Плазменная резка металла: что это такое, принцип и схема работы резака

Параметры выбора

Нужно правильно выбирать тип расходников, учитывая их возможности, чтобы они служили долго и надёжно. Рациональное использование расходников возможно при учёте их возможностей. Так, например сопло и электрод выдерживают разное количество пробивок в зависимости от следующих трёх факторов:

• тип металла;
• толщина листа;
• величина тока.

Вид металла, особенно цветного (или сплава), играет очень важную роль, так как влияет на тип требуемых расходников. Разрезаться может нержавеющая или углеродистая сталь, а также алюминий. А для резки нержавеющей стали под углом используется ещё одна отдельная категория расходников. Также есть шланг-пакет плазмотрона и целый перечень запасных частей для него, к которым относятся комплекты резака, смазка, соединительные муфты и другое.

Как устроен плазморез

• источник питания;
• воздушный компрессор;
• плазменный резак или плазмотрон;
• кабель-шланговый пакет.

Источник питания для аппарата плазменной резки осуществляет подачу на плазмотрон определенной силы тока. Представляет собой инвертор или трансформатор.

Трансформаторы гораздо увесистее, тратят много энергии, но при этом имеют меньшую чувствительность к перепадам напряжения, и с их помощью разрезают заготовки большой толщины.

Плазменный резак считается главным элементом плазмореза. Его основными элементами являются:

• сопло;
• охладитель/изолятор;
• канал, необходимый для подачи сжатого воздуха;
• электрод.

Компрессор требуется для подачи воздуха. Принцип работы плазменной резки предусматривает применение защитных и плазмообразующих газов. Для аппаратов, которые рассчитаны на силу тока до 200 А, применяется только сжатый воздух как для охлаждения, так и для создания плазмы. Они способны разрезать заготовки толщиной в 50 мм.

Кабель-шланговый пакет используется для соединения компрессора, источника питания и плазмотрона. По электрическому кабелю от инвертора или трансформатора начинает поступать ток для возбуждения электрической дуги, а по шлангу осуществляется подача сжатого воздуха, который требуется для возникновения внутри плазмотрона плазмы.

Принцип работы

После того как возникла дежурная дуга, в камеру начинает поступать сжатый воздух. Вырываясь из патрубка, он проходит через электрическую дугу, нагревается, при этом увеличиваясь в объеме в 50 или 100 раз. Кроме того, воздух начинает ионизироваться и перестает быть диэлектриком, приобретая свойства проводить ток.

Сопло плазмотрона, суженное книзу, обжимает воздух, создавая из него поток, которое начинает вырываться оттуда со скоростью 2 – 3 м/с. В этом момент температура воздуха часто достигает 30 тыс. градусов. Именно такой раскаленный ионизированный воздух и является плазмой.

В то время, когда плазма начинает вырываться из сопла, происходит ее соприкосновение с поверхностью обрабатываемого металла, дежурная дуга в этот момент гаснет, а зажигается режущая. Она начинает разогревать заготовку в месте реза. Металл в результате этого плавится и появляется рез. На поверхности разрезаемого металла образуются небольшие частички расплавленного металла, сдуваемые с нее потоком воздуха. Таким образом осуществляется работа плазмотрона.

Преимущества плазменной резки

Работы по резке металла часто осуществляются на стройплощадке, в мастерской или цеху. Можно использовать для этого автоген, но не всех это устраивает. Если объем работ, связанный с резкой металла, слишком большой, а требования, предъявляемые к качеству реза, очень высоки, то следует подумать о том, чтобы использовать плазменный резак, имеющим следующие достоинства:

• Если мощность подобрана правильно, то аппарат плазменной резки позволяет в 10 раз повысить производительность. Такой параметр позволяет плазморезу уступить только промышленной лазерной установке, однако, он значительно выигрывает в себестоимости. Целесообразно с экономической точки зрения применять пламенную резку для металла, имеющего толщину до 50 – 60 мм.

• Универсальность. С помощью плазменной резки обрабатываются чугун, медь, сталь, алюминий и прочий металл. Необходимо просто выбрать оптимальную мощность и выставить конкретное давление воздуха.

