Одним из популярных видов обработки металла является его резка. Существует множество способов получить требуемую форму из цельного листа, но в этом материале рассмотрим принцип работы плазменной резки.

Плазменная резка. Фактически – золотая середина. Преимущества резки металла плазмой сочетают в себе все перечисленные технологии. Главное достоинство – нет ограничений по типу обрабатываемого материала. Разве что по толщине.

• алюминиевые сплавы 120 мм
• медные сплавы 80 мм
• сталь 50 мм
• чугун 90 мм

Оборудование бывает разное – от промышленного до бытового, так что технология доступна всем. Рассмотрим ее подробнее.

Плазменная резка металла – принцип работы

В качестве резца выступает двухкомпонентная среда:

• Электрическая дуга, работающая по классической схеме – разряд между катодом и анодом. Причем в качестве анода может выступать сам материал, если он является проводником.
• Газовая дуга. Нагреваясь под воздействием электрической дуги (температура достигает 25000º С), газ ионизируется и превращается в проводник электротока.

Принцип работы плазменной резки подробно показан в этом видео.

В результате образуется плазма, которая подается под высоким давлением в зону реза. Эта раскаленная струя газа буквально испаряет металл, причем только в рабочей зоне. Несмотря на то, что температура плазменной резки измеряется десятками тысяч градусов, воздействия на пограничную зону практически нет.

Важно! Правильно выбранная скорость, позволяет получить очень узкий разрез без повреждения края материала.

Источник плазменной резки – плазмотрон.


Его задача зажечь дугу, поддерживать рабочую температуру, и выдуть из зоны реза расплавленный металл. Поскольку плазморезы предназначены для обработки любых твердых материалов, включая диэлектрики – образование электрической дуги производится двумя способами:


На рисунке а) изображены резак прямого действия. Катодный узел (8) вместе с закрепленным катодом (6) являются одним из электродов. В качестве второго электрода (анода) выступает обрабатываемая деталь (4) – металл, обладающий хорошей электропроводимостью.

К нему подводится питающий кабель плазмотрона. Наконечник плазменной резки (5) в данной схеме выполняет роль корпуса. От отделен от катода изолятором (7) . Газ подается внутрь по штуцеру (1) и формирует струю плазмы, состоящую из электрической (2) и газовой (3) дуги .

На сегодняшний день трудно представить тяжелую промышленность без использования сварки и резки металла. На большинстве промышленных предприятий, занимающихся обработкой металлических изделий, используется особый способ резки — плазменный.

Плазменная резка — это процесс обработки материалов, при котором режущим элементом является струя плазмы.

Немногие знают, как осуществляется плазменная резка металла своими руками и каковы основные этапы данного процесса. Чаще всего толщина обрабатываемых изделий составляет менее 20 см. Именно для резки металла такой толщины и применяются плазменные аппараты.

Характеристика резки изделий с помощью плазмы

Те, кто для разделения металла применяет кислородный резак, знают, что плазменная резка во многом отличается от этого метода. Здесь вместо режущего газа используется струя плазмы. Как и при обычной сварке, при плазменной резке используется электрическая дуга. Она зажигается непосредственно между поверхностью предмета и электродом. Подаваемый газ при этом становится плазмой. Интересен тот факт, что температура последней может достигать нескольких десятков тысяч градусов (от 5 до 30 тысяч). При этом скорость струи нередко достигает 1500 м/с. Плазменная резка металла подходит для изделий толщиной до 20 см. Что же касается подаваемого в сопло газа, то он бывает нескольких типов: активный и неактивный.

К первой категории относится кислород и воздушная смесь, ко второй — азот, водород, а также некоторые инертные газы, например, аргон. Выбор того или иного газа зависит от металла. Если это черный металл, то рекомендуется применять активные газы. Неактивные подходят больше для цветных металлов (алюминия, меди) и их сплавов. Ручная плазменная резка бывает поверхностной и разделительной. Последняя используется гораздо чаще. Нужно знать, что подобный способ резки металла является наиболее автоматизированным. Плазменная резка включает в себя использование специальных автоматических (программируемых) станков.

Вернуться к оглавлению

Положительные и отрицательные стороны

Плазменная резка имеет свои положительные и негативные стороны. К преимуществам, во-первых, относится возможность использования оборудования для резки любого металла. Достигается это благодаря повышенной температуре в рабочей зоне. Во-вторых, немаловажным аспектом является высокая скорость работы. Это обеспечивает наилучшую продуктивность. В-третьих, плазменная резка отлично подходит для вырезания изделий различной геометрической формы. Простым газовым методом этого добиться невозможно. В-четвертых, большое значение имеет то, что подобная резка металла является точной и быстрой. Здесь в значительной степени снижается вероятность получения некачественных изделий, так как работа автоматизирована.

