ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛА В РОСТОВЕ-НА-ДОНУ.

Услуги плазменной резки в Ростове-на-Дону. Методы дуговой, газодуговой и газовой резки в применении к цветным металлам и высоколегированным сталям не обеспечивают высокой чистоты реза, малопроизводительны и дорогостоящи. Поэтому в последние годы для выполнения качественной резки сплавов алю­миния, легированных и даже низкоуглеродистых сталей все большее применение получила плазменная резка. Сущность ее заключается в том, что обрабатываемый металл в зоне реза расплавляется и частично испаряется с помощью струи плазмы, получаемой в дуге. Этой же струей расплавленный металл удаляется из полости реза. Температура плазмы достигает 30 000°С, а скорость ее истечения из сопла плазменной горелки -2000 м/с. Плазменная резка может применяться для металла толщиной от долей до десятков милли­метров. Для резки толстых листов из алюминия и его сплавов, нержавеющих сталей и других сталей и сплавов целесообразно применять процесс со сжатой дугой прямого действия, т. е. дугой, горящей между электродом плазменной горелки и разрезаемым листом (рис. 1, а). Для резки тонких материалов используют схему с плазменной струей косвенного действия - с плазмой, выделен­ной из столба дуги (рис. 1, б). Для резки применяют аргон, смеси аргона с водородом, а также смеси азота с водородом, водовоздушные смеси,  а сейчас чаще просто воздух.

Мощными плазменными горелками, работающими при напря­жении дуги до 200 В, можно разрезать листы толщиной до 150 мм и более со скоростью до 1 м/мин, а листы толщиной до 66 мм - при скорости до 5 м/мин и более. Плазменная резка алюминиевых сплавов и других цветных металлов и легированных сталей позво­ляет получать резы с высоким качеством (по чистоте и точности) и отличается наибольшей экономичностью по сравнению со всеми другими методами резки. Для низкоуглеродистых сталей плазмен­ная резка особенно эффективна при обработке листов толщиной до 30 мм.

Плазмотрон - главное устройство для получения плазмы при нормальном давлении было разработано еще 100 лет назад. Одно из самых распространенных применений этого изобретения - разработанные в 60-ые годы прошлого века аппараты воздушно-плазменной резки металлов. Важно отметить, что сразу после появления оборудования для воздушно-плазменной резки металлов, оно получило широкое распространение на предприятиях ВПК, авиапрома, атомной энергетики и в других высокотехнологичных областях народного хозяйства.

Физической основой воздушно-плазменной резки является выдувание электрической дуги сжатым воздухом, с последующим местным плавлением металла и удалением его из зоны резки разогретым газовым потоком. Дуга, свободно горящая в воздухе, имеет температуру 6000 - 8000 К. Если увеличить внешнее охлаждение дуги, сжав ее потоком газа, то ее температура возрастет до 20000 К и вокруг дуги формируется газовый поток. Такое состояние вещества называют низкотемпературной плазмой. Устройства, в которых электрическая энергия превращается в тепловую энергию потока низкотемпературной плазмы, носят название плазмотроны.

С момента появления первых образцов оборудования источники образования плазмы стали меньше, легче, надежнее; плазмотроны тоже уменьшились в размерах, стали намного проще и совершеннее. Так почему же до сих пор технология воздушно-плазменной резки для многих ассоциируется с применением очень сложного, громоздкого и дорогого оборудования? Может быть просто потому, что было очень мало публикаций, в доступной форме рассказывающих об этом методе. А ведь производства, сменившие устаревшую технологию газокислородной резки на воздушно-плазменную, теперь уже не могут представить, как раньше без нее обходились.

 

Воздушно-плазменная резка, как и газокислородная, относятся к одной группе термической резки металлов. Это обуславливается одним и тем же принципом действия: местный нагрев с последующим выдуванием расплавленного металла из зоны резки. Отличие их в том, что при газокислородной резке источниками энергии являются горючее и окислитель, а при использовании воздушно-плазменной резки - энергия электрической дуги. Но по сравнению с газокислородной, воздушно-плазменная резка имеет ряд существенных преимуществ.

Так как температура плазмы достигает десятков тысяч градусов, это позволяет резать любые металлы и их сплавы, в том числе углеродистую, нержавеющую и высоколегированную стали, чугун, медь, латунь, бронзу, алюминий, титан, а также биметаллы. Вследствие такой высокой температуры скорость резки в несколько раз выше, чем при газокислородной резке, а сам процесс начинается без предварительного разогрева металла. При этом металл не коробится и не деформируется, а грат, образующийся на краях реза, легко удаляется, после чего остается ровная кромка. Кроме этого потери металла минимальны из-за малой ширины реза.

