Что такое плазменная резка металла?

Принцип и технология плазменной резки металла

[Плазменная резка] позволяет разрезать металл, но не резцом — этот агрегат имеет струю плазмы.

Суть работы плазморезки такова: между соплом, электродом или разрезаемым материалом образовывается электрическая дуга.

Из сопла выходит газ, он преобразовывается в плазму после воздействия электричеством.

Металл разрезается плазмой, температура которой может достигать 30 тыс. градусов.

В статье подробно рассмотрена технология плазменной резки металла, принцип ее работы и некоторые нюансы.

Что задействовано при резке плазменной струей

Оборудование для плазменной резки металла включает в себя:

• Источник питания. Чтобы плазменная дуга в процессе резки работала стабильно и не разбрызгивала металл, источник питания преобразует переменный ток в постоянный, а также регулирует его силу.
• Плазмотрон. Генератор плазмы состоит из электрода, изолированного от него сопла и механизма, которое закручивает плазмообразующий газ. Для качественной работы плазмотрону нужен защитный кожух.
• Систему розжига дуги. Ее назначение – образовывать искру в плазмотроне, которая нужна для поджига плазменной дуги.

Преимущества плазменной обработки

• возможность обработки заготовок из различных металлов, а также неметаллических изделий;
• скорость обработки небольших толщин (до 50 мм) в 25 раз выше, нежели посредством газопламенной резки;
• локальный разогрев детали происходит только в месте воздействия, что способствует отсутствию тепловых напряжений и деформации изделия;
• качественный и чистый распил метала, — в месте обработки малая шероховатость поверхности;
• отсутствие взрывоопасных веществ и предметов, — горючих газов, баллонов под давлением и т.п.;
• способ позволяет производить сложные геометрические резы.

Устройство аппарата для резки плазмой

По своей сущности плазмотрон представляет собой генератор плазмы. Это надёжное и компактное устройство, в котором легко регулируется пуск, мощность и остановка рабочих режимов.

Плазмотрон состоит из конструктивных элементов:

1. Кожух.
2. Корпус фторопластовый.
3. Электродный узел.
4. Механизм закрутки воздушного потока.
5. Втулка изоляционная.
6. Электрод.
7. Гайка сопла.
8. Сопло.

Основными расходными материалами прибора являются сопло и электрод. Они изнашиваются с одинаковой интенсивностью, поэтому менять их следует одновременно. Несвоевременная замена повлияет на качество реза и приведёт к износу остальных элементов устройства.

Кожух применяется для защиты прибора от металлической пыли и брызг металла. Кожух и плазмотрон периодически необходимо чистить от загрязнений.

Как разжигать плазменную дугу?

Прежде чем приступать к резке, нужно сделать продувку резака газом. Для этого нажмите и отпустите кнопку поджига на резаке, плазмотрон перейдет в режим продувки. Выждите не меньше 30 секунд, прежде чем зажигать дугу, за это время из резака должен удалиться конденсат и инородные частицы. После этого можно нажимать на кнопку розжига – появится дежурная или, как ее называют, пилотная дуга. Как правило, пилотная дуга горит не более 2 секунд. Поэтому за это время должна зажечься рабочая дуга. У разных моделей плазморезов это происходит по-разному, в зависимости от типа поджига. Различают:

• Контактный – для получения рабочей дуги необходимо короткое замыкание, которое возникает следующим образом: после того, как зажглась дежурная дуга, при нажатии на кнопку блокируется подача воздуха – контакт замыкается. После автоматического открытия воздушного клапана контакт размыкается, а поток воздуха выводит искру из сопла. Между электродом с отрицательной полярностью и металлом с положительной полярностью возникает плазменная дуга. Помните, что контактный поджиг не значит, что нужно прислонять сопло к металлу.
• Бесконтактный – такой тип розжига используется в аппаратах, сила тока которых превышает 50 А (его еще называют осциллятором или высокочастотным зажиганием). Дежурная дуга имеет высокую частоту тока и высокое напряжение, она возникает между электродом и соплом. При приближении сопла к поверхности разрезаемой заготовки образуется рабочая дуга.

