазменной резки металла

При выборе аппарата плазменной резки металла обратите внимание на следующие показатели: выходная и входная мощности, размер наконечника и скорость работы.

Выходная мощность оборудования подбирается в соответствии с тем, какой толщины будет заготовка и из какого материала она будет изготовлена. Выбор размера наконечника тоже зависит от материала. Например, устройство, которое работает на мощности 27 А при 90 разрежет заготовку с толщиной около 12 мм. Для более толстых заготовок потребуется использовать уже более мощные устройства.

На скорость резки станка нужно обращать внимание только тогда, когда предстоит массовое производство. Некоторые устройства могут обрабатывать заготовку с одними и теми же параметрами с разницей в 4 минуты. Показатель скорости измеряется сантиметрами в минуту.

Чтобы определить входную мощностью, которой будет достаточно для работы устройства, потребуется проверить первичное напряжения и допустимую для аппарата силу тока. Существуют универсальные аппараты, которые способны работать при любом напряжении и при любой силе тока, но и цена их будет выше.

Особенность таких устройств в том, что они через некоторое время начинают перегреваться, из-за чего в работе нужно делать перерыв. Например, при показателе в 70%, только три из десяти минут устройство должно будет находиться в режиме простоя.

У аппарата плазменной резки могут быть дополнительные элементы, позволяющие держать его на расстоянии от заготовки. Плазменные горелки могут изготовляться из разных материалов, рекомендуется остановиться на горелках с эпоксидным соплом, которые прочнее керамических. Также обращать внимание нужно на режим температур – предпочтительным считается порог в 40 градусов и выше.

Режем металл плазменной технологией

Виды сварки

Плазменная резка – новая великолепная технология, позволяющая разрезать металлы солидной толщины и любой природы, даже самой капризной. В качестве режущего предмета выступает не нож, а плотная струя плазмы, которая позволяет формировать идеально точный рисунок реза в единицу заданного времени.

Этот способ работы с металлом содержит множество достоинств, которые мы разберем ниже. А сейчас начнем с физики – нужно разобраться с сутью процесса.

Физика плазмы

Технология плазменной резки металла отдает главную женскую роль нашей любимой электрической дуге. Он формируется между электродом и соплом. Иногда вместо электрода выступает металл, который нужно разрезать. Разберемся, что такое плазменная резка.

Начало процесса – включение источника электрического питания и подача тока высокой частоты в плазменный резак. Источник питания включается автоматически после нажатия тумблера розжига в аппарате.

Сначала формируется так называемая промежуточная дуга – она имеет временный характер и соединяет электрод с наконечником сопла резака. Нагревается эта дежурная дуга до уровня температуры около 8000°С.

Это важный момент общего процесса плазменной резки – нужно помнить, что настоящая дуга между электродом и металлом образуется не сразу, а через ее промежуточный вариант.

Следующий этап процесса – поступление воздуха из компрессора, который обычно прилагается к аппарату резки металла. Компрессор подает воздух в сжатом виде. Этот воздух поступает в камеру плазмотрона, в котором находится и уже раскалена временная электрическая дуга.

Дуга нагревает сжатый воздух, объем которого при нагреве увеличивается во много раз. Дополнительно к нагреву и увеличению объема воздух начинает ионизироваться и трансформироваться в настоящий проводник электрического тока. Он превращается в ту самую плазму

Малый диаметр сопла дает возможность разгонять поток этой раскаленной плазмы до огромных скоростей, с которыми струя вылетает из аппарата. Скорость потока может достигать трех метров в секунду.

Схема работы плазменной резки.

Температура воздуха – запредельная, вплоть до 30 000°С. При этих условиях электрическая проводимость воздуха – плазмы практически равна проводимости разрезаемого металла.

Настоящая конечная дуга появляется мгновенно, как только поток плазмы достигает и касается поверхности металла. Временная дуга, в свою очередь, автоматически выключается. Металл начинает плавится точно в месте среза.

Жидкие металлические капли сразу же сдуваются струей сжатого воздуха. Это и есть принцип плазменной резки. Как видите, все просто, логично и понятно.