Для работы аппаратов воздушно-плазменной резки требуются только электроэнергия и сжатый воздух, а при наличии компрессора только электроэнергия. По сравнению со сложностями, возникающими при использовании оборудования для газокислородной резки, такими как: заправка, переаттестация и доставка громоздких баллонов, взрывопожароопасность, использование присадок при необходимости работать с цветными металлами и сплавами, аппараты воздушно-плазменной резки требуют только замены расходных материалов (электродов и сопел), месячный запас которых легко умещается в дамской сумочке.

Одним из основных параметров плазменной резки является сила тока плазменной дуги. В настоящее время практическая верхняя граница тока кислородной плазмы составляет 440 A (при большей силе тока сокращается срок службы деталей).

В настоящее время существует большое количество оборудования плазменной резки. Оно разделяются на ручные установки плазменной резки, портативные установки, стационарные портального типа с применением рабочего стола и стационарные портального типа промышленного назначения без рабочего стола.

Ручные установки плазменной резки применяются в тех случаях когда нет необходимости в получении сложных контуров и требуемая точность обработки невысокая. Такие установки широко применяются в ЖКХ, на небольших производствах, где не требуется большая производительность.

На данном оборудовании можно обрабатывать заготовки до 50 мм толщиной, в зависимости от используемого источника питания.

Ведущими производителями источников питания являются компании Cebora, Hypertherm, Kjellberg, Thermadyne.

В статье описаны варианты процесса плазменной резки, которые применяются в настоящее время. Приведены характеристики вариантов, детально описаны режущие устройства и циклы, сравниваются преимущества и недостатки. Даны пояснения по разграничению с лазерной резкой, рассматривается экономическая эффективность ацетиленокислородной, плазменной и лазерной установок.

Плазменная резка – это термический процесс, который благодаря чрезвычайно концентрированному приложению энергии обеспечивает высокие скорости резки и поэтому является экономически эффективным применительно к мягким и низколегированным сталям. По сравнению с ацетилено-кислородной резкой потребление энергии является значительно меньшим, поэтому обработанные детали являются достаточно точными, в худшем случае наблюдаются незначительные коробления и деформации. В известной мере плазменная резка конкурирует с лазерной и ацетилено-кислородной. На рис. 1 дано сравнение скоростной резки в упомянутых процессах в зависимости от толщины листов. Показано, что при плазменной резке могут достигаться более высокие скорости при достаточно высоком качестве резки.

За последние годы плазменная резка существенно усовершенствована. Имеется различие между резкой в атмосфере (сухие резы) и резкой под водой. Существует разговорный термин «прецизионная плазменная резка», который фирмы применяют без пояснений, хотя обычно имеется в виду использование дополнительной среды.

 До конца 80-х годов установки для плазменной резки с инжекцией воды и для подводной резки считались вполне современными и экономичными. Вскоре за ними последовали существенно усовершенствованные установки для сухой плазменной резки, где сначала в качестве режущего газа использовался воздух, затем кислород. Усовершенствования касались не только увеличения срока службы электродов, но и существенного повышения скорости резки. Сухая резка была отработана до такой степени, что в новых установках она стала наиболее предпочтительной.

Традиционная плазменная резка

При традиционной плазменной резке дуга ограничена только соплом с подачей плазменного газа, который поступает в V-образные канавки с вписанными углами приблизительно от 6о до 10о. Как правило, резка осуществляется в атмосфере. Дуга (плазменная дуга прямого действия) возникает между неплавящимся электродом (катодом) и заготовкой (анодом). В редких случаях она возникает между электродом и соплом, тогда она называется «плазменная дуга непрямого действия». Такой процесс используется почти исключительно вручную применительно к тонким листам или непроводящим материалам.

Плазменная резка при использовании дополнительной среды

Резка при использовании дополнительной среды является дальнейшим усовершенствованием в том отношении, что с помощью этой среды ограничивается длина плазменной дуги. При толщине листа порядка 3 мм параллельность обработанных поверхностей при использовании кислорода в качестве режущего газа сопоставима с этим показателем при лазерной резке (с кислородом). Более того, возможно получение параллельных поверхностей при резке листов толщиной до 8 мм. Если в качестве режущего газа используется азот, обработанные поверхности получаются очень гладкими, но несколько выпуклыми.
Плазменная резка при использовании дополнительной среды может применяться не только в атмосфере (сухая резка), но и под водой. Если в качестве дополнительной среды используется газ,осуществляется обычная сухая резка. Такой подход широко применяется в настоящее время, особенно на тех предприятиях, где получают профильные поверхности почти любых размеров (без ограничений, которые налагает ванна с водой). Кроме того, вода, которая попадает между плазмой и экранирующим соплом, может использоваться как дополнительная среда. В случае резки высоколегированных сталей и алюминия предпочитают использовать в качестве дополнительной среды воду.

