Плазменная резка металла: вид и устройство плазмотрона, принцип работы резака и советы по выбору

Резка металлов необходима во множестве технологических процессов. Почти всегда механическая обработка начинается с раскраивания и резки материала. Одним из наиболее удобных и экономичных способов является плазменная резка металла. Она позволяет получать заготовки любой формы, которые почти не требуют последующей обработки.

Принцип работы

Для плазменной резки металла применяется воздействие струёй плазмы на заготовку. Плазма — это поток ионизированного газа, разогретого до температуры в тысячи градусов, который обладает электропроводностью и движется с большой скоростью. Формирование плазменной дуги из электрической производится аппаратом плазморез. Принцип работы плазмореза и этапы технологического процесса резки:

  • Формируется дежурная электрическая дуга, которая зажигается между электродом плазмореза и его соплом или обрабатываемым металлом.
  • После формирования дежурной дуги в камеру подаётся сжатый газ. Он расширяется в объёме и разогревается до температуры 20000 °C.
  • Электрическая дуга ионизирует газ, он становится проводником электричества и превращается в струю плазмы. Эта струя разогревает металл в зоне обработки, расплавляет его и производит резку.

Для металлов и неметаллических материалов применяются разные принципы газоплазменной резки. Имеются два способа обработки материалов:

  • Дуга горит между плазмотроном и изделием. Так работает резак прямого действия. Изделие при этом должно быть токопроводящим. Если требуется разрезать неметаллические изделия, применяется косвенный метод.
  • Дуга зажигается в самом плазмотроне между электродом и соплом. Электрод является катодом, а на сопло подаётся положительный потенциал.

Во втором случае обработке могут подвергаться любые материалы: пластмассы, камень, бетон. Потенциал к детали не подводится и электропроводность не требуется.

Оборудование для резки плазмой

Для резки металла плазмой выпускаются аппараты промышленного и бытового назначения. Все агрегаты для резки плазмой имеют в своём составе:

  • источник питания;
  • плазмотрон;
  • компрессор для нагнетания сжатого газа;
  • кабели и шланги, служащие для соединения элементов оборудования.

Источник питания может представлять собой инвертор или трансформатор. Инверторные агрегаты лёгкие, экономичные, обладают высоким коэффициентом полезного действия. Их часто применяют в небольших производствах. Имеют ограничение по силе тока — 70 А, способны резать материал только небольшой толщины до 30 мм.

Трансформаторные устройства более мощные, имеют больший вес и размеры. Они более устойчивы к перепадам напряжений, способны к долгой непрерывной работе и часто используются в станках с ЧПУ. Оборудование с системой водяного охлаждения способно резать металл толщиной до 100 мм. Источники питания для резки с применением кислорода имеют силу тока в диапазоне 100—400 А. При использовании азота, как плазмообразующего газа, этот диапазон увеличивается до 600 А.

Плазмотрон — это основной узел всех установок. В его состав входит:

  • внутренний электрод;
  • рабочее сопло;
  • изолирующий корпус с охлаждением;
  • устройство подачи плазмообразующего вещества.

В зависимости от условий обработки применяют разные газы для плазменной резки. Для сталей и сплавов применяют кислород и воздух. Воздушно-плазменная резка используется для обработки низколегированных сталей. При обработке цветных металлов плазмообразующими газами могут быть аргон, азот, водород. Это обусловлено тем, что в среде кислорода цветные металлы начинают окисляться. Смесь аргона с водородом чаще используется для резки нержавеющей стали и алюминия.

Температура потока газа находится в пределах 5000—30000 °C. При нижних значениях температур обрабатываются цветные металлы, при верхних — тугоплавкие стали.

Скорость потока находится в пределах 500—1500 м/с. Настройка производится в зависимости от толщины, характеристик обрабатываемого материала и длительности работы.

Обработка в ручном режиме

Перед началом работы инвертор или трансформатор подключают к сети переменного тока. Обрабатываемую деталь подсоединяют к источнику питания. Следующий этап — сближение сопла и заготовки. Между ними должно оставаться 40 мм. После этого можно зажигать дежурную дугу. Когда дуга загорается, в сопло подаётся воздушный поток, который ионизируется и формирует струю плазмы.

