Плазменная резка: что это, виды и особенности

Что такое плазменная резка

Это технология резки металла, использующая поток чрезвычайно нагретого ионизированного газа, то есть плазмы. Процесс основан на ионизации газа (например, аргона или воздуха) под влиянием электрической дуги, что создаёт высокоэнергетический поток с температурой до 25 000–30 000 °C. Под действием этой высокой температуры металл в зоне реза плавится и выдувается из щели мощным потоком газа.

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

Эта технология позволяет резку металлических листов толщиной от 0,5 мм до 60 мм. Благодаря скорости и экономичности она широко применяется в металлургии, транспортной и перерабатывающей промышленности, в строительстве.

Резка ручным плазменным резаком металла толщиной 30мм 

Главное преимущество этого метода — способность быстро и эффективно резать практически любые сплавы металлов (черные конструкционные и легированные, цветные), в отличие от традиционной газовой резки, подходящей преимущественно для черной стали.

Принцип работы плазменной резки

Процесс плазменной резки – это метод термической резки, в котором для плавления металла используется тепло, а не механическая сила. При резке происходят следующие этапы.

1. Внутри плазматрона между электродом и самим соплом воспламеняется высокочастотная электрическая дуга.
2. Через эту дугу под давлением пропускается газ (воздух, азот, кислород и т.п.). Дуга нагревает газ до такой высокой температуры, что он ионизируется и превращается в плазму.
3. Плазма, являющаяся электрическим проводником, сужается и ускоряется через очень тонкое сопло. Этот сосредоточенный поток плавит металл в месте реза.
4. Высокоскоростной поток плазмы одновременно выдувает расплавленный металл из зоны резки, создавая чистый и точный рез..

Плазма, выходящая из сопла 

Существует три варианта конструкции запуска самой дуги. Первым называется высокочастотный контакт. В нем возникновение высокочастотной искры происходит при прикосновении плазменной горелки к заготовке. Второй вариант конструкции построен по методу пилотной дуги. Искра создаётся внутри горелки цепью высокого напряжения и низкого тока. Она в свою очередь создаёт вспомогательную дугу. Режущая дуга возникает, когда вспомогательная дуга входит в контакт с заготовкой. Третий вариант состоит в использовании упругой головки плазмотрона. Если прижать резак к заготовке, то возникает короткое замыкание. При снятии давления появляется вспомогательная дуга.

Процесс и режимы

Следует заметить, что в плазматронах может использоваться одновременно два типа газа. Плазмообразующий газ, который ионизируется и формирует плазменную струю. И защитный газ, который окружает плазменную струю для стабилизации и защиты зоны реза.

Конструкции горелок могут тоже иметь отличия по принципу подачи газа.

1. Конвенционная плазменная резка, когда использует только один газ (воздух или азот), который одновременно является и плазмобразователем, и режущей струёй.
2. Плазменная резка с защитой, когда кроме основного плазмообразующего газа используется внешний газ, окружающий плазменную струю. Этот внешний газ сжимает и дополнительно стабилизирует дугу, а также охлаждает зону реза.
3. Плазменная резка повышенной точности, в которой используется специальная конструкция плазматрона с дополнительным вихревым вращением газа.
4. Резка под водой.

Основные режимы работы зависят от типа металла: для низкоуглеродистой стали используют стандартные значения тока и скорости, для нержавеющей – газовые смеси с водородом, а для цветных металлов – инертные газы (например, аргон), чтобы избежать химических изменений. Ключевые параметры режимов включают силу тока (65–125 А), скорость резки (до 7 м/мин), тип плазмообразующего газа.

Основные режимы следующие.

1. Сила тока резки . Это, пожалуй, самый важный параметр. Чем толще металл, тем выше должна быть сила тока. Она колеблется от 30 А для реза низкоуглеродистых сталей толщиной до 3 мм. И может достигать 400 А при резе меди толщиной 60 мм.
2. Тип газа. Используется воздух или кислород для резки черных металлов, таких как углеродистая сталь. Азот, аргон+водород или водород для резки цветных металлов и нержавеющей стали.
3. Давление плазмообразующего газа. Давление газа регулирует его способность выдувать расплавленный металл. Слишком низкое давление оставляет наплывы на нижнем краю, слишком высокое – вызывает неровный срез. От давления и диаметра сопла зависит расход газа, который может быть от 10 до 70 л/мин.
4. Скорость резки, которая должна согласовываться с мощностью дуги. Слишком медленная скорость влечёт за собой чрезмерный нагрев, широкий шов и большое количество наплывов. Скорость лежит в пределах 0,3-5 м/мин.

Виды плазменной резки

Плазменную резку классифицируют по нескольким признакам.

• По принципу действия плазменной дуги. А именно, когда электрическая дуга зажигается между электродом и заготовкой – резка прямого действия. И не прямого действия, когда электрическая дуга горит между электродом и соплом плазмотрона.

Резаки прямого и косвенного действия. 1 – электрод; 2 – заготовка; 3 – корпус с охлаждением; 4 – источник питания; 5 – дуговой разряд; 6 – плазменная дуга. 

• По типу плазмообразующей среды: воздушно-плазменная резка и газоплазменная резка.
• По типу оборудования. Существуют ручные плазмрезы и специальные плазморезные станки с ЧПУ.

Плазменный станок с ЧПУ

• Среда, в которой работает горелка: воздушные и подводные конструкции.

Где используется плазменная резка

Плазменная резка широко используется в тех отраслях, где необходим быстрый раскрой любых токопроводящих металлов, особенно тех, которые тяжело резать другими методами (например, нержавеющая сталь и алюминий).

Раскрой металла на плазменном станке с ЧПУ 

Плазменная резка широко применяется в металлургической и листовой металлообработке для резки листов и плит, а также в производстве тяжёлого оборудования и тяжёлой техники, где позволяет создавать сложные формы из стали, алюминия и меди. В автомобильной отрасли технология используется для ремонта, восстановления деталей и изготовления компонентов, обеспечивая высокую скорость. В судостроении и морской индустрии плазменная резка незаменима для изготовления корпусов, перегородок из толстых материалов, а в строительстве – для возведения конструкций, ремонтов. Кроме того, оно используется в художественной обработке металла и декоративных работах.

Преимущества, недостатки и качество резки плазмой

Преимущества плазменной резки достаточно значительны.

1. Главное преимущество – способность резать практически все виды электропроводных материалов: черную сталь, нержавеющую сталь, алюминий, медь, латунь и т.д.
2. Плазменная резка значительно быстрее альтернативных методов, таких как механическая обработка.
3. Эффективность при резке средних толщин. Для толщин примерно до 50 мм плазма часто является наиболее экономически выгодным и продуктивным методом.
4. Технология хорошо подходит для вырезания сложных контуров, отверстий и фасонных деталей благодаря тонкой струе.
5. По сравнению с газовой резкой здесь не используются горючие газы, что снижает риск пожара и взрыва.

В то же время у плазменной резки есть несколько недостатков.

1. Металл у реза изменяет свойства из-за нагрева. В то же время эти изменения значительно меньше, чем при газовой резке.
2. Процесс реза сопровождается высоким уровнем шума, дыма и интенсивным ультрафиолетовым излучением, требующим использования средств индивидуальной защиты.
3. Основным технологическим недостатком является образование скоса на кромках: рез получается шире снизу, чем сверху.
4. Для стабильной работы требуется использование фильтров и осушителей газа.

Выводы

Плазменная резка заслуженно считается одним из эффективных методов раскроя металла. Это современная технология термической обработки металлов, сочетающая высокую скорость и универсальность. Она позволяет обрабатывать широкий спектр электропроводящих материалов, что делает её незаменимой в машиностроении, строительстве, судо- и авиастроении.

Благодаря развитию станков с ЧПУ плазменная резка пригодилась для раскроя фигурных деталей с высокой точностью. Технология позволяет повысить производительность, снизить затраты на обработку и обеспечить высокое качество готовых изделий.