После зажигания рабочей дуги, пилотная гаснет. Если Вам не удалось с первого раза получить рабочую дугу, то нужно отпустить кнопку на резаке и вновь нажать ее – это будет новый цикл. Дуга может не разжигаться из-за недостаточного давления воздуха в пневмосистеме, неправильной сборки плазмотрона или неполадок в работе электроэлементов. Выключите аппарат, проверьте правильность подключения и давление на входе. Еще раз попробуйте осуществить розжиг.

Также стоит помнить, что в процессе резки рабочая дуга может гаснуть. Это может случиться по причине износа электрода, но чаще всего проблемы возникают при несоблюдении расстояния между резаком и деталью. Естественно, это сказывается на скорости выполнения работ и на качестве реза.

Что представляет собой процесс плазменной резки металла?

Плазма – токопроводящий ионизированный газ высокой температуры. Образуется струя в специальном устройстве – плазмотроне. Он состоит из таких основных элементов:

1. Электрод (катод) – оснащен вставкой из материала с высокой термоэлектронной эмиссией (гафний, цирконий), которая выгорает в процессе эксплуатации и при выработке более 2 мм требует замены.
2. Механизм закрутки газового потока.
3. Сопло – как правило, изолированное от катода специальной втулкой.
4. Кожух – защищает внутренние компоненты от брызг расплавленного металла и металлической пыли.

Источник питания воздушно-плазменной резки имеет 2 провода – анод (с положительным зарядом) и катод (с отрицательным зарядом). «Плюсовой» провод подсоединяется к разрезаемому металлопрокату, «минусовой» – к электроду.

В начале процесса плазменной резки металла поджигается дежурная дуга между катодом и наконечником, которая выдувается из сопла, а при касании к обрабатываемому изделию образует уже режущую дугу.

При заполнении формирующего канала в плазмотроне столбом дуги в дуговую камеру под давлением в несколько атмосфер начинает подаваться плазмообразующий газ, который подвергается нагреву и ионизации, что способствует его увеличению в объеме. Это ведет к его истеканию из сопла с большой скоростью (до 3 км/сек.), а температура дуги в этот момент может достигать от 5000 до 30000 °C.

Небольшое отверстие в сопле сужает дугу, что способствует ее направленному воздействию в определенную точку на металле, который практически мгновенно нагревается до температуры плавления и выдувается из зоны реза.

После прохождения плазмотроном по заданному контуру получается заготовка необходимых размеров и формы с ровными кромками и минимальным количеством окалины на них.

Что такое плазменная резка металлов – описание технологии

Для резки металлов используют несколько различных методов отличающихся друг от друга себестоимостью и эффективностью. Некоторые способы используются исключительно для промышленных целей другие также можно применять и в быту.

К последним относится плазменная резка металлов. Эффективность плазменного раскроя ограничивается опытом мастера и правильным выбором установки.

Что такое плазменная резка металла?

На чем основан принцип проведения работ?

Основы резки металлов плазмой

Чтобы понять основы резки металла с помощью плазменного метода следует для начала уяснить, что же такое плазма? От правильного понимания того как устроен плазматрон и принципов работы с ним зависит качество конечного результата.

Термическая плазменная обработка металлов зависит от параметров рабочей струи газа или жидкости, направленной под давлением на обрабатываемую поверхность. Для достижения необходимых результатов струю доводят до следующих характеристик:

Скорость – струя направляется под высоким давлением на поверхность материала. Можно сказать, что плазменный раскрой металла основан на разогревании металла до температуры плавления и быстрого выдувания его. Рабочая скорость струи при этом составляет от 1,5 до 4 км в сек.

Температура – для образования плазмы необходимо практически моментально разогреть воздух до 5000-30000°C. Высокая температура достигается благодаря созданию электрической дуги. При достижении необходимой температуры воздушный поток ионизируется и меняет свои свойства, приобретая электропроводность. Технология плазменной резки металла подразумевает использование систем нагнетания воздуха, а также осушителей, которые удаляют влагу.

