Плазменная резка

Правила выбора инструмента

Люди, которые работали с плазморезом, отметят, что чем больше сила тока, попадающего на электрод, тем быстрее будет процесс. Но есть и некоторые условия, на которые будут влиять и остальные параметры оборудования. Сюда отнесем толщину среза и тип металла. От таких параметров будет зависеть, какое оборудование для работы выбрать, а именно такой из параметров, как сила тока. Чтобы разрезать лист меди с толщиной в 0.2 см, вам нужен будет плазменный резак с силой тока в 12 А.

Обратите внимание, советуем покупать оборудование, которое будет иметь запас силы тока. Обычно указанные параметры при покупке максимальные, а значит, работать на них получится непродолжительное время

Преимущества и недостатки

Итак, преимущества следующие:

• Резка на большой скорости, а значит, на процесс будет затрачено не так много времени. По сравнению с остальными режущими инструментами (к примеру, с кислородной горелкой) скорость выше  в целых 6 раз. Он уступает только лазерной резке.
• При помощи плазменного устройства можно разрезать заготовки с большой толщиной, а это не всегда под силу даже болгарке.
• Может разрезать любые виды металлов, главное, чтобы был правильно выставлен режим работы.
• Минимальный этап подготовки – поверхности деталей можно зачищать от грязи, ржавчины, масляных пятен, но в этом нет никакого смысла, так как это не помеха для резки.
• Точность среза высокая, качество тоже. Для ручных устройств чтобы улучшить точность среза часто используют специальные упоры, которые не будут давать резаку смещаться по плоскости. В итоге получается срез без наплывов, тонкий и ровный.
• Небольшая температура нагревания, исключение – зона среза, поэтому заготовки не подвергаются деформации.
• Возможность фигурного среза, и хотя таким качеством могут похвастаться и остальные инструменты, но, например, после использования кислородной горелки придется шлифовать края среза и убирать подтеки металла.
• Проводимая операция безопасна на 100%, так как нет ни одного газового баллона в комплекте к оборудованию.

Недостатки:

• Высокая стоимость оборудования.
• Допустимо работать лишь одним резаком.
• Следует выдерживать направление плазмы аккурат перпендикулярно плоскости обрабатываемой детали. На данный момент в продаже появились аппараты, который могут резать под углом от 15 до 50 градусов.
• Толщина изделия для разрезания ограничена, поэтому самые мощные экземпляры могут резать металл, толщина которого 10 см. При помощи кислородной горелки вы сможете порезать металл с толщиной в 50 см.

И, тем не менее, плазморез как устройство достаточно востребован. Ручные виды часто используют, но лишь в небольших предприятиях, где нужно выполнять большие объемы резки и к качестве реза предъявлены жесткие требования.

Принципиальная схема устройства

На типовом чертеже самодельного плазмореза отображают следующие элементы:

1. Электрод. На этот компонент поступает напряжение от блока питания, благодаря чему осуществляется ионизация газовой среды. Для производства стержня используют тугоплавкие металлы – титан, гафний, цирконий.
2. Сопло. Узел пропускает воздух, создает направленную струю из ионизированного газа.
3. Охладитель. Отводит тепло от сопла, препятствуя перегреву плазмотрона.

Рекомендуем к прочтению Как выбрать сварочный светофильтр

Собираемый по типовой схеме аппарат имеет следующий принцип работы:

1. Нажатием на клавишу «Пуск» включается реле. Оно обеспечивает подачу электричества к управляющему блоку.
2. Второе реле направляет ток на инвертор. После этого включается система продувки горелки. Мощный воздушный поток попадает в камеру, прочищая ее.
3. Срабатывает осциллятор, который ионизирует рабочий газ, циркулирующий между анодом и катодом. На этой стадии появляется первичная дуга.
4. При поднесении горелки к металлу возникает разряд. Формируется режущая дуга.
5. С помощью геркона отключается подача тока для розжига. При пропаже режущей дуги она возобновляется.
6. После окончания резки реле включает компрессор. Нагнетаемый им воздух охлаждает сопло, удаляет продукты горения металла.

Как устроен плазморез

• источник питания;
• воздушный компрессор;
• плазменный резак или плазмотрон;
• кабель-шланговый пакет.