Классификация видов плазменной резки

Виды плазменной резки будут зависеть от среды, в которой проводятся работы по металлу:

Простой

Главное отличие способа – ограниченность электрической дуги. Для резки используется электрический ток и воздух. Иногда вместо воздуха применяются газ в виде азота. Если металлически лист тонкий – всего несколько миллиметров, процесс можно сравнить с лазерным разрезанием.

При этом способе толщина металлов не должна превышать 10-ти мм. Способ отлично работает для низколегированных сплавов стали и других мягких металлов. Режущим элементом выступает кислород, из которого формируется сжатая струя, превращающаяся в итоге в плазму.

В разрезах получаются очень ровные кромки, не требующие дальнейшей доработки.

С применением защитного газа

При этом способе вместо воздуха используются защитные газы, которые превращаются в плазменный поток после преобразования в плазмотроне. Качество срезов в данном случае значительно повышается благодаря отличной защите процесса от воздействия окружающей среды.

Газ для плазменной резки не представляет из себя ничего необычного: это может быть водород или аргон – «газовая классика».

С водой вместо воздуха

Отличны способ со многими преимуществами, одно из которых – отсутствие необходимости в дорогостоящей и громоздкой системе охлаждения.

Существуют и другие критерии классификации плазменной резки. К примеру, виды резки бывают разделительными и поверхностными. Первый из них используется чаще.

Еще один параметр – способ резки. Один вид — резка дугой, в котором разрезаемый металл выступает в качестве элемента электрической цепи. Другой вид – резка струей, когда электрическая дуга соединяет электроды, а не металлическую заготовку.

Плазменные резаки представлены на рынке в самых разнообразных вариантах, так что их можно классифицировать по маркам, производителям и многим другим техническим и торговым параметрам.

Есть, например, ручная плазменная резка – самый демократичный способ и по цене, и по простоте исполнения. Есть машинные автоматические технологии, устройства для которых намного дороже и сложнее.

Преимущества резки плазмой

Принцип работы плазменной резки.

Самой близкой технологией является лазерная резка металлов, поэтому логично будет перечислить преимущества в сравнении с «соседкой»:
- Плазменной резке по плечу металлы любой природы, в том числе цветные, тугоплавкие и другие, сложные для обработки.
- Скорость процесса значительно выше, чем резка газовым резаком.
- Одна из значительных особенностей – возможность производить резы любой формы, включающие и геометрические узоры, и фигурную резку самой высокой сложности. Иными словами, резка с помощью плазмы – это реализация самых смелых творческих идей по металлу и другим трудно поддающимся материалам. нипочем любая толщина металла: скорость и качество никоим образом не теряются.
- Этому способу поддаются не только металлы, но и другие материалы: он вполне универсальный.
- Резка плазмой и быстрее, и эффективнее по качеству кромки, чем любые другие механические способы резки.
- В данном методе возможна работа не только перпендикулярно к поверхности металла, но под углом, что помогает освоить широкие листы металла.
- С экологической точки зрения это вполне благополучный вид работы с металлом с минимальным выбросом вредных веществ или загрязнений в воздух.
- Отличная экономия времени из-за отсутствия необходимости предварительно нагревать металл.
- Поскольку в методе не используются взрывоопасные газовые баллоны, он значительно безопаснее, чем другие способы.
Недостатки плазморезки

Ни один способ обработки металлов не обходится без недостатков, и плазменная резка здесь не исключение.

Недостатки плазменной резки следующие:
- Дороговизна всего модельного ряда аппаратов для плазменной резки, включая даже самые простые ручные варианты.
- Пределы толщины металла для резки плазмой: предельная толщина всего 100 миллиметров.
- Это шумный способ работы, потому что сжатый воздух или газ подаются с огромной скоростью.
- Оборудование непростое, дорогое и требующее грамотного и постоянного технического обслуживания.
Советы и нюансы

Еще одной отличительной положительно характеристикой метода является то, что во время процесса происходит нагрев лишь небольшого локального участка. Да и остывает этот участок намного быстрее, чем при лазерной или механической резке.

Охлаждение необходимо только для двух составных элементов – катода и сопла, как самых нагруженных. Это без проблем производится с помощью рабочей жидкости.

