Технология плазменной резки металла

Плазменная резка металла широко используется в тяжелой и металлургической промышленности — большинство предприятий, которые занимаются обработкой металлических изделий, применяют данную технологию. Благодаря новейшим аппаратам для плазменной резки можно осуществлять обработку изделий различной толщины.

Оборудование плазменной резки

Плазменная резка как способ обработки материалов имеет ряд преимуществ.

Под плазменной резкой подразумевается проведение локального нагрева металла с его последующим разделением и плавлением. Высокая температура достигается благодаря струе плазмы, которая образуется вследствие таких последовательных процессов:

1. Формируется электрическая дуга между соплом оборудования и электродом либо между разрезаемым металлом и электродом. Температура дуги составляет 5000º.
2. Осуществляется подача газа в сопло аппарата. Дуга нагревается до 20000º.
3. Поступающий газ ионизируется и становится струей, температура которой достигает 30000º.

Плазменная струя имеет яркое свечение и высокую электропроводность. Скорость потока плазмы, выходящей из сопла аппарата, может достигать 1,5 км/с. Благодаря вышеперечисленным техническим характеристикам можно расплавлять и разрезать детали из металла толщиной до 0,2 м.

В качестве газа могут выступать различные компоненты: водород, азот, технический кислород, воздух или пар (от кипения воды).

Оборудование для резки металлических изделий условно можно подразделить на 3 категории:

• аппараты;
• установки;
• машины.

Сфера применения аппаратов — ручной метод обработки металла, установки и машины применяются для автоматической резки и сварки в промышленных масштабах. Для всех видов оборудования характерны преимущества использования плазменной резки:

• высокое качество обработки поверхности (ровный срез и минимальная толщина шва);
• возможность создания изделий разной геометрической формы;
• быстрота и точность разрезания металла;
• это наиболее надежный и безопасный процесс резки;
• универсальность технологии (сварочные работы могут осуществляться и на открытом воздухе, и под водой);
• минимальные энергозатраты;
• возможность соединения разрезанных заготовок с помощью любой технологии сварки без обрезания кромок и выполнения других подготовительных работ;
• простота технологии (не требует специального обучения).

Для использования плазменного аппарата (плазмотрона) необходимы:

• источник электрического питания;
• шланг и кабели для соединения аппарата с электрической сетью и источником газа;
• компрессор (обеспечивает подачу воздуха с заданной скоростью и давлением).

Особое внимание уделяется источнику питания, который является частью электроцепи. Для функционирования большинства источников применяется сеть с переменным напряжением. При этом такое напряжение может быть преобразовано в постоянное, однако некоторые аппараты лишь усиливают переменное напряжение.

Более высокий КПД имеют аппараты, в основе работы которых лежит постоянное напряжение. Сфера применения аппаратов с переменным током ограничивается резкой металлов, которые имеют невысокую температуру плавления (например, алюминий).

Для резки листового металла своими руками можно воспользоваться инвертором. Он обеспечивает стабильность рабочей дуги и имеет достаточную мощность для проведения работ в домашних условиях.

Оптимальной мощностью обладают источники питания трансформаторного типа. Главные преимущества таких моделей — универсальность (используются при ручной и автоматизированной плазменной резке), устойчивость к перепадам напряжения в сети и бесперебойная работа. Недостаток — высокий уровень потребления электрической энергии.

В промышленных условиях плазменная резка труб и других изделий из металла осуществляется с помощью оборудования с программным управлением.

Станки плазменной резки труб с ЧПУ Кристалл

Плазменный станок с ЧПУ (числовое программное управление) является более эффективным аналогом ручного оборудования. Главное отличие аппаратов плазменной резки металла состоит в том, что они позволяют выполнить сложный раскрой металлических листов с максимальной производительностью и точностью.

К популярным и востребованным агрегатам для плазменной резки труб с ЧПУ относится станок «Кристалл». Его называют труборезом, потому что данный станок можно применять для разрезания и круглых, и прямоугольных труб. Также с помощью этого трубореза выполняется фигурная резка труб.

Технические характеристики аппарата плазменной резки с ЧПУ «Кристалл»:

• максимальная длина разрезаемых труб — 12 м;
• диаметр труб — 6-60 см;
• толщина стенок труб — до 2 см;
• модуль вращения оснащен зажимным патроном и системой удаления дыма;
• стойка с программным управлением имеет систему видеонаблюдения.

Комплектующие аппарата «Кристалл»:

• радиальный вентилятор, помещенный в шумоизолирующий кожух;
• станина с направляющими вдоль труб;
• подвижная каретка с приводом;
• рельсы, оснащенные 3 роликовыми опорами (служат для регулировки расположения заготовок).

Принцип резки изделий агрегатом «Кристалл» заключается в следующем. Плазмотрон устанавливается в центральной части трубы. Программное управление осуществляется в трех направлениях: по длине трубы, высоте плазмотрона и углу вращения заготовки вокруг своей оси. При осуществлении фигурной резки заготовка не вращается. Из этого видео вы сможете понять принцип работы лазерного резака:

Виды плазменной резки

Существует несколько классификаций плазменной резки и сварки. В зависимости от используемого оборудования сварка может быть:

• ручной, полуавтоматической и полностью механизированной;
• импульсной и точечной;
• с присадочной проволокой и без нее;
• с использованием проникающей или непроникающей дуги.

Плазменная сварка классифицируется по силе тока:

• малая (0,1-25 А);
• средняя (25-150 А);
• высокая (более 150 А).

В зависимости от разновидности материала, используемого для получения газовой струи, плазменная резка бывает:

• простой;
• с использованием двух видов газа;
• с применением воды.

Простая резка металла предусматривает использование воздуха (или азота) и электрического тока. Ввиду ограниченной длины электрической дуги данная технология приемлема только для обработки мягкой стали.

При разрезании металлических изделий с помощью смеси двух газов первый предназначен для получения плазмы, а второй выступает в качестве защиты от воздействия атмосферных явлений.

Плазменная резка с использованием воды на фото и в реальности похожа на предыдущую технологию. Единственное отличие — вместо защитного газа применяется вода. Благодаря воде происходит более качественное охлаждение сопла плазмотрона и металла. Это повышает качество резки.

В зависимости от материала, который подвергается обработке, с помощью плазмы делают отверстия в различной поверхности и разрезают:

• трубы;
• листовой металл;
• чугун и сталь;
• алюминий и бронзу;
• бетон.

Востребованной технологией является плазменная резка листового металла. С ее помощью можно разрезать любой материал (например, бронзу, латунь, медь, титан и их сплавы). Особенность метода заключается в необходимости учитывать теплопроводность металла. При высокой теплопроводности обработке поддается лист с минимальной толщиной.

Плазменная резка с использованием воды

Все большую популярность приобретает разрезание металлических изделий плазмой с использованием воды. Это обусловлено следующими причинами:

1. Улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.
2. Достигается максимальное качество кромок обрабатываемой поверхности.
3. Уменьшаются тепловые деформации металла.

Существует три способа использования воды:

• полное погружение заготовки в нее;
• в качестве плазмообразующей смеси;
• путем ее впрыскивания в столб плазмы.

При подводной резке вокруг плазменной дуги создается защитный экран из воды. Плотность экрана регулируется с помощью специальной насадки, которая крепится к плазмотрону. Частицы металла и шлака, образовавшиеся при резке, оседают на дне емкости.

Плазменная резка под водой исключает появление вредных выделений и дыма при работе плазмотрона, уменьшает шум, не требует использования защитной маски от яркого излучения. Недостатки метода — низкая производительность при высоком расходе электроэнергии и затруднительный контроль над процессом.

При втором способе формирование рабочей дуги плазмы осуществляется с помощью водного потока. Для завихрения воды предусмотрен канал, расположенный между двумя соплами. В плазмотрон вода подается без газа.

Преимуществами этой технологии являются высокое качество кромок и сохранение естественного цвета металла. Но имеется и существенный недостаток: сложное создание дуги (для этих целей используются только графитовые электроды, которые быстро изнашиваются).

Более широкое применение получила резка металла с впрыскиванием небольшого количества воды в воздушную (или азотную) плазму. При этом вода не должна соприкасаться с газом, поскольку это чревато разрушением сопла и электрода. По этой причине вода подается в канал, а газ — в полость сопла.

Под воздействием высокой температуры вода в канале испаряется и распадается на кислород и водород. Происходит уплотнение и удлинение электрической дуги. В результате увеличивается движущая сила для переноса энергии в точку разреза, и расплавленная поверхность удаляется более эффективно.

Плазменная резка с впрыскиванием воды в небольшом количестве уменьшает скос кромок и приводит к снижению тепловой деформации металла.

Плазменная резка нержавейки

В основе этого способа обработки металла лежит плавление нержавеющей стали за счет энергии, которая генерируется сжатой дугой, с дальнейшим удалением частиц струей плазмы.

Плазменная резка нержавеющей стали может осуществляться с использованием воздуха, чистого азота или азотоводородных составов. В домашних условиях чаще пользуются воздушно-плазменной резкой. Про установку для такой резки смотрите на видео:

Разрезание металла проводится по следующей схеме:

• в плазмотроне сжимается дуга;
• в нее добавляется воздух (или азот);
• образуется плазма;
• струя плазмы направляется на сталь.

При плазменной резке нержавеющей стали могут применяться два вида энергии. Первый вид энергии исходит из столбца плазмы с возникновением факела. Второй вид энергии предполагает применение электродных пятен одной дуги.

Азотно-водородным составом и чистым азотом целесообразно пользоваться в случае размещения обрабатываемых кромок нержавеющей стали в агрессивной среде или при воздействии на металл высокой температуры.

Плазменная резка чугуна

Плазменная резка чугуна является оптимальным вариантом при больших объемах работ и применяется предприятиями тяжелой промышленности и металлургии, где накапливается чугунный лом. Данный способ характеризуется экономичностью и быстротой в сравнении с резкой чугуна при помощи болгарки или газовой резки.

Плазменной резкой в чугунных заготовках можно сделать разрезы глубиной до 20 см, а оставшийся металл использовать в дальнейшем без дополнительной обработки. В большинстве случаев эти работы выполняют на станках плазменной резки.

При разрезании чугуна плазмой используется рабочая дуга, которая имеет постоянный ток прямой полярности. В ее формировании принимают участие обрабатываемый металл и электрод из вольфрама. Под воздействием выходящего из сопла газа воспламеняется электрическая дуга, которая проникает в чугун.

Плазменная резка алюминия

Плазменная резка алюминия применяется в тех случаях, когда необходимо сделать качественные отверстия, фигурные разрезы или обработать сложные изгибы деталей. При резке происходит испарение тонкого слоя металла с алюминиевой поверхности. Полученный срез имеет четкий контур и ровную линию.

При работе с алюминием следует учитывать, что этот металл в расплавленном состоянии способен активно поглощать водород. По этой причине более тонкий материал (толщиной до 2 см) разрезают с использованием азота. Для обработки при помощи плазменной резки изделий толщиной больше 2 см нужно воспользоваться азотно-водородной смесью. При недостаточном содержании водорода разрезаемая поверхность дополнительно насыщается этим веществом.

Технология плазменной резки металла

Может возникнуть вопрос, что лучше — хорошая лазерная обработка или же плазменное резание металла? На этот вопрос сложно дать однозначный ответ. Каждая из этих технологий имеет свои достоинства и недостатки.

Главное преимущество плазменной резки — возможность распила металла большой толщины. Это качество особенно ценно, когда осуществляется плазменная резка труб большого диаметра.

Для правильного осуществления процесса необходимо соблюдать следующие параметры:

• номинальная сила тока оборудования;
• факельный зазор;
• скорость работы аппарата;
• ширина разреза;
• угол наклона кромок.

Номинальная сила тока влияет на период эксплуатации режущего устройства. При обработке металлических изделий рекомендуют использовать силу тока, не превышающую 90-95% номинального показателя.

На аппарате сила тока может регулироваться в зависимости от вида и толщины заготовки. Чтобы расплавить 1 мм стали (чугуна) требуется 4 А, алюминия — 6 А. Если необходимо разрезать лист толщиной 10 мм, то для стали оптимальная сила тока составит 40 А, для алюминия — 60 А.

Оптимальный показатель факельного зазора составляет 1,5-10 мм. При резке металла необходимо поддерживать постоянную величину зазора, в противном случае получится некачественный надрез с дефектами. Чрезмерное уменьшение зазора чревато преждевременным износом электрода и сопла аппарата.

Технология работы с плазморезкой предполагает соблюдение оптимальной скорости резки металла. Если скорость будет слишком низкой, это приведет к увеличению расхода газа. Слишком большая скорость станет причиной получения волнистой линии надреза.

Ширина разреза зависит от диаметра сопла (чем он больше, тем шире получится линия). Регулировка этого показателя осуществляется путем сдвига плазмотрона на нужное расстояние.

Причины широкого разреза:

• слишком большой факельный зазор или сила тока;
• низкая скорость разрезания;
• частичный износ электрода.

Маленький факельный зазор, большой расход плазмообразующего компонента, низкая сила тока, высокая скорость резки — это причины появления узкого реза.

Горелка плазморезки должна направляться к разрезаемой поверхности под соответствующим углом. Если все сделано правильно, угол наклона кромок будет меньше 5º (это соответствует норме).

Как устроен плазморез

Резка металла плазмой осуществляется на специальном оборудовании. Стандартный аппарат состоит из таких узлов:

• плазмотрон;
• сопло;
• электрод;
• компрессор

Плазмотрон — это резак, который выполняет главную функцию. Различают резаки прямого и косвенного действия. Первый тип оборудования используется для обработки материалов, которые проводят ток. Заготовка подключается к электрической сети, в результате чего появляется искра. В резаках косвенного действия появления искры применяется электрод.

Для проведения плазменной резки металлических изделий в домашних условиях при выборе аппарата необходимо обратить внимание на следующие параметры:

• тип питания;
• размеры сопла;
• продолжительность функционирования;
• мощность оборудования.

Для бытовых нужд тип питания должен соответствовать тому, который есть на загородном участке. Если это трехфазная сеть (380 В), то и тип питания резака должен подходить для этой сети.

От размеров сопла (диаметра и длины) зависит оптимальная скорость резки. Данный показатель указывается в инструкции к товару.

Также в инструкции содержатся сведения о предельной продолжительности работы плазмореза. Данный показатель обозначен буквами ПВ и различными цифрами (50%, 60%, 70%, 80%). Например, маркировка ПВ=60% означает, что аппаратом можно пользоваться 6 минут, после чего нужно сделать перерыв в работе продолжительностью 4 минуты.

Мощность резака зависит от толщины разрезаемого материала. Изделия толщиной до 3 см обрабатываются на оборудовании мощностью 70-90 А. Если необходимо провести плазменную резку заготовки толщиной до 10 см, то мощность аппарата должна быть в пределах 150-170 А.