Источник питания для аппарата плазменной резки осуществляет подачу на плазмотрон определенной силы тока. Представляет собой инвертор или трансформатор.

Трансформаторы гораздо увесистее, тратят много энергии, но при этом имеют меньшую чувствительность к перепадам напряжения, и с их помощью разрезают заготовки большой толщины.

Плазменный резак считается главным элементом плазмореза. Его основными элементами являются:

• сопло;
• охладитель/изолятор;
• канал, необходимый для подачи сжатого воздуха;
• электрод.

Компрессор требуется для подачи воздуха. Принцип работы плазменной резки предусматривает применение защитных и плазмообразующих газов. Для аппаратов, которые рассчитаны на силу тока до 200 А, применяется только сжатый воздух как для охлаждения, так и для создания плазмы. Они способны разрезать заготовки толщиной в 50 мм.

Кабель-шланговый пакет используется для соединения компрессора, источника питания и плазмотрона. По электрическому кабелю от инвертора или трансформатора начинает поступать ток для возбуждения электрической дуги, а по шлангу осуществляется подача сжатого воздуха, который требуется для возникновения внутри плазмотрона плазмы.

Принцип работы

После того как возникла дежурная дуга, в камеру начинает поступать сжатый воздух. Вырываясь из патрубка, он проходит через электрическую дугу, нагревается, при этом увеличиваясь в объеме в 50 или 100 раз. Кроме того, воздух начинает ионизироваться и перестает быть диэлектриком, приобретая свойства проводить ток.

Сопло плазмотрона, суженное книзу, обжимает воздух, создавая из него поток, которое начинает вырываться оттуда со скоростью 2 – 3 м/с. В этом момент температура воздуха часто достигает 30 тыс. градусов. Именно такой раскаленный ионизированный воздух и является плазмой.

В то время, когда плазма начинает вырываться из сопла, происходит ее соприкосновение с поверхностью обрабатываемого металла, дежурная дуга в этот момент гаснет, а зажигается режущая. Она начинает разогревать заготовку в месте реза. Металл в результате этого плавится и появляется рез. На поверхности разрезаемого металла образуются небольшие частички расплавленного металла, сдуваемые с нее потоком воздуха. Таким образом осуществляется работа плазмотрона.

Преимущества плазменной резки

Работы по резке металла часто осуществляются на стройплощадке, в мастерской или цеху. Можно использовать для этого автоген, но не всех это устраивает. Если объем работ, связанный с резкой металла, слишком большой, а требования, предъявляемые к качеству реза, очень высоки, то следует подумать о том, чтобы использовать плазменный резак, имеющим следующие достоинства:

• Если мощность подобрана правильно, то аппарат плазменной резки позволяет в 10 раз повысить производительность. Такой параметр позволяет плазморезу уступить только промышленной лазерной установке, однако, он значительно выигрывает в себестоимости. Целесообразно с экономической точки зрения применять пламенную резку для металла, имеющего толщину до 50 – 60 мм.

• Универсальность. С помощью плазменной резки обрабатываются чугун, медь, сталь, алюминий и прочий металл. Необходимо просто выбрать оптимальную мощность и выставить конкретное давление воздуха.

• Высокое качество реза. Аппараты плазменной резки способны обеспечить минимальную ширину реза и кромки без перекаливания, наплывов и грата практически без дополнительной обработки. Кроме того, достаточно важен такой момент, что зона нагрева материала в несколько раз меньше, чем при использовании автогена. А так как термическое воздействие минимально на участке реза, то и деформация от этого вырезанных деталей будет незначительной, даже если они имеют небольшую толщину.
• Не происходит существенного загрязнения окружающей среды. С экономической точки зрения, если имеются большие объемы работ, то плазменная резка гораздо выгоднее кислородной или механической. Во всех остальных случаях учитывают не материалы, а трудоемкость использования.

Недостатки плазменной резки

Недостатки в работе плазменной резки тоже имеются. Первый из них – максимально допустимая толщина реза довольно небольшая, и у самых мощных агрегатов она редко бывает больше 80 – 100 мм.

не должен быть больше 10 – 50 градусов

Кроме того, рабочее оборудование довольно сложное, что делает совершенно невозможным использование двух резаков одновременно, которые подключаются к одному аппарату.