• Высокое качество реза. Аппараты плазменной резки способны обеспечить минимальную ширину реза и кромки без перекаливания, наплывов и грата практически без дополнительной обработки. Кроме того, достаточно важен такой момент, что зона нагрева материала в несколько раз меньше, чем при использовании автогена. А так как термическое воздействие минимально на участке реза, то и деформация от этого вырезанных деталей будет незначительной, даже если они имеют небольшую толщину.
• Не происходит существенного загрязнения окружающей среды. С экономической точки зрения, если имеются большие объемы работ, то плазменная резка гораздо выгоднее кислородной или механической. Во всех остальных случаях учитывают не материалы, а трудоемкость использования.

Недостатки плазменной резки

Недостатки в работе плазменной резки тоже имеются. Первый из них – максимально допустимая толщина реза довольно небольшая, и у самых мощных агрегатов она редко бывает больше 80 – 100 мм.

не должен быть больше 10 – 50 градусов

Кроме того, рабочее оборудование довольно сложное, что делает совершенно невозможным использование двух резаков одновременно, которые подключаются к одному аппарату.

Классификация видов плазменной резки

Виды плазменной резки будут зависеть от среды, в которой проводятся работы по металлу:

Простой

Главное отличие способа – ограниченность электрической дуги. Для резки используется электрический ток и воздух. Иногда вместо воздуха применяются газ в виде азота. Если металлически лист тонкий – всего несколько миллиметров, процесс можно сравнить с лазерным разрезанием.

В разрезах получаются очень ровные кромки, не требующие дальнейшей доработки.

С применением защитного газа

При этом способе вместо воздуха используются защитные газы, которые превращаются в плазменный поток после преобразования в плазмотроне. Качество срезов в данном случае значительно повышается благодаря отличной защите процесса от воздействия окружающей среды.

Газ для плазменной резки не представляет из себя ничего необычного: это может быть водород или аргон – «газовая классика».

С водой вместо воздуха

Отличны способ со многими преимуществами, одно из которых – отсутствие необходимости в дорогостоящей и громоздкой системе охлаждения.

Существуют и другие критерии классификации плазменной резки. К примеру, виды резки бывают разделительными и поверхностными. Первый из них используется чаще.

Еще один параметр – способ резки. Один вид — резка дугой, в котором разрезаемый металл выступает в качестве элемента электрической цепи. Другой вид – резка струей, когда электрическая дуга соединяет электроды, а не металлическую заготовку.

Плазменные резаки представлены на рынке в самых разнообразных вариантах, так что их можно классифицировать по маркам, производителям и многим другим техническим и торговым параметрам.

Устройство для плазменной резки металлов

Главным элементом оборудования является плазменный резак, который называется плазмотроном. Его основные составляющие:

1. Электрод, который расположен в тыльной части камеры. Он образовывает электрическую дугу.
2. Сопло отвечает за форму потока плазмы и ее скорость.
3. Термостойкий изолятор расположен между соплом и электродом.

Кроме плазматрона, устройство для резки металла оборудовано:

• компрессором или газовым баллоном;
• источником питания;
• набором шлангов или кабелей, предназначающихся для соединения плазматрона с компрессором и источником питания.

Так как с помощью аппарата работать приходится на весу, рез может получиться неровным. Поэтому для улучшения качества резки рекомендуется использовать подставки или специальные упоры, которые надеваются на сопло.

На видео можно посмотреть, как режется материал с помощью плазмотрона.

Преимущества ручного плазмореза

Когда речь заходит о резке металла, многие традиционно делают выбор в пользу болгарки, пилы по металлу и газорезке. Это объясняется низкой ценой инструмента, простотой в эксплуатации и относительно неплохим качеством конечного продукта. Но те, кто однажды взял в руки плазменный резак, вряд ли в будущем снова обратятся к механической резке. Давайте рассмотрим основные преимущества плазмореза:

• Срез высокого качества;
• Не нужны подготовительные работы;
• Вы не рискуете искривить заготовку;
• Возможность делать изделия любой геометрической формы;
• Широкий диапазон металлов для резки;
• Скорость резки;

