Все, что нужно знать о плазменной резке

Особенности работы аппарата

При включении аппарата плазменной резки с трансформатора на плазмотрон поступает электрический ток высокого напряжения. Вследствие этого, образуется высокотемпературная электрическая дуга. Поток сжатого воздуха, проходя сквозь дугу, возрастает в объеме на один порядок и становится токопроводящим.

Ионизированный поток газа (плазма), за счет прохождения через сопло, увеличивает свои термодинамические характеристики: скорость возрастает до 800 м/с, а температура до 30 тыс. градусов Цельсия. Электропроводность плазмы сопоставима по значению с электропроводностью обрабатываемого металла.

Скорость резания обратно пропорциональна диаметру сопла плазменной горелки. Для формирования качественной плазменной дуги следует применять тангенциальную или воздушно-вихревую подачу сжатого воздуха.

Особенность режущей дуги состоит в том, что ее действие носит локальный характер: в процессе резания не происходит деформации или нарушения поверхностного слоя обрабатываемого изделия.

Устройство плазмореза

Плазморез состоит из нескольких блоков:

Устройство плазмореза. Плазменная резка осуществляется плазморезом, который состоит из нескольких блоков

• источник электропитания;
• плазмотрон (резак);
• 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:

• электрод;
• сопло;
• охладитель;
• колпачок.

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:

• будет гореть нестабильно;
• могут образоваться одновременно две дуги;
• плазмотрон может выйти из строя.

Недостатки аппарата

Устройство плазмореза имеет свои особенности, поэтому аппарат имеет ряд негативных особенностей. Недостатком плазморезов считается высокая стоимость аппарата, сложная настройка и относительно невысокая толщина разрезаемого материала (до 22 см), в сравнении с кислородными резаками (до 50 см).

Ручной плазморез находит свое применение в небольших мастерских по производству сложных и нестандартных деталей. Особенностью работы ручного плазмореза, является высокая зависимость качества реза от квалификации резчика.

По той причине, что оператор плазменной резки держит плазмотрон на весу, производительность процесса резания металла невысокая. Для большего соответствия требуемым геометрическим характеристикам, для ведения рабочего органа плазмореза применяется специальный упор. Этот упор фиксирует сопло к поверхности заготовки на определенном расстоянии, что облегчает процесс резки.

Стоимость ручного плазмореза находится в прямой зависимости от его функциональных характеристик: максимального напряжения и толщины обрабатываемого материала.

Источники плазменной резки

Характеристики источника питания зависят от производительности и мощности оборудования. Его предназначение заключается в подаче тока определённой силы. Роль источника могут выполнять:

• трансформатор, дающий возможность более эффективно работать с трубами или металлом увеличенной толщины;
• инвертор, более подходящий для небольших цехов. Основное преимущество – это экономное энергопотребление.

Трансформаторный источник питания считается более надёжным благодаря малой восприимчивости к перепадам напряжения в сети. Широко применяется вместе со станками плазменной резки, автоматическими линиями с ЧПУ. Отличается долгим сроком службы без потери качественных характеристик. Основными недостатками являются высокое энергопотребление, большие вес и габариты, что обуславливает низкий КПД. Широко востребован благодаря возможности получения выходного тока до 180 ампер, что позволяет уверенно работать в самых сложных условиях.

Инвертор отличается гораздо меньшими габаритами и весом, позволяет значительно экономить электроэнергию. Однако максимально возможный ток в 70 ампер ограничивает сферу использования. К тому же, инвертор плохо переносит колебания напряжения. Ремонт достаточно сложен и обычно осуществляется в сервисных центрах.

Какой именно выбрать источник плазменной резки, каждый решает сам исходя из конкретных задач и требований. Источник питания может идти в комплекте со станком, но можно подобрать его и отдельно с условием, чтобы он подходил по параметрам.

Критерии качества плазменной резки металла

Классификация видов термической резки, габариты деталей и качество обработки установлены европейским регламентом EN ISO 9013 «Термическая резка».

Этот стандарт касается любых материалов, которые можно разделить плазмой, кислородом или лазером. Но при плазменной резке металла станками с ЧПУ или ручным оборудованием толщина должна быть в пределах от 1 до 150 мм.

Грат в нижней части реза и брызги в верхней части.