В-пятых, всем известно, что простая кислородная резка может представлять опасность для человека и окружающих. Плазменная резка наименее опасна. В-шестых, подобная работа может проводиться как на открытом воздухе, так и под водой. Важно и то, что затраты на 1 м материала намного меньше, в силу всего этого плазменная резка все чаще применяется на крупных промышленных объектах. Что же касается отрицательных сторон этого процесса, то оборудование является довольно дорогим, поэтому такая методика редко используется в домашних условиях.

Вернуться к оглавлению

Какой аппарат выбрать

Плазменная резка металла начинается с подготовки оборудования. Для этого потребуется выбрать качественный аппарат. Выделяют 2 типа оборудования: инверторное и трансформаторное. Инверторы знакомы многим, так как с их помощью осуществляется сварочное дело. Они пришли на смену трансформаторам. Инверторные агрегаты имеют небольшие габариты, они компактны, эстетичны и потребляют меньше энергии. При приобретении оборудования нужно обращать внимание на такие характеристики, как длительность работы в активном режиме и мощность. Недостаток такого агрегата в том, что он довольно чувствителен к скачкам напряжения в сети.

Оборудование для резки по типу трансформаторов наиболее надежное и долговечное. Особенностью трансформаторов является то, что при высокой мощности их можно применять для автоматизированной резки. Ручной метод тоже применяется. Если резку металла предполагается проводить в частной мастерской или на промышленных объектах, то целесообразнее приобретать аппарат трансформаторного типа. Он также широко распространен при изготовлении автомобилей. Нужно помнить, что любая плазменная резка — дорогое удовольствие.

Аппарат будет стоить недешево. Важным критерием при выборе оборудования является максимальная толщина резки. Для цветных металлов (меди) она всегда меньше. Если в техническом паспорте указана максимальная толщина 10 мм, то данный показатель относится к нецветным металлам.

Вернуться к оглавлению

Особенности ручной дуговой плазменной резки

Для резки изделий из металла нередко используется ручной метод. Особенность его в том, что не требуется высокой квалификации, чтобы разрезать изделие. Работу может выполнить любой человек, зная все основные этапы процесса. Приобретя плазменный резак, можно разрезать не только металл, но и плитку, древесину и другие материалы. Плазменная резка ручным способом начинается с осмотра оборудования, сопла, электродов. Сопло и электроды должны быть надежно закреплены. Чтобы сэкономить материалы, целесообразно зажигать дугу как можно реже. Чтобы аппарат начал работать, в него требуется подать сжатый воздух.

С этой целью можно использовать баллоны, которые заполнены воздухом, компрессор или подключить оборудование к центральному трубопроводу (если резка проводится в промышленных условиях). Наиболее надежные аппараты оснащены специальным регулирующим устройством, с помощью которого поступающий воздух распределяется в аппарате.

Следующий этап — настройка оборудования. Для этого требуется правильно подобрать силу тока. Предпочтительно начать резать на сильном токе. При этом делается несколько пробных разрезов. Неправильно подобранный режим может привести к перегреванию металла и его разбрызгиванию. При оптимальном режиме горения дуги линия разреза должна быть ровной, а металл не должен деформироваться.

Если требуется резать листовой материал, то сопло горелки размещают близко к поверхности металла. Для этого включается кнопка питания на аппарате. Вскоре после этого должна загореться дежурная дуга, а после нее режущая. Дуга должна быть направлена под углом 90° к металлу. Горелка передвигается сверху вниз. Если автоматическая плазменная резка отличается высокой скоростью, то при ручном методе горелку нужно двигать медленно. В конце работы целесообразно ненадолго остановить продвижение горелки, чтобы завершить резку.

Вернуться к оглавлению

Резка различных металлов

Резка того или иного металла может иметь свои особенности. На сегодняшний день чаще применяется резка листового материала. Обычно он представлен сталью. Нередко приходится осуществлять резку алюминия. Если сварка этого металла затруднена ввиду образования на его поверхности защитной пленки в виде оксида алюминия, резка алюминия осуществляется вполне просто. Здесь важно помнить, что воздух и активные газы использовать не нужно.

Плазменная резка алюминия выполняется с использованием аргона или азота.