При работах с плазморезом необходимо соблюдать правила техники безопасности. Нужно использовать специальный костюм и защитный лицевой щиток. Температуры при плазморезке достигают тысяч градусов, и для человека это может быть опасно. Поэтому надо стремиться автоматизировать процесс.

Достоинства и недостатки плазменной обработки

Работа агрегатов плазморезки часто внедряется в различные технологические процессы, связанные с раскроем и резкой металлических и неметаллических материалов. Это обусловлено наличием следующих преимуществ технологии раскроя с помощью плазменной дуги:

  • Универсальность. Возможность раскраивать любые материалы, в том числе камень, титан и сплавы из него. Без предварительного подогрева можно резать листы до 80 мм толщиной.
  • Точность. Плазменный инструмент выполняет точный и ровный рез без термического деформирования краёв.
  • Компактность. Многие агрегаты, особенно с использованием источника питания инверторного типа, имеют небольшие габариты и могут работать как в закрытых помещениях, так и на открытых площадках.
  • Простота в эксплуатации. Плазморез удобен в работе и не требует высокой квалификации при использовании. Часто применяется в северных регионах в условиях повышенной влажности и низких температур.

Но у метода плазменного раскроя есть и недостатки. К ним относятся:

  • Усложнённость конструкции и высокая цена агрегатов.
  • Повышенный уровень шума при использовании плазмореза.
  • Выделение вредных веществ при использовании азота как плазмообразующего газа.
  • Сложность рабочего оборудования не позволяет одновременное подключение двух резаков к одному аппарату.

Несмотря на эти недостатки, плазмотроны находят себе всё большее применение и на крупных предприятиях, и в маленьких домашних мастерских. Использование плазменной резки ускоряет обработку легированных сталей, а точность линии реза и способность вырезать криволинейные фигуры делают плазморезы незаменимыми во многих производственных процессах.

Технология плазменной резки крайне редко применяется в быту, зато в промышленной сфере получила очень широкое распространение. Благодаря тому, что с помощью плазмореза можно легко, быстро и качественно разрезать практически любой токопроводящий металл, а также другие материалы – камень и пластик, его используют в машиностроении, судостроении, коммунальной сфере, изготовлении рекламы, для ремонта техники и многого другого. Срез всегда получается ровным, аккуратным и красивым. Тех, кто только собрался освоить данную технологию, может интересовать резонный вопрос, что собой представляет аппарат плазменной резки, каков принцип его работы, а также какие разновидности плазморезов бывают и для чего используется каждый из них. Все это даст общее понимание технологии плазменной резки, позволит сделать правильный выбор при покупке и освоить работу с аппаратом.

  1. Принцип работы аппарата плазменной резки металла
  2. Устройство аппарата плазменной резки
  3. Разновидности аппаратов плазменной резки

    • Аппараты для ручной и машинной резки
    • Трансформаторные и инверторные аппараты плазменной резки
    • Аппарат воздушно-плазменной резки и водно-плазменной резки
    • Контактные и бесконтактные аппараты плазменной резки

Принцип работы аппарата плазменной резки металла

Как работает плазморез? И что подразумевается под словом «плазма»? Для работы плазмореза необходимо только две вещи – электричество и воздух. Источник энергии подает на резак (плазмотрон) токи высокой частоты, благодаря чему в плазмотроне возникает электрическая дуга, температура которой 2019 – 2019 °С. Затем в плазмотрон направляется сжатый воздух, который на большой скорости вырывается из патрубка, проходит через электрическую дугу, нагревается до температуры 20000 – 30000 °С и ионизируется. Воздух же, который ионизировался, теряет свойства диэлектрика и становится проводником электричества. Плазмой как раз и является этот воздух.

Вырываясь из сопла, плазма локально разогревает заготовку, в которой необходимо выполнить рез, металл плавится. Образованные на лобовой поверхности реза частички расплавленного металла сдуваются потоком воздуха, вырывающимся на огромной скорости. Так происходит резка металла.