 Плазменная резка при инжекции воды применяется также при обработке мягких и низколегированных сталей. Тангенциальная инжекция воды образует водяной колокол, и давление пара служит дополнительным ограничением плазменной дуги, так же как при использовании дополнительного газа. Процесс плазменной резки при инжекции воды часто применяется при резке под водой. На рис. 2 представлен пример реализации принципа применения газовых резаков в некоторых процессах.

При резке с использованием дополнительной среды (газа или воды) с обеих сторон прорези при толщине резки примерно до 8 мм получаются почти параллельные обработанные кромки. Некоторые изготовители машин режут даже листы толщиной до 12 мм. При соответствующем повороте резака возможно и при прямых резах получать «хорошую сторону» и «плохую сторону» (прорезь с одним уклоном).

Увеличенные плотности тока получаются при использовании специальных резаков, когда вращение газа еще больше ограничивает плазменную дугу. Это рассматривается как плазменная резка с увеличенным ограничением. Принцип вращения газа и применение многоступенчатых резаков при парциальном нагнетании газа оказались эффективными при резке листов примерно до 30 мм. В этом случае одна обработанная поверхность почти отвечает требованиям перпендикулярности относительно другой (как при лазерной резке) без необходимости поворота режущей головки.

Режущие газы, применяемые при плазменной резке

При плазменной резке, когда обрабатываются мягкие и низколегированные стали, предпочтительным режущим газом является кислород, При этом расплавленное железо имеет пониженную вязкость, благодаря чему разжиженный материал легче удаляется из прорези. В результате образуются кромки почти без заусенцев. Более того, преимуществом использования кислорода яв-ляется исключение повышенного содержания азота в обработанных кромках.

Азот также используется как режущий газ. При этом, с одной стороны, при равной толщине листа резка выполняется при меньшей силе электрического тока и благодаря этому при меньших термических нагрузках на электрод, срок службы которого увеличивается. С другой стороны, листы большей толщины могут разрезаться и в том случае, когда нагрузка не уменьшается. Однако следует иметь в виду, что в этом случае возможно увеличение содержания азота в обработанной кромке, что может отрицательно сказаться при выполнении последующей обработки. Как дешевый плазменный газ используется воздух, но по сравнению с использованием кислорода он имеет ряд недостатков, в том числе уменьшение сроков службы электродов и сопел и повышение содержания азота на обработанных кромках.

Сроки службы сопел и электродов

Часто ставится вопрос о сроках службы режущих сопел и электродов, в том числе применительно к перерывам в рабочих циклах из-за переналадок. Практика показывает, что износ как сопел, так и электродов не очень зависит от процессов, а определяется в основном числом резов и потребляемой мощностью. При нормальной работе до того, как качество резов изменяется настолько, что необходимо заменять сопло, выполняют примерно 400-600 резов. Как правило, срок службы электродов, используемых в настоящее время, вдвое превышает срок службы сопел.

Преимущества и недостатки плазменной резки

Детальное описание плазменной резки в различных вариантах приведено в документах DVS 2107 Technical Bulletin. Преимущества и недостатки сухой плазменной резки и резки под водой приведены в табл. 1. Принятие решения о выборе того или другого варианта резки зависит от конкретных условий работы, которые очень специфичны для различных предприятий.

Что касается капиталовложений, то один из ведущих производителей установок для плазменной резки считает, что нет значительного различия между двумя процессами. Стоимость системы экстрагирования при одном виде резки уравновешивается затратами на ванну и манипуляции с водой при резке под водой. Уровень воды падает и следует учитывать необходимость удаления отстоя.

Что касается самого процесса резки, то сухая и подводная обработка в принципе отличаются незначительно. Режущий и завихряющийся газ создают почти идентичную атмосферу в зоне резки в результате давления газа. Если не считать крышку для завихряющегося газа, быстроизнашиваемые детали одинаковы для обоих процессов. Поэтому трудно рекомендовать критерии для выбо-ра, когда предпочтительна сухая плазменная резка и когда резка под водой.