Аргон и азот являются химически менее активными элементами, поэтому в процессе резки и нагревания металла на нем не формируется оксидная пленка. Еще одним распространенным материалом является сталь. В данной ситуации резка проводится без использования защитных газов. Воздушно-дуговая плазменная резка отлично подходит для изделий из нержавеющей стали. Это наиболее доступный способ резки.

Вернуться к оглавлению

Резка плазменной струей

В отличие от дугового метода, при резке плазменной струей металл не участвует в формировании электрической цепи. Сама же электрическая дуга имеется, но она формируется непосредственно между внутренней частью сопла и электродом. Такая электрическая дуга необходима для того, чтобы сформировалась плазма. Это дает возможность резать материалы, которые не проводят электрический ток. Плазма в данной ситуации является высокоскоростной. Чаще всего этот метод применяется с целью разделения листового материала. Что касается использования электродов, то для плазменной резки подходят электроды на основе различных сплавов вольфрама.

Необходимо помнить, что для проведения резки материалов с помощью потока плазмы, нужно иметь в наличии необходимые инструменты и материалы. Они включают в себя аппарат для резки, источник электрического тока, спецодежду, обувь, маску, рукавицы, молоток, зубило, металлическую щетку. Нередко для осуществления подобной работы аппарат для плазменной резки делается своими руками. По мощности он может не уступать заводскому.

Технология плазменной резки крайне редко применяется в быту, зато в промышленной сфере получила очень широкое распространение. Благодаря тому, что с помощью плазмореза можно легко, быстро и качественно разрезать практически любой токопроводящий металл, а также другие материалы - камень и пластик, его используют в машиностроении, судостроении, коммунальной сфере, изготовлении рекламы, для ремонта техники и многого другого. Срез всегда получается ровным, аккуратным и красивым. Тех, кто только собрался освоить данную технологию, может интересовать резонный вопрос, что собой представляет аппарат плазменной резки, каков принцип его работы, а также какие разновидности плазморезов бывают и для чего используется каждый из них. Все это даст общее понимание технологии плазменной резки, позволит сделать правильный выбор при покупке и освоить работу с аппаратом.

Как работает плазморез? И что подразумевается под словом «плазма»? Для работы плазмореза необходимо только две вещи - электричество и воздух. Источник энергии подает на резак (плазмотрон) токи высокой частоты, благодаря чему в плазмотроне возникает электрическая дуга, температура которой 6000 - 8000 °С. Затем в плазмотрон направляется сжатый воздух, который на большой скорости вырывается из патрубка, проходит через электрическую дугу, нагревается до температуры 20000 - 30000 °С и ионизируется. Воздух же, который ионизировался, теряет свойства диэлектрика и становится проводником электричества. Плазмой как раз и является этот воздух .

Вырываясь из сопла, плазма локально разогревает заготовку, в которой необходимо выполнить рез, металл плавится. Образованные на лобовой поверхности реза частички расплавленного металла сдуваются потоком воздуха, вырывающимся на огромной скорости. Так происходит резка металла.

Скорость плазменного потока (разогретого ионизированного воздуха) возрастает, если увеличить расход воздуха. Если же увеличить диаметр сопла, через которое плазма вырывается, то скорость уменьшится. Параметры скорости плазмы примерно таковы: на токе 250 А она может быть 800 м/с.

Чтобы рез получился ровным, плазмотрон необходимо держать перпендикулярно плоскости реза, максимальное допустимое отклонение 10 - 50 °. Также большое значение имеет скорость реза. Чем она меньше, тем ширина реза становится больше, а поверхности реза становятся параллельными. То же самое происходит при увеличении силы тока.

Если увеличить расход воздуха, то ширина реза уменьшится, зато кромки реза станут непараллельными.

Аппарат плазменной резки состоит из источника питания , плазмотрона и кабель-шлангового пакета , с помощью которого соединяются источник питания и компрессор с плазмотроном.

Источником питания для аппарата плазменной резки может служить трансформатор или инвертор, которые подают на плазмотрон большую силу тока.

Плазмотрон , собственно, и является главным элементом аппарата - плазменным резаком. Иногда по ошибке весь аппарат называют плазмотроном. Возможно, это связано с тем, что источник питания для плазмореза не отличается никакой уникальностью, а может быть использован вместе со сварочным аппаратом. А единственным элементом, отличающим плазморез от другого аппарата, и является плазмотрон.

Основные составляющие плазмотрона - электрод, сопло и изолятор между ними.

