Плазмова різка

плазмова різка полягає в проплавлення металу, що розрізає за рахунок теплоти, що генерується стислій плазмовою дугою, і інтенсивному видаленні розплаву плазмовим струменем.

загальноприйняті позначення

PAC - Plasma Arc Cutting - різання плазмовою дугою

Технологія плазмового різання

Плазма являє собою іонізований газ з високою температурою, здатний проводити електричний струм. Плазмова дуга виходить зі звичайної в спеціальному пристрої - плазмотроне - в результаті її стиснення і вдування в неї плазмообразующего газу. Розрізняють дві схеми:

• плазменно-дугове різання і
• різання плазмовим струменем.

Малюнок. Схеми плазмового різання

при плазменно-дугового різання дуга горить між неплавким електродом і розрізає (дуга прямої дії). Стовп дуги суміщений з високошвидкісної плазмовим струменем, яка утворюється з газу, що надходить за рахунок його нагріву та іонізації під дією дуги. Для розрізання використовується енергія одного з приелектродних плям дуги, плазми стовпа і який із нього факела.

при різанні плазмовим струменем дуга горить між електродом і формує наконечником плазмотрона, а оброблюваний об`єкт не включений в електричний ланцюг (дуга побічної дії). Частина плазми стовпа дуги виноситься з плазмотрона у вигляді високошвидкісної плазмового струменя, енергія якої і використовується для розрізання.

Плазменно-дугове різання більш ефективна і широко застосовується для обробки металів. Різка плазмовим струменем використовується рідше і переважно для виробництва й обробки неметалічних матеріалів, оскільки вони не обов`язково повинні бути електропровідними.

Більш детальна схема плазмотрона для плазменно-дугового різання приведена на малюнку нижче.

Малюнок. Схема ріжучого плазмотрона

У корпусі плазмотрона знаходиться циліндрична дугова камера невеликого діаметру з вихідним каналом, що формує стислу плазмову дугу. Електрод зазвичай розташований в тильній стороні дугового камери. Безпосереднє порушення плазмогенерірующей дуги між електродом і розрізає, як правило, важко. Тому спочатку між електродом і наконечником плазмотрона запалюється чергова дуга. Потім вона видувається з сопла, і при торканні вироби її факелом виникає робоча ріжуча дуга, а чергова дуга відключається.

Стовп дуги заповнює формує канал. У дугову камеру подається плазмообразующий газ. Він нагрівається дугою, іонізується і за рахунок теплового розширення збільшується в об`ємі в 50-100 разів, що змушує його спливати з сопла плазмотрона зі швидкістю до 2-3 км / c і більше. Температура в плазмової дузі може досягати 25000-30000 ° С.

Електроди для плазмового різання виготовляють з міді, гафнію, вольфраму (активованого иттрием, лантаном або торієм) і інших матеріалів.

Кількість тепла, необхідне для виплавлення різу (ефективна теплова потужність qр), надходить з стовпа плазмової дуги і визначається виразом:

qр = Vрmiddot-Fmiddot-gamma-middot-cmiddot - [(Tпл-T0) + q] middot-4,19,

де Vр - швидкість різання (см / с);
F - площа поперечного перерізу зони виплавленого металу (см2);
gamma- - щільність металу (г / см3);
з - теплоємність металу, Дж / (гmiddot-° С);
Тпл - температура плавлення металу (° С);
T0 - температура металу до початку різання (° С);
q - прихована теплота плавлення (° С).

твір Vрmiddot-Fmiddot-gamma- визначає масу металу, що виплавляється за одиницю часу (г / с). Для заданої товщини металу є певне числове значення ефективної теплової потужності qр, нижче якого процес різання неможливий.

Швидкість потоку плазми, що видаляє розплавлений метал, зростає зі збільшенням витрати плазмообразующего газу і сили струму і зменшується зі збільшенням діаметра сопла плазмотрона. Вона може досягати близько 800 м / с при силі струму 250А.

плазмообразующих гази

Технологічні можливості процесу плазмового різання металу (швидкість, якість та ін.), А також характеристики основних вузлів плазмотронов визначаються насамперед плазмоутворюючого середовищем. Вплив складу плазмоутворюючого середовища на процес різання:

• за рахунок зміни складу середовища можливе регулювання в широких межах кількості теплової енергії, що виділяється в дузі, оскільки при певній геометрії сопла і даному струмі складу середовища задає напруженість поля стовпа дуги всередині і поза сопла;
• склад плазмоутворюючого середовища має найбільший вплив на максимально допустиме значення відносини струму до діаметру сопла, що дозволяє регулювати щільність струму в дузі, величину теплового потоку в порожнині різу і, таким чином, визначати ширину різу і швидкість різання;
• від складу плазмоутворюючого суміші залежить її теплопровідність, яка визначає ефективність передачі розрізається листу теплової енергії, виділеної в дузі;
• в ряді випадків досить значною виявляється добавка теплової енергії, що виділилася в результаті хімічної взаємодії плазмоутворюючого середовища з металу, що розрізає (вона може бути порівнянна з електричною потужністю дуги);
• плазмоутворюючого середовища при взаємодії з виплавлюваних металом дає можливість змінювати його в`язкість, хімічний склад, величину поверхневого напруги;
• підбираючи склад плазмоутворюючого середовища, можна створювати найкращі умови для видалення розплавленого металу з порожнини різу, а також запобігти утворенню підпливемо на нижніх крайках розрізається листа або роблячи їх легко видаляються;
• від складу середовища залежить характер фізико-хімічних процесів на стінках різу і глибина газонасиченого шару, тому для певних металів і сплавів деякі плазмообразующих суміші неприпустимі (наприклад, що містять водень і азот в разі різання титану) - діапазон допустимих сумішей також звужується зі збільшенням товщини листів, що розрізають і теплопровідності матеріалу.

Від складу плазмоутворюючого середовища залежать і характеристики обладнання:

• матеріал катода і конструкція катодного вузла (спосіб кріплення катода в плазмотроне і інтенсивність його охолодження);
• конструкція системи охолодження сопел;
• потужність джерела живлення, а також форма його зовнішніх статичних характеристик і динамічні властивості;
• схема управління обладнанням, оскільки склад і витрата плазмообразующего газу повністю визначають циклограму формування робочої дуги.

При виборі плазмоутворюючого середовища також важливо враховувати собівартість процесу і дефіцитність використовуваних матеріалів.

Таблиця. Найбільш поширені плазмообразующих гази

Різка із застосуванням повітря в якості плазмоутворюючого середовища називається повітряно-плазмового різкою.

Техніка плазмового різання металу

Плазмова різка економічно доцільна для обробки:

• алюмінію і сплавів на його основі товщиною до 120 мм;
• міді товщиною до 80 мм;
• легованих і вуглецевих сталей товщиною до 50 мм;
• чавуну товщиною до 90 мм.

Різак у своєму розпорядженні максимально близько до краю, що розрізає. Після натискання на кнопку вимикача різака спочатку запалюється чергова дуга, а потім ріжучий дуга, і починається процес різання. Відстань між поверхнею металу, що розрізає і торцем наконечника різака повинно залишатися постійним. Дугу потрібно направляти вниз і зазвичай під прямим кутом до поверхні металу, що розрізає листа. Різак повільно переміщають уздовж планованої лінії розрізу. Швидкість руху необхідно регулювати таким чином, щоб іскри було видно зі зворотного боку металу, що розрізає. Якщо їх не видно із зворотного боку, значить метал не прорізаний наскрізь, що може бути обумовлено недостатнім струмом, надмірної швидкістю руху або спрямованістю плазмового струменя не під прямим кутом до поверхні металу, що розрізає листа.

Для отримання чистого розрізу (практично без окалини і деформацій металу, що розрізає) важливо правильно підібрати швидкість різання і силу струму. Для цього можна виконати кілька пробних розрізів на більш високому струмі, зменшуючи його при необхідності в залежності від швидкості руху. При більш високому струмі або малій швидкості різання відбувається перегрів металу, що розрізає, що може привести до утворення окалини.

Плазмова різка алюмінію і його сплавів товщиною 5-20 мм зазвичай виконується в азоті, товщиною від 20 до 100 мм - в азотно-водневих сумішах (65-68 азоту і 32-35 водню), товщиною понад 100 мм - в аргоно-водневих сумішах (35-50 водню) і з застосуванням плазматронов з додатковою стабілізацією дуги стисненим повітрям. При ручному різанні в аргоно-водневої суміші для забезпечення стабільного горіння дуги вміст водню має бути не більше 20.

Повітряно-плазмова різка алюмінію, як правило, використовується в якості розділової при заготівлі деталей для їх подальшої механічної обробки. Хороша якість різу зазвичай досягається лише для товщини до 30 мм при силі струму 200 А.

Плазмова різка міді може здійснюватися в азоті (при товщині 5-15 мм), стислому повітрі (при малих і середніх толщинах), аргоно-водневої суміші. Оскільки мідь має високу теплопровідність і теплоємність, для її обробки потрібно більш потужна дуга, ніж для розрізання сталей. При повітряно-плазмового різання міді на крайках утворюються легко видаляються надлишки металу (грат). Різка латуні відбувається з більшою швидкістю (на 20-25), з використанням таких же плазмообразующих газів, що і для міді.

Плазмова різка високолегованих сталей ефективна тільки для товщини до 100 мм (для великої товщини використовується киснево-флюсове різання). При товщині до 50-60 мм можуть застосовуватися повітряно-плазмова різка і ручне різання в азоті, при товщині понад 50-60 мм - азотно-кисневі суміші.

Різка нержавіючих сталей товщиною до 20 мм може бути виконана в азоті, товщиною 20-50 мм - в азотно-водневої суміші (50 азоту і 50 водню). Також можливе використання стисненого повітря.

Плазмова різка низьковуглецевих сталей найбільш ефективна в стислому повітрі (особливо для товщини до 40 мм). При товщині понад 20 мм розрізання може здійснюватися в азоті і азотно-водневих сумішах.

для різання вуглецевих сталей використовують стиснене повітря (як правило, при товщині до 40-50 мм), кисень і азотно-кисневі суміші.

Таблиця. Орієнтовні режими повітряно-плазмового різання металу

Переваги плазмового різання в порівнянні з газовими способами різання

• значно вище швидкість різання металу малої і середньої товщини;
• універсальність застосування - плазмова різка використовується для обробки сталей, алюмінію і його сплавів, міді і сплавів, чавуну та ін. матеріалів;
• точні і високоякісні рези, при цьому в більшості випадків виключається або помітно скорочується подальша механічна обробка;
• економічність повітряно-плазмового різання - немає потреби в дорогих газах (ацетилені, кисні, пропан-бутан);
• можливість вирізати деталі складної форми;
• дуже короткий час запису (при кисневому різанні потрібно тривалий попередній прогрів);
• більш безпечна, оскільки відсутні вибухонебезпечні балони з газом;
• низький рівень забруднення навколишнього середовища.

Малюнок. Швидкість повітряно-плазмового різання вуглецевої сталі в залежності від її товщини і потужності дуги.

Недоліки плазмового різання в порівнянні з газовими способами різання:

• максимальна товщина різу зазвичай становить 80-100 мм (кисневої різкою можна обробляти чавун і деякі сталі товщиною до 500 мм);
• більш дороге і складне обладнання;
• підвищені вимоги до технічного обслуговування;
• кут відхилення від перпендикулярності різу не повинен перевищувати 10-50ordm- в залежності від товщини деталі (в іншому випадку істотно розширюється рез, що призводить до швидкого зносу витратних матеріалів);
• практично відсутня можливість використання двох ручних різаків, підключених до одного апарату;
• підвищений шум внаслідок витікання газу з плазматрона з звуковою швидкістю;
• шкідливі азотсодержащие виділення (при використанні азоту) - для зменшення розрізати виріб занурюють у воду.