Плазменная дуга и струя. Дуга начинает работать стабильно в результате рабочего соотношения катода и сопла с паром из сжатого раскаленного воздуха. На катоде локализуется отрицательный заряд, на наконечнике сопла – соответственно положительный. В результате этого образуется промежуточная дуга.

Лишняя влага впитывается специальным материалом, который находится в резервуаре камеры плазмотрона.

Правила безопасности при данном методе имеют строжайший характер, потому что все аппараты плазменной резки могут быть очень травматичными для мастера. Особенно это касается моделей с ручным управлением.

Все будет в порядке, если вы будете соблюдать рекомендации по защитной амуниции мастера: щиток, затемнённые очки, защитные ботинки и т.д. В этом случае вы сможете уберечься от главных факторов риска данного метода – капель расплавленного металла, высокого напряжения и раскаленного воздуха.

Еще один совет по безопасности – ни в коем случае не стучать резаком по металлу для удаления металлических брызг, как это делают некоторые мастера. Вы рискуете повредить аппарат, но главное – поймать кусочки расплавленного металла, например, лицом или другой незащищенной частью тела. Лучше поберечь себя.

Экономия расходных материалов занимает не последнее место в эффективной резке. Для этого зажигаем электрическую дугу не слишком часто, а точно и в срок, чтобы не обрывать ее без надобности.

Экономия ресурсов также распространяется на силу и мощность тока. Если рассчитать его правильно, вы получите не только экономию, но и отличный срез без заусениц, окалины и деформации металла.

Для этого следует работать по следующей схеме: сначала подать ток высокой мощности, сделать пару – тройку разрезов с его помощью. Если сила и мощность тока великоваты, на металле сразу же будет образовываться окалина из-за значительного перегрева.

После осмотра срезов будет ясно, оставить ток на этом уровне или изменить его. Иными словами, работаем экспериментально – малыми пробами.

Как работать плазморезкой?

Электрическая схема плазменного генератора.

Резка металлов с помощью плазменного потока — слишком серьезное дело, чтобы заниматься им без предварительного изучения и тщательной подготовки. Это поможет вам сделать резку эффективнее со всех точек зрения, и, что весьма немаловажно, минимизировать риски, связанные с производственными опасностями.

Прежде всего нужно знать принцип работы плазменной резки – видеть картинку физических явлений целиком.

Плазменную горелку следует держать очень близко к поверхности и краю металла, в отличие от лазерной резки. Когда тумблер с «пуском» включится, первой загорится временная электрическая дуга, и только затем – настоящая, которая будет главным режущим элементом. Горелку с режущей дугой нужно вести по материалу ровно и медленно.

Скорость резки следует строго контролировать. Это можно делать, наблюдая за искрами с обратной стороны листа разрезаемого металла. Если этих искр нет, то это значит, что разрезка металла произошла неполная.

Такое может произойти по нескольким причинам: из-за слишком большой скорости ведения горелки или прохождения аппарата, либо слишком недостаточной мощности подаваемого тока, либо несоблюдения прямого угла в 90° между горелкой и поверхностью металла.

Дело в том, что полная проплавка металла происходит лишь при наклоне плазморезки к поверхности металла под прямым углом и ни градусом больше или меньше.

После завершения работы резак нужно наклонить. Воздух будет выходить и после выключения аппарата – непродолжительное время.

Перед работой невредно изучить схему вашего аппарата: именно в ней можно прочитать самую достоверную информацию по допускаемой толщине металла, который можно прорезать или сделать в нем отверстие. Устройство плазменного резака может различаться, все зависит от функций его назначения.

Выбор аппарата для плазменной резки

Покупка любого технического оборудования – дело, для которого не нужно жалеть времени и усилий: слишком высок риск неудачного решения и потери денег. А деньги здесь немалые, вы не найдете плазменного резака дешевле 500 USD в принципе.

Сначала разбираемся с параметрами и техническими характеристиками прибора.

Выбор нужно делать только под свои планы и нужды. Задача – найти не самый лучший резак, а самый подходящий для вас по принципу «здесь и сейчас».

Две большие группы плазморезов – это инверторные и трансформаторные. Названия говорят сами за себя.