После плазменной резки металла на поверхности снизу можно увидеть затвердевшие частички самого металла и его оксида. Это грат. Брызги же обычно остаются на верхней кромке заготовки, обработанной плазмой. Грат образуется под воздействием множества факторов. К примеру, на его формирование могут повлиять определенная скорость резки, удаленность резака от обрабатываемой поверхности, сила тока, напряжение, выбор газа и самого метода резки металла плазмой.

Появится грат или нет, может зависеть также и от самого материала, его геометрических параметров, качества поверхности и скачков температуры в ходе процесса. Если скорость разделения металлов будет слишком низкой или, наоборот, высокой, тоже может сформироваться избыточный металл. Скорее всего, его не будет, если выбрать среднюю скорость. Также не допустить появления грата помогут правильно подобранный газ и технология резки.

Угловое отклонение.

При выполнении плазменной резки разные температуры в дуге способствуют тому, что поверхность реза получается под небольшим углом. За счет того, что вверху реза нагрев был сильнее, материал там расплавился в большей степени, чем в нижней части. Но чем лучше была обжата дуга, тем менее заметным будет угловое отклонение. На последнее также влияют расстояние от резака до поверхности и скорость резки. Стандартное разделение материала плазмой предполагает, что с двух сторон угол резки равен 4–8°.

Обрабатываемые заготовки будут иметь общие края реза, если угол резки станет меньше 1°. Достичь такого результата позволяет технология плазменного разделения с повышенным обжатием.

На практике специалисты по плазменной резке придерживаются правила, согласно которому ширина реза должна соответствовать 1,5–2 диаметрам выхода сопла. На то, какой будет эта величина, влияет скорость резки. Чем она ниже, тем более широкий рез удастся получить.

Металлургический эффект (область термического воздействия).

Если сравнивать с резкой кислородом, при плазменной обработке нелегированных сталей область теплового воздействия будет меньше на третью часть. Когда плазмой разделяют иные материалы, зона, находящаяся под влиянием высоких температур, будет зависеть от самого материала.

Насыщение азотом.

Во время плазменного разделения деталей с использованием воздуха или азота большое количество последнего начинает скапливаться на поверхности реза. Это может стать причиной появления пор в сварочном шве. Их будет гораздо меньше, если применять кислород.

Получить высококачественный и высокоточный рез позволяет использование плазмы с повышенным обжатием. Основные преимущества данной технологии – это получение допусков по ±0,2 мм и возможность невероятно точного повторения. В результате резы по качеству ничуть не уступают лазерной обработке.

Если рассматривать самые распространенные стали, тут можно получить качество реза, соответствующее стандартам, но нужно придерживаться установленных параметров обработки. То же самое касается и заготовок из алюминия, однако нужно иметь в виду, что у них высота от вершин до впадин не такая, как у стальных деталей. У алюминия она больше. Поэтому можно сказать, что качество обработки во многом зависит именно от материала изделий.

Например, состояние кромки определяется такими составляющими, как титан, магний, их сплавы, латунь и медь. Причем последние два вещества обладают выраженной зернистой структурой, а их высоту от вершин до впадин не получится рассчитать или оценить по регламенту EN ISO 9013.

Технология резки плазмой с повышенным обжатием позволяет достичь следующих результатов:

• Грата нет совсем либо он образуется в минимальном количестве.
• Даже при острых краях и углах контур получается очень точным.
• Небольшой допуск неровности поверхностей реза.
• Возможность высокоточной подгонки.
• Малая область воздействия высокой температуры и минимальное искривление.
• Рез ровный и гладкий, так как высота от вершин до впадин очень маленькая.
• Можно получить отверстия нужного небольшого диаметра.

Работа плазмореза

Чтобы понять принцип работы плазмореза, необходимо ознакомиться с технологией плазменной резки.

Прежде всего, необходимо определиться с понятием плазмы, а также для чего она нужна. Плазма – это высокотемпературный ионизированный газ, обладающий высокой электропроводностью.

Технологический процесс резки плазмой основан на идее газоэлектрической горелки, работающей на основе сварочной дуги. Это достигается построением специальной электрической цепи в следующей последовательности:

• вольфрамовый стержень соединяется с отрицательным полюсом источника постоянного тока;
• положительный полюс источника постоянного тока соединяется с соплом горелки или изделием;
• подача аргона или гелия в горелку.

Результатом этих операций становится загорание дуги между стержнем вольфрама и соплом. Образовавшаяся дуга подвергается сжатию под воздействием канала из жаропрочного сплава.

Принцип работы плазмореза

Вследствие этого, возникает очень высокое давление и происходит резкое повышение температуры дуги.

Возникновение потока плазмы генерирует вокруг себя сильное магнитное поле, еще сильнее сжимающее плазму и повышающее ее температуру.

Образовавшееся пламя плазмы достигает сверхвысоких температур: выше тридцати тысяч градусов Цельсия. Такое пламя в состоянии качественно как разрезать, так и сваривать любой материал.

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.

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.

Плюсы и минусы

Главнейшим достоинством оборудования является высокая точность кроя. Поскольку процессом управляет компьютер, вероятность отклонения от траектории движения рабочего инструмента равна нулю! На станках данного типа выполняются резы любой конфигурации. Еще одно бесспорное преимущество заключается в большой чистоте торцов раскроенных заготовок. Таким образом, дополнительная их обработка не требуется. Плюс также и в безопасности работы на станке: среди элементов оборудования нет находящихся под высоким напряжением.

Недостатков практически нет. К минусам можно отнести невозможность раскроя слишком толстых листов. Например, не обрабатывается высоколегированная сталь толщиной больше 10 см. Титан тоже не режется на плазменных станках.

Опросник для подбора установки плазменной резки

Мы рассмотрели основные узлы плазменных машин и особенности, которые нужно учитывать при подборе данного вида оборудования. В заключении я представляю вашему вниманию краткий список вопросов, ответ на которые поможет вам подобрать оптимальный для вас станок:

• Какой тип металла вы будете раскраивать?
• Какова минимальная и максимальная толщина резки?
• На какой максимальной толщине вам необходима врезка (прошивка)?
• Какие требования к чистоте и точности реза?
• Нужно ли вырезать окружность, диаметр которой равен или меньше толщины листа?
• Нужно ли осуществлять рез под углом?
• Какой размер листа вы планируете резать?
• Сколько часов в сутки планируется эксплуатировать установку?
• Какое количество деталей необходимо раскраивать в смену/месяц/год?
• Какие есть ограничения по производственным площадям?
• Какие есть ограничения по электрической сети?
• На какой бюджет вы рассчитываете?

Ответ на эти вопросы и определит технические параметры для подбора подходящей установки.

Рис. 3 Установка плазменной резки от турецкого производителя

Типы плазморезов:

По типу резки:	По типу используемого газа:	По типу поджига дуги:	По типу охлаждения:
Для ручной резки	Плазмотроны на сжатом воздухе	С контактным поджигом	С воздушным (газовым) охлаждением
Для автоматической резки	Плазмотроны на аргоне, кислороде, азоте или их смесях	С пневмоподжигом (PN)	С жидкостным охлаждением
		С высокочастотным поджигом (HF)

• Для ручной резки. Используются для работ в небольших производствах, мастерских, станциях технического обслуживания, гаражах, личном хозяйстве и т.д. Даже инвертор небольшой мощности позволяет ручным резаком быстро и эффективно резать металл толщиной до 30 мм. Можно резать листовой металл, трубы, различные детали и конструктивные элементы.
• Для автоматической резки. Используются в станках стационарного типа для автоматического раскроя листового металла или профильных труб. В работе обычно управляются с помощью ЧПУ. Комплектуются мощными инверторами зачастую с несколькими сменными плазмотронами и соплами.

По типу используемого газа:

• Плазмотроны на сжатом воздухе. Наиболее распространенный вид плазморезов. К их достоинствам относятся простота, низкая стоимость оборудования и расходных материалов (электроды, сопла), простота в управлении, высокая эффективность и универсальность. Могут использовать обычный или очищенный сжатый воздух.
• Плазмотроны на аргоне, кислороде, азоте или их смесях. Используются в работах более сложных систем больших производств на стационарных раскройных станках для резки меди, алюминия и их сплавов. Требуют более точной настройки.

По типу поджига дуги:

• Контактные. В контактных плазмотронах соплом нужно дотронуться на поверхности рабочей детали для формирования дуги. Такой тип поджига у бытовых инверторов небольшой мощности.
• Пневмоподжиг. Инверторы с пневмоподжигом формируют стартовую (дежурную) дугу внутри плазмотрона, без контакта сопла с поверхностью детали или высокачастотного разряда, который может нанести вред электронике станка с ЧПУ.
• Высокочастотный (HF) поджиг. В данном случае дуга возбуждается при помощи входящего в состав источника тока устройства – осциллятора. Дуга образовывается, только когда имеется высокочастотный электрический разряд между поверхностями заготовки и соплом плазмотрона (при этом поверхности между собой не соприкасаются). Стартовая дуга инициируется по команде сварщика внутри поверхности плазмотрона между электродом и внутренней поверхностью сопла с помощью тока высокой частоты. Рабочая дуга автоматически поджигается от стартовой каждый раз при поднесении плазмотрона к поверхности детали и гаснет по команде сварщика или при увеличении этого расстояния.

По типу охлаждения:

• С воздушным (газовым) охлаждением. Сопло плазмореза охлаждается поступающим воздухом или рабочим газом.
• С жидкостным охлаждением. Жидкостное охлаждение плазмореза используется в высоконагруженных промышленных резаках с большими токами от 150 А.

Характерные особенности процесса резки

Ручная плазменная резка, при которой используется ручной плазменный аппарат, можно отнести к термической обработке, при которой материал плавится.

В данном конкретном случае основным режущим инструментом является поток низкотемпературной плазмы под большим давлением, которая образуется за счет некоторых специфических процессов.

Используемое для работы плазменное оборудование обязательно имеет специальный электрод, который при помощи сопла и рабочего металла создает электрическую дугу, внешняя температура которой в некоторых отдельных случаях достигает нескольких тысяч градусов по Цельсию.

В определенный момент в сопло начинает подаваться под большим давлением специальный газ, что способствует тому, что рабочая температура многократно повышается, а это, в свою очередь, приводит к ионизации газа и, соответственно, преобразование его в плазму, которую называют низкотемпературной.

Следует отметить и то, что ионизация имеет свойство при нагреве от дуги возрастать, а это делает температуру газового потока еще большей. Сам рабочий поток ярко светится и становится электропроводным.

ВАЖНО ЗНАТЬ: Обзор разновидностей пилы по металлу

Аппарат, используемый для обработки металла при помощи плазмы, способен локально разогревать металлическую заготовку и плавить ее непосредственно в необходимом месте реза.

Для того чтобы получить плазму, необходимо в определенных пропорциях смешать определенные виды газов.

За основу берется атмосферный воздух, который смешивается с кислородом, азотом, а также водородом и аргоном. В состав плазмы также входит водяной пар.

Конечно, использовать в быту аппарат для плазменной резки достаточно проблематично, так как требуются определенные условия его эксплуатации, однако данное оборудование установлено на многих промышленных предприятиях.

Стоит отметить, что цена такого устройства достаточно высокая и для многих домашних мастеров просто не подъемная.

В настоящее время такое оборудование активно используется в самых разных сферах и дает возможность получать не только ровный, но и аккуратный рез.

Более подробно узнать о возможностях ручных аппаратов для плазменной резки можно на видео, которое размещено ниже.

Видео:

Используемое оборудование

Чтобы осуществлять плазменную резку используются различные аппараты и приспособления. Источник тока может быть небольших размеров, и содержать в себе трансформатор, несколько реле и осциллятор. Маленькие модели очень компактны для переноса и работы на высоте. Они способны разрезать металлы до 12 мм толщиной, чего достаточно для большинства видов работ на производстве и дома. Крупные аппараты имеют похожую схему устройства, но обладают более мощными параметрами за счет использования материалов большего сечения, и повышенными входящими значениями напряжения. Такие модели перевозятся на тележках, а работа с изделиями ведется плазмотроном, крепящимся к кронштейну. Им можно резать материалы толщиной до 100 мм.

Плазмотроны как больших, так и малых аппаратов устроены одинаково, но отличаются по размерам. У всех есть рукоятка и кнопка пуска. В каждом имеется электрод стержневой (катод) и внутреннее сопло (анод), между которыми горит дуга. Завихритель потоков направляет воздух и разгоняет температуру. Изолятор защищает внешние части от перегрева и преждевременного контакта электродов. Наружные сопла устанавливаются в зависимости от разрезаемой толщины. Наконечники закрывают сопло от брызг расплавленного металла. На конец плазмотрона могут одеваться различные насадки, помогающие сохранять дистанцию во время работы и убирающие нагар с фасок. Компрессор подает воздух через шланг, а его выход регулируется клапаном.

Изобретение плазменной резки позволило ускорить работу со многими легированными сталями, а точность линии реза и возможность производить изогнутые фигуры, помогают получать разнообразные изделия для производственных процессов. Понимание функционирования аппарата и сути выполняемой им работы поможет быстро освоить это полезное изобретение.

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

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.