Плазменная резка металла

Плазма – это определенный ионизированный газ с содержанием заряженных электричеством частиц обладающих способностью проводить ток. Как правило, ионизация газа проистекает при его нагреве (т. е. чем больше температура газа, тем значительнее степень его ионизации). Газ в основной части сварочной дуги нагрет до температур в 5-30 000°С, ярко светится, представляя собой типичную плазму, также имеет достаточно высокую электропроводность.

Используемую в процессе  плазменной резки струю плазмы получают в специальных плазмотронах, где нагревание газа и соответственно его ионизация реализовывается дуговым разрядом в специально предназначенных камерах. Процесс плазменной резки главным образом основан на применении непосредственно воздушно-плазменной дуги непрерывного тока прямого воздействия (то есть – электрод-катод, разрезываемый металл - анод). Суть процесса плазменной резки – это местное расплавление соответственно и выдувание раскаленного металла с образованием своеобразной полости реза во время перемещения непосредственно плазменного резака относительно обрабатываемого металла при плазменной резки.

Для создания рабочей дуги (электрод, который разрезает металл), при помощи осциллятора между катодом и соплом зажигается дежурная дуга (это - вспомогательная дуга, выдуваемая в виде факела 20-40 мм длиной из сопла пусковым воздухом). Ток вспомогательной дуги 25 либо 40-60 А, зависит от источника плазменной дуги в процессе плазменной резки. То есть когда факел этой дуги касается металла, то возникает рабочая дуга – режущая, и включается усиленный расход воздуха. При этом дежурная дуга автоматически отключается. Применение плазменной резки с помощью воздуха, когда сжатый воздух используется как плазмообразующий газ, открывает широчайшие возможности для раскроя легированных/низкоуглеродистых сталей, цвет- металлов и соответственно сплавов произведенных на их основе.

От механизированной кислородной, а так же плазменной резки в инертных газах неоспоримые преимущества плазменной резки с помощью воздуха металлических материалов таковы:

• простота процесса резки в целом;
• применение дешевого плазмообразующего газа – воздуха;
• более устойчивый процесс, нежели резка в водородосодержащих смесях;
• высокая чистота реза (при обрабатывании углеродистых/низколегированных сталей);
• слабая степень деформации материала.

Конструкция плазмотронов с аксиальной (прямого воздействия) и тангенциальной (косвенного воздействия) подачей газа

Как правило, газ вдувается в специальную камеру, сжимая столб дуги в предназначенном для этого канале сопла плазмотрона, и охлаждает его поверхностные слои, в результате повышается температура столба. Таким образом, нагреваясь до значительных температур, струя при плазменной резки проходящего по каналам газа ионизируется, получая свойства плазмы. При нагревании происходит увеличение объема газа более в 100 раз, что собственно говоря, и приводит к истечению плазмы на высоких околозвуковых скоростях. Струя плазмы при плазменной резки достаточно легко расплавляет совершенно любой металл.

На практике применение находят два наиболее респектабельных способа включения в работу горелок плазмы:

- Первый – это дуговой разряд, существующий между нагреваемым изделием (т. е. плазменная струя прямого воздействия при плазменной резки) и соответственно стержневым катодом (размещенный внутри горелки). Подобные плазмотроны имеют кпд гораздо выше, потому как мощность, затрачиваемая непосредственно на нагрев металла, формируется из выделяющейся мощности в анодной области, а также из мощности, которую струя плазмы передает аноду.

- Второй – когда дуга горит между соплом, которое подсоединяется к позитивному полюсу источника питания (т. е. плазменная струя косвенного воздействия) и соответственно катодом. Истекающей из сопла струей газа, часть плазмы дугового столба, как правило, сжимается, вследствие чего выводится за пределы плазмотрона. Термическая энергия данной плазмы при плазменной резки, формирующаяся из кинетической и возможной энергии ее частиц, применяется непосредственно для нагрева и плавления изделий. В подавляющем большинстве случаев всеобщая и удельная тепловые энергии вовсе невелики, именно поэтому подобные плазмотроны используются для сварки тонких элементов в микроплазменных установках для обработки не металлических материалов, так как изделие - электропроводным - должно быть не обязательно.