Еще один важный момент, который следует учитывать, это то, что плазменная резка толстого металла практически не выполняется, так как это ведет к увеличенным материальным затратам и малоэффективно.

Характеристики и принцип резки металла плазмой

Основной принцип работы плазменной резки металла можно описать следующим образом:

Компрессор под давлением подает воздух на горелку плазмотрона.

Воздушный поток моментально разогревается благодаря воздействию на него электрического тока. По мере нагревания воздушная масса начинает пропускать сквозь себя электричество, в результате чего и образуется плазма. В некоторых моделях вместо воздуха используют инертные газы.

Резка стали плазмой, если рассмотреть ее более подробно осуществляется методом быстрого узконаправленного нагревания поверхности до необходимой температуры с последующим выдуванием расплавленного металла.

Так как процесс связан с моментальным разогревом разрезаемого материала до жидкого состояния, толщина металла при резке составляет:

алюминий до 120 мм;

углеродистая и легированная сталь до 50 мм;

Существуют два основных способа обработки материалов, от которых зависят характеристики плазменной резки. А именно:

Плазменно-дуговая – способ подходит для всех видов металла, которые в состоянии проводить электрический ток. Обычно плазменно-дуговую резку используют для промышленного оборудования. Суть способа сводится к тому, что плазма образовывается за счет дуги, которая появляется непосредственно между поверхностью обрабатываемого материала и плазмотроном.

Плазменная резка металла работает как обычная дуговая, но без использования привычных электродов. Но эффективность способа обработки прямо пропорциональна толщине обрабатываемого материала.

Скорость и точность резки металла плазмой

Как и при любом другом виде термической обработки, при плазменной резке металла происходит определенное оплавление металла, что отражается на качестве реза. Существуют и другие особенности, которые являются характерными для этого метода. А именно:

Конусность – в зависимости от профессионализма мастера и производительности установки, конусность может составлять от 3° до 10°.

Оплавление кромки – независимо от того, какие режимы резки металла используются и от профессионализма мастера выполняющего работы по обработке металла, не удается избежать небольшого оплавления поверхности при самом начале выполнения работ.

Характеристики реза – качество и скорость плазменной резки металла зависит от того, какие именно операции необходимо выполнить. Так разделительный рез с низким качеством выполняется быстрее всего, при этом большинство ручных установок способны разрезать металл до 64 мм. Для фигурной резки возможна обработка деталей толщиной всего до 40 мм.

От профессионализма мастера во многом зависит качество выполнения работ. Чистый и точный рез с минимальным отклонением от необходимых размеров может выполнить только работник с профильным образованием. Без соответствующей подготовки выполнить фигурную резку вряд ли получится.

Плазменная резка цветных металлов

При обработке цветных металлов используются разные способы резки в зависимости от типа материала, его плотности и других технических характеристик. Для разрезания цветных сплавов требуется соблюдения следующих рекомендаций.

Резка нержавеющих сталей – для выполнения операций не рекомендуется использование сжатого воздуха, в зависимости от толщины материала может применяться азот в чистом виде, либо смешанный с аргоном. Необходимо учитывать, что нержавеющая сталь чувствительна к воздействию переменного тока, это может привести к изменению ее структуры и как следствие быстрому выходу из эксплуатации. Резка нержавейки плазмой осуществляется с помощью установки использующей принцип косвенного воздействия.

Где применяется плазменный раскрой металла

Использование плазмотронов не зря пользуется такой большой популярностью. При относительно простой эксплуатации и незначительной стоимости ручной установки (по сравнению с другим оборудованием для резки) удается достичь высоких показателей относительно качества реза.

Применение плазменной резки металла получило распространение в следующих сферах производства:

Обработка металлопроката – с помощью плазмы удается разрезать практически любой тип металла, включая цветной, тугоплавкий и черный.

Художественная ковка и обработка деталей. С помощью плазменного резака можно сделать деталь практически любой сложности.

