Достоинство и технология плазменной резки.
Плазма – это четвертое агрегатное состояние вещества, сильно ионизированный газ среднего давления и выской температуры, способный проводить электрический ток. Самая важная ее физическая характеристика – одинаковая объемная плотность частиц позитивно и негативно заряженных. Плазменная резка металла происходит путем локального целенаправленного нагрева определенного участка металлической заготовки. Плазмотрон преобразует обычную электрическую дугу в плазменную сжимая ее и подавая в точку образования токопроводящий газ. Как правило, температура такой дуги находится в пределах от 6 000 до 8 000 °С, но при необходимости может достигать 30 000 °С. Также плазмотрон отвечает за точность, устойчивость и качество дуги.
Данный вид резки является наиболее экономичным и производительным.
Плазменная резка возможна двумя основными способами: резка дугой прямого действия и резка дугой косвенного действия. При резке металла дугой прямого действия, который собственно и является основным, дуга горит между электродом плазматрона и разрезаемым металлом. Резка дугой прямого действия возможна только для токопроводящих металлов, так как лист разрезаемого металла является анодом при работе. Катод же находится внутри плазмотрона. При повышении напряжения между катодом и анодом зажигается электрическая дуга, которая затем преобразуется в плазменную при подаче плазмообразующего газа. Под воздействием нагретого до необходимой температуры газа металл плавится практически за доли секунды, остатки расплавленного выдуваются плазмообразующим газом из зоны резки.
Если происходит резка металла дугой косвенного действия, т.е. только плазменной струей, то дуга образуется внутри плазмотрона и подается газом высокого давления на обрабатываемый металл. При этом сам обрабатываемый металл в образовании дуги не участвует. Электрическая дуга в данном случае тоже есть, но она проходит до внутренней стенки сопла плазмотрона от наконечника электрода. Этот метод позволяет работать с металлами, не проводящими электрический ток. На нем же основаны все аппараты для ручной плазменной резки.
Плазменно-дуговая резка или резка дугой прямого действия, является наиболее часто используемым методом. Такая резка подходит для резки любых токопроводящих металлов и сплавов, используется, в основном, для резки черных металлов.
Режущим инструментом является плазмотрон, в котором создаются все необходимые условия для зажигания электрической и плазменной дуги. Давление и скорость выхода плазмообразующего газа регулируются формой и размером выходного отверстия. Для упрощения процесса сначала зажигают так называемую «дежурную дугу» которая образуется между электродом и наконечником плазмотрона. Выдуваемый факел плазмы доходит до поверхности разрезаемого металла и появляется основная режущая дуга. Дежурная дуга в этот момент отключается. Стандартная скорость газа плазмы при резе металла достигает 3 км/сек, а температура плазменной дуги до 30 000 °С. Это достигается за счет резкого увеличения объема нагреваемого газа.
При нагреве газ ионизируется, улучшается его токопроводность, а объем обеспечивает на выходе из сопла большую скорость. Соответственно скорость режущей плазмы прямо пропорциональна силе тока и увеличению объема газа от нагрева и обратно пропорциональна диаметру сопла плазматрона.
Для изготовления электродов чаще всего используются медь, вольфрам и гафний, для сопла плазмотрона часто используют медь и вольфрам.
При резке стоит учесть, что для каждого металла существует нижняя граница, при достижении которой резка становится невозможной.
Выбирая газовую смесь для работы важно учитывать требуемое качество реза, свойства и толщину металла. Как правило, чем толще металл, тем точнее нужно подбирать смесь. Она также влияет на стоимость готовой работы.
Выбор газа или смеси для резки влияет на основные характеристики работы, ее скорость и качество, выбор типа плазмотрона. Чаще всего для плазменной резки применяются водород, кислород, углекислый газ, аргон.
Правильный выбор плазмообразующей смеси обеспечивает более качественную резку благодаря точному подбору параметров нагрева и удаления расплавленного металла из рабочей зоны.
Подбор смеси в зависимости от металла
От толщины металла напрямую зависит используемая при резке газовая смесь.
Алюминий и сплавы алюминия
Азот используется для резки листа толщиной от 5 до 20 миллиметров.
Азотно-водородная смесь – 20-100 мм (65-68% азота, 32-35% водорода).
Аргонно-водородная смесь – при толщине выше 100 мм (35-50% водорода, 45-50 % аргона, при ручной резке не более 20% водорода).
Хорошее качество реза алюминия достигается, как правило, для толщин до 30 мм при токе в 200А. Поэтому плазменная резка алюминия используется как разделительная при заготовке деталей для их дальнейшей обработки.
Медь, латунь
Азот также используется для резки тонких листов – до 15 мм.
От 15 до 40 мм – воздушная смесь.
От 40 до 80 мм – аргонно-водородная смесь.
При резке меди стоит учитывать ее высокую теплопроводность и теплоемкость, а также то, что на кромках образуются легко удаляемые капли расплавленного металла.
Для резки латуни используются те же составы, но более высокая скорость.
Высоколегированные стали
Плазменная резка эффективна при толщине до 100 мм.
До 50-60 мм – используются ручная резка в азоте или воздушная смесь, выше 50-60 мм – азотно-кислородные смеси.
Нержавеющие стали
При толщине до 20 мм – азот, 20-50 – азотно-водородная смесь (50 % азота и 50 % водорода). Также возможно использование сжатого воздуха.
Низкоуглеродистые стали
Азот и азотно-водородные смести для толщины выше 20 мм, также эффективно использование сжатого воздуха, особенно при толщине до 40 мм.
Углеродистые стали
Сжатый воздух используется, как правило, при толщинах до 40–50 мм. Возможно использовать кислород и азотно-кислородные смеси.
Недостатки и преимущества плазменной резки металлов
Среди основных недостатков плазменной резки можно выделить то, что ее не рекомендуется использовать для металлов выше 100 мм толщиной, а так же более высокая стоимость оборудования в сравнении с тем, что необходимо для газовой резки.
Однако плазменная резка позволяет работать с тонкими металлами, а также с медью, чугуном, алюминием и их сплавами. Достаточно высокая скорость и точность работы позволяет получить изделия, практически не требующие дальнейшей обработки.
Так как для многих видов металлов допустимо использование сжатого воздуха, заметна значительная экономическая выгодна по сравнению, например, с газовой резкой.
Основными преимуществами плазменной резки металла являются:
• Скорость резки;
• Высокое качество поверхности реза;
• Минимальные или отсутствующие деформации металла и его коробления;
• Не требуется дополнительное газобаллонное оборудование;
• Дешевый газ/газы;
• Резка любых токопроводящих материалов;
• Минимальная зона термического нагрева, особенно по сравнению газовой резкой;
• Плазменная резка не дает эффекта закалки поверхности реза.