Внутри корпуса плазмотрона находится цилиндрическая камера малого диаметра, выходной канал из которой довольно мал и позволяет формировать сжатую дугу. В тыльной стороне дуговой камеры располагается электрод, служащий для возбуждения электрической дуги.

Электроды для воздушно-плазменной резки могут быть изготовлены из бериллия, гафния, тория или циркония. На поверхности этих металлов образуются тугоплавкие оксиды, предотвращающие разрушение электрода. Но для образования этих оксидов нужны определенные условия. Самыми распространенными являются электроды из гафния. А вот из бериллия и тория их не делают, и виной тому те самые оксиды: оксид бериллия - крайне радиоактивен, а оксид тория - токсичен. Все это может крайне негативно сказаться на работе оператора.

Так как возбуждение электрической дуги между электродом и заготовкой обрабатываемого металла напрямую затруднительно, сначала зажигается так называемая дежурная дуга - между электродом и наконечником плазмотрона. Столб этой дуги заполняет весь канал. После этого в камеру начинает подаваться сжатый воздух, который, проходя сквозь электрическую дугу, нагревается, ионизируется и увеличивается в объеме в 50 - 100 раз. Сопло плазмотрона сужено книзу и формирует из разогретого ионизированного газа/воздуха поток плазмы, вырывающийся из сопла со скоростью 2 - 3 км/с. При этом температура плазмы может достигать 25 - 30 тыс. °С. В таких условиях электропроводимость плазмы становится примерно такой же, как и у обрабатываемого металла.

Когда плазма выдувается из сопла и касается факелом обрабатываемого изделия, образуется режущая плазменная дуга - рабочая, а дежурная дуга гаснет. Если вдруг по какой-то причине рабочая дуга тоже погасла, необходимо прекратить подачу воздуха, снова включить плазмотрон и сформировать дежурную дугу, а затем пустить сжатый воздух.

Сопло плазмотрона может иметь различные размеры и от этого зависят возможности всего плазмотрона и технология работы с ним. Например, от диаметра сопла плазмотрона зависит количество воздуха, которое может проходить сквозь этот диаметр за единицу времени. От количества расхода воздуха зависит ширина реза, скорость работы и скорость охлаждения плазмотрона. В плазморезах используют сопла не больше 3 мм диаметром, зато довольно длинные - 9 - 12 мм. Длина сопла влияет на качество реза, чем длиннее сопло, тем качественнее рез. Но здесь нужно быть осторожным, везде важна мера, так как слишком большое сопло будет быстрее изнашиваться и разрушаться. Оптимальной считается длина, в 1,5 - 1,8 раз больше диаметра сопла.

Крайне важно, чтобы катодное пятно фокусировалось строго по центру катода (электрода). Для этого используют вихревую подачу сжатого воздуха/газа. Если вихревая (тангенциальная) подача воздуха нарушена, то катодное пятно будет смещаться относительно центра катода вместе с дугой. Все это может привести к нестабильному горению плазменной дуги, образованию двойной дуги и даже выходу плазмотрона из строя.

В процессе плазменной резки используются плазмообразующие и защитные газы. В аппаратах плазменной резки с силой тока до 200 А (можно разрезать металл толщиной до 50 мм) используют только воздух. В таком случае воздух является плазмообразующим газом и защитным, а также охлаждающим. В сложных промышленных портальных аппаратах используют другие газы - азот, аргон, водород, гелий, кислород и их смеси.

Сопло и электрод в аппарате плазменной резки являются расходными материалами, которые необходимо своевременно заменять, не дожидаясь их полного износа.

В основном плазморезы принято покупать в готовом виде, главное - правильно подобрать нужный агрегат, тогда не придется ничего «доделывать напильником». Хотя в нашем отечестве есть «Кулибины», которые могут сделать аппарат плазменной резки своими руками, закупив некоторые детали отдельно.

Разновидности аппаратов плазменной резки

Плазморезы различают по нескольким различным параметрам. Аппараты плазменной резки могут представлять собой переносные установки, портальные системы, шарнирно-консольные машины, специализированные конструкции и установки с координатным приводом. Особенно выделяются машины плазменной резки с ЧПУ (числовым программным управлением), которые минимизируют вмешательство человека в процесс резки. Но помимо этих существуют и другие градации.