Скорость плазменного потока (разогретого ионизированного воздуха) возрастает, если увеличить расход воздуха. Если же увеличить диаметр сопла, через которое плазма вырывается, то скорость уменьшится. Параметры скорости плазмы примерно таковы: на токе 250 А она может быть 800 м/с.

Чтобы рез получился ровным, плазмотрон необходимо держать перпендикулярно плоскости реза, максимальное допустимое отклонение 10 – 50 °. Также большое значение имеет скорость реза. Чем она меньше, тем ширина реза становится больше, а поверхности реза становятся параллельными. То же самое происходит при увеличении силы тока.

Если увеличить расход воздуха, то ширина реза уменьшится, зато кромки реза станут непараллельными.

Устройство аппарата плазменной резки

Аппарат плазменной резки состоит из источника питания, плазмотрона и кабель-шлангового пакета, с помощью которого соединяются источник питания и компрессор с плазмотроном.

Источником питания для аппарата плазменной резки может служить трансформатор или инвертор, которые подают на плазмотрон большую силу тока.

Плазмотрон, собственно, и является главным элементом аппарата – плазменным резаком. Иногда по ошибке весь аппарат называют плазмотроном. Возможно, это связано с тем, что источник питания для плазмореза не отличается никакой уникальностью, а может быть использован вместе со сварочным аппаратом. А единственным элементом, отличающим плазморез от другого аппарата, и является плазмотрон.

Основные составляющие плазмотрона – электрод, сопло и изолятор между ними.

Внутри корпуса плазмотрона находится цилиндрическая камера малого диаметра, выходной канал из которой довольно мал и позволяет формировать сжатую дугу. В тыльной стороне дуговой камеры располагается электрод, служащий для возбуждения электрической дуги.

Электроды для воздушно-плазменной резки могут быть изготовлены из бериллия, гафния, тория или циркония. На поверхности этих металлов образуются тугоплавкие оксиды, предотвращающие разрушение электрода. Но для образования этих оксидов нужны определенные условия. Самыми распространенными являются электроды из гафния. А вот из бериллия и тория их не делают, и виной тому те самые оксиды: оксид бериллия – крайне радиоактивен, а оксид тория – токсичен. Все это может крайне негативно сказаться на работе оператора.

Так как возбуждение электрической дуги между электродом и заготовкой обрабатываемого металла напрямую затруднительно, сначала зажигается так называемая дежурная дуга – между электродом и наконечником плазмотрона. Столб этой дуги заполняет весь канал. После этого в камеру начинает подаваться сжатый воздух, который, проходя сквозь электрическую дугу, нагревается, ионизируется и увеличивается в объеме в 50 – 100 раз. Сопло плазмотрона сужено книзу и формирует из разогретого ионизированного газа/воздуха поток плазмы, вырывающийся из сопла со скоростью 2 – 3 км/с. При этом температура плазмы может достигать 25 – 30 тыс. °С. В таких условиях электропроводимость плазмы становится примерно такой же, как и у обрабатываемого металла.

Когда плазма выдувается из сопла и касается факелом обрабатываемого изделия, образуется режущая плазменная дуга – рабочая, а дежурная дуга гаснет. Если вдруг по какой-то причине рабочая дуга тоже погасла, необходимо прекратить подачу воздуха, снова включить плазмотрон и сформировать дежурную дугу, а затем пустить сжатый воздух.

Сопло плазмотрона может иметь различные размеры и от этого зависят возможности всего плазмотрона и технология работы с ним. Например, от диаметра сопла плазмотрона зависит количество воздуха, которое может проходить сквозь этот диаметр за единицу времени. От количества расхода воздуха зависит ширина реза, скорость работы и скорость охлаждения плазмотрона. В плазморезах используют сопла не больше 3 мм диаметром, зато довольно длинные – 9 – 12 мм. Длина сопла влияет на качество реза, чем длиннее сопло, тем качественнее рез. Но здесь нужно быть осторожным, везде важна мера, так как слишком большое сопло будет быстрее изнашиваться и разрушаться. Оптимальной считается длина, в 1,5 – 1,8 раз больше диаметра сопла.

