Принцип действия плазменного резака: Как работает плазменная резка? Преимущества и недостатки

Содержание

Как работает плазменная резка? Преимущества и недостатки

Резку металла можно разделить на две категории — механическую и термическую. Плазменная резка — это метод термической резки, при котором для резки металла используется ионизированный газ.

Это один из широко используемых методов резки толстых металлических листов, но также он может использоваться для листового металла. Прежде чем углубляться в преимущества и возможности плазменной резки, следует ответить еще на один вопрос.

Что такое плазма?

Вы определенно слышали о трех основных состояниях материи — твердом, жидком и газообразном. Но есть и четвертый. Да, это плазма.

Плазму можно найти в природе, но в основном в верхних частях атмосферы Земли. Знаменитое полярное сияние — результат солнечного ветра, созданного из плазмы. Освещение и высокотемпературный огонь тоже включает в себя плазму.

В общей сложности она составляет около 99% видимой Вселенной.

В повседневной жизни мы можем встретить плазму в телевизорах, люминесцентных лампах, неоновых вывесках и, конечно же, в плазменных резаках.

Плазма — это электропроводящее ионизированное газоподобное вещество. Это означает, что в некоторых атомах отсутствуют электроны, и также есть свободные электроны, плавающие вокруг.

Газ можно превратить в плазму, подвергнув его интенсивному нагреву. Вот почему плазму часто называют ионизированным газом.

Плазма похожа на газ, поскольку атомы не находятся в постоянном контакте друг с другом. В то же время она ведет себя аналогично жидкостям с точки зрения её способности течь под воздействием электрического и магнитного поля.

Как работает плазменный резак?

Процесс плазменной резки — это метод термической резки. Это означает, что для плавления металла используется тепло, а не механическая сила. Общая механика системы всегда одинакова. В плазменных резаках используется сжатый воздух или другие газы, например азот. Ионизация этих газов происходит с образованием плазмы.

Обычно сжатые газы контактируют с электродом, а затем ионизируются для создания большего давления. Когда давление увеличивается, поток плазмы направляется к режущей головке.

Режущий наконечник сужает поток, создавая поток плазмы. Затем он наносится на заготовку. Поскольку плазма электропроводна, заготовка соединяется с землей через стол для резки.Когда плазменная дуга контактирует с металлом, его высокая температура плавит его. В то же время высокоскоростные газы выдувают расплавленный металл.

Запуск процесса резки

Не все системы работают одинаково. Во-первых, есть обычно более бюджетная версия, называемая высокочастотным контактом . Это недоступно для плазменных резаков с ЧПУ, потому что высокая частота может мешать работе современного оборудования и вызывать проблемы.

В этом методе используется искра высокого напряжения и высокой частоты. Возникновение искры происходит при соприкосновении плазменной горелки с металлом. Это замыкает цепь и создает искру, которая, в свою очередь, создает плазму.

Другой вариант — метод пилотной дуги . Во-первых, искра создается внутри горелки цепью высокого напряжения и низкого тока. Искра создает вспомогательную дугу, которая представляет собой небольшое количество плазмы.

Режущая дуга возникает, когда вспомогательная дуга входит в контакт с заготовкой. Теперь оператор может начать процесс резки.

Третий способ — использование подпружиненной головки плазмотрона . Если прижать резак к заготовке, возникает короткое замыкание, в результате чего начинает течь ток.

При снятии давления образуется вспомогательная дуга. Следующее такое же, как и в предыдущем методе. Это приводит к контакту дуги с заготовкой.

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.

Воздух

Основными составляющими воздуха являются азот (78,18%) и кислород (20,8%). Сочетание этих двух газов представляет собой очень богатую энергией смесь. Воздух применяется в качестве плазменного газа для резки нелегированных, низколегированных, высоколегированных сталей и алюминия. Обычно воздух используется для ручной резки, а также для резки тонкого листа. Если резка нелегированной стали выполняется с применением в качестве плазменного газа воздуха, то кромки реза получаются прямыми и достаточно гладкими. Однако, как газ для резки, воздух повышает содержание азота на поверхностях реза. Если такие кромки реза далее не подвергаются механической обработке, в сварном шве могут создаться поры.