Открытая и закрытая плазменная струя.

Если вам нужен компактный резак для работы с металлами небольшой толщины, вы можете остановить свой выбор на резаке инверторного типа. Они забирают немного энергии, легкие и с небольшими габаритами.

Вместе с тем работают они с перерывами и легко выходят из строя при перепадах сетевого напряжения. Цена на такие приборы вполне умеренная, из всех плазморезов это самые недорогие.

Другое дело – трансформаторные резаки. Здесь и с габаритами, и с весом «все в порядке»: серьезные аппараты по всем параметрам.

Энергии потребляют много, зато работать они могут практически без перерыва в течение целого дня. И толщина металла может быть побольше, чем при резке инверторной моделью. Стоимость таких устройств высокая – от 3000 до 20000 USD.

Выбор плазменного резака по мощности

Рассуждения начинаем со свойств и технических характеристик деталей, которые вы планируете обрабатывать и резать. Именно это этого рассчитывается мощность режущего прибора, потому что в нем будут различаться и сопло по своему диаметру, и тип используемого газа.

Применение плазменной резки – область чрезвычайно широкая, поэтому говорить нужно только о ваших конкретных нуждах.

К примеру, если толщина металлических заготовок около 30-ти мм, вам будет вполне достаточно резака с мощностью 90А. Он легко справится с вашим материалом.

А вот если ваш металл потолще, ищите подходящую модель в диапазоне мощности от 90 до 170А.

Выбор резака по времени и скорости разрезания материала

Скорость плазменной резки металла измеряют в сантиметрах за одну минуту. Эта скорость у разных аппаратов тоже разная и зависит от их общей мощности и природы разрезаемого металла.

Например, при всех прочих равных медленнее всего режется сталь, чуть быстрее – медь и ее сплавы. И еще быстрее – алюминий со своими алюминиевыми сплавами.

Устройство плазменного резака.

Если для вас важна скорость, не забывайте о таком показателе, как длительность работы без перегрева, то есть без перерыва. Если в технической спецификации к аппарату написано, что длительность работы 70%, это означает, что после семи минут резки аппарат должен быть выключенным в течение трех минут, чтобы остыть.

Среди трансформаторных резаков встречаются чемпионы с продолжительностью работы в 100%. Иными словами, они могут работать целый день без отключения. Стоят они, конечно, немало. Но если у вас впереди длинные разрезы, думайте о покупке «чемпионских» трансформаторных плазменных резаков.

Пара слов о горелке

Снова оцениваем природу металла или другого материала, который планируем разрезать. От этого будет зависеть мощность горелка плазмореза. Она должна быть достаточной для качественного реза.

При расчетах нужно учитывать факт, что вы можете встретиться со сложными условиями работы, которая, как назло, должны быть произведена в самые короткие сроки, то есть резка должна носить выраженных интенсивный характер.

Во многих источниках рекомендуется выбирать сопло из меди: оно прочное и отлично охлаждается воздухом, намного быстрее, чем сопла из других металлов.

Рукоятку горелку не упускаем из зоны внимания, это важная часть для комфортной, а значит качественной работы. На рукоятке можно зафиксировать дополнительные элементы, которые помогут держать сопло на одинаковом расстоянии от поверхности металла. Данный совет распространяется только на ручные модели аппаратов.

Если вы собираетесь резать тонкий металл, выбирайте модель с горелкой, которая предназначена для поступления воздуха.

Если же ваши планы связаны с массивными толстыми заготовками, покупайте резак с горелкой для приема защитного газа – азота, например.

Плазменная сварка металла

В последние годы технология плазменной сварки распространяется на все отрасли промышленности, вплоть до строительства и бытового ремонта, и все больше теснит традиционные виды сварки. Это связано с очень большими преимуществами данной технологии перед уже известными.

В первую очередь, качество шва, затем, минимальное коробление деталей, и наконец, высокая чистота и безотходность технологии. Энергоемкость такой сварки приблизительно одинакова с другими видами, а иногда превышает их.

Технология плазменной сварки и резки металла

Для нагрева деталей используется плазма – ионизированный газ, полученный в результате работы электрической дуги под повышенным давлением. Небольшая плазменная горелка (плазмотрон) показана на рисунке ниже. По нему можно примерно оценить практические параметры плазменного факела:

Плазменная горелка (плазмотрон)

Плазмотрон позволяет как резать, так и сваривать любые известные в природе металлы и неметаллы, если только для этого нет серьезных фундаментальных физических или химических препятствий (адгезия, реакционная способность и т.п.).

В чём заключается сущность плазменной сварки

На поверхность металла в области шва направляется струя плазмы из плазмотрона – специальной горелки, в которую подается рабочий газ. Может быть использован еще и защитный газ для создания химически нейтральной среды. Тепловая энергия вся сосредоточена в тонкой струе плазмы и нагрев ванны происходит в только в области сварки.

Температура в этой области очень высокая, может достигать 10000-15000 градусов. Благодаря теплопроводности металла она быстро снижается до температуры плавления в узкой области шва. Если при этом область шва защищена инертной или восстановительной средой, (а часто и тем и другим), то в результате можно получить очень точный и качественный шов.

Разрез работающей плазменной горелки

Диаметр сопла на рисунке показан намного больше в пропорции, чем есть на самом деле, для наглядности.

Фактический диаметр сопла связан с рабочим давлением и оптимальным расходом газа.

Корпус горелки изготавливается из стали, анод – из чистой меди. Анод имеет полость, которая омывается охлаждающей водой. В полость между анодом и катодом подается рабочий газ под давлением 2-5 бар, который питает дуговой разряд.

Поскольку защитный газ (обычно аргон) практически не ионизирован, и не ускоряется электрическим полем дуги, то он довольно быстро “разлетается” и смешивается с воздухом. Поэтому оптимальное расстояние между сварочной ванной и торцом горелки занимает очень небольшой диапазон, который необходимо выдерживать в работе.

Поскольку при плазменной сварке не происходит лишнего прогрева металла, то и остывание шва происходит быстро, что иногда нежелательно. Поэтому процесс сварки может включать дополнительные операции: например, предварительный подогрев или даже работа несколькими горелками при автоматизированной сварке.

Технологический процесс

Включает несколько необходимых этапов: подготовка деталей, подключение электродов, запуск горелки и ее прогрев, выполнение шва с выдерживанием нужного режима по температуре и перемещение горелки к месту новой операции с проверкой готовности самой горелки.

Технология выполнения плазменной сварки

Подготовка деталей состоит в том, что их предварительно сортируют или подают к рабочему месту уже отсортированными. Если детали получены путем теплового резания или грубого механического, то кромки обрабатываются до чистоты металла и обезжириваются, чтобы получить качественный шов.

После этого детали приводят в соприкосновение по линии шва. На производстве это делается не “на коленке” как при ремонтах, а при помощи приспособлений.

Горячий шов от плазменной сварки

Если требуется, на линию шва наносят флюсы. Обычно это сильные восстановители для работы в условиях высоких температур (сварочные флюсы), смешанные с легкоплавкими связующими, которые сами по себе являются восстановителями, или дают минимум трудноудалимого нагара (шлака). Расплавленный шлак защищает ванну от действия кислорода, а восстановитель отнимает его у окислов, которые успели образоваться. Флюсы требуются не для всех металлов или их пар.

Горелка запускается импульсом высокого напряжения или контактом между соплом и катодом в течение долей секунды. Загорается дуга, в горелку подают рабочий и защитный газы, а также охлаждающую воду в корпус анода (для мощных горелок длительного действия). Горелка прогревается до стабилизации плазмы и начинается операция сварки.

При сварке плавятся состыкованные края детали, в этот расплав вводится присадочный материал в форме ленты или прутка. При автоматической сварке подача механизированная. Сварка рассматривается как непрерывный процесс плавления и застывания металла в области шва и должна обеспечить монолитность шва, одинаковые механические свойства на всей длине, равную толщину шва, полное отсутствие раковин, посторонних включений и примесей.

Расплавленный шов довольно беззащитен по отношению ко многим факторам, поэтому для получения качества приходится создавать особые условия: до ванны, в ней самой, и после, в области кристаллизации расплава. Данные условия сильно зависят от свариваемых металлов.