Технология плазменной резки металла

Плазменное разделение металла – это когда резка производится большим потоком плазмы. Последняя же формируется во время обдува электрической дуги газом, молекулы которого при нагреве распадаются на положительные и отрицательные ионы. В итоге получившийся поток имеет температуру в несколько тысяч градусов.

Основные виды резки плазмой:

• разделительный;
• поверхностный.

Первый вид предполагает утопание электрода в разрезе материала. Также при разделительной резке угол между деталью и электродом составляет примерно 60–90 градусов. Поверхностная резка угол больше 30° не допускает.

Способов разделения плазмой тоже два:

• плазменной дугой;
• плазменной струей.

В первом случае между поверхностью заготовки и неплавящимся электродом горит плазменная дуга. Второй же подразумевает, что она горит между электродом и наконечником плазмотрона. При резке струей плазмы изделие в электрическую цепь не входит.

Рекомендуем статьи по металлообработке

• Марки сталей: классификация и расшифровка
• Марки алюминия и области их применения
• Дефекты металлический изделий: причины и методика поиска

Одним из самых популярных методов разрезания металлов сегодня является плазменно-дуговая резка, а для обработки изделий из других материалов больше подходит обработка струей плазмы.

Технология разделения металла плазморезом имеет свои особенности, которые обязательно нужно принимать во внимание:

• для охлаждения плазменного резака необходим постоянный приток воздуха;
• в составе газа для разделения металлов не должны присутствовать частицы масла и воды, иначе оборудование сломается;
• тщательное очищение заготовки перед резкой – обязательный этап;
• чтобы рез был качественным, требуется верно рассчитать давление газа и силу тока;
• в зависимости от вида металла и силы тока резак необходимо вести со скоростью 0,2–2 м/мин.
• во время плазменной резки сопло должно находиться перпендикулярно детали – лучше всего, если они будут удалены друг от друга на 1,6–3 мм.

Плазмотрон позволяет разрезать абсолютно любой металл. Нужно лишь правильно подобрать вид газа.

Резка металла плазмой с помощью воздуха. Если для формирования плазмы применяется воздух, то ее потоком можно обрабатывать самые разные металлические заготовки. Это могут быть детали из меди, латуни, черной и нержавеющей стали и т. п. Причем цена плазменной резки металла в этом случае невысока. Именно воздушно-плазменный метод нередко лежит в основе работы простейшего оборудования, которое находит применение, например, в частных хозяйствах. Качество резки металла и скорость здесь средние.

Кислородная резка. Она выполняется исключительно на профессиональном оборудовании. За счет использования чистого кислорода получаются высококачественные швы с небольшим слоем облоя. При этом рез строго перпендикулярен поверхности, а скорость разделения металла высокая.

Резка металлических заготовок защитными газами. На кислороде, азоте, аргоне и воздухе работает оборудование, созданное по последним технологиям. Цены на такие устройства немаленькие. К примеру, плазмотрон может обойтись в сумму свыше 10 миллионов рублей. Однако и качество обработки деталей будет не хуже, чем при лазерной резке.

К преимуществам разделения металла защитными газами можно отнести:

• скорость резки – 2,5–10 м/мин;
• толщину струи порядка 0,5–2 мм;
• возможность обрабатывать заготовку толщиной 0,5–60 мм;
• давление газа – 5–12 атмосфер;
• силу тока в пределах от 20 до 800 ампер.

Технические характеристики

При плазменной резке металлов обеспечиваются следующие технические характеристики:

Толщина листа и заготовок. Для обработки заготовок разной толщины регулируется сила тока, скорость подачи газа и расстояние между электродами. Этот параметр существенно зависит от теплопроводности металла: при ее повышении уменьшается толщина и наоборот. Небольшие переносные станки способны резать металлы толщиной до 10–12 мм, а мощное оборудование — до 100 мм

Важно учитывать, что плазменная резка оказывается эффективной при резке стальных заготовок толщиной не более 50–60 мм, алюминиевых листов — до 120 мм, медных изделий — до 80–85 мм, а чугуна — до 90 мм. На специальном комбинированном оборудование обеспечивается резка металлов толщиной до 200 мм. Сложная, фигурная резка производится при толщине заготовок до 100 мм.
Размеры листов

Они зависят от габаритов рабочего стола станка. Используемое современное оборудование позволяет обрабатывать листы шириной 2,5–3 м (портальные станки — до 4 м) и длиной 4–5 м (крупногабаритные станки — до 6-7 м).
Скорость перемещения листов. Она зависит от формы заготовки и толщины листов. Скорость перемещения листов обычно регулируется в пределах 50–800 мм/мин. Современное оборудование с ЧПУ способно обеспечить раскрой тонких листов со скоростью до 20000 мм/мин. Чаще всего, устанавливаются такие режимы: для листов до 100 мм — до 5000 мм/мин, при фасонной резке — порядка 200–250 мм/мин.
Угол реза. Чаще всего, плазменная резка используется для перпендикулярного реза. Без увеличения качества граней угол может иметь отклонение от перпендикуляра на 20–50 °.
Шероховатость. В зоне реза она нормируется ГОСТом и может соответствовать 1,2 или 3 классу.

Сложная, фигурная резка производится при толщине заготовок до 100 мм.
Размеры листов. Они зависят от габаритов рабочего стола станка. Используемое современное оборудование позволяет обрабатывать листы шириной 2,5–3 м (портальные станки — до 4 м) и длиной 4–5 м (крупногабаритные станки — до 6-7 м).
Скорость перемещения листов. Она зависит от формы заготовки и толщины листов. Скорость перемещения листов обычно регулируется в пределах 50–800 мм/мин. Современное оборудование с ЧПУ способно обеспечить раскрой тонких листов со скоростью до 20000 мм/мин. Чаще всего, устанавливаются такие режимы: для листов до 100 мм — до 5000 мм/мин, при фасонной резке — порядка 200–250 мм/мин.
Угол реза. Чаще всего, плазменная резка используется для перпендикулярного реза. Без увеличения качества граней угол может иметь отклонение от перпендикуляра на 20–50 °.
Шероховатость. В зоне реза она нормируется ГОСТом и может соответствовать 1,2 или 3 классу.

Применяемые станки обеспечивают высокую точность и качественную резку независимо от толщины за счет регулировки параметров плазменного потока. Не влияет на качество и наличие красочных и иных защитных покрытий (например, оцинковка), а также грязи и пыли.

Характеристика и преимущества оборудования

Востребованность плазмореза связана с комплексом преимуществ, которым обладает данное устройство:

• возможность автоматической обработки в автономном или полуавтономном режиме;
• высокая точность выполнения поставленных задач;
• длительный эксплуатационный период;
• наиболее высокий показатель производительности среди аналогичных устройств;
• простота использования.

Для серийного производства на самодельном станке с ЧПУ достаточно одного человека выполняющего функции оператора.

Благодаря управляющей программе станок с ЧПУ способен изготовлять подряд большое количество деталей с идентичными параметрами. Несмотря на высокую мощность сигнала, в сравнение с другими станками плазморез потребляет минимальный объем электричества. Это позволяет экономить на работе с плазменным станком.

Комплектующие самодельного станка редко выходят из строя. Чаще всего поломки возникают с плазменным резаком. На современных устройствах об этом может сообщать специальный сигнал. Данная деталь стоит относительно дорого, но способна прослужить длительное время.

Плазменная резка является одним из самых скоростных видов обработки. Станочный прибор имеет сложную конструкцию, в состав которой входит электронное оборудование. Но обучение по его использованию занимает минимум времени.

Станок плазменной резки металла с ЧПУ способен обрабатывать даже самые твердые виды стали. Минимальная толщина, на которую погружается плазменный резак, составляет 0,5 миллиметров. Максимальная может достигать 15 сантиметров. При помощи плазменного резака обеспечивается ровный срез в соответствии с заданной схемой, но при этом заготовка практически не нагревается. Преимущество рабочего инструмента заключается в крайне низкой вероятности сбоев, когда выполняется ЧПУ плазменная резка.

Устройство плазмореза

Плазморез состоит из нескольких блоков:

Устройство плазмореза. Плазменная резка осуществляется плазморезом, который состоит из нескольких блоков

• источник электропитания;
• плазмотрон (резак);
• компрессор;
• комплект кабель-шлангов.