Аппараты для ручной и машинной резки

Используется для резки металла вручную, когда плазмотрон держит в руках оператор-человек и ведет его по линии реза. В связи с тем, что плазмотрон все время находится на весу над обрабатываемой заготовкой, рука человека может слегка дрогнуть даже в процессе обычного дыхания, все это отражается на качестве реза. На нем могут быть наплывы, неровный рез, следы рывков и т.д. Чтобы облегчить работу оператору, существуют специальные упоры, которые надеваются на сопло плазмотрона. С помощью него можно поставить плазмотрон непосредственно на заготовку и аккуратно вести его. Зазор между соплом и обрабатываемой заготовкой всегда будет одинаковым и соответствующим требованиям.

Аппараты машинной резки представляют собой плазморезы портального типа и аппараты автоматического раскроя деталей и труб. Такие аппараты используются на производстве. Качество реза таким плазморезом получается идеальным, дополнительная обработка кромок не требуется. А программное управление позволяет делать резы различной фигурной формы в соответствии с чертежом без страха дернуть рукой в неподходящий момент. Рез выполняется точно и гладко. На подобные аппараты плазменной резки металла цена на порядок выше, чем на ручные аппараты.

Трансформаторные и инверторные аппараты плазменной резки

Существуют трансформаторные и инверторные плазморезы.

тяжелее инверторных и больше по размеру, зато они более надежны, так как не выходят из строя в случае скачков напряжения. Продолжительность включения таких аппаратов выше, чем у инверторных, и может достигать 100 %. Такой параметр, как продолжительность включения, напрямую влияет на специфику работы с аппаратом. Например, если ПВ равна 40 %, это означает, что 4 минуты резак может работать без перерыва, а затем ему необходимо 6 минут отдыха, чтобы остыть. ПВ 100 % используется в производстве, там, где работа аппарат продолжается весь рабочий день. Недостатком трансформаторного плазмореза является высокое энергопотребление.

С помощью трансформаторных плазменных резаков можно обрабатывать заготовки большей толщины. На подобный аппарат воздушно-плазменной резки цена выше, чем на инверторный. Да и представляет он собой короб на колесиках.

Используются чаще в быту и на маленьких производствах. Они намного экономнее в энергопотреблении, обладают меньшим весом и габаритами и чаще всего представляют собой ручной аппарат. Достоинством инверторного плазмореза является стабильное горение дуги и КПД на 30 % выше, компактность и возможность вести работы в труднодоступных местах.

Аппарат воздушно-плазменной резки и водно-плазменной резки

Стоит отметить, что существуют не только аппараты воздушно-плазменной резки, принцип действия которых и устройство были описаны выше, но и аппараты водно-плазменной резки.

Если в воздушно-плазменных резаках воздух выступает и как плазмообразующий, и как защитный, и как охлаждающий газ, то в водно-плазменных резаках вода выступает в качестве охладителя, а водяной пар плазмообразователя.

Достоинствами воздушно-плазменной резки являются низкая цена и небольшой вес, зато недостаток - ограничена толщина разрезаемой заготовки, зачастую не более 80 мм.

Мощность водно-плазменных резаков позволяет разрезать толстые заготовки, зато их цена несколько выше.

Принцип работы аппарата водно-плазменной резки заключается в том, что вместо сжатого воздуха в нем используется водяной пар. Это дает возможность отказаться от использования компрессора для воздуха или газовых баллонов. Водяной пар более вязкий по сравнению с воздухом, поэтому его необходимо намного меньше, запаса в баллончике хватает примерно на месяц-два. Когда в плазмотроне протекает электрическая дуга, в него подается вода, которая испаряется. Одновременно с этим рабочая жидкость поднимает катод отрицательного полюса от катода положительного полюса сопла. В результате загорается электрическая дуга, пар ионизируется. Еще до того, как плазмотрон приблизится к обрабатываемой заготовке, загорается плазменная дуга, которая выполняет резку. Ярким представителем данной категории плазморезов является аппарат Горыныч, на такой аппарат плазменной резки цена около 800 у.е.

В зависимости от того, включен разрезаемый материал в электрическую схему плазменной резки или нет, зависит тип резки - контактный и бесконтактный.

Контактная плазменная резка или резка плазменной дугой выглядит так: дуга горит между электродом плазмотрона и обрабатываемой деталью. Это еще называется дугой прямого действия. Столб электрической дуги совмещен с плазменной струей, которая вырывается из сопла на большой скорости. Продуваемый через сопло плазмотрона воздух обжимает дугу и придает ей проникающие свойства. За счет высокой температуры воздуха 30000 °С, повышается скорость его истечения и плазма оказывает сильной механическое воздействие на выдуваемый металл.

Контактный тип резки применяется при работах с металлами, которые могут проводить электричество. Это изготовление деталей с прямолинейными и криволинейными контурами, резка труб, полос и прутков, выполнение отверстий в заготовках и многое другое.

