Как работает плазменная резка металла
Способ резки металла при помощи струи газовой плазмы, ускоренной электрическим полем, называется плазменной резкой. Физическая суть этого способа состоит в том, что электрическая дуга создается не при атмосферном давлении, а при повышенном. Это повышает электрическую проводимость плазмы и, следовательно, ее возможную тепловую мощность в несколько раз.
Вместе с тем растет и температура газа, получаемая в горелке, которая становится выше, чем на поверхности Солнца (может достигать 30 000 градусов), и скорость частиц, до 1.5 км/сек. Струю плазмы можно сделать очень узкой, а глубину реза, например стали, достигающей 200 мм.
История плазменной резки
В технике плазморезы впервые стали появляться в 1950-60х годах. Первые установки были очень громоздкими и дорогими, их распространение было затруднено (по причинам, связанным с гонкой вооружений). В начале XXI века плазморезы получили широкое распространение, их конструкция совершенствовалась.
В настоящее время плазменные резаки доступны даже индивидуальным владельцам-«частникам» для различных работ в гараже и домашнем хозяйстве. Они имеют определенную перспективу и для сварочных работ, хотя в этом случае потребуют от оператора хороших навыков работы с горелкой.
Физические принципы плазмотрона
Использование плазмы для резки металла основано на зависимости тока в электрической дуге от давления газа. Чем больше молекул в газовой плазме, тем больше переносчиков заряда — ионов — и тем больше ток. Увеличить число ионов можно повышением давления в области дугового разряда.
В реальных плазменных установках ток не намного превышает ток обычных дуговых сварочных аппаратов. Несмотря на это, удается получать тепловую энергию с очень высокой плотностью, сосредоточенную в узком факеле плазмы. Движение частиц ионизированного газа в большой степени упорядочено, они вылетают из сопла со скоростями порядка километров в секунду.
Если разрезается металл, то он служит вторым анодом и ионы рабочего газа приобретают дополнительную энергию, разгоняясь в электрическом поле. При попадании на металл, ионы газа сообщают ему энергию и скорость в направлении своего движения. Расплавленный металл выдувается из разреза. Поверхность реза получается очень ровной, если горелка и деталь закрепляются в станке.
Плазмотрон (горелка) постоянно избавляется от тепла дуги за счет расхода поступающего рабочего газа. Без этого она практически сразу же расплавилась бы от экстремально высокой температуры.
Конструкция горелки
Плазмотрон устроен, как показано на рисунке:
Он состоит из корпуса и внешнего кожуха, внутри которых находится еще несколько деталей. Это сопло — анод, стержень — катод, штанга для удержания катода и подвода к нему тока. Штанга изолирована от корпуса и, во всяком случае от анода.
В плазмотроне имеется два штуцера: в один подается рабочий газ, который участвует в горении дуги, а в другой штуцер подается защитный газ. Защитный газ необходим для работы горелки в режиме сварки и наплавки металла.
Наиболее мощные плазменные резаки используют вместо защитного газа, или в дополнение к нему, водяное охлаждение сопла. Такие горелки используют для раскроя толстых листов различных металлов. Общий принцип работы всех плазмотронов остается неизменным и повторяет схему на рисунке. Дуга поджигается импульсом высокого напряжения.
Катоды изготавливают из тугоплавкого вольфрама, который легируют гафнием. Гафний имеет необходимую работу выхода, и обеспечивает больший ток эмиссии, чем простой вольфрам. В процессе работы катод изнашивается незначительно, но все же изнашивается, поэтому положение штанги может меняться, для подачи к соплу невыработанной части катода.
Горелка достаточно компактна и может иметь ручное исполнение.
Источники питания
Катод подключается к отрицательному полюсу источника питания, а анод — к положительному. Анод нагревается сильнее катода, поэтому он сделан массивным из чистой меди. При резке тонких листов или неметаллических материалов второй анод (то есть, сама деталь) не используется.
Параметры источника напряжения для дуги приблизительно совпадают с традиционным сварочным аппаратом постоянного тока, но в данном случае напряжение может быть выше. Ток можно регулировать в очень широких пределах, от долей ампера до сотен ампер. В качестве источника напряжения используют стабилизированный по току или напряжению инверторный преобразователь на IGBT-транзисторах.
Рабочий газ подается из баллона или от компрессора (воздух) через редуктор. Давление на входе в горелку плазмотрона имеет величину около 1-2 бар. Давление защитного газа имеет примерно такую же величину. Он не участвует в работе горелки, но может быть использован для ее охлаждения или создания защитной атмосферы при сварке или наплавке.