Источник электропитания

Источником электропитания может быть:

• трансформатор. Достоинством его является то, что он практически не чувствителен к перепадам напряжения электросети и позволяет резать заготовки большой толщины, а недостатком – значительный вес и низкий КПД;
• инвертор. Единственным его недостатком является то, что он не позволяет резать заготовки большой толщины. Достоинств много:
  • при питании от него стабильно горит дуга;
  • КПД на 30 % выше, чем у трансформатора;
  • дешевле, экономичнее и легче трансформатора;
  • его удобно использовать в труднодоступных местах.

Плазмотрон

Плазмотрон – это плазменный резак, с помощью которого разрезается заготовка. Он является основным узлом плазмореза.

Конструкция и схема подключения плазмотрона

Конструкция плазмотрона состоит из следующих составляющих:

• электрод;
• сопло;
• охладитель;
• колпачок.

Компрессор

Компрессор в плазморезе требуется для подачи воздуха. Он должен обеспечивать тангенциальную (или вихревую) подачу сжатого воздуха, которая обеспечит расположение катодного пятна плазменной дуги строго по центру электрода. Если этого не будет обеспечено, то возможны неприятные последствия:

• будет гореть нестабильно;
• могут образоваться одновременно две дуги;
• плазмотрон может выйти из строя.

Схема работы плазмореза

Итак, когда вы нажимаете на кнопку розжига, источник электрической энергии автоматически включается, и в резак попадает высокочастотный ток. Из-за этого появляется дежурная дуга между электродом и наконечником сопла. Температура дуги составляет от +6 000 до +8 000 градусов

Следует обратить внимание на то, что дуга между разрезаемым металлом и электродом появляется не сразу, на это требуется время

После этого в камеру резака начинает поступать воздух, находившийся в компрессоре (сжатый). Воздух начинает нагреваться при прохождении через камеру, в которой расположена дежурная дуга, и его становится больше в 100 раз. Помимо этого он начинает ионизироваться, по сути, превращаясь в токопроводящую среду, хотя воздух сам по себе является диэлектриком.

Сопло, которое сужено до 0,3 см создает плазменный поток, который вылетает из резака с большой скоростью (от 2 до 3 метров в секунду). Температура воздуха, который стал ионизированным, достигает до +30 000 градусов. С такой температурой воздух по проводимости становится таким же, как и проводимость металла. Как только плазма попадает на обрабатываемую поверхность, дежурная дуга выключается, но вместо нее включается рабочая. Плавление металлической заготовки производится в месте среза, откуда жидкий металл сдувается воздухом, который попадает в зону среза. Это и есть схема резки.

Опросник для подбора установки плазменной резки

Мы рассмотрели основные узлы плазменных машин и особенности, которые нужно учитывать при подборе данного вида оборудования. В заключении я представляю вашему вниманию краткий список вопросов, ответ на которые поможет вам подобрать оптимальный для вас станок:

• Какой тип металла вы будете раскраивать?
• Какова минимальная и максимальная толщина резки?
• На какой максимальной толщине вам необходима врезка (прошивка)?
• Какие требования к чистоте и точности реза?
• Нужно ли вырезать окружность, диаметр которой равен или меньше толщины листа?
• Нужно ли осуществлять рез под углом?
• Какой размер листа вы планируете резать?
• Сколько часов в сутки планируется эксплуатировать установку?
• Какое количество деталей необходимо раскраивать в смену/месяц/год?
• Какие есть ограничения по производственным площадям?
• Какие есть ограничения по электрической сети?
• На какой бюджет вы рассчитываете?

Ответ на эти вопросы и определит технические параметры для подбора подходящей установки.

Рис. 3 Установка плазменной резки от турецкого производителя

Типы плазморезов:

• Для ручной резки. Используются для работ в небольших производствах, мастерских, станциях технического обслуживания, гаражах, личном хозяйстве и т.д. Даже инвертор небольшой мощности позволяет ручным резаком быстро и эффективно резать металл толщиной до 30 мм. Можно резать листовой металл, трубы, различные детали и конструктивные элементы.
• Для автоматической резки. Используются в станках стационарного типа для автоматического раскроя листового металла или профильных труб. В работе обычно управляются с помощью ЧПУ. Комплектуются мощными инверторами зачастую с несколькими сменными плазмотронами и соплами.

По типу используемого газа:

• Плазмотроны на сжатом воздухе. Наиболее распространенный вид плазморезов. К их достоинствам относятся простота, низкая стоимость оборудования и расходных материалов (электроды, сопла), простота в управлении, высокая эффективность и универсальность. Могут использовать обычный или очищенный сжатый воздух.
• Плазмотроны на аргоне, кислороде, азоте или их смесях. Используются в работах более сложных систем больших производств на стационарных раскройных станках для резки меди, алюминия и их сплавов. Требуют более точной настройки.

По типу поджига дуги:

• Контактные. В контактных плазмотронах соплом нужно дотронуться на поверхности рабочей детали для формирования дуги. Такой тип поджига у бытовых инверторов небольшой мощности.
• Пневмоподжиг. Инверторы с пневмоподжигом формируют стартовую (дежурную) дугу внутри плазмотрона, без контакта сопла с поверхностью детали или высокачастотного разряда, который может нанести вред электронике станка с ЧПУ.
• Высокочастотный (HF) поджиг. В данном случае дуга возбуждается при помощи входящего в состав источника тока устройства – осциллятора. Дуга образовывается, только когда имеется высокочастотный электрический разряд между поверхностями заготовки и соплом плазмотрона (при этом поверхности между собой не соприкасаются). Стартовая дуга инициируется по команде сварщика внутри поверхности плазмотрона между электродом и внутренней поверхностью сопла с помощью тока высокой частоты. Рабочая дуга автоматически поджигается от стартовой каждый раз при поднесении плазмотрона к поверхности детали и гаснет по команде сварщика или при увеличении этого расстояния.

По типу охлаждения:

• С воздушным (газовым) охлаждением. Сопло плазмореза охлаждается поступающим воздухом или рабочим газом.
• С жидкостным охлаждением. Жидкостное охлаждение плазмореза используется в высоконагруженных промышленных резаках с большими токами от 150 А.

Типы плазмотронов

На предприятиях широко применяется автоматическая и ручная резка плазмой.

Резать металл можно различными типами приборов.

1. Плазменные резаки для резки металлов. В эту группу входит воздушно-плазменный и газоплазменный резак. Воздушно-плазменный резак выделяется простой конструкцией и применяется для резки чёрных металлов. Он может работать как от однофазной, так и трёхфазной сети. Газоплазменный аппарат работает на водяном паре, для образования плазмы применяется водород, аргон, кислород, азот.
2. Индукционный резак. Это высокочастотное устройство, работающее по принципу индуктивно-связанной плазмы с температурой до 6000 К и высокой плотностью электронов.
3. Комбинированные аппараты. Представлены симбиозом токов высокой частоты и электрической дуги. Электрический разряд сжимается под воздействием магнитного поля.
4. Газовые устройства, работающее за счёт сжатия столба дуги плазмообразующим газом.
5. Водяные устройства, рабочим телом которых является паровой газ. Высокотемпературный водяной пар способствует ускоренному сгоранию углерода.
6. Магнитные резаки. Такие приборы малоэффективны и не пользуются популярностью. Их основное преимущество в том, что регулировка сжатия электрической дуги осуществляется без потери газа.

В зависимости от типа плазмотрона можно без труда обрабатывать сталь любых видов, в том числе металлы с высоким тепловым расширением, а также материалы, которые электрический ток не проводят.

Плюсы и минусы

К преимуществам использования плазменного оборудования перед другими методами резки относят:

• возможность работы со всеми металлами и сплавами;
• высокую производительность аппарата;
• увеличенную точность воздействия, помогающую получить ровный срез без наплывов и потеков;
• отсутствие необходимости предварительного нагрева деталей;
• отказ от использования взрывоопасных газов – метана или кислорода.

Отрицательными сторонами плазменной резки считают:

• сложность сборки самодельного аппарата, высокую стоимость готовых установок;
• необходимость организации отдельного блока управления для каждого оператора;
• угол среза не более 50°;
• повышенный уровень шума от работающего оборудования.