Кислород

Кислород применяется в качестве плазменного газа для резки нелегированных и низколегированных сталей. Когда кислород смешивается с расплавом, понижается его вязкость, благодаря чему расплав приобретает большую текучесть. Это обычно даёт возможность получить кромки реза без грата и верхние края без скруглений. Появляется возможность достичь более высоких скоростей резки, чем в случае с азотом и воздухом. В отличие от азота или воздуха, при использовании кислорода поверхности реза не насыщаются азотом, а значит, риск возникновения пор при последующей сварке сводится к минимуму.

Аргон

Аргон является единственным инертным газом, который может производиться для коммерческих целей с использованием метода воздушной сепарации при объёмном проценте 0,9325. Будучи инертным газом, он химически нейтрален. Благодаря своей большой атомной массе (39,95), аргон способствует вытеснению расплавленного материала из зоны реза посредством высокой плотности импульсов создаваемой плазменной струи. Из-за своей относительно низкой теплопроводности и энтальпии, аргон не является совершенно идеальным газом для плазменной резки, так как он позволяет достичь только лишь относительно небольшой скорости резки, в результате чего получаются скругления, поверхности имеют чешуйчатый вид.

Водород

По сравнению с аргоном, водород имеет очень маленькую атомную массу и характеризуется относительно большой теплопроводностью. Водород имеет чрезвычайно высокую максимальную теплопроводность в температурном диапазоне диссоциации, что обусловливается процессами диссоциации и рекомбинации. Первоначально при рекомбинации и ионизации двухатомного водорода из дуги высвобождается большое количество энергии. Это приводит к обжатию вытекающей дуги. Из приведенного описания физических свойств следует, что водород, сам по себе, настолько же не подходит в качестве плазменной среды, насколько и аргон. Однако, если положительные свойства водорода, касающиеся тепловых показателей совместить с большой атомной массой аргона, то получаемая в результате газовая смесь даёт возможность быстро передавать кинетическую энергию, а также достаточное количество тепловой энергии разрезаемому материалу.

Азот

В отношении физических свойств азот занимает приблизительно промежуточное положение между аргоном и водородом.

Теплопроводность и энтальпия у азота выше, чем у аргона, однако меньше, чем у водорода. Азот и водород ведут себя сходным образом в смысле возможности обжатия дуги, а также в отношении тепла рекомбинации, создающего текучий расплав. Таким образом, азот может использоваться сам по себе как плазменный газ. Азот, используемый в качестве плазменного газа, обеспечивает быструю резку изделий с тонкими стенками без образования оксидов. Недостатком является относительно большое количество бороздок. Практически невозможно добиться реза с полностью параллельными сторонами. Угол получаемого скоса в большой степени зависит от установленного настройкой объёма газа и скорости резки. Насыщение поверхности реза азотом отрицательно сказывается на свариваемости. Повышенное содержание азота при поверхностях реза является причиной пористости свариваемого металла.

Преимущества и недостатки плазменной резки:

Преимущества:

Может резать все токопроводящие материалы. Газовая резка, хотя она также подходит для резки толстых металлов, ограничивается только черными металлами;

Хорошее качество для толщины до 50 мм;
Максимальная толщина до 150 мм;
Может резать в воде, что приведет к уменьшению ЗТВ. Также снижает уровень шума;
Меньший пропил по сравнению с газовой резкой;
Более высокая скорость резки, чем при резке кислородом.