Ниже мы рассмотрим каждый из пунктов подробнее:

• Высококачественный срез. Болгарка оставляет множество заусенцев и диском в ряде случаев невозможно сделать ровный срез. Тогда мы обращаемся к автоматической пиле по металлу, но проблема не решается. Газорезка не спасает, ведь после нее приходится исправлять множество наплывов. Аппарат для плазменной резки не оставляет ни заусенцев ни окалин. После плазмы редко требуется доработка
• Отсутствие необходимости в подготовительных работах. Резать болгаркой металл со следами краски или ржавчины — сомнительное удовольствие. Мелкие осколки травмируют кожу, а пыль и грязь не дают следить за качеством среза. В то же время, принцип работы плазмореза таков, что подготовительные работы не требуются вовсе.
• Минимальный риск искривить заготовку. Плазма, как и механическая резьба, разогревает металл. Но поверхность нагревается лишь в очень малом радиусе от линии среза. Металл остается жестким и риск искривить изделие минимален.
• Отсутствие ограничений в геометрических решениях. Болгаркой сложно сделать фигурный вырез за счет геометрии диска. Резка металла плазморезом чем-то похожа на работу с фрезой. Поэтому, он легко справляется там, где нужна фигурная резка. Например, в декоративной металлообработке.
• Возможность работы практически с любым металлом. Механическим способом легко резать мягкие металлы, такие как медь или аллюминий. Немного сложнее — сталь и чугун. И практически невозможно резать твердые металлы, такие как титан. Плазма легко справляется с любыми металлами и сплавами.
• Высокая скорость обработки изделия. При резке металла толщиной до 10 миллиметров, преимущества плазмы не так очевидны. Но в случае обработки металлов большей толщины, скорость резки, по сравнению с механическим способом возрастает до 10 раз.

Конечно, говоря о преимуществах, нельзя оставлять в тени и недостатки. Их меньше, но о них также необходимо знать.

Схема

Как любая электроустановка, агрегат плазменной резки собирается согласно электросхемам.

Принципиальная

На этой схеме указаны все элементы установки независимо от их расположения. Основной целью этого чертежа является показать связи между деталями и упростить понимание работы установки.

На принципиальной схеме аппарата изображены следующие элементы:

• питающий трансформатор с выпрямителем;
• осциллятор;
• токовое реле;
• резистор, ограничивающий ток вспомогательной дуги;
• контактор, отключающий эту дугу;
• пускатель, включающий аппарат;
• кнопка включения реза;
• компрессор с аппаратурой управления.

Управления

В схеме управления показаны все кнопки и регуляторы, которые находятся на пульту или непосредственно на плазмотроне:

• кнопки включения компрессора;
• регулятор давления воздуха;
• при наличии охлаждающей жидкости кнопки и регуляторы ее потоком;
• амперметр;
• вольтметр;
• датчики протока воды и воздуха;
• кнопка управления резом (может находиться на рукоятке плазмотрона).

Информация! Все эти элементы изображены так же на принципиальной схеме.

Подключения

На схеме подключения указаны кабеля и шланги, соединяющие все элементы между собой. На ней указывается сечение и длина проводов, а также место подключения.

Устройство плазмореза

Принцип работы аппарата плазменной резки металла.

Название «плазморез» определяет то, что инструмент работает непосредственно с помощью плазмы, которая представляет собой ионизированный газ, обладающий высокой проводимостью тока. При нагревании такой газ начинает ионизироваться, и сила этого процесса возрастает с повышением температуры. Именно благодаря плазменным горелкам становится возможным получить ту необходимую плазменную струю, которая участвует в процессах сварки.

Для осуществления плазменной резки используют воздушно-плазменную дугу. Обязательным компонентом является и поток тока, который должен иметь прямое воздействие. Таким образом, происходит плавление металлических листов, их выдувание с образованием полости реза.

