Плазмове різання: що це, види та особливості

Що таке плазмове різання

Це технологія різання металу, що використовує потік надзвичайно нагрітого іонізованого газу, тобто плазми. Процес базується на іонізації газу (наприклад, аргону чи повітря) під впливом електричної дуги, що створює високоенергетичний потік з температурою до 25 000–30 000 °C. Під дією цієї високої температури метал у зоні різу плавиться та видувається з щілини потужним потоком газу.

Плазма схожа на газ, оскільки атоми не перебувають у постійному контакті один з одним. У той самий час вона поводиться аналогічно рідинам з погляду її здатності текти під впливом електричного і магнітного полів.

Ця технологія дозволяє різання металевих листів товщиною від 0,5 мм до 60 мм. Завдяки швидкості та економічності вона широко застосовується в металургії, транспортній та переробній промисловості, будівництві.

Різання ручним плазмовим різаком металу товщиною 30мм 

Головна перевага цього методу — здатність швидко та ефективно різати практично будь-які сплави металів (чорні конструкційні і леговані, кольорові), на відміну від традиційного газового різання, яке підходить переважно для чорної сталі.

Принцип роботи плазмового різання

Процес плазмового різання - це метод термічного різання, в якому для плавлення металу використовується тепло, а не механічна сила. При різанні відбуваються наступні етапи.

1. Всередині плазматрона між електродом і самим соплом запалюється високочастотна електрична дуга.
2. Через цю дугу під тиском пропускається газ (повітря, азот, кисень тощо). Дуга нагріває газ до такої високої температури, що він іонізується і перетворюється на плазму.
3. Плазма, яка є електричним провідником, звужується та пришвидшується через дуже тонке сопло. Цей зосереджений потік плавить метал у місці різу.
4. Високошвидкісний потік плазми одночасно видуває розплавлений метал з зони різання, створюючи чистий і точний різ.

Плазма, що виходить з сопла 

Існує три варіанти конструкції запуск самої дуги. Перший називається високочастотний контакт. У ньому виникнення високочастотної іскри відбувається при дотику плазмового пальника до заготовки. Другий варіант конструкції побудований по методу пілотної дуги. Іскра створюється всередині пальника ланцюгом високої напруги та низького струму. Вона в свою чергу створює допоміжну дугу. Ріжуча дуга виникає, коли допоміжна дуга входить у контакт із заготовкою. Третій варіант полягає в використанні пружної головки плазмотрона. Якщо притиснути різак до заготовки то виникає коротке замикання. При знятті тиску утворюється допоміжна дуга.

Процес та режими

Слід зауважити що може в плазматронах може використовуватись одночасно два типу газу. Плазмоутворювальний газ, який іонізується та формує плазмовий струмінь. Та захисний газ, який оточує плазмовий струмінь для його стабілізації та захисту зони різу.

Конструкції пальників можуть теж мати відмінності по принципу подачі газу.

1. Конвенційне плазмове різання, коли використовує лише один газ (повітря або азот), який одночасно є і плазмоутворювачем, і ріжучім струменем.
2. Плазмове різання з захистом, коли крім основного плазмоутворювального газу, використовується зовнішній газ, який оточує плазмовий струмінь. Цей зовнішній потік стискає і додатково стабілізує дугу, а також охолоджує зону різу.
3. Плазмове різання підвищеної точності, в якому використовується спеціальна конструкція плазматрона з додатковим вихровим обертанням газу.
4. Різання під водою.

Основні режими роботи залежать від типу металу: для низьковуглецевої сталі використовують стандартні значення струму та швидкості, для нержавіючої — газові суміші з воднем, а для кольорових металів — інертні гази на кшталт аргону, щоб уникнути хімічних змін. Ключові параметри режимів включають силу струму (65–125 А), швидкість різання (до 7 м/хв), тип плазмоутворюючого газу.

Основні режими наступні.