Бесконтактная плазменная резка или резка плазменной струей выглядит так: электрическая дуга горит между электродом и формирующим наконечником плазмотрона, часть плазменного столба выносится за пределы плазмотрона через сопло и представляет собой высокоскоростную плазменную струю. Именно данная струя и является режущим элементом.

Бесконтактная резка используется при работе с нетокопроводящими материалами (неметаллами), например, камнем.

Работа с аппаратом плазменной резки и технология воздушно-плазменной резки - это целое искусство, требующее знаний, терпения и соблюдения всех правил и рекомендаций. Знание и понимание устройства плазмореза помогает выполнять работу качественно и аккуратно, так как оператор понимает, какие процессы происходят в плазмотроне и за его пределами в тот или иной момент, и может ими управлять. Также немаловажно соблюдать все меры предосторожности и технику безопасности, например, работать с плазморезом необходимо в костюме сварщика, в щитке, перчатках, в закрытой обуви и плотных штанах из натуральной ткани. Некоторые окислы, выделяемые в процессе резки металла, могут нанести непоправимый вред легким человека, поэтому необходимо работать в защитной маске или хотя бы обеспечить хорошую вентиляцию в рабочей зоне.

Для эффективной обработки ряда металлов часто используется плазменная резка, принцип работы которой заключается в применении плазменной дуги.

1 Технология плазменной резки металла

Интересующий нас процесс резки плазменной дугой в мировой практике "скрывается" под аббревиатурой PAC. Под плазмой понимают высокотемпературный ионизированный газ, который может проводить электроток. А плазменная дуга формируется в агрегате под названием плазмотрон из обычной электрической.

Последнюю сжимают, а затем привносят в нее газ, обладающий возможностью образования плазмы. Чуть ниже будет рассказано о том, какое значение для процесса плазменной резки имеют такие плазмообразующие газы.

Технологически существует две методики резки:

2 Плазменная резка – принцип работы плазмотрона

Плазмотрон представляет собой устройство плазменной резки, в корпусе которого размещают небольшую по сечению дуговую камеру цилиндрической формы. На выходе из нее имеется канал, который создает сжатую дугу. С задней стороны такой камеры располагается сварочный стержень.

Между наконечником устройства и электродом зажигают предварительную дугу. Эта стадия необходима, так как возбуждения дуги между разрезаемым материалом и электродом добиться практически невозможно.Указанная предварительная дуга выходит из сопла плазмотрона, соприкасается с факелом, и в этот момент создается уже непосредственно рабочий поток.

После этого формирующий канал полностью заполняется столбом плазменной дуги, газ, образующий плазму, поступает в камеру плазмотрона, где происходит его нагрев, а затем ионизация и увеличение в объеме. Описанная схема обуславливает высокую температуру дуги (до 30 тысяч градусов по Цельсию) и такую же мощную скорость истекания газа из сопла (до 3 километров в секунду).

3 Плазмообразующие газы и их влияние на возможности резки

Плазмообразующая среда – это, пожалуй, ключевой параметр процесса, который определяет его технологический потенциал. От состава данной среды зависит возможность:

• настройки показателя теплового потока в зоне обработки металла и плотности тока в нем (за счет изменения отношения сечения сопла к току);
• варьирования объема тепловой энергии в широких пределах;
• регулирования показателя поверхностного напряжения, химсостава и вязкости материала, который подвергается резке;
• контроля глубины насыщенного газом слоя, а также характера химических и физических процессов в зоне обработки;
• защиты от появления подплывов на металлических и (на их нижних краях);
• формирования оптимальных условий для выноса из полости реза расплавленного металла.

Кроме того, многие технические параметры оборудования, используемого для плазменной резки, также зависят от состава описываемой нами среды, в частности следующие:

• конструкция охлаждающего механизма для сопел устройства;
• вариант крепления в плазмотроне катода, его материал и уровень интенсивности подачи на него охлаждающей жидкости;
• схема управления агрегатом (его циклограмма определяются именно расходом и составом газа, используемого для формирования плазмы);
• динамические и статические (внешние) характеристики источника питания, а также показатель его мощности.

Мало знать, как работает плазменная резка, кроме этого следует правильно подбирать комбинацию газов для создания плазмообразующей среды, принимая во внимание цену применяемых материалов и непосредственно себестоимость операции резки.