Применение станков с плазменной резкой не заменило ручных установок. Так художественная резка металла плазмой позволяет сделать уникальные детали точно соответствующие замыслу художника, для использования их в качестве декоративных украшений для заборов и лестниц, а также перил, ограждений и т. д.

Резка металла плазмой – преимущества и недостатки

Без резки металла не может обойтись практически ни одно промышленное предприятие, так или иначе связанное с металлопрокатом. Быстрое разрезание листового материала на заготовки, декоративная фигурная резка металла плазмой, вырезание точных отверстий – все это можно выполнить достаточно быстро с помощью плазмотрона. Плюсы, которые имеет метод, заключаются в следующем:

Высокая производительность и скорость обработки деталей. По сравнению с обычным электродным методом можно выполнить объемы работ от 4 до 10 раз больше.

Экономичность – плазменный метод намного выигрывает на фоне стандартных способов обработки материалов. Единственные ограничения связанны с толщиной металла. Нецелесообразно и экономически невыгодно разрезать с помощью плазмы сталь толще 5 см.

Точность – деформации от тепловой обработки практически незаметны и не требуют дополнительной обработки впоследствии.

Все эти преимущества плазменной резки металла объясняют, почему метод пользуется настолько широкой популярностью не только в промышленных, но и бытовых целях.

Но говоря о плюсах необходимо заметить и некоторые отрицательные стороны:

Ограничения, связанные с толщиной реза. Даже у мощных установок максимальная плотность обрабатываемой поверхности не может быть выше, чем 80-100 мм.

Сравнение плазменной и лазерной резки металла

Отличие лазерной резки металла от плазменной заключается в методах воздействия на поверхность материала.

Лазерные установки обеспечивают большую производительность и скорость обработки деталей, при этом после выполнения операции наблюдается меньший процент оплавленности. Минусом лазерного оборудования является его высокая стоимость, а также то, что толщина разрезаемого материала должна быть меньше 20 мм.

По сравнению с лазером плазмотрон имеет меньшую стоимость, более широкую сферу применения и функциональные возможности.

Технология плазменной резки металла

Как работает плазменная резка показано на видео. Посмотрев несколько таких уроков можно приступать к самостоятельным пробам. Процесс осуществляется в следующей последовательности:

1. Разрезаемое изделие выставляется так, чтобы под ним был просвет в несколько сантиметров. Для этого используются подкладки под края, или конструкция устанавливается на край стола, чтобы обрабатываемая часть была над полом.
2. Разметку линии реза лучше выполнять черным маркером, если работа ведется на нержавеющей стали или алюминии. Когда предстоит разделать «черный» металл, то линию лучше провести тоненьким мелком, который четче виден на темной поверхности.
3. Важно убедиться, что шланг от горелки не лежит рядом с местом реза. Сильный перегрев может его испортить. Начинающие сварщики могут из-за волнения это не увидеть и повредить оборудование.
4. Надеваются защитные очки. Если работать предстоит долго, то лучше воспользоваться маской, которая закроет не только глаза, но и все лицо от ультрафиолета.
5. Если резка будет вестись на подложках выставленных на полу, то следует подложить лист металла, чтобы брызги не испортили покрытие пола.
6. Перед началом работы необходимо убедиться, что компрессор набрал достаточное давление, а водяные модели разогрели жидкость до нужной температуры.
7. Запуском кнопки зажигается дуга.
8. Держать плазмотрон необходимо перпендикулярно разрезаемой поверхности. Допускается небольшой угол отклонения относительно этого положения.
9. Начало реза лучше производить с края изделия. Если необходимо начать с середины, то желательно просверлить тоненькое отверстие. Это поможет избежать перегрева и впадины в этом месте.
10. При ведении дуги необходимо соблюдать дистанцию к поверхности в 4 мм.
11. Для этого важен упор под руки, который осуществляется локтями об стол или об колени.
12. При ведении реза важно зрительно удостоверяться в появлении просвета на пройденном участке, иначе придется проводить резку повторно.
13. Когда линия разреза заканчивается, необходимо соблюсти предосторожность, чтобы деталь не упала на ноги.
14. Отпускание кнопки прекращает горение дуги.
15. Молотком отбивается тонкий слой шлака по краям реза. Если есть необходимость, то проводится дополнительная зачистка изделия на наждачном круге.

