Плазмові різаки плазмотрони для різання

плазмовий різак (Плазмотрон або плазмова пальник для різання) - пристрій для утворення плазми при різанні, що підключається до джерела струму.

Основні вузли плазмового різака:

• Електродотримачі з електродом;
• сопло, яке формує плазмову дугу або плазмову струмінь;
• дугова камера для утворення плазми;
• ізолятор, що розділяє електродний і соплової вузли;
• системи газо- і водопостачання.

У багатьох різаках також є вузол завихрення, що забезпечує вихрову (тангенціальну) подачу плазмообразующего газу в дугову камеру для стиснення і стабілізації дуги.

Малюнок. Ручний плазмовий різак апарату Мультиплаз-15000

Малюнок. Конструкція плазмового різака ТД-300 для механізованого різання

Основні види плазмових різаків

Конструктивна схема плазмового різака і оформлення його елементів залежать від робочого середовища, способу її подачі в дугову камеру, запалювання дуги і системи охолодження. Основні види плазмових різаків (пальників):

• для інертних (аргону, гелію) і відновлювальних (азоту, водню) газів;
• для окислювальних газів - містять кисень;
• двопоточні - для інертних, відновлювальних і окислювальних середовищ;
• з газожидкостной стабілізацією дуги.

Плазмотрони з водяною і магнітної стабілізацією дуги отримали обмежене застосування.

Найбільш простими є плазмотрони для інертних (нейтральних) і відновлювальних газів.

Малюнок. Плазмовий різак для інертних і відновлювальних газів з осьової стабілізацією дуги і водяним охолодженням

Ізольовані соплової і катодний вузли утворюють дугову камеру з формує каналом. У торцевій частині камери розміщений вольфрамовий катод, стабілізований оксидами лантану, ітрію, торію або іншими домішками, що підвищують емісійні властивості і стійкість вольфраму проти взаємодії при високих температурах з активними газами (киснем, повітрям і ін.). Катод зношується під дією теплоти, що виділяється в катодній області дуги.

Катоди з вольфраму зазвичай виготовляють у вигляді стрижнів діаметром 3-6 мм і довжиною 50-150 мм або коротких циліндричних вставок діаметром 2-3 мм і довжиною 5-6 мм. У плазмових різаках зі стрижневим вольфрамовим катодом, що закріплюється в затисках або Цанга, робоче середовище, як правило, подається співвісно катода. Робочу частину катодного стрижня загострюють для фіксації катодного плями дуги. За рахунок соосной (аксіальній) подачі газу дуга може бути розтягнута на велику довжину при меншому робочому напрузі, що важливо для ручного плазмового різання і різання товстого металу.

Широко поширені машинні і ручні плазмові різаки з гільзового катодами.

Малюнок. Плазмовий різак з гільзовим катодом, вихровий стабілізацією дуги і водяним охолодженням

Вставка з тугоплавкого матеріалу запресовується в канал гільзи-катодержателя з міді або іншого теплопровідного металу. Хвостовик гільзи інтенсивно охолоджується повітрям або водою, що покращує умови охолодження катода і збільшує термін служби катодного вставки. Торець гільзових катодів зазвичай плоский. Дуга стабілізується за допомогою закрученого потоку газу. Вихор фіксує катодний область дуги в центрі торця вставки. Активне пляма дуги зношує вставку з утворенням поступово заглиблюється порожнини. Діаметр і глибина порожнини залежать від інтенсивності введення теплоти в катод і теплопередачі охолоджуючої середовищі.

Гільзові катоди отримали широке застосування в плазмових різаках, що використовують як робоче середовище стиснене повітря. Катодні вставки з тугоплавких металів - цирконію і гафнію - при високих температурах утворюють в підставі дуги стабільну тугоплавку плівку з оксидів і нітридів, яка захищає чистий метал від випаровування. Такі катоди називають плівковими або пленкозащітнимі. Існування катодного плями обумовлено високою емісійною здатністю і низьким електричним опором плівки з оксидів і нітридів при високих температурах. Регулярний знос катодних вставок відбувається за рахунок випаровування оксидно-нітрідная розплаву, а разовий, більш істотний, - при запалюванні дуги через руйнування плівки від термічного удару.

Плазмові різаки з плівковими катодами також застосовуються для різання в середовищі кисню. При цьому стійкість катодів трохи нижче.

Для вихровий (тангенциальной) подачі плазмообразующего газу в дугову камеру плазмового різака використовують завіхрітельние пристрої. У найпростішому випадку функції завихрителя виконуються корпусом плазмотрона, і робочий газ надходить в дугову камеру по каналах, виведеним по дотичній до її стінок. Ефективне застосування завіхрітельних кілець або шайб з жаростійкої кераміки, що розміщуються перед входом в сопло. Їх недоліком є ​​невисока міцність кераміки. Як завихрителя може виступати і саме сопло. Раціональна конструкція завихрителя, виконаного у вигляді гвинтової різьби на зовнішній поверхні електродотримача, який щільно встановлюється в гнізді корпусу плазмового різака.

При різанні в окислювальних середовищах також використовують плазмотрони з порожнистим (порожнистим) циліндровим катодом з міді, інтенсивно охолоджується водою. Плазмовий різак має систему вихровий стабілізації дуги. Катод є розподіленим - під дією вихору катодна пляма швидко переміщається по внутрішній поверхні циліндричного катода, не руйнуючи його.

двопоточні плазмотрони забезпечені двома співісними соплами - внутрішнім і зовнішнім (захисним ковпаком). Газ, що надходить у внутрішнє сопло, умовно називають первинним, в зовнішнє - вторинним або додатковим. Первинний і вторинний гази можуть мати різний склад, призначення та витрата. Як електроди застосовуються як вольфрамові, так і пленкозащітние катоди.

У двопоточних плазмотронах зі стрижневим вольфрамовим катодом первинний газ (азот або аргон), що подається у внутрішнє сопло, захищає вольфрамовий електрод від окислення. У зовнішнє сопло надходить робочий окислювальний газ - повітря або кисень. Робоча частина катода може розташовуватися в порожнині під внутрішнім соплом або між соплами. При першій схемі в плазму перетворюється в основному захисний газ, а окислювальний газ використовується переважно для стабілізації дуги. У другому випадку можливе отримання плазмового потоку з високим вмістом кисню.

Малюнок. Двопоточні плазмотрони зі стрижневими вольфрамовими катодами - з розташуванням робочої частини катода під внутрішнім соплом (зліва) або між соплами (праворуч)

Пленкозащітние катоди, наприклад, використовуються в плазмових різаках Hypertherm (серій HSD, HT, HPR і ін.). При цьому захисний (додатковий) газ забезпечує наступні функції:

• захист плазмового різака від бризок розплавленого металу при пробиванні отвору;
• перешкода утворенню «подвійний» дуги;
• додаткове обтиснення дуги, що збільшує її питому енергетичну щільність, робить рез більш тонким і зменшує оплавлення на гострих кутах;
• сприяє формуванню практично перпендикулярного різу з гострою верхньою кромкою без оплавлення і відсутнім або незначним Гратом знизу.

Малюнок. Плазмовий різак Hypertherm з пленкозащітним катодом, призначений для роботи з плазмообразующих і захисним газами

досить поширені плазмові різаки з газожидкостной стабілізацією дуги. Їх формує система зазвичай аналогічна інертно- або відновно-газовим, активно-газовим або двопоточні плазмотронами, з тією відмінністю, що соплової вузол забезпечений системою каналів для подачі води в стислий стовп дуги. Для стабілізації дуги також використовують двофазні газорідинні потоки, які вводять переважно за схемою двухпоточного плазмотрона. Кількість води, що стабілізує дугу, встановлюють таким, щоб вода повністю випаровувалася. При газожидкостной стабілізації дуги збільшується концентрація енергії в стовпі дуги і підвищуються її ріжучі властивості. За рахунок подачі рідини в яке формує сопло поліпшуються умови його охолодження. При різанні із застосуванням водовоздушной стабілізації сталеві кромки менше насичуються азотом, ніж при повітряно-плазмового різання.

Крім плазмових різаків з газожидкостной стабілізацією дуги використовують плазмотрони з водяною завісою і газорідинної системою охолодження. У різаках з водяною завісою за допомогою системи водяних каналів навколо стовпа дуги формується водяна оболонка. Вода охолоджує кромки оброблюваного металу, що зводить до мінімуму зону термічного впливу. Знижується рівень шуму, виділення аерозолів і випромінювання при різанні.

сопло плазмового різака призначене для формування ріжучої дуги. Форма і розміри соплового каналу визначають параметри і властивості дуги. При зменшенні його діаметра і збільшенні довжини підвищуються швидкість потоку плазми, концентрація енергії в дузі, її напруга і ріжуча здатність. Чим довше зберігаються форма і розміри сопла, тим довше термін його служби.

Сопло є найбільш теплонапружених елементом плазмотрона. Щоб між стінками соплового каналу і плазмовим потоком в стовпі потужної дуги (з температурою 10000-20000 ° С і вище) був присутній шар порівняно холодного газу, силу струму і витрата газу вибирають відповідно до діаметра застосованого і довжиною сопла. Найкращий матеріал для виготовлення сопел - мідь високої чистоти, що має високу теплопровідність і відносно низьку вартість. У більшості випадків для охолодження сопел застосовується система водяних каналів. При різанні малопотужними дугами охолодження сопла пальника може бути газовим.