Процесс сварки плазморезом

После окончания шва проверяется готовность горелки к очередной операции, так, чтобы шов не пришлось прекращать в процессе сварки не доводя до конца. Любое такое прерывание, если оно вынужденное, создает лишние механические напряжения, которые потом будет или трудно, или невозможно снять. По этой причине, сварку ответственных швов: сосуды (баки) для ракетной техники, корпуса морских судов, особенно подводных, сосуды для ядерной техники и т.п. варят при непрерывной подаче катодов на горелках с мощным охлаждением сопел.

Приёмы плазменной сварки

Существует достаточно много сплавов и их пар, которые ведут себя совершенно по-разному в расплаве. У них может быть разная вязкость по температуре, газообразование, смешиваемость в расплаве и скорость застывания. Кроме того, очень большую роль играют силы тяжести – масса ванны может оказаться достаточно большой, а поверхностное натяжение расплава достаточно малым. При этих условиях ванна просто протечет, если только она как-то не уплотнена, что возможно далеко не во всех случаях.

Техника и особенности процесса во всех пространственных положениях

В технике мы имеем дело с самыми разнообразными расположениями сварных швов. При сварке отдельных деталей работа немного облегчается тем, что расположение можно свести к горизонтальному, с горелкой, расположенной сверху.

Сварка отдельных деталей

Это наиболее выгодное расположение при сварке, но не всегда технологически возможное. Например, при варке шва на корпусе судна приходится располагать горелку как угодно – судно не повернешь в доке как игрушку. Поэтому для защиты ванны от растекания за допустимые пределы приходится подбирать выгодные положения горелки.

Например, при варке вертикального шва горелка находится немного ниже шва и плазменная струя направлена вверх. С помощью подбора угла наклона и расстояния до ванны удается “сдувать” стекающий металл наверх. Это делается динамически, по мере прохождения шва и требует хороших навыков при ручном выполнении.

Варить вертикальные швы следует снизу вверх.

Сварка плазморезом цветных металлов

Сразу нужно сказать, что плазма является лишь мощным источником местного нагрева. Если так можно выразиться, она лучше “сфокусирована”, по аналогии с фотографией. И в этом отношении, по “резкости” она уступает только лазерной сварке. Плазменная струя дает хорошее проплавление шва в узкой области. Все остальное поведение металлов зависит только от их химической природы.

Если по какой-то причине сплавы не переносят “легирования” вольфрамом, гафнием, или другими добавками в структуру шва, то в плазмотроне просто используют угольный катод. Иногда наоборот, приходится вводить в расплав промежуточный металл, чтобы шов не трескался в горячем или холодном состоянии.

Цветные металлы имеют меньшую, по сравнению с черными металлами, температуру плавления и довольно легко свариваются. Тем не менее, за счет большой теплопроводности этих металлов (напр. Cu Al Mn) требуется такой же, или даже больший по мощности источник нагрева.

Главная помеха сварке – образование оксидов. Пленки окислов не дают металлам сплавляться. У большинства цветных сплавов, а это сплавы на основе меди, окислы довольно легко восстанавливаются, поэтому варить их удается и при слабых восстановителях. Достаточно даже присутствия органических радикалов в плазме (сварка водно-спиртовыми и водно-ацетоновыми смесями).

Исключением является алюминий, чрезвычайно легко окисляющийся и образующий прочную связь с атомами кислорода. К тому же, окись алюминия очень тугоплавкое вещество. Здесь необходимо применение специальных флюсов и их постоянное присутствие в ванне.

Видео ролик — сварка алюминия

Для защиты от кислорода также применяют аргон, как наиболее распространенный и дешевый из инертных газов. Но он вполне эффективен только тогда, когда ванна обдувается со всех сторон. По этой причине очень сложно варить алюминий в присутствии ветра вне помещений. Сварка титановых сплавов также требует использования аргона. Причем аргон должен быть высшего качества.

Сварка тонколистового металла плазмотроном

При сварке тонких листов плазменную горелку не следует располагать слишком близко к металлу, так как при этом можно слишком легко выдуть его. Давление плазменной дуги на металл значительно (в 5-7 раз) выше, чем обычной. Сварочный ток необходимо ограничить величиной 12-14 и менее ампер. Иногда хватает и 1-2 А.