Крайне важно, чтобы катодное пятно фокусировалось строго по центру катода (электрода). Для этого используют вихревую подачу сжатого воздуха/газа. Если вихревая (тангенциальная) подача воздуха нарушена, то катодное пятно будет смещаться относительно центра катода вместе с дугой. Все это может привести к нестабильному горению плазменной дуги, образованию двойной дуги и даже выходу плазмотрона из строя.

В процессе плазменной резки используются плазмообразующие и защитные газы. В аппаратах плазменной резки с силой тока до 200 А (можно разрезать металл толщиной до 50 мм) используют только воздух. В таком случае воздух является плазмообразующим газом и защитным, а также охлаждающим. В сложных промышленных портальных аппаратах используют другие газы – азот, аргон, водород, гелий, кислород и их смеси.

Сопло и электрод в аппарате плазменной резки являются расходными материалами, которые необходимо своевременно заменять, не дожидаясь их полного износа.

В основном плазморезы принято покупать в готовом виде, главное – правильно подобрать нужный агрегат, тогда не придется ничего «доделывать напильником». Хотя в нашем отечестве есть «Кулибины», которые могут сделать аппарат плазменной резки своими руками, закупив некоторые детали отдельно.

Разновидности аппаратов плазменной резки

Плазморезы различают по нескольким различным параметрам. Аппараты плазменной резки могут представлять собой переносные установки, портальные системы, шарнирно-консольные машины, специализированные конструкции и установки с координатным приводом. Особенно выделяются машины плазменной резки с ЧПУ (числовым программным управлением), которые минимизируют вмешательство человека в процесс резки. Но помимо этих существуют и другие градации.

Аппараты для ручной и машинной резки

Ручной аппарат плазменной резки используется для резки металла вручную, когда плазмотрон держит в руках оператор-человек и ведет его по линии реза. В связи с тем, что плазмотрон все время находится на весу над обрабатываемой заготовкой, рука человека может слегка дрогнуть даже в процессе обычного дыхания, все это отражается на качестве реза. На нем могут быть наплывы, неровный рез, следы рывков и т.д. Чтобы облегчить работу оператору, существуют специальные упоры, которые надеваются на сопло плазмотрона. С помощью него можно поставить плазмотрон непосредственно на заготовку и аккуратно вести его. Зазор между соплом и обрабатываемой заготовкой всегда будет одинаковым и соответствующим требованиям.

Аппараты машинной резки представляют собой плазморезы портального типа и аппараты автоматического раскроя деталей и труб. Такие аппараты используются на производстве. Качество реза таким плазморезом получается идеальным, дополнительная обработка кромок не требуется. А программное управление позволяет делать резы различной фигурной формы в соответствии с чертежом без страха дернуть рукой в неподходящий момент. Рез выполняется точно и гладко. На подобные аппараты плазменной резки металла цена на порядок выше, чем на ручные аппараты.

Трансформаторные и инверторные аппараты плазменной резки

Существуют трансформаторные и инверторные плазморезы.

Трансформаторные плазморезы тяжелее инверторных и больше по размеру, зато они более надежны, так как не выходят из строя в случае скачков напряжения. Продолжительность включения таких аппаратов выше, чем у инверторных, и может достигать 100 %. Такой параметр, как продолжительность включения, напрямую влияет на специфику работы с аппаратом. Например, если ПВ равна 40 %, это означает, что 4 минуты резак может работать без перерыва, а затем ему необходимо 6 минут отдыха, чтобы остыть. ПВ 100 % используется в производстве, там, где работа аппарат продолжается весь рабочий день. Недостатком трансформаторного плазмореза является высокое энергопотребление.

С помощью трансформаторных плазменных резаков можно обрабатывать заготовки большей толщины. На подобный аппарат воздушно-плазменной резки цена выше, чем на инверторный. Да и представляет он собой короб на колесиках.