Как правило, для полуавтоматической и ручной обработки коррозионностойких сплавов, а также машинной и экономичной ручной обработки меди и алюминия используют среду, образованную азотом. А вот уже низколегированная углеродистая сталь лучше режется в кислородной смеси, которую категорически нельзя применять для обработки изделий из алюминия, стойкой против коррозии стали и меди.

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 ;
• 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.

Резка металла - технологический процесс разделения монолитной детали на отдельные части. Операция выполняется механическим способом (рубка, распиливание), гидроабразивным (суспензия из воды и абразивного материала) или термическим (нагрев).

Последний вид - это газокислородная, лазерная и плазменная резка металла.

Что такое плазменная резка? Это обработка металлических изделий, где резцом служит струя плазмы.

Плазма, представляет собой поток ионизированного газа, разогретого до нескольких тысяч градусов. Содержит частицы с положительным и отрицательным зарядом. Имеет квазинейтральные свойства. То есть, в бесконечно малом объёме, суммарный заряд уравновешивается и равен нулю.

Тем не менее, наличие свободных радикалов, означает, что плазма является проводником электричества. Сочетание высокой температуры, электропроводности и высокой скорости потока (больше скорости звука) позволило в прошлом веке разработать и создать для резки металла плазменное оборудование.

Принцип действия

Как работает плазма, - применяются два способа обработки металлических деталей:

• рез прямого действия, или плазменно-дуговая резка металлов;
• рез косвенным воздействием.

Резак прямого действия

Между резаком (катодный узел) и изделием (анод) зажигают электрическую дугу. Катод (электрод) помещён внутрь корпуса, имеющего сопло. Газ, под давлением, проходя мимо электрода, разогревается до высоких температур и ионизируется. Высокая скорость потока создаётся при прохождении сопла. Электродуга плавит металл. Раскалённый газ обеспечивает вывод из зоны нагрева.

Резак косвенного действия

Этот метод позволяет обрабатывать обычные металлы, но, и с малой электрической проводимостью, и диэлектрики. В отличие от предыдущей схемы, источник электроискры помещён в резаке. Поэтому, воздействие на обрабатываемые изделия оказывает только поток плазмы. Стоит такое оборудование значительно дороже, нежели модели прямого действия.

Оба вида резаков имеют общее научно-техническое название, - плазматрон (буквально, - генератор плазмы).

Преимущества плазменной обработки

По сравнению с другими видами обработки металла, этот способ обладает рядом потребительских свойств:

• возможность обработки заготовок из различных металлов, а также неметаллических изделий;
• скорость обработки небольших толщин (до 50 мм) в 25 раз выше, нежели посредством ;
• 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.

Какое оборудование применяют

Для резки металла плазмой выпускаются агрегаты промышленного и бытового назначения. Первые представляют собой сложный многофункциональный комплекс с автоматизированным процессом (станки с ЧПУ). Вторые - небольшие аппараты, работающие от сети 220V или 380 V.

Источник плазменной резки в бытовых приборах, - инвертор (сварочный генератор) или трансформатор. Первый вид меньше по габаритам, удобнее в обращении. Второй - обладает высокой надёжностью, длительным сроком эксплуатации. Рабочее тело - подготовленный атмосферный воздух.

Мощности ручного агрегата хватает для распила металла толщиной до 15–20 мм. Отдельные модели оснащены функцией бесконтактного зажигания дуги. В комплектацию входит плазмотрон и устройство подготовки воздуха.

Используются в домашних мастерских, условиях профессионального производства и строительства:

• плазменная река листового металла;
• обработка цилиндрических изделий, в том числе стальных труб;
• вырезка сложных геометрических фигур, в том числе отверстий;
• обработка керамических и каменных изделий и другие виды промысла.

Этот вид оборудования существенно превосходит по своему функционалу и удобству пользования обычную газокислородную резку. Не только по габаритам, но и по технике безопасности.

Модель бытового плазматрона показана на фото.

Свойства технологии

Промышленные и бытовые приборы объединяют общие принципы работы плазменной резки:

• создание электродуги;
• образование ионизированного газа;
• создание высокоскоростного потока плазмы;
• воздействие этой активной средой на обрабатываемый материал.

Для плазменно-дуговой резки характерны:

• Температура потока. Величины находятся в диапазоне 5000–30000°C. Определяется видом обрабатываемого материала: нижние значения используют для цветных металлов, верхние - для тугоплавких сталей.
• Скорость потока. Значения в пределах 500–1500 м/с. Настраивается под определённый вид обработки:
  • толщина заготовки;
  • вид материала;
  • тип распила (прямой или криволинейный);
  • длительность работы плазматрона.
• Газ, применяемый для плазменной резки. При обработке чёрных металлов (сталей) используют активную группу, - кислород (O2) и воздух. Для цветных металлов и сплавов, - неактивную: азот (N2), аргон (Ar), водород (H2), водяной пар. Объясняется тем, что цветные металлы окисляются кислородом (начинают гореть), поэтому применяется среда защитных газов. Кроме этого, комбинируя состав газовой смеси, можно повысить качество обработки.
• Ширина разреза. Здесь наблюдается прямая последовательность: с ростом показателей, увеличивается ширина реза. На её величину влияет:
  • толщина метала и его вид;
  • диаметр сопла;
  • сила тока;
  • расход газа;
  • скорость реза.
• Производительность. Определяется скоростью обработки. Например, для бытовых агрегатов и по ГОСТ, величина не превышает 6,5–7 м/мин (~0,11 м/сек). Зависит от толщины, вида металла, скорости газовой струи. Естественно, что с увеличением размеров, скорость обработки падает.

Качество обработки

Качество реза - важный фактор при обработке металла, особенно, если это плазменная резка труб. Определяется режимом работы, мастерством исполнителя. Плазменно-дуговая резка регламентируется ГОСТ 14792-80. Международный стандарт качества - ISO 9013-2002.

Документами определяются основные критерии:

1. Допуск на перпендикулярность или угловатость. Показывает отклонения от перпендикуляра и плоскости реза к поверхности обрабатываемого изделия.
2. Оплавление верхнего края. Трещины в точках обработки не допускаются. Верхний край может быть острым, оплавленным, оплавленно-нависающим.
3. Шероховатость. По ГОСТ делится на три класса, 1, 2 и 3.

Виды плазменнй резки

Технология плазменной резки металла - это набор нескольких способов. Плазменно-дуговая резка подразделяется:

1. воздушно-плазменный способ резки металла;
2. газоплазменная;
3. лазерно-плазменный способ резки.

Первые два вида схожи по принципу действия, - электродуга плюс ионизированный поток раскалённого газа. Отличие в рабочем теле. В первом случае - воздух, во втором - какой-либо газ или водяной пар.

По способу обработки заготовок толщиной до 200 мм, применяется комбинированное оборудование. Современная промышленная установка сочетает термообработку газовой струёй или использование плазмотрона. Станки для резки оснащены модулем ЧПУ (числовое программное управление). Выполняют раскрой листового металла по прямой или криволинейной траектории.

Ручная плазменная резка - это классическая плазменно-дуговая резка. Переносные агрегаты (бытового уровня) режут чёрный металл с помощью воздушной ионизированной струи. Расширение ассортимента газов, влечёт значительное усложнение оборудования и рост его стоимости.

Лазерно-плазменная

Представляет собой комбинацию на одном станке. Лазерная резка применяется для работ с толщинами до 6 мм. Более размерные листы обрабатываются с помощью плазменно-дуговой резки.

Лазерная и пламенная резка, в сочетании на одном станке с ЧПУ, повышает производительность. Позволяют формировать различные линии раскроя, в том числе, рез отверстий.

Лазерная или плазменная резка, совмещённые на одном устройстве, значительно экономят производственные площади. Плазменно-дуговая резка используется на габаритных заготовках. Лазерная - при обработке мелких деталей с повышенными требованиями к точности раскроя.

Принципиальное отличие лазерного метода от плазменного, - источник нагрева. В лазере - это сфокусированный световой луч. Зона контакта чрезвычайно мала, поэтому удаётся получить локальное воздействие на деталь. Благодаря этому, ширина распила мала, качество раскроя выше, нежели плазматроном.

Из-за этого, плазменная резка труб постепенно сдаёт позиции там, где требуется высокая точность раскроя и предъявляется повышенное качество к краю изделия.

Обработка титана

В космической, авиационной, медицинской и других видах промышленности большую популярность завоёвывает титан и его сплавы. Сочетание прочности, малой плотности - основные плюсы этого вещества. Но, этот металл химически активен и тугоплавок.

Вследствие таких характеристик, его трудно подвергать механической и термической обработке. Режущий применять нельзя, - металл сгорит. Отсюда, резка титана хорошо освоена на плазматроне и лазерным способом.

Кроме обычного прямого раскроя, плазменно-лазерный способ позволяет выполнять пространственную обработку сложных геометрических форм, например, сопряжение нескольких отверстий.

Пример плазменной резки металла, посредством плазматрона, можно увидеть на видео.