Для надежной стабилизации дуги соответственно и оттеснения ее от сопловых стенок применяют или тангенциальную осевую или подачу газа. Для устранения в осесимметричных потоках турбулентностей их формируют с помощью специализированных конструкций вкладышей и сопл.  

Схема микроплазменной горелки предназначенной для сварки плазмадугой:

• рабочий газ;
• фокусирующий газ.

Как правило, к неравномерности глубины проплавления металлического материала и нарушениям стабильности процесса при плазменной резки в целом – приводит изменение силы тока в дуговых процессах с не плавящимся электродом при модификации напряжения дуги. Поэтому для использования дуговой сварки плазмы наиболее оптимальными наружными характеристиками очага питания являются вертикальные или крутопадающие характеристики, позволяющие существенно изменять напряжение при стабильности силы тока.

Для механизированной и ручной дуговой плазмы сварки, резки и наплавки при плазменной резки – существует специальное оборудование. От ранее описанных сварочных приспособлений, это устройство отличается конструкцией горелки-плазмотрона. Сегодня так же существует и масса горелок, которые отличаются такими факторами, как:

• конструкция катода (полый, дисковый, стержневой);
• способ охлаждения (воздухом, водой);
• состав плазмообразующей среды;
• родом тока и прочими.

Ламинарность потока нарушается при увеличении скорости выходы струи плазмы при плазменной резки. Кроме того в засопловой зоне уровень обжатия столба дуги заметно снижается. Поэтому в последние годы все большее распространение получают горелки с защитным и вторичным фокусирующим потоком газа. К оси горелки газ подается под углом, как бы омывая столб дуги, усиленно охлаждая его, благодаря чему во время удаления от сопла диаметр столба дуги несколько уменьшается. При этом при сравнительно незначительной скорости истечения – концентрация плазменного потока при плазменной резки достигает до весьма высоких показателей. Такие горелки (называются микроплазменными или иглоплазменными), в области малых токов (0,5 .... 30 А) позволяют получить плазменную остроконечную дугу. 

Дуговая струя плазмы – что это? Собственно  дуговая струя плазмы при плазменной резки представляет собой интенсивный источник теплоты с весьма широким диапазоном технологических характеристик и свойств. Использовать ее можно для нагрева, резки или сварки как электропроводных металлов, так и неэлектропроводных (например, керамика, стекло и пр.).  Термическая эффективность дуговой струи плазмы напрямую зависит от силы/мощности сварочного напряжения, тока, расхода, расстояния от сопла до изделия, скорости истечения образующего плазму газа, скорости перемещения горелки (т. е. скорости резки или сварки) и других факторов. Геометрическая форма струи может определяться формой непосредственно выходного отверстия сопла (т. е. быть разной круглой, квадратной и т.д.).

Техника сварки

Как правило, питание дуги при плазменной резки осуществляется переменным либо же постоянным током прямой полярности (т. е. минус на электроде). С помощью осциллятора происходит возбуждение дуги. Для облегчения возбуждения непосредственно дуги прямого действия используется дежурная дуга, горящая между соплом горелки и электродом. Для питания плазмообразующей дуги применяются источники сварочного тока с напряжением до 120 Вт, а в некоторых случаях и более высоким. Например, для питания плазмотрона при плазменной резки, который используется для плазменной резки, наиболее оптимальное напряжение холостого движения источника питания до 300 Вт.

Плазменной струей при плазменной резки можно сваривать почти все металлы, как в вертикальном положении, так и в традиционно нижнем. В качестве газов плазмы используются азот, аргон, смесь азота с аргоном и водородом (для резки используют углекислый газ и воздух). В качестве электрода применяются вольфрамовые стержни либо специальные медные стержни с вставками из циркония или гафния. 

К преимуществам плазменной сварки можно включить:

• высокую эффективность и производительность;
• достаточно незначительную восприимчивость к колебаниям длины дуги;
• ликвидацию включений вольфрама в металле швов.

Сваркой плазмы при плазменной резки можно сваривать металлический материал толщиной до 15 мм, причем без скоса кромок и с образованием провара любой специфической формы. А объясняется это – формированием сквозного отверстия в главном металле, сквозь которое струя выходит наружу изделия с обратной стороны. Расплавляемый металл в передней части специальной сварочной ванны под давлением плазмы двигается вдоль стен этой самой ванны в хвостовую часть, где кристаллизуется, тем самым образуя шов. По сути, данный процесс при плазменной резки представляет собой своеобразное прорезание металлического изделия с одновременной заваркой места резки.

Струя плазмы при плазменной резки позволяет идеально сваривать как стыковые, так и угловые швы. Непосредственно стыковые соединения при обработке металла толщиной до 2-х мм, возможно, сваривать с отбортовкой кромок. Однако при толщине более 10-ти мм рекомендуется делать скос кромок. В случае потребности используют дополнительный металл. Говоря о сварке тонкого металла при плазменной резки толщиной около 1-го мм, то для успешной реализации процесса используют микроплазменную сварку (т. е. струя косвенного действия), в ней сила сварочного тока составляет 0,1 ... 10А.

Разрезание металлического материала струёй плазмы основано на расплавлении металла непосредственно в точке реза и последующем его выдувании потоком плазмы. Для резки металла, толщина которого исчисляется от долей и до десятков миллиметров – используют плазменную струю. Стоит отметить, что при большой толщине металла наилучшие результаты достигаются при использовании именно плазменной струи прямого действия. При разрезании углеродистых сталей такая струя во многих эпизодах более экономична, нежели газокислородная, ввиду огромной скорости и соответственно лучшего качества реза. Что же касается резки металла маленькой толщины, то для этого применяют струю плазмы косвенного действия. 

В качестве плазмообразующих газов исключительно в зависимости от металла можно использовать водород, азот, азото-водородные, аргоно-водородные, а также аргоно-азотные смеси. Энергетически более эффективные действия для резки получаются при использовании именно смесей содержащих двухатомные газы. Диссоциируя, двухатомный газ впитывает максимум теплоты, которая выделяется на сравнительно холодной поверхности реза в процессе объединения свободных атомов в молекулы. Когда появилась возможность использовать в производстве водоохлаждаемые гафниевые и циркониевые электроды, то в качестве режущего газа стали использовать воздух. Как сварку, так и резку можно осуществлять и вручную и автоматически.  

В первую очередь преимущество и достоинство оборудования назначенного для аппарата плазменной резки, содержится в скорости резки металлического материала. Также чрезвычайно важная роль отводится и экономической стороне: экономический эффект использования воздушно-плазменной резки за место газопламенной – составляет более 250%. Разница весьма впечатляюща и очевидна. Затраты аппарата плазменной резки сводятся только лишь к стоимости затраченной электроэнергии и себестоимости расходных материалов. К расходным материалам аппарата плазменной резки относятся – катоды и сопла, находящиеся в головке плазмотрона. 
Как правило, аппараты плазменной резки специалисты разделяют на 2 категории.

• Инверторные аппараты плазменной резки

Достоинства инверторных установок для плазменной резки заключаются в таких параметрах, как достаточно низкое энергопотребление, компактность, симпатичный дизайн, небольшой вес.

Недостатки выглядят следующим образом: ограничение по максимальной мощности (обычно не более 70 Ампер), незначительное ПВ (продолжительность включения*,%) в частности на больших токах. Но главным недостатком, на взгляд специалистов, является чрезмерная чувствительность инверторных плазморезов к скачкам напряжения.

• Трансформаторные источники плазменной резки

В достоинства можно включить высокую надежность. Весьма высокая продолжительность включения (ПВ) иногда - до 100%, притом, что для ручной плазменной резки достаточно и 70%. Кроме того, установки с ПВ свыше 70% вполне реально применять для автоматической резки аппаратов с ЧПУ, причем продолжительность непрерывного функционирования плазмотрона на много дольше, нежели при ручной резке плазмой.   

Из недостатков можно выделить габариты и вес (гораздо больше, нежели у плазменных инверторов), повышенное энергопотребление , к тому же по максимальной потребляемой мощности они выглядят предпочтительней некоторых импортных инверторных плазменных аппаратов.

Трансформаторные аппараты, а также аппараты плазменной резки могут различаться по системе охлаждения плазмотрона, то есть:

• мобильные плазменные источники (охлаждение – воздушное);
• стационарные аппараты плазменной резки (охлаждение – водяное).

В мобильных аппаратах воздушно-плазменного разрезания металла сжатый воздух используется непосредственно как плазмообразующий и охлаждающий газ. Преимуществом данных аппаратов являются низкая себестоимость, небольшие габариты и вес, что позволяет транспортировать их без каких-либо сложностей.

Недостатки – ограничения по мощности до 150-180 Ампер. Такие аппараты свободно могут разрезать металлический материал толщиной в 50-55 миллиметров – максимум.

Аппараты плазменной резки, имеющие водяное охлаждение плазмотрона. Это достаточно мощные установки, которые способны разрезать сталь толщиной до 80-100мм. Работают обычно в составе либо же установки плазменной резки с ЧПУ ,либо же Центра термического раскроя металлопроката листового с ЧПУ.

Особенности плазменной резки, занимает особое место среди многообразия способов/методов заготовительного раскроя металла. От других методов ее отличает режущий инструмент, который представляет собой плазменную струю. В основе этого метода находиться следующий принцип: между форсункой и металлом проходит электрический импульс, заставляющий активные (кислород и воздух), а так же неактивные (аргон, водород, азот) газы вступать в реакцию.

Особенности плазменной резки металла – это универсальный вид обработки различных металлов, ведь ее можно использовать практически для любого типа металлов: цветного, черного, тугоплавкого и т.д. Так же, в особенности резки металла, входит и максимальная толщина разрезаемого металлического материала может достигать двухсот миллиметров. Хотя могут обрабатываться даже чугун и нержавеющая сталь толщиной до 500 мм. Но производительность в таких случаях будет весьма низкой.

Стоит отметить, что в особенности плазменной резки, особенно эффективна для работы с цветными металлами, в частности с алюминием, учитывая его небольшую толщину и низкую электропроводность.

Установки в особенности плазменной резки, могут быть двух видов: портальные и портативные. Портативные установки могут работать в полевых условиях. Так как плазменная резка не требует больших трудозатрат и даже сварочной ванны, то работа на подобной установке совершенно безопасна. Портальные установки представляют собой стационарные аппараты, работать на которых можно с металлами разных толщин и размеров

Другие особенности плазменной резки металлов,  отличается довольно высокой производительностью, хорошим качеством получаемого материала и при всем этом низкой ценой.  Эти виды и особенности плазменной резки металлов реализуется при помощи генераторов плазмы, которые обладают весьма и весьма высокой сопротивляемостью к изнашиванию. Это позволяет не производить их замену долгое время, получая при этом качественный результат.

По сравнению с другими методами раскроя (лазерным, кислородным, гидроабразивным), особенности плазменной резки, имеет большое количество преимуществ. К ним относится и высокая скорость работы, и меньшие трудо- и энергозатраты, высокая производительность, низкий уровень загрязнения атмосферы, качество обработанного металла.

И совсем неудивительно, что при этих утвердительных качествах – плазменная резка обрела широкое распространение и популярность во многих крупных предприятиях. Стоит подчеркнуть, что качество плазменной резки напрямую зависит от качества оборудования и его комплектующих деталей.