Недостатки:

Большая ЗТВ по сравнению с лазерной резкой;
Качество с более тонкими листами и пластинами хуже, чем при лазерной резке;
Допуски не такие точные, как при лазерной резке;
Не достигает такой толщины, как гидроабразивная или газовая резка;
Оставляет ЗТВ, которой нет при гидроабразивной струе;
Более широкий пропил, чем при лазерной резке;
Кроме того, сам процесс довольно сложный и требует высокой квалификации оператора;

Заготовку необходимо располагать строго перпендикулярно.
Во время резки металла в воздух выбрасывается большое количество вредных газов.

Устройство и принцип работы плазменного резака

Плазмотрон – базовый элемент аппарата плазменной резки

Плазменная резка давно зарекомендовала себя как высокопроизводительный, безопасный и скоростной метод обработки металлов, позволяющий получить чистую и ровную поверхность без дополнительной обработки. Главным «участником» этого процесса является резак – базовый рабочий орган плазмореза. Несмотря на растущий интерес к технологии, путаница в терминологии остается до сих пор: иногда под «плазмотроном» ошибочно подразумевают всю установку для резки. Что же представляет собой этот аппарат и как именно он устроен?

Составляющие плазмотрона

Сопло, формирующее плазменную струю. Размер реза, характеристики дуги и скорость охлаждения оборудования во многом зависят от диаметра комплектующей и ее длины: чем она длиннее, тем аккуратнее получается разрез, но вместе с тем и сокращается срок эксплуатации.

Самыми лучшими считаются сопла из чистой меди, поскольку этот материал удачно сочетает высокую теплопроводность и малую стоимость.

Электрододержатель с катодом (электродом), изготовленным чаще всего из гафния, реже – из циркония, бериллия или тория (оксиды последних могут быть токсичными или радиоактивными и наносят вред здоровью оператора, поэтому их применяют не так часто).
Дуговая камера для подачи воздушного потока.
Изоляционная втулка, разделяющая электродный и сопловый узлы.
Кожух с внешней стороны.
Кабель-шланговый пакет, соединяющий устройство с источником питания. Кабель служит для передачи тока от инвертора или трансформатора, а шланг – для транспортировки сжатого воздуха.
Роликовые упоры, головка резака, защитный колпачок также входят в конструкцию прибора, хоть и не принимают непосредственного участия в процессе.

В комплектации может быть также завихритель, например выполненный в виде керамических колец или шайб. Размещенные перед входом в сопловый узел подобные приспособления обеспечивают вихревую подачу газа в дуговую камеру и способствуют более эффективному сжатию дуги и ее стабилизации.

При обработке металла толщиной до 10 мм одного комплекта «сопло + электрод» хватает примерно на 8 рабочих часов

Принцип работы

Сигналом к началу работы становится нажатие кнопки «розжиг» или «старт», в ответ на которое от источника питания в плазмотрон поступают токи высокой частоты. Под их воздействием внутри аппарата между наконечником сопла и электродом образуется дежурная электрическая дуга температурой 6000 – 8000 °С, столб которой заполняет собой весь канал.

Следующий этап – в камеру по шлангу поступает сжатый воздух. Проходя через электродугу, он нагревается и ионизируется, приобретая токопроводящие свойства, а объем увеличивается в 50-100 раз. Сопло, суженное книзу, формирует воздушный поток, готовый вырваться наружу на большой скорости. Именно этот нагретый до 25000-30000 °С ионизированный воздух и называют плазмой, выполняющей разрез.

Плазмообразующими газами выступают кислород, смесь водорода с аргоном, азот. В промышленности, кроме них, используют ряд защитных газов (гелий, аргон) и их смеси.

В момент, когда плазма соприкасается с поверхностью металла, дежурная дуга гаснет, а вместо нее зажигается рабочая, или режущая. Под ее действием металл плавится, образуя рез, а расплавленные частицы удаляются струей под высоким давлением.

Охлаждение плазмотронов осуществляется воздушным или водяным способом. Первый вариант с применением потоков газа актуален для маломощных установок. Второй – с циркулирующей водой – практикуют в аппаратах высокой мощности на крупном производстве. «Жидкая» технология более эффективна, однако утяжеляет конструкцию устройства и повышает стоимость его эксплуатации.