Совет: Тонкие листы металла обычно удобнее всего сваривать газовой сваркой. Сварка плазмой требует меньше оборудования (баллонов с газом, редукторов, шлангов), но зато требует больше специальных навыков от сварщика. Некоторые мастера, в основном, ювелиры и специалисты по лабораторному и научному оборудованию, могут сваривать микроплазмой на маленьком токе даже фольгу.

Сравнение технологии лазерной сварки с плазменной сваркой

Лазерная сварка производится мощными лазерами непрерывного или импульсного действия. Благодаря фокусировке пятна на очень малой площади удается получать очень высокие температуры. На луч света не действует магнитное поле или движение газа, лазер легко можно “подать” в труднодоступные места. Изменяя апертуру луча, можно очень плавно регулировать ширину зоны нагрева. Производительность лазерной сварки примерно в 50 раз выше дуговой. Например, лист стали 20 мм сваривается со скоростью 100 метров в час за один проход.

Однако, лазерной сварке присущи и недостатки: невысокий к.п.д. из-за значительного коэффициента отражения(0.1-2%) и очень высокая цена на оборудование. Несмотря на это, есть области, где лазерная сварка оказывается незаменимой, например, в электронной промышленности при изготовлении очень многих приборов, особенно миниатюрных. Поэтому обычно рабочее место лазерного сварщика для ручной работы выглядит не совсем подходящим для стройки или гаража:

Рабочее место лазерного сварщика для ручной работы

Сравнение: сварка аргоном или плазмой

Сварка аргоном – Gas Tungsten Arc Welding (на русский переводится немного длиннее: дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа) и плазменная сварка часто путаются между собой неспециалистами из-за внешней схожести оборудования и даже части расходных материалов. Между тем, это совсем разные процессы.

Аппарат для плазменной сварки

Отличие аргонной сварки от плазменной сварки

Аргонная сварка производится в атмосфере аргона при обычном давлении, плотность энергии в дуге не превышает таковую для простой сварки. Просто сварочная ванна защищается от действия кислорода, а вольфрамовый электрод практически не расходуется.

Плазменная сварка выполняется плазмотроном – генератором плазменной дуги в атмосфере повышенного давления. При этом достигается очень высокая температура в узком столбе плазмы. В отличие от дуги атмосферного давления, факел у плазменной дуги почти цилиндрической формы, давление на металл в 5-8 раз больше.

Аргон или плазма: что лучше

Каждый вид процесса хорош для своих целей. Аргоновая сварка имеет очень широкую область применения: можно варить практически все, что вообще способно образовывать сплавы с приемлемыми механическими свойствами. Очень широко используется аргоновая сварка в аэрокосмической промышленности, особенно в ракетной технике, где к тонким металлическим деталям и швам предъявлены очень высокие прочностные требования.

Плазменная сварка также имеет свои преимущества. Хотя наиболее широко плазмотроны используются для резки металла (т.к. очень быстро и ровно режут), для сварочных работ они тоже применяются. Например, там, где требуется минимальное коробление металла, выгодно уменьшать зону термического воздействия. Для этого как раз и хороша плазменная сварка.

Скорость выполнения плазменной сварки гораздо выше. Плазменная дуга горит значительно стабильнее обычной. К тому же, использование защитного газа “поверх” рабочего прибавляет плазменной сварке большую часть преимуществ аргонной сварки.

Плазменная сварка, без всяких сомнений, представляет большой интерес как мощный источник нагрева с малой областью воздействия. Тот факт, что запатентована она была еще в начале 60-х прошлого века, а в открытых источниках о ней до сих пор можно найти не так уж много информации, говорит о том, что эта технология попала в гражданскую промышленность от военных, которые тщательно скрывают все и всегда, просто по природе своего ведомства. А действительно ценные вещи они берегут пуще глаз до последнего. Таким образом, и для гражданских инженеров в промышленности, и для домашних умельцев тут открывается большое поле для самостоятельных исследований.

Читайте также: