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.