Преимуществами резки под водой являются существенно более низкий уровень шума и значительно более низкая эмиссия ультрафиолетового излучения, как и меньшее выделение пыли. Кроме того, может давать положительный эффект дополнительное охлаждение листов окружающей водой. Более интенсивное рассеивание тепла в зоне резки позволяет в значительной мере исключить деформации в обработанных деталях. Одним из положительных факторов при сухой резке является возможность обработки более толстых листов, чем при резке под водой, где толщина ограничивается примерно 40 мм. Что касается качества и производительности, преимущества на стороне сухой резки. Поэтому почти 90% производителей продукции предпочитают в настоящее время сухую плазменную резку.

Сравнение с лазерной резкой

По своим техническим характеристикам и достижимым скоростям резки плазменная резка эффективна в особенности для прямых резов, например для зачистки кромок и разрезания листов на мерные отрезки по длине. Кроме того, применение плазменной резки экономически эффективно, когда обрабатываются профили, при этом, необходимо обеспечить фиксацию обрабатываемой стороны листа, а противоположная сторона располагается на отходах металлов. Еще одним преимуществом является возможность обработки по сравнению с лазерной резкой значительно более широкого по толщине диапазона листов при достаточно хорошем качестве. Путем установки соответствующего сопла можно резать листы под углом для последующей сварки, что осуществляется более эффективно по сравнению с лазерной резкой. В отличие от лазерной резки, плазменная обычно используется для получения листовых деталей с незначительными дефектами поверхностей, при незначительных окалине, ржавчине и загрязнителях. Таким образом, отсутствуют факторы, серьезно влияющие на качество резки.

В отличие от плазменной, лазерная резка обеспечивает получение более точных по перпендикулярности кромок и более узких прорезей применительно к характерному для процесса диапазону листов по толщине. Более концентрированный тепловой поток позволяет нагревать более узкую зону и минимизировать, таким образом, деформации при резке. Кроме того, определенным преимуществом является точность получаемых профилей, особенно при образовании вырезов, мелких геометрических поверхностей и четко очерченных уголков (без дополнительных проходов) в толстых листах. Когда обрабатываются загрунтованные и оцинкованные детали и детали с другими покрытиями, лазерная резка сопровождается меньшим оплавлением защитных покрытий. Сроки службы сопел при лазерной резке значительно более продолжительны, чем при плазменной.

Экономические соображения

Преимуществом плазменной резки, по сравнению с лазерной, являются значительно меньшие капитальные затраты. Это выражается в расходах на метр длины резки. На рис. 4 представлены данные по расходам на метр длины резки при лазерной, плазменной и ацетилено-кислородной обработке, причем в каждом случае используется по одному режущему инструменту на установку. Данные относительно хорошо совпадают с обстоятельными расчетами.

Расчетные капитальные вложения составляют 375000 евро для лазерной резки, 135000 евро для плазменной и 100000 евро на ацетилено-кислородную установку с тремя резаками. Таким образом, затраты на лазерную установку в 2,8 выше, чем на плазменную. Пример показывает, что нет существенного различия в капитальных затратах, по сравнению с расчетными. Эта тенденция справедлива и сегодня. Поскольку расходы на метр длины резки, как один из рассматриваемых показателей экономической эффективности существенно зависят от капитальных затрат и коэффициентов использования установок, трудно обобщать соответствующие отчеты. Однако можно рассмотреть следующую тенденцию. График на рис. 4 показывает, что, поскольку капитальные затраты на плазменную резку значительно ниже затрат на лазерную и поскольку скорости плазменной резки довольно высоки, то плазменная резка имеет экономические преимущества при толщине обрабатываемых листов 3 мм и больше.

Следует также иметь в виду, что при некоторых обстоятельствах предприятие должно назначать для управления установкой для лазерной резки соответственно подготовленного оператора в качестве ответственного за безопасность установки во время работы. Высокие расходы на кислородноацетиленовую резку могут быть обусловлены значительно более низкой скоростью резки по сравнению с другими процессами и необходимостью возможной последующей обработки. Однако, как наблюдается сегодня, эти расходы могут быть за счет одновременного применения нескольких резаков существенно снижены при сравнительно низких дополнительных вложениях.

Это иллюстрируется еще одним примером (табл. 2), где приведены результаты опубликованных расчетов. Здесь даны расходы на час работы установки для ацетилено-кислородной резки с тремя резаками, установки для плазменной резки на 250 А и установки для лазерной резки мощностью 2,5 кВт. Учитывая вложения, приняты начальные расходы на лазерную установку в 2,6 раза более значительные, чем на плазменную. Расчеты сделаны применительно к материалу марки S235JRG2 толщиной 12 мм.