Инверторные аппараты плазменной резки используются чаще в быту и на маленьких производствах. Они намного экономнее в энергопотреблении, обладают меньшим весом и габаритами и чаще всего представляют собой ручной аппарат. Достоинством инверторного плазмореза является стабильное горение дуги и КПД на 30 % выше, компактность и возможность вести работы в труднодоступных местах.

Аппарат воздушно-плазменной резки и водно-плазменной резки

Стоит отметить, что существуют не только аппараты воздушно-плазменной резки, принцип действия которых и устройство были описаны выше, но и аппараты водно-плазменной резки.

Если в воздушно-плазменных резаках воздух выступает и как плазмообразующий, и как защитный, и как охлаждающий газ, то в водно-плазменных резаках вода выступает в качестве охладителя, а водяной пар плазмообразователя.

Достоинствами воздушно-плазменной резки являются низкая цена и небольшой вес, зато недостаток – ограничена толщина разрезаемой заготовки, зачастую не более 80 мм.

Мощность водно-плазменных резаков позволяет разрезать толстые заготовки, зато их цена несколько выше.

Принцип работы аппарата водно-плазменной резки заключается в том, что вместо сжатого воздуха в нем используется водяной пар. Это дает возможность отказаться от использования компрессора для воздуха или газовых баллонов. Водяной пар более вязкий по сравнению с воздухом, поэтому его необходимо намного меньше, запаса в баллончике хватает примерно на месяц-два. Когда в плазмотроне протекает электрическая дуга, в него подается вода, которая испаряется. Одновременно с этим рабочая жидкость поднимает катод отрицательного полюса от катода положительного полюса сопла. В результате загорается электрическая дуга, пар ионизируется. Еще до того, как плазмотрон приблизится к обрабатываемой заготовке, загорается плазменная дуга, которая выполняет резку. Ярким представителем данной категории плазморезов является аппарат Горыныч, на такой аппарат плазменной резки цена около 800 у.е.

Контактные и бесконтактные аппараты плазменной резки

В зависимости от того, включен разрезаемый материал в электрическую схему плазменной резки или нет, зависит тип резки – контактный и бесконтактный.

Контактная плазменная резка или резка плазменной дугой выглядит так: дуга горит между электродом плазмотрона и обрабатываемой деталью. Это еще называется дугой прямого действия. Столб электрической дуги совмещен с плазменной струей, которая вырывается из сопла на большой скорости. Продуваемый через сопло плазмотрона воздух обжимает дугу и придает ей проникающие свойства. За счет высокой температуры воздуха 30000 °С, повышается скорость его истечения и плазма оказывает сильной механическое воздействие на выдуваемый металл.

Контактный тип резки применяется при работах с металлами, которые могут проводить электричество. Это изготовление деталей с прямолинейными и криволинейными контурами, резка труб, полос и прутков, выполнение отверстий в заготовках и многое другое.

Бесконтактная плазменная резка или резка плазменной струей выглядит так: электрическая дуга горит между электродом и формирующим наконечником плазмотрона, часть плазменного столба выносится за пределы плазмотрона через сопло и представляет собой высокоскоростную плазменную струю. Именно данная струя и является режущим элементом.

Бесконтактная резка используется при работе с нетокопроводящими материалами (неметаллами), например, камнем.

Работа с аппаратом плазменной резки и технология воздушно-плазменной резки – это целое искусство, требующее знаний, терпения и соблюдения всех правил и рекомендаций. Знание и понимание устройства плазмореза помогает выполнять работу качественно и аккуратно, так как оператор понимает, какие процессы происходят в плазмотроне и за его пределами в тот или иной момент, и может ими управлять. Также немаловажно соблюдать все меры предосторожности и технику безопасности, например, работать с плазморезом необходимо в костюме сварщика, в щитке, перчатках, в закрытой обуви и плотных штанах из натуральной ткани. Некоторые окислы, выделяемые в процессе резки металла, могут нанести непоправимый вред легким человека, поэтому необходимо работать в защитной маске или хотя бы обеспечить хорошую вентиляцию в рабочей зоне.