Для начала работы требуется возбуждение рабочей дуги, которое можно осуществить с помощью активизации вспомогательной. Сила тока напрямую зависит от источника. Образование рабочей дуги происходит в тот момент, когда соприкасаются обрабатываемый металл и факел дуги. Вдувание газа в камеру обеспечивает охлаждение верхних слоев и повышение температурной среды. Следовательно, газ, проходящий по высокотемпературной среде, ионизируется, становясь плазмой, и расширяется, благодаря чему поток плазмы проходит с очень большой скоростью, расплавляющей любой металл.

Топ-5 лучших плазморезов

Cebora Power Plasma 3035/M CNC ЧПУ 279-01

Профессиональный плазморез — надёжный, дорогой и производительный. Цены на этот агрегат начинаются от 141 000 рублей, однако он стоит каждой копейки от этой суммы. Аппарат оснащён высокочастотной системой поджига дуги и обеспечивает высокое качество реза в любых условиях и в течение любого времени. Максимальная потребляемая мощность составляет 2400 ватт, максимальный ток — 30 ампер, что позволяет обеспечить толщину реза до 15 мм. Для работы плазморезу нужен компрессор с производительностью до 60 литров в минуту и давлением в 3,5 бар.

Цена: ₽ 141 474

Cebora Power Plasma 3035/M

Fubag PLASMA 40

Ручной инвертор для плазменной резки полупрофессионального класса с полуавтоматическим управлением. Для поджига дуги используется высокая частота. Продолжительность включения при максимальном токе достигает 60%. Максимальный сварочный ток при непрерывной работе — 30 ампер. Режущий ток может настраиваться в пределах 20-40 ампер, что позволяет резать металл толщиной до 15 мм. Для работы плазморезу нужен компрессор, способный обеспечить подачу воздуха не менее 100 литров в минуту при давлении от 3,5 до 6 бар. Цена устройства — около 39 000 рублей.

Цена: ₽ 39 170

Fubag PLASMA 40

РЕСАНТА ИПР-40

Профессиональный ручной инвертор для плазменной резки. Выпускается под известным и заслуживающим доверия отечественным брендом. Оснащён высокочастотным поджигом дуги. Обеспечивает продолжительность включения при максимальном токе до 35%. Режущий ток может настраиваться в диапазоне от 15 до 40 ампер, что позволяет резать с помощью этого плазмотрона металл толщиной до 12 мм. Система воздушного охлаждения отличается простотой и надёжностью. Очень достойный и надёжный аппарат, отдать за который придётся относительно немного — менее 31 000 рублей.

Цена: ₽ 30 780

РЕСАНТА ИПР-40

Сварог REAL CUT 45 (L207)

Инвертор для плазменной резки полупрофессионального класса от российского бренда. Инструмент ручного типа, с воздушным охлаждением. Оснащён высокочастотной системой поджига дуги. Продолжительность включения при максимальном токе в 30 ампер составляет 60 %. Способен резать металл толщиной до 12 мм. Требует компрессора с расходом воздуха не менее 100 литров в минуту и давлением в пределах 4 бар. Корпус металлический, устойчивый к повреждениям. Отдать за такой производительный аппарат 23 500 рублей совершенно не жалко.

Цена: ₽ 23 590

Сварог REAL CUT 45

DGM CUT-40

Недорогой плазморез с высоковольтным контактным поджигом. Способен выдавать силу тока от 15 до 40 ампер, что позволяет ему резать черные металлы толщиной до 15 мм и цветные — до 9 мм. Работает с компрессором производительностью не ниже 150 литров в минуту и рабочим давлением в пределах 4,5-6 бар. Оснащён эргономичной рукоятью и складной ручкой для переноски. Продолжительность включения при 20 градусах составляет 60%. При цене в районе 16 500 рублей — один из наиболее доступных бытовых аппаратов для плазменной резки металлов.

Цена: ₽ 16 470

плазморез DGM CUT

Строение и принципы работы

Плазменный станок с ЧПУ представлен различными моделями, которые отличаются по типу устройства, схемой управления и методом подачи материала. Но у них обязательно наличие таких составляющих:

• плазмотрон с системой подачи газового вещества;
• поворотная поверхность рабочего стола для облегчения установки металлолистов;
• механизм передвижения резака и система магнитных креплений;
• датчик контроля для управления высотой горелки над поверхностью заготовки;
• профильная рельса и по обе стороны от нее две зубчатые рейки;
• системы ЧПУ.

Плазморез отличается простым принципом работы. Поступивший на резак поток воздуха с определенным давлением, соприкоснувшись с электродом, приобретает температуру, максимум, до 30 000˚ С. У ионизированного воздуха возрастает электропроводность.

Как итог, металл расплавляется от контакта с направленным потоком раскалившегося воздуха или газовой смеси (это и есть плазма), и отрезанная часть отбрасывается, благодаря давлению. Так проходят процессы плазменной резки металла с ЧПУ. Обработав программу, заданную оператором агрегата, аппарат, используя плазму, режет листы металла самостоятельно, а участие людей в процессе – минимальное.

Преимущества и недостатки

Основные достоинства плазмотронов для ручной плазменной резки:

• Отличная производительность – в 5-10 раз выше, чем газокислородной резки.
• Хорошее качество и точность реза – исключает необходимость дополнительной зачистки или обработки кромок перед сваркой.
• Универсальность – позволяет вырезать детали любых форм (даже самых сложных) и размеров.
• Минимальная ЗТВ (зона термического влияния) – особенно актуальна при раскрое тонколистового проката, поскольку исключает перегрев и тепловую деформацию заготовок.
• Наличие в продаже дополнительных приспособлений для поддержания постоянного расстояния между соплом и металлом, для вырезания круглых деталей/отверстий разных диаметров.
• Компактные размеры и небольшой вес инструмента.
• Надежная конструкция, простое обслуживание, ремонтопригодность.

Из недостатков можно выделить только необходимость ведения резака вручную при работе и поддержания постоянной скорости его перемещения. Однако этот минус присущ всем ручным инструментам.

Процесс ручного плазменного резания

Преимущества

Плазменные резаки для металла часто используются на строительных площадках и в частных мастерских. Востребованность объясняется преимуществами плазмореза:

1. С помощью плазмотрона можно обрабатывать разные виды металлов и сплавов.
2. Не нужно подготавливать рабочую поверхность. Высокого качества обработки можно достичь без очистки металла от ржавчины и краски.
3. При аккуратном и медленном ведении резака по обрабатываемой поверхности получается высокоточный рез. Не остаётся окалин и наплывов.
4. Даже при не большой толщине металлического листа, он не будет повреждён из-за сильного нагревания. Связано это с особенностями используемого оборудования.
5. С помощью плазмореза можно делать ровные, фигурные резы.

Во время работы плазмотрона практически не выделяется вредных веществ, что делает процесс обработки безопасным для здоровья.

Плазменная резка металлов — технологический процесс с использованием специального инструмента, который позволяет разрезать металлические листы. Выбор плазмотрона зависит от того, какие материалы будут обрабатываться. Если устройство выбрано неправильно, плазменная дуга не сможет разрезать металлическую заготовку.

Какое оборудование применяют?

Обычно используют два типа оборудования:

1. Трансформаторные. Могут разрезать металл толщиной до 40 мм.
2. Инверторные. КПД выше чем у трансформаторных аппаратов, однако, нельзя разрезать заготовку, толщина которой больше 30 мм.

Принцип работы у этих механизмов одинаковый. Состоят они из компрессора, источника питания и плазмотрона.

Может изменяться расположение компрессора. В некоторых моделях этот элемент встроен. У таких моделей низкая мощность. Модель со встроенным компрессором используется в гаражах, небольших мастерских. Для промышленного производства нужно применять аппараты с внешним компрессором.

Виды и классификация моделей плазмотронов:

Все серийно выпускаемые плазмотроны могут быть:

– электродуговыми,

– высокочастотными,

– комбинированными.

Также их разделяют в зависимости от следующих факторов:

– от воспроизводимой дуги – с прямым и косвенным воздействием;

– от подводимого тока – на переменные и постоянные;

– от охлаждения – с воздушным или водяным;

– от используемого электрода – с графитовым или вольфрамовым;

– от стабилизационной технологии потока плазмы – с газовой, водяной или магнитной стабилизацией.

Плазмотроны могут работать от инвертора или трансформатора (вторые более мощные), быть контактными и бесконтактными, бытовыми (220 V) и промышленными (380 V).

В электродуговых плазмотронах с прямым воздействием газовая дуга зажигается от электрода к детали, в устройствах с косвенным воздействием – от электрода к выходной части сопла. За счет большого давления в камере и узкого отверстия сопла горящая плазма истекает из него со скоростью, в разы превосходящей скорость звука. Как правило, горелки дуговых плазмотронов оснащаются хоть одним катодом и одним анодом, запитываемых от источника постоянного тока.

В некоторых из них могут вращаться электроды либо образуемая ими дуга. Изредка применяются электролитические катоды, бериллиевые, циркониевые и гафниевые электроды. Для хорошей циркуляции охлаждающей жидкости в горелке создаются специальные каналы. Плазморезы могут работать как со средой защитных и окислительных газов, так и со специальными смесями. В зависимости от используемого топлива у них есть небольшие конструктивные отличия.

Высокочастотные плазмотроны работают на индуктивно-емкостном принципе, поэтому им не нужны аноды и катоды, им не нужен обязательный контакт электрической дуги с газом. Тут горелка становится своеобразным резонатором. Газ в ней поджигают непосредственно токи высокой частоты (ТВЧ), проходящие сквозь стенки камеры, созданные из непроводящих материалов. Производители горелок пользуются для этого закаленным кварцевым стеклом или керамикой, а их необходимую защиту от перегрева обеспечивает газодинамическая изоляция и воздушное охлаждение. Внутреннее строение такой горелки проще, она компактнее и легче, но может использоваться лишь для разрезания тонких материалов (до 3 мм).

Существуют сверхвысокочастотные (СВЧ) плазмотроны, использующие сверхвысокочастотный разряд в, проходящем через резонатор, газе.

В комбинированных плазмотронах нагнетаемый газ поджигается как токами высокой частоты, так и горящим дуговым межэлектродным разрядом. Кроме этого, выталкиваемая струя в них сжимается параллельным воздействием магнитного поля. У приборов очень большой спектр регулировки мощности, что существенно расширяет основной функционал данных моделей.

Для нормальной работы в любой из описанных горелок важно стабилизировать процесс истечения плазмы, максимально сжать ее и зафиксировать по оси отверстия сопла. Этого добиваются воздействием газа, воды либо магнитного поля

В первом случае горящий дуговой столб сжимается нагнетаемым внешним газом более холодной температуры, также участвующим в плазмообразовании. Во втором можно еще больше сжать плазменный столб, одновременно разогрев его до 50 000 0С и выше. Но водяные пары сжигают электрод намного быстрее. Магнитная стабилизация менее эффективна, но позволяет регулировать интенсивность плазменной струи и экономить используемый газ.

Работа плазмореза

Чтобы понять принцип работы плазмореза, необходимо ознакомиться с технологией плазменной резки.

Прежде всего, необходимо определиться с понятием плазмы, а также для чего она нужна. Плазма – это высокотемпературный ионизированный газ, обладающий высокой электропроводностью.

Технологический процесс резки плазмой основан на идее газоэлектрической горелки, работающей на основе сварочной дуги. Это достигается построением специальной электрической цепи в следующей последовательности:

• вольфрамовый стержень соединяется с отрицательным полюсом источника постоянного тока;
• положительный полюс источника постоянного тока соединяется с соплом горелки или изделием;
• подача аргона или гелия в горелку.

Результатом этих операций становится загорание дуги между стержнем вольфрама и соплом. Образовавшаяся дуга подвергается сжатию под воздействием канала из жаропрочного сплава.

Принцип работы плазмореза

Вследствие этого, возникает очень высокое давление и происходит резкое повышение температуры дуги.

Возникновение потока плазмы генерирует вокруг себя сильное магнитное поле, еще сильнее сжимающее плазму и повышающее ее температуру.

Образовавшееся пламя плазмы достигает сверхвысоких температур: выше тридцати тысяч градусов Цельсия. Такое пламя в состоянии качественно как разрезать, так и сваривать любой материал.