Как видно из табл. 2, в соответствии с описанными предпосылками и конфигурациями установок имеют место одинаковые расходы на метр длины резки для ацетилено-кислородной и плазменной резки. Следует принять во внимание, что такие расчеты всегда выполняются на основе оценок современных тенденций, но в каждом отдельном случае в значительной мере зависят от конкретных условий предприятия. Вместе с тем данный пример показывает, что плазменная резка является интересной экономической альтернативой ацетилено-кислородной или лазерной резке.

На практике преимущества плазменной и лазерной резки в настоящее время используются в сочетании на одной установке. Контурная резка с жесткими требованиями по точности и резка для получения кромок под прямыми углами выполняются лазером, а плазменная резка, характеризующаяся высокой скоростью, используется при разрезании листов и получении мерных по длине листовых отрезков при менее строгих требованиях по точности. Такие установки называются «комбинированными» и все шире применяются в настоящее время.

Плазменная резка заключается в проплавлении разрезаемого металла за счет теплоты, генерируемой сжатой плазменной дугой, и интенсивном удалении расплава плазменной струей.

PAC – Plasma Arc Cutting – резка плазменной дугой

Технология плазменной резки
Плазма представляет собой ионизированный газ с высокой температурой, способный проводить электрический ток. Плазменная дуга получается из обычной в специальном устройстве – плазмотроне – в результате ее сжатия и вдувания в нее плазмообразующего газа. Различают две схемы:плазменно-дуговая резка и резка плазменной струей.При плазменно-дуговой резке дуга горит между неплавящимся электродом и разрезаемым металлом (дуга прямого действия). Столб дуги совмещен с высокоскоростной плазменной струей, которая образуется из поступающего газа за счет его нагрева и ионизации под действием дуги. Для разрезания используется энергия одного из приэлектродных пятен дуги, плазмы столба и вытекающего из него факела

При резке плазменной струей дуга горит между электродом и формирующим наконечником плазмотрона, а обрабатываемый объект не включен в электрическую цепь (дуга косвенного действия). Часть плазмы столба дуги выносится из плазмотрона в виде высокоскоростной плазменной струи, энергия которой и используется для разрезания.

Плазменно-дуговая резка более эффективна и широко применяется для обработки металлов. Резка плазменной струей используется реже и преимущественно для обработки неметаллических материалов, поскольку они не обязательно должны быть электропроводными.
Более подробная схема плазмотрона для плазменно-дуговой резки приведена на рисунке ниже.

В корпусе плазмотрона находится цилиндрическая дуговая камера небольшого диаметра с выходным каналом, формирующим сжатую плазменную дугу. Электрод обычно расположен в тыльной стороне дуговой камеры. Непосредственное возбуждение плазмогенерирующей дуги между электродом и разрезаемым металлом, как правило, затруднительно. Поэтому вначале между электродом и наконечником плазмотрона зажигается дежурная дуга. Затем она выдувается из сопла, и при касании изделия ее факелом возникает рабочая режущая дуга, а дежурная дуга отключается.

Столб дуги заполняет формирующий канал. В дуговую камеру подается плазмообразующий газ. Он нагревается дугой, ионизируется и за счет теплового расширения увеличивается в объеме в 50–100 раз, что заставляет его истекать из сопла плазмотрона со скоростью до 2–3 км/c и больше. Температура в плазменной дуге может достигать 25000–30000°С.
Электроды для плазменной резки изготавливают из меди, гафния, вольфрама (активированного иттрием, лантаном или торием) и других материалов.

 

Количество тепла, необходимое для выплавления реза (эффективная тепловая мощность qр), поступает из столба плазменной дуги и определяется выражением:

q_р = V_р·F·γ·c·[(T_пл–T₀)+q]·4,19,

где V _р – скорость резки (см/с);
F – площадь поперечного сечения зоны выплавляемого металла (см²);
γ – плотность металла (г/см³);
с – теплоемкость металла, Дж/(г·°С);
Т_пл – температура плавления металла (°С);
T₀ – температура металла до начала резки (°С);
q – скрытая теплота плавления (°С).

Произведение Vр·F·γ определяет массу выплавляемого металла за единицу времени (г/с). Для заданной толщины металла имеется определенное числовое значение эффективной тепловой мощности qр, ниже которого процесс резки невозможен.

Скорость потока плазмы, удаляющего расплавленный металл, возрастает с увеличением расхода плазмообразующего газа и силы тока и уменьшается с увеличением диаметра сопла плазмотрона. Она может достигