Как работает плазменная резка: технология, возможности, преимущества

Сегодня многие интересуются, как работает плазменная резка, в чем отличие технологии от традиционных методов обработки металла и других материалов. Простые обыватели и даже некоторые специалисты сомневаются в необходимости использования плазмы, считая, что любые сварочные работы по-прежнему можно выполнять с помощью традиционного газа.

В данном материале мы постараемся доступным языком объяснить, что такое плазморез, как он работает, в чем его преимущества перед лазером и газовой сваркой. После этого у вас вряд ли останутся сомнения в эффективности резки металла с помощью плазмы.

Плазменная резка – что это такое

Резка металла представляет собой технологический процесс разделения монолитного элемента на части. Для этого могут использоваться механический способ, то есть рубка или распиливание, гидроабразивный, где обработка производится за счет суспензии из воды и абразива, а также термический способ или нагрев. Под термической обработкой понимается газокислородная, лазерная и плазменная резка металла.

Что такое плазменная резка? Это технология обработки изделий из металла, при которой роль резака играет струя плазмы.

Плазма – это поток ионизированного газа, нагретого до температуры в несколько тысяч градусов. В таком потоке присутствуют отрицательно и положительно заряженные частицы. Ему присущи квазинейтральные свойства, то есть в бесконечно малом объеме суммарный заряд уравновешивается и оказывается равен нулю. Однако за счет наличия свободных радикалов плазма способна проводить электричество.

Благодаря сочетанию таких свойств плазмы, как высокая температура, способность проводить электричество и скорость потока, превышающая скорость звука, в XX веке удалось разработать устройство для плазменной резки.

Если говорить проще о том, как работает плазменная резка, то речь идет о нагреве металла струей плазмы при помощи плазмореза. Этот аппарат создает между соплом резака и обрабатываемым металлом электродугу, температура которой доходит до +5 000 °С. Однако эффективная обработка при таком нагреве невозможна. Чтобы добиться результата высокого качества, в рабочую зону дополнительно подается газ – именно он формирует плазму температурой до +30 000 °С.

Помимо того, что плазма очень горячая, она выходит из сопла со скоростью 1 500 м/с, за счет чего удается без труда резать металл. Стоит отметить, что подобная обработка отличается высокой точностью и аккуратностью, поэтому современная промышленность все чаще отдает ей предпочтение.

Как работает плазменная резка металла

Как работает аппарат плазменной резки? Усиление электрической дуги происходит при помощи разгона газом под давлением, за счет чего в несколько раз повышается температура режущего элемента по сравнению с пропан-кислородным пламенем. Это дает возможность быстро резать металл таким образом, чтобы даже при высокой теплопроводности все изделие не успело нагреться и деформироваться.

Роль режущего элемента при плазменной резке играет ионизированная дуга плазмотрона. Она позволяет как раскраивать материал, так и сваривать его. Во втором случае применяют присадочную проволоку, состав которой подбирается под конкретный вид металла, а подаваемый воздух заменяют инертным газом.

Резка металлических изделий производится двумя способами, такими как:

• Рез прямого действия, который также называют плазменно-дуговой резкой.

В этом случае между резаком и изделием, то есть катодом и анодом, зажигают электрическую дугу. Катод (электрод) находится внутри корпуса с соплом. Газ под давлением проходит мимо электрода, нагревается и ионизируется. В сопле создается высокая скорость потока. В процессе такой обработки электродуга плавит металл, а раскаленный газ обеспечивает вывод излишков из зоны нагрева.

• Рез косвенным воздействием.

Данная технология дает возможность работать с обычными металлами, а также с теми, которые отличаются малой электрической проводимостью, и диэлектриками. При такой обработке источник электроискры находится в резаке, поэтому изделие контактирует только с потоком плазмы. Отметим, что стоимость подобных устройств значительно выше, чем у моделей прямого действия.

Обе разновидности резаков ученые называют плазмотронами, то есть генераторами плазмы.

Резку металла можно производить при помощи устройств промышленного и бытового назначения. В промышленных условиях работают со сложными многофункциональными автоматизированными комплексами или станками с ЧПУ. Тогда как для использования в быту предназначены небольшие аппараты, подключаемые к сети 220 V или 380 V.

Плазменно-дуговая резка отличается такими характеристиками:

• Температура потока в пределах +5 000…+30 000 °C. Конкретная цифра зависит от обрабатываемого материала – минимальные температуры используются при работе с цветными металлами, а верхние показатели позволяют обрабатывать тугоплавкие стали.
• Скорость потока в пределах 500–1500 м/с. Она подбирается под требования конкретного вида резки, при этом оценивается толщина заготовки, материал, тип распила (прямой либо криволинейный), продолжительность работы системы.
• Газ для плазменной резки. С черными металлами работают при помощи активной группы, куда входят кислород (O₂) и воздух. Обработка цветных металлов и сплавов предполагает использование неактивной группы, а именно азота (N₂), аргона (Ar), водорода (H₂), водяного пара. Кислород окисляет цветные металлы, то есть запускает их горение, поэтому их обрабатывают в среде защитных газов. Также за счет изменения состава газовой смеси удается поднять качество обработки.
• Ширина разреза. В данном случае работает одно правило: при росте показателей повышается ширина реза. На нее влияют толщина и вид металла, диаметр сопла, сила тока, количество используемого газа и скорость обработки.
• Производительность, которая зависит от скорости резки. Так, бытовые агрегаты в соответствии с ГОСТ ограничены показателем 6,5–7 м/мин (~0,11 м/сек). Производительность резки зависит от толщины, вида металла, скорости струи газа. Нужно понимать, что увеличение размеров заготовки приводит к снижению скорости обработки.

Виды плазменной резки

Технология плазменной резки металла включает в себя несколько способов. Плазменно-дуговая резка делится на:

Принципы действия первых двух видов практически одинаковы – раскрой ведется за счет электродуги в сочетании с ионизированным потоком раскаленного газа. Единственное, чем отличаются данные подходы – это рабочее тело. При воздушно-плазменной резке его роль играет воздух, а при газоплазменной – газ либо водяной пар.

С заготовками толщиной не более 200 мм работают при помощи комбинированного оборудования. Дело в том, что современная промышленная установка позволяет производить термообработку газовой струей или использовать плазмотрон.

Станки для плазменной резки оснащены модулем ЧПУ, что позволяет им выполнять раскрой листов металла по прямой либо с формированием криволинейных кромок.

Ручная плазменная резка представляет собой классическую плазменно-дуговую обработку. Бытовые переносные устройства используют для раскроя черного металла воздушную ионизированную струю. Изменение состава газов приводит к тому, что оборудование значительно усложняется, а значит, повышается его стоимость.

Лазерно-плазменная резка – это сочетание нескольких методов обработки металла в одном станке. Отметим, что раскрой лазером используется для листов толщиной не более 6 мм. Материалы большей толщины требуют применения плазменно-дуговой резки.

Можно значительно повысить производительность при условии, что используется станок с ЧПУ, который позволяет осуществлять лазерную и пламенную резку. Таким образом добиваются различных линий раскроя, подготавливают необходимые отверстия. Кроме того, за счет сочетания двух технологий в одном устройстве серьезно экономятся производственные площади.

Плазменно-дуговой способ обработки применяется для габаритных заготовок. Лазерная работает лучше всего на мелких деталях, когда выдвигаются особые требования к точности раскроя.

Основная разница между лазерным и плазменным методом резки состоит в источнике нагрева. В лазере его роль играет сфокусированный световой луч. Так получается очень маленькая площадь его контакта с изделием, воздействие оказывается локальным. Это приводит к тому, что рез имеет небольшую ширину, а значит, достигается более высокое качество раскроя, чем когда работает плазмотрон.

Понять в общих чертах, как работает плазменная резка, можно, посмотрев видео.

Видео о том, что такое плазма и как работает плазменная резка: https://youtu.be/GUXgCnErxfE.

Какие газы используются при плазменной резке

Плазменная резка металла предполагает его проплавление и удаление расплава за счет теплоты плазменной дуги. Плазмообразующая среда влияет не только на скорость и качество работ, но и на такие показатели, как глубина газонасыщенного слоя и характер физико-химических процессов, протекающих по кроям реза.

Существуют марки металла, которые не могут обрабатываться некоторыми видами плазмообразующих смесей. Так, резка титана не должна производиться при помощи соединений, имеющих в составе азот и водород.

Повторим, что все газы, применяемые для подобной резки, принято делить на защитные и плазмообразующие.

В бытовых устройствах, позволяющих работать с металлом толщиной не более 50 мм при силе тока дуги до 200 А, используют сжатый воздух. Он может играть роль защитного и плазмообразующего газа. Тогда как в промышленных системах работают другие газовые смеси, содержащие кислород, азот, аргон, гелий или водород.

Что можно резать: возможности плазмы

Говоря о возможностях плазмы, нужно понимать, как работает плазменная резка и сварка. Такая обработка производится за счет проплавления материала при помощи теплоты. Последняя генерируется сжатой плазменной дугой, после чего расплав выносится из зоны реза струей плазмы.

Эта технология универсальна, поэтому на данный момент активно используется в целом ряде областей. Она позволяет работать с большинством металлов, а также достигать рекордных показателей по скорости резки и толщине заготовок.

Отдельно стоит сказать об экономической составляющей вопроса. Работать с плазменной резкой можно без больших финансовых затрат, не менее важно, что она может производиться как с помощью машин, так и вручную.

Назовем основные сферы, в которых применяют автоматизированную и ручную плазменную резку металлов.

1. Плазменная резка труб.

Самыми удобными считаются установки для плазменной резки труб, так называемые труборезы, снабженные центраторами. Они отличаются от классического труборезного оборудования высокой точностью обработки, которая остается недостижимой для газовой автогенной резки.

Немаловажно, что большая часть оборудования для резки труб при помощи плазмы позволяет производить вспомогательные операции. Среди них стоит назвать подготовку поверхности, зачистку шва, снятие фаски и разделывание кромок. Точное перемещение по трубе такого оборудования обеспечивается за счет специальных приводов.

2. Плазменная резка листового металла.

Чаще всего данная технология используется для раскроя тонких листов, поскольку другие методы не позволяют выполнять подобные операции. Немаловажно, что для ручной плазменной резки листового металла используются достаточно компактные и легкие приборы с небольшим расходом электроэнергии.

Плазма справляется с большинством металлов, в том числе подходит для обработки стали, чугуна, бронзы, меди, латуни, титана, алюминия и сплавов этих металлов. Данная технология имеет только одно ограничение – по толщине листа, что связано с уровнем теплопроводности. При большей теплопроводности снижается толщина листа, который возможно раскроить при помощи данного метода.

3. Фигурная плазменная резка металла.

Подобная художественная обработка требует использования специализированного оборудования и активно используется в строительстве и многих отраслях производства. Благодаря ЧПУ и специальным программам удается производить плоские детали вне зависимости от их сложности.

Плазма дает возможность вырезать сложные контуры на листах толщиной не более 100 мм. Стоит отметить, что результат не зависит от наличия на металле краски, коррозии, оцинковки и любых загрязнений. При фигурной обработке при помощи плазмы область реза нагревается до +30 000 °C, а настолько высокая температура позволяет плавить любые металлы.

4. Плазменная резка чугуна.

На данный момент это наиболее надежная и эффективная технология. Дело в том, что речь идет об одновременно экономичном, быстром и удобном методе, превосходящем по перечисленным характеристикам резку болгаркой и газом. Плазма позволяет работать с чугуном в тяжелой промышленности. Именно таким образом, например, подготавливают к утилизации скопившийся на территориях предприятий лом. Благодаря плазме делают глубинные разрезы в металле, за счет чего удается справляться с наиболее трудоемкими задачами.

5. Плазменная резка стали.

Такой способ отлично работает при раскрое стали различной толщины. Немаловажно, что плазма дает возможность резать нержавейку, что недоступно кислородной резке. В данном случае практически не происходит образования грата, поэтому удается сократить временные затраты и повысить продуктивность производства.

Плазменная резка нержавеющей стали выгодно отличается от газовой целым рядом характеристик, таких как:

• высокий уровень безопасности;
• возможность производить детали любой сложности и формы;
• низкий уровень загрязнения окружающей среды;
• быстрый прожиг;
• универсальность и экономичность;
• большая скорость обработки листов стали малой и средней толщины;
• точность и высокое качество разрезов, что позволяет отказаться от финальной обработки.

При помощи резки рулонной стали очень быстро и точно изготавливают листы необходимого формата и штрипсы, то есть узкие полосы стали при продольном сечении.

6. Плазменная резка бетона.

Плазма отлично работает не только в тех случаях, когда требуется резка металлов, но и при обработке бетона, камня и других материалов с высокой прочностью. Разница лишь в том, что раскрой токопроводящих материалов осуществляют плазменно-дуговой резкой, тогда как с материалами, которые ток не проводят, работают при помощи плазменной струи.

Данный метод обработки бетона все активнее используется в промышленных масштабах. Подобное специализированное оборудование оснащается газовыми баллонами с дозирующими редукторами, мобильным трансформатором, штуцером режущего шланга и заземляющим электрическим кабелем. Такая техника позволяет работать с бетоном и железобетоном, толщина которого не превышает 100 мм.

Но нужно понимать, что этот способ имеет и минусы. К ним относятся сложность рабочего процесса, относительно малая глубина резки, громоздкость оборудования и необходимость высокой квалификации у персонала.

7. Плазменная резка отверстий.

Современным металлообрабатывающим предприятиям достаточно часто приходится производить резку отверстий для болтовых соединений. Самые современные станки плазменной резки позволяют получать отверстия в металлических листах такого же качества, как при гидроабразивной или лазерной обработке.

Аппараты для плазменной резки

Чтобы понять, как работает плазморез воздушно-плазменной резки, остановимся на его конструкции. Она включает в себя источник питания, плазменный резак/плазмотрон, воздушный компрессор и кабель-шланговый пакет.

Источник питания, то есть трансформатор или инвертор, подает на плазмотрон ток определенной силы. Трансформаторы отличаются большим весом, высоким расходом энергии, но при этом не так чувствительны к скачкам напряжения. Не менее важно, что они позволяют работать с заготовками большей толщины.

Инверторы не такие тяжелые и дорогие, потребляют меньше электроэнергии, но уступают трансформаторам по толщине обрабатываемых заготовок. По этой причине с ними чаще работают на небольших производствах и в частных мастерских. КПД инверторных плазморезов на треть выше, чем у трансформаторных, они обеспечивают более стабильное горение дуги. Отметим, что они упрощают работу в труднодоступных местах.

Плазмотрон, также известный как «плазменный резак», играет роль основной составляющей плазмореза. Иногда понятия «плазмотрон» и «плазморез» приравнивают, однако плазмотроном называется сам резак, а не всю установку.

Ключевыми составляющими плазменного резака являются сопло, электрод, охладитель/изолятор между ними и канал, по которому подается сжатый воздух.

Внутри корпуса плазмотрона расположен электрод из гафния, циркония, бериллия или тория, именно он приводит к возбуждению электрической дуги. Все перечисленные металлы могут использоваться для воздушно-плазменной резки, так как во время обработки на их поверхности формируются тугоплавкие оксиды, не позволяющие электроду разрушаться. Однако только часть этих металлов используется на практике, поскольку некоторые из них образуют оксиды, опасные для здоровья персонала. Так, оксид тория токсичен, а оксид бериллия радиоактивен. Поэтому обычно электроды для плазмотрона изготавливают из гафния, все остальные металлы применяются не так часто.

Сопло плазмотрона обжимает и создает плазменную струю, та испускается из выходного канала и осуществляет резку металла. Размер сопла определяет возможности, характеристики плазмореза и используемые методы работы. Диаметр сопла влияет на то, какой объем воздуха может пройти через него за единицу времени. Тогда как от объема воздуха зависят ширина реза, скорость охлаждения и скорость работы всей системы.

В большинстве случаев диаметр сопла составляет 3 мм. Еще одна не менее важная характеристика – длина сопла: чем она больше, тем более аккуратным и качественным получается кромка изделия. Однако нужно понимать, что слишком длинное сопло не способно служить долго и быстро приходит в негодность.

Компрессор в данной системе обеспечивает подачу воздуха. Напомним, что при использовании технологии плазменной резки приходится пользоваться плазмообразующими и защитными газами. В аппаратах, которые работают с током мощностью не более 200 А, для образования плазмы и охлаждении применяется сжатый воздух. С помощью подобного устройства возможна резка заготовок толщиной до 50 мм. Промышленный станок работает на основе гелия, аргона, кислорода, водорода, азота и сочетания этих газов.

Кабель-шланговый пакет является соединением между источником тока, компрессором, плазмотроном. Кабель пропускает ток, необходимый для зажигания дуги, от трансформатора/инвертора, в то время как по шлангу поступает воздух в сжатом состоянии, именно он потом будет играть роль плазмы. Плазма образуется в плазмотроне – подробнее мы поговорим об этом немного позже.

Нажатая кнопка розжига дает сигнал системе, последняя начинает работать, к плазмотрону поступают высокочастотные токи – в нем между электродом и наконечником сопла возбуждается дежурная дуга температурой в пределах +6 000…+8 000 °С. Нужно пояснить: формирование дуги при участии только электрода и листа металла является затруднительным процессом. Далее столб дежурной дуги заполняет канал.

Когда загорается дежурная дуга, в камеру поступает сжатый воздух. Он нагревается от дуги, расширяется почти в сто раз, ионизируется, теряет свойства диэлектрика, то есть становится проводником для тока.

Используемое в системе сопло сужено книзу, поэтому способно обжимать воздух, формируя поток, движущийся со скоростью 2-3 м/с. Нагретый до +25 000…+30 000 °С воздух с измененными свойствами играет роль плазмы. Уровень его электропроводимости соответствует этому показателю у обрабатываемого металла.

Когда плазма касается заготовки, режущая дуга возбуждается, дежурная гаснет. Обеспечивается локальный разогрев изделия рабочей дугой, за счет чего металл плавится, образуется рез. Появляющиеся на заготовке частицы горячего металла удаляются воздухом, выходящим из сопла. Такой подход к резке при помощи плазмы считается наиболее простым.

Пока вы работаете с подобным устройством, важно, чтобы катодное пятно дуги находилось посередине электрода/катода. Для достижения такого эффекта применяют вихревую либо, как ее еще называют, тангенциальную подачу воздуха. Ее нарушение приводит к тому, что катодное пятно с плазменной дугой смещаются от необходимой точки. В результате не получается добиться стабильного горения плазменной дуги либо образуются сразу две дуги. Кроме того, возможен и худший расклад, при котором придется восстанавливать работу всей установки.

Увеличение расхода воздуха приведет к ускорению потока плазмы, а значит, к ускорению работы. Увеличив диаметр сопла, можно добиться снижения скорости, большей ширины реза. При токе 250 А плазма выходит из сопла со скоростью 800 м/с.

Скорость является важным параметром, который влияет на ширину реза: повышение этого показателя приводит к сужению реза. При низкой скорости ширина возрастает, как и при повышении силы тока. Все названные нюансы являются ответом на вопрос о том, как работать плазменной резкой».

1. Ручные плазморезы.

С такими устройствами работают в частных хозяйствах, мастерских, на малых производствах. Оператор держит оборудование в руках и направляет резак по линии реза. Пока устройство работает, оно остается на весу, из-за чего не удается добиться идеально ровного реза. Кроме того, данный метод обработки отличается невысокой производительностью. Для получения ровного реза без наплывов, окалины, используют упор. Его надевают на сопло и прижимают к листу металла, далее резак ведут вдоль линии раскроя. Таким образом, расстояние между заготовкой и соплом сохраняется на протяжении всей работы.

Стоимость ручного устройства устанавливается в зависимости от верхней границы силы тока, с которой он может работать, толщины раскраиваемого материала и количества допустимых операций. Часть моделей подходит для резки металлов, тогда как при помощи других можно сваривать элементы. Понять функционал устройства позволяет маркировка:

• CUT – используется для разрезания;
• TIG – необходима, чтобы производить аргонодуговую сварку;
• MMA – работает для дуговой сварки штучным электродом.

В качестве примера приведем модель Fox Weld Plasma 43 Multi, в которой сочетаются все названные функции. Ее цена находится в пределах 530–550 у.е., сила тока равна 60 А, с ее помощью удается разрезать металл толщиной до 11 мм.

Нужно понимать, что сила тока и толщина заготовки являются основными параметрами, которые оценивают при покупке плазмореза. Они связаны между собой: чем выше первый показатель, тем сильнее рабочая дуга.

Для грамотного выбора плазмореза нужно заранее представлять себе, с каким металлом и какой толщины установка будет работать. Для резки медного листа толщиной 2 мм силу тока рассчитывают таким образом: 6 А умножают на 2. То есть для такой обработки подойдет устройство на 12 А. Для резки стали толщиной 2 мм, умножают 4 А на 2, получая показатель 8 А. Отметим, что аппарат берут с запасом, поскольку в инструкции указываются предельные, а не номинальные показатели – они позволяют работать при такой силе тока лишь короткое время.

2. Станок с ЧПУ плазменной резки.

С подобным оборудованием работают на производствах. Аббревиатура ЧПУ означает «числовое программное управление».

В процессе резки оператор принимает минимальное участие, поскольку система работает по установленной программе. Таким образом, удается избежать влияния человеческого фактора на качество работ и значительно поднять уровень производительности. Получается очень ровный рез, не требующий дополнительной обработки кромок. Не менее важно, что такая технология позволяет работать даже с очень точными фигурными резами. Для этого в программу вводят схему, после чего устройство само выполняет все необходимые операции.

Стоимость автоматизированной системы для плазменной резки гораздо выше, чем ручной. Дело в том, что в первом случае необходим большой трансформатор. Кроме того, устройство оснащено специальным столом, порталом и направляющими. Конкретная цена зависит от сложности, размеров системы, варьируется от 3 000 до 20 000 у.е.

Такие станки охлаждаются при помощи воды, за счет чего не требуется прерывать работу в течение смены. Их ПВ, или продолжительность включения, равна 100 %. У ручных устройств этот показатель находится на уровне 40 %, то есть после четырех минут работы плазморезу потребуется шесть минут перерыва.

Плюсы и минусы плазменной резки

Если говорить о разных технологиях резки металлов, то больше всего на плазменную резку похожа лазерная. Поэтому обсудим достоинства интересующего нас подхода, сравнивая эти два метода:

• Плазма позволяет резать любые металлы, даже цветные, тугоплавкие и все остальные, обработка которых обычно вызывает наибольшие сложности.
• Скорость работы гораздо выше, чем при использовании газового резака.
• Возможность делать резы любой формы, в том числе в виде геометрических фигур, а также производить фигурную резку, вне зависимости от ее сложности. То есть такая технология позволяет воплощать самые смелые творческие задумки при работе с металлом и другими материалами, отличающиеся непростой обработкой.
• Плазменный резак справляется с листами любой толщины, позволяя сохранить скорость и качество раскроя.
• Данный метод универсален, поскольку дает возможность работать как с металлами, так и с другими материалами.
• Резка плазмой быстрее и эффективнее, чем все известные механические способы.
• Возможна работа перпендикулярно к поверхности заготовки, а также под углом, за счет чего удается освоить широкие листы металла.
• Это экологически безопасный способ, при котором происходит минимальный выброс вредных веществ в воздух.
• Не требуется нагрева металла перед резкой, благодаря чему снижаются временные затраты.
• Повышенный уровень безопасности достигается за счет отказа от взрывоопасных газовых баллонов.

Пока не существует методов обработки металлов, не имеющих минусов. Стоит отдельно остановиться на недостатках плазменной резки:

• Высокая стоимость аппаратов для резки, даже когда речь идет о наиболее простых ручных устройствах.
• Предельная толщина обрабатываемого таким образом металла составляет лишь 100 мм.
• Высокий уровень шума, вызванный тем, что подача воздуха или газа производится на большой скорости.
• Непростое дорогое оборудование требует постоянного грамотного технического обслуживания.

Отметим, что при резке нагревается только небольшой участок поверхности заготовки. После чего ему требуется меньше времени на остывание, чем когда работают лазерные или механические устройства для резки.