Использование этого незамысловатого с виду аппарата позволяет не только выполнять прямые, но и делать фигурные резы, проемы и отверстия, выравнивать кромки и т.д. – как в небольших мастерских, так и в промышленных масштабах.

Плазменно-дуговая резка. Вопросы процесса и оборудования

Процесс плазменной дуги всегда рассматривался как альтернатива кислородно-топливному процессу. В этой части серии описываются основы процесса с акцентом на рабочие характеристики и преимущества многих вариантов процесса.

Щелкните здесь , чтобы посмотреть наши последние технические подкасты на YouTube .

Основы процесса

Процесс плазменной резки показан на Рис. 1 . Основной принцип заключается в том, что дуга, образующаяся между электродом и заготовкой, сужается медным соплом с мелким отверстием. Это увеличивает температуру и скорость плазмы, выходящей из сопла. Температура плазмы превышает 20 000°C, а скорость может приближаться к скорости звука. При резке поток плазмообразующего газа увеличивается так, что глубоко проникающая плазменная струя прорезает материал, а расплавленный материал удаляется в вытекающей плазме.

Процесс отличается от кислородно-топливного процесса тем, что в плазменном процессе используется дуга для плавления металла, тогда как в кислородно-топливном процессе кислород окисляет металл, а тепло экзотермической реакции плавит металл. . Таким образом, в отличие от кислородно-топливного процесса, плазменный процесс можно применять для резки металлов, образующих тугоплавкие оксиды, таких как нержавеющая сталь, алюминий, чугун и сплавы цветных металлов.

Источник питания

Источник питания, необходимый для плазменно-дугового процесса, должен иметь падающую характеристику и высокое напряжение. Хотя рабочее напряжение для поддержания плазмы обычно составляет от 50 до 60 В, напряжение холостого хода, необходимое для зажигания дуги, может достигать 400 В постоянного тока.

При инициировании вспомогательная дуга формируется внутри корпуса горелки между электродом и соплом. Для резки дуга должна быть перенесена на заготовку в так называемом «перенесенном» режиме дуги. Электрод имеет отрицательную полярность, а заготовка – положительную, так что большая часть энергии дуги (примерно две трети) используется для резки.

Состав газа

В традиционной системе с использованием вольфрамового электрода плазма является инертной, образованной с использованием либо аргона, либо аргона-H ₂ или азот. Однако, как описано в Варианты процесса , можно использовать окисляющие газы, такие как воздух или кислород, но электрод должен быть из меди с гафнием.

Поток плазмообразующего газа имеет решающее значение и должен быть установлен в соответствии с текущим уровнем и диаметром отверстия сопла. Если расход газа слишком мал для текущего уровня или уровень тока слишком высок для диаметра отверстия сопла, дуга сломается, образуя две последовательные дуги: электрод к соплу и сопло к заготовке. Эффект «двойной дуги» обычно катастрофичен при плавлении сопла.

Качество резки

Качество кромки плазменной резки такое же, как и при кислородно-топливном процессе. Однако, поскольку плазменный процесс режет плавлением, характерной чертой является более высокая степень плавления по направлению к верхней части металла, что приводит к закруглению верхней кромки, плохой прямоугольности кромки или скосу кромки реза. Поскольку эти ограничения связаны со степенью сужения дуги, доступно несколько конструкций горелок, улучшающих сужение дуги и обеспечивающих более равномерный нагрев в верхней и нижней части реза.

Варианты процесса

Варианты процесса, Рис. 2а-2е , в основном были разработаны для улучшения качества резки и стабильности дуги, снижения шума и образования дыма или увеличения скорости резки.