Можно ли самостоятельно сделать плазморежущий станок?

ЧПУ-станок для плазменной резки металла дает возможность сделать множество полезных предметов для дома.

Сам по себе прибор не представляет особенной сложности, но не имея знаний, опыта, не получится сделать аппарат плазменной резки металла. Главная сложность – плазмотрон, а вот остальные элементы, а также числовое программное управление вполне доступно.

Только станки ЧПУ, выполняющие плазменную резку, дают гарантию качества и оперативность выполнения процесса.

Запуск процесса резки

Не все системы работают одинаково. Во-первых, есть обычно более бюджетная версия, называемая высокочастотным контактом . Это недоступно для плазменных резаков с ЧПУ, потому что высокая частота может мешать работе современного оборудования и вызывать проблемы.

В этом методе используется искра высокого напряжения и высокой частоты. Возникновение искры происходит при соприкосновении плазменной горелки с металлом. Это замыкает цепь и создает искру, которая, в свою очередь, создает плазму.

Другой вариант — метод пилотной дуги . Во-первых, искра создается внутри горелки цепью высокого напряжения и низкого тока. Искра создает вспомогательную дугу, которая представляет собой небольшое количество плазмы.

Режущая дуга возникает, когда вспомогательная дуга входит в контакт с заготовкой. Теперь оператор может начать процесс резки.

Третий способ — использование подпружиненной головки плазмотрона . Если прижать резак к заготовке, возникает короткое замыкание, в результате чего начинает течь ток.

При снятии давления образуется вспомогательная дуга. Следующее такое же, как и в предыдущем методе. Это приводит к контакту дуги с заготовкой.

4 Достоинства и недостатки плазменной резки

Сам принцип работы плазменной резки обуславливает преимущества данной технологии перед газовыми методиками обработки неметаллических и металлических изделий. К главным достоинствам использования плазменного оборудования можно отнести следующие факты:

• универсальность технологии: практически все известные материалы можно резать при помощи плазменной дуги, начиная от чугуна и меди и заканчивая алюминиевыми и стальными холоднокатаными листами;
• высокая скорость операции для металлов средней и малой толщины;
• резы получаются по-настоящему качественными и высокоточными, что нередко дает возможность не производить дополнительную механическую обработку изделий;
• минимальное загрязнение воздуха;
• отсутствие необходимости выполнять предварительный прогрев металла для его резки, что позволяет уменьшать (и существенно) время прожига материала;
• высокая безопасность выполнения работ, обусловленная тем, что для резки не нужны баллоны с газом, являющиеся потенциально взрывоопасными.

Стоит отметить, что по некоторым показателям газовые технологии признаются более целесообразными, нежели плазменная резка. К недостаткам последней обычно относят:

• сложность конструкции плазмотрона и его дороговизну: естественно, это увеличивает себестоимость выполнения каждой операции;
• относительно малую толщину реза (до 10 сантиметров);
• высокий уровень шума в процессе обработки, который возникает из-за того, что из плазмотрона газ вылетает на околозвуковой скорости;
• необходимость высококачественного и максимально грамотного техобслуживания агрегата;
• повышенный уровень выделения вредных веществ при применении в качестве плазмообразующего состава азота;
• невозможность подключения к одному плазмотрону двух резаков для ручной обработки металлов.

Еще один минус описанного в статье вида обработки заключается в том, что отклонение от перпендикулярности реза допускается не более, чем на угол от 10 до 50 градусов (конкретная величина угла зависит от толщины изделия). Если увеличить рекомендованный показатель, отмечается значительное расширение режущей области, а это становится причиной необходимости частой замены используемых материалов.

Теперь вы знаете, что такое плазменная резка, и прекрасно ориентируетесь во всех ее особенностях.