1. Сила струму різання. Це, мабуть, найважливіший параметр. Чим товщий метал, тим вищою має бути сила струму. Вона коливається від 30 А для різу низьковуглецевих сталей товщиною до 3 мм. І може досягати 400 А при різі міді товщиною 60 мм.
2. Тип газу. Використовуються повітря або кисень для різання чорних металів, таких як вуглецева сталь. Азот, аргон+водень або водень для різання кольорових металів і нержавіючої сталі.
3. Тиск плазмоутворюючого газу. Тиск газу регулює його здатність видувати розплавлений метал. Занадто низький тиск залишає напливи на нижньому краю, занадто високий — спричиняє нерівний зріз. Від тиску і діаметру сопла залежить розхід газу, що може бути від 10 до 70 л/хв.
4. Швидкість різання яка повинна узгоджуватися з потужністю дуги. Занадто повільна швидкість спричиняє надмірний нагрів, велику ширину шва і велику кількість напливів. Швидкість лежить в межах 0,3-5 м/хв.

Види плазмового різання

Плазмове різання класифікують за кількома ознаками.

• За принципом дії плазмової дуги. А саме коли електрична дуга запалюється між електродом та заготовкою – різання прямої дії. І не прямої дії коли електрична дуга горить між електродом та соплом плазмотрона.

Різаки прямої і непрямої дії. 1 – електрод; 2 – заготовка; 3 – корпус з охололдженням; 4 – джерело живлення; 5 – дуговий розряд; 6 – плазмова дуга. 

• За типом плазмоутворюючого середовища: повітряно-плазмове різання та газоплазмове різання.
• За типом обладнання. Існують ручні плазмрізи і спеціальні плазморізні верстати з ЧПК

 Плазмовий верстат з ЧПК 

• Середовище, в якому працює пальники: повітряні і підводні конструкції.

Де використовується плазмове різання

Плазмове різання широко використовується в тих галузях, де необхідний швидкий розкрій будь-яких струмопровідних металів, особливо тих, що важко ріжуться іншими методами (наприклад, нержавіюча сталь та алюміній).

Розкрий металу на плазмовому верстаті з ЧПК 

Плазмове різання широко застосовується в металургійній та листовій металообробці для різання листів і плит, а також у виробництві важкого обладнання та важкої техніки, де воно дозволяє створювати складні форми зі сталі, алюмінію та міді. У автомобільній галузі технологія використовується для ремонту, відновлення деталей та виготовлення компонентів, забезпечуючи високу швидкість. У суднобудуванні та морській індустрії плазмове різання незамінне для виготовлення корпусів, перегородок з товстих матеріалів, а в будівництві — для зведення конструкцій, ремонтів. Крім того, воно використовується в художній обробці металу та декоративних роботах.

Переваги, недоліки та якість різання плазмою

Переваги плазмового різання досить значні.

1. Головна перевага — здатність різати практично всі види струмопровідних матеріалів: чорну сталь, нержавіючу сталь, алюміній, мідь, латунь тощо. 
2. Плазмове різання значно швидше за альтернативні методи, такі як механічна обробка.
3. Ефективність при різанні середніх товщин. Для товщин приблизно до 50 мм плазма часто є найбільш економічно вигідним та продуктивним методом.
4. Технологія добре підходить для вирізання складних контурів, отворів та фасонних деталей завдяки тонкому струменю.
5. У порівнянні з газовим різанням, тут не використовуються горючі гази, що знижує ризик пожежі та вибуху.

В той же час у плазмового різання є декілька недоліків.

1. Метал біля різу змінює властивості через нагрівання. В той же час ці зміни значно менші, ніж при газовому різанні.
2. Процес різу супроводжується високим рівнем шуму, диму та інтенсивним ультрафіолетовим випромінюванням, що вимагає використання засобів індивідуального захисту.
3. Основним технологічним недоліком є утворення скосу на кромках: різ виходить ширшим знизу, ніж зверху.
4. Для стабільної роботи потрібно використання фільтрів та осушувачів газу.

Висновки

Плазмове різання заслужено вважається одним з ефективних методів розкрою металу. Це сучасна технологія термічної обробки металів, яка поєднує високу швидкість і універсальність. Вона дає змогу обробляти широкий спектр електропровідних матеріалів, що робить її незамінною у машинобудуванні, будівництві, судно- та авіабудуванні.

Завдяки розвитку верстатів з ЧПК плазмове різання стало в нагоді для розкрою фігурних деталей з високою точністю. Технологія дозволяє підвищити продуктивність, знизити витрати на обробку та забезпечити високу якість готових виробів.