Двойной газ

Процесс работает в основном так же, как и обычная система, но вокруг сопла вводится вторичный газовый экран, Рис. 2a . Положительные эффекты вторичного газа заключаются в усилении сужения дуги и более эффективном «выдувании» окалины. Плазмообразующий газ обычно представляет собой аргон, аргон-H ₂ или азот, а вторичный газ выбирается в зависимости от разрезаемого металла.

Сталь

воздух, кислород, азот

Нержавеющая сталь

азот, аргон-H ₂ , CO ₂; Алюминий
: аргон-H ₂, азот/CO ₂

Преимущества по сравнению с обычной плазмой:

Снижение риска «двойного искрения»
Более высокие скорости резания
Уменьшение закругления верхней кромки

Впрыск воды

В качестве плазмообразующего газа обычно используется азот. Вода впрыскивается радиально в плазменную дугу, Рис. 2b , чтобы вызвать большую степень сжатия. Температура также значительно повышается, достигая 30 000°C.

Преимущества по сравнению с обычной плазмой:

Улучшение качества и прямоугольности резки
Повышенная скорость резания
Меньший риск «двойного искрения»
Уменьшение эрозии сопла

Водяной кожух

Плазма может работать либо с водяным кожухом, Рис. 2c , либо даже с заготовкой, погруженной на глубину от 50 до 75 мм ниже поверхности воды. По сравнению с обычной плазмой вода действует как барьер, обеспечивая следующие преимущества:

Удаление дыма
Снижение уровня шума
Увеличенный срок службы сопла

В типичном примере уровня шума при высоком токе 115 дБ для обычной плазмы водяной экран эффективно снижает уровень шума примерно до 96 дБ, а под водой — до 52–85 дБ.

Поскольку водяной экран не увеличивает степень сужения, прямоугольность режущей кромки и скорость резания заметно не улучшаются.

Воздушная плазма

Инертный или нереакционноспособный плазмообразующий газ (аргон или азот) можно заменить воздухом, но для этого требуется специальный электрод из гафния или циркония, закрепленный в медном держателе, Рис. 2d . Воздух также может заменить воду для охлаждения горелки. Преимущество воздушно-плазменной горелки в том, что в ней вместо дорогостоящих газов используется воздух.

Следует отметить, что хотя электрод и сопло являются единственными расходными материалами, электроды с гафниевым наконечником могут быть дороже по сравнению с вольфрамовыми электродами.

Плазменная резка с высоким допуском

В попытке улучшить качество резки и конкурировать с превосходным качеством резки лазерных систем, доступны системы плазменной дуговой резки с высоким допуском (HTPAC), которые работают с сильно сжатой плазмой. Фокусировка плазмы осуществляется за счет закручивания плазмы, генерируемой кислородом, когда она входит в отверстие для плазмы, а вторичный поток газа впрыскивается ниже по потоку от плазменного сопла, Рис. 2e . Некоторые системы имеют отдельное магнитное поле, окружающее дугу. Это стабилизирует струю плазмы за счет поддержания вращения, вызванного закрученным газом. Преимущества систем HTPAC:

Качество резки находится между обычной плазменной дугой и лазерной резкой
Узкий пропил
Меньшая деформация благодаря меньшей зоне термического влияния

HTPAC — это механизированная техника, требующая точного и высокоскоростного оборудования. Основные недостатки заключаются в том, что максимальная толщина ограничена примерно 6 мм, а скорость резки обычно ниже, чем у обычных плазменных процессов, и составляет примерно 60-80% скорости лазерной резки.

Эта статья была подготовлена Биллом Лукасом в сотрудничестве с Дерриком Хилтоном, BOC

Как работает плазменная резка? Преимущества и недостатки

Резка металла может быть разделена на две категории – механическая и термическая резка. Плазменная резка — это метод термической резки, при котором для резки металла используется ионизированный газ .

Это один из наиболее широко используемых методов резки толстых металлических листов, но он также доступен и для листового металла. Прежде чем углубиться в преимущества и возможности плазменной резки, следует решить еще один вопрос.