Введение

Плазменная резка позволяет резать тугоплавкие металлы и сплавы с высокой скоростью и точностью. Относится к термическим способам обработки, отличается высокой технологичностью и производительностью, что обеспечило востребованность в различных промышленных областях. Широкому распространению также способствовали такие преимущества плазменной резки, как экономичность, возможность создания сложных по конфигурации деталей, максимальное удобство.

Особенности плазменной резки металлов

Рассматриваемый вид обработки выполняется на современных плазменных стационарных или мобильных установках, которые представлены широким выбором модификаций. Первые используются в промышленном производстве и устанавливаются в заводских цехах, переносные или портативные аналоги позволяют производить резку металла на месте – на строительной площадке, такое оборудование оснащено механизированными плазмотронами или ручными горелками. В зависимости от вида обрабатываемого материала используются разные газы и смеси:

сталь (нержавеющая, углеродистая), алюминий – сжатый воздух;
алюминий – водородно-азотная плазма в среде сжатого воздуха;
нержавеющая сталь, цветные металлы – азот;
толстые стальные (нержавейка) и алюминиевые заготовки – аргоно-водородная плазма в среде азота;
конструкционные стали – кислород.

Технология плазменной резки металла

В качестве резака здесь выступает струя (столб) плазмы, которая представляет собой ионизированный газ, нагретый до очень высокой температуры. В потоке присутствуют частицы с положительным и отрицательным зарядом, имеются квазинейтральные свойства. Но в плазме есть свободные радикалы, что обеспечивает возможность проводить электричество. Плазменная резка – технология разделения фрагмента материала или изготовления надрезов с помощью потока ионизированного воздуха, температура нагрева которого достигает нескольких тысяч градусов. Сам процесс пошагово выглядит следующим образом:

Инвертор или трансформатор подает напряжение.
Электрический ток поступает в плазморез, между анодом и катодом разжигается первичная дуга.
В завихритель, которым оснащен плазмотрон, поступает воздух через компрессор. Нагревание плазмы происходит под действием тангенциального или вихревого потока, температура разогрева может достигать 30 тысяч градусов. В результате этого процесса образуется дуга, способная резать твердый материал.
Если обрабатывается металл с высокой электропроводностью, выполняется подключение зажимов массы и дуга замыкается непосредственно на разрезаемом изделии.
Когда обработка завершена, дуга выключается, а края разреза продуваются с использованием воздуха.

Виды плазменной резки

Используются разные способы обработки: воздушно-, газо- и лазерно-плазменный. Первые два метода резки схожи по принципу – раскрой выполняется с помощью электрической дуги в сочетании с ионизированным потоком нагретого газа, отличие заключается лишь в рабочем теле (воздух, газ или водяной пар). Если толщина заготовки превышает 20 см, используется комбинированное оборудование. У современных установок промышленного типа предусмотрена возможность выполнять термическую обработку струей газа или применять плазмотрон. Оснащение станков модулем ЧПУ обеспечивает возможность раскраивать металлические листы по прямой или изогнутой линии, создавая края разной формы. Для обычной ручной резки плазмой используются бытовые мобильные устройства, с помощью которых выполняется раскрой черного металла посредством струи ионизированного воздуха. Лазерно-плазменная резка сочетает в себе несколько способов обработки металла, но этот вариант подходит для работы с тонкими листами (до 6 мм) и при высоких требованиях к точности раскроя, в остальных случаях применяется плазменно-дуговой метод. Поэтому, когда необходимо производить плазменную и лазерную резку, предприятия оснащают специальными станками с ЧПУ, которые сочетают обе технологии. В зависимости от используемой среды обработка плазмой подразделяется на виды:

простая – без защитной среды, с использованием воздуха; подходит для работы с низколегированными и мягкими сталями с толщиной заготовки не более 1,6 см;
с защитным газом – вокруг дуги образуется барьер, что существенно улучшает качество разреза;
с водой – выполняет не только защитные функции, но и охлаждает зону резки.

Типы материалов для резки

Технология позволяет производить обработку разных металлов и сплавов, но для достижения лучших результатов необходимо подобрать подходящий режим. Плазменная резка применяется для материалов:

алюминий;
тугоплавкие сплавы;
разные виды стали: легированные, высокоуглеродистые, низкоуглеродистые;
цветные металлы.

Применяемые газы

К важным параметрам работы относятся качество и скорость, которые определяются плазмообразующей среды, также влияющей на тип протекающего по кромке реза физико-химического процесса. Какие газы применяются в технологии:

пусковой – поджигает ионизирующий поток;
режущий – образует электродугу, благодаря которой с поверхности среза выдувается расплавленный металл;
вихревой – позволяет получить высококачественный срез за счет охлаждения и увеличения концентрации потока плазмы, что достигается в результате его обволакивания и сужения.

Плазмообразующими и вихревыми выступают самые разные газы: кислород, водород, воздух, аргон, азот, а также из смеси. Подбирается подходящий вариант с учетом требуемого качества среза, возможности применения машинного метода, а также скорости и стоимости обработки. Металлы некоторых марок не обрабатываются определенными типами соединений, например для резки титановых заготовок азото-водородная смесь не используются.

Аппараты для плазменной резки

Точность производимых работ обеспечивается наличием таких элементов системы, как контур зажигания дуги, источник тока и резак. Первый создает высокоинтенсивную дугу для высококачественной резки. Источник тока подает энергию в таком объеме, которого будет достаточно, чтобы поддержать дугу после процесса ионизации. Резак выступает держателем расходных компонентов (сопла, электрода и других), охлаждение которых осуществляется с использованием газа или воды. Оборудование подразделяется по назначению на две основные группы – бытовые и промышленные. Первые аппараты для плазменной резки характеризуются компактными размерами, вторые – представляют собой многофункциональные станки со сложным управлением.

В качестве источника для плазменной резки используют инвертор или трансформатор. При выборе важно учитывать плюсы и минусы используемого оборудования. Трансформатор отличается:

длительной работой;
надежностью;
невосприимчивостью к перепадам напряжения в сети;
долговечностью;
возможностью резки заготовок большой толщины.

Но такое оборудование имеет большой вес, высокую стоимость и невысокий КПД, а также отличается энергозатратностью. Инверторы превосходят трансформаторы по коэффициенту полезного действия минимум на 30%, обеспечивают стабильное горение дуги, удобны в управлении, имеют небольшой вес и более доступную цену. Но используют такое оборудование только для тонких заготовок.

Преимущества и недостатки плазменной резки

Широкое распространение данная технология получила благодаря большому списку достоинств, которые особенно ценны в промышленных областях:

универсальность – возможность обработки разных металлов и сплавов, включая цветные и тугоплавкие;
экологичность – в процессе резки не выделяются опасные и токсичные вещества в окружающую среду;
высокая производительность;
безопасность – технология исключает использование баллонов с газом, создающих угрозу взрыва;
высокая точность – современные аппараты обеспечивают предельную точность реза без перекаливания и наплывов;
возможность обработки листов любой толщины с сохранением высокого качества и скорости раскроя;
отсутствие необходимости в предварительном нагреве металла перед резкой – сокращает затраты времени на обработку;
эффективность и скорость – превышают показатели всех известных механических методов резки;
возможность создавать любые по сложности формы и конфигурации;
экономия материала – получение чистого и точного разреза минимизирует потери сырья и затраты на производство;
возможность работы под углом или перпендикулярно по отношению к заготовке – можно обрабатывать широкие металлические листы;
адаптивность и гибкость – технологию можно настроить под определенные требования и задачи производства, включая форму, толщину обрабатываемого металла и другие параметры работы.

К недостаткам технологии можно отнести невозможность одновременного использования нескольких резаков. Также ограничена толщина реза пределом в 100 мм, в уровень отклонения в ходе обработки – до 10-50. Аппараты для плазменной резки отличаются высокой стоимостью, что касается даже самых простых ручных приборов. Высокая скорость подачи газа или воздуха становится причиной достаточно шумной работы оборудования. Также аппараты нуждаются в регулярном профессиональном техническом обслуживании.

Техника безопасности

Ультрафиолетовое и электрическое напряжение, расплавленный металл, высокая температура – главные источники опасности, характерные для работы с данным оборудованием. Поэтому важно соблюдать следующие правила:

Использовать защитную маску или щиток со степенью затемнения не ниже 4 номера, плотную одежду с низкой воспламеняемостью, закрывающую все участки тела, специальные перчатки и обувь закрытого типа (тоже не склонную к воспламенению).
Регулярно проводить осмотр проводов и источника питания на предмет повреждений.
Отслеживать концентрацию газов на рабочем месте, устанавливать эффективные системы вентиляции или при их отсутствии обеспечить оператора специализированной маской с функцией фильтрации воздуха.
Проводить операции с защитными средствами для органов слуха, что связано с высоким уровнем шума при работе аппарата.
Применять системы воздухоочистки, обеспечивать правильную утилизацию отходов.
Использовать специализированные средства для тушения пожара.
Проводить специальные инструктажи для персонала, работающего с оборудованием для плазменной резки.

Автор: Устинов Эдуард Викторович | Генеральный директор ПК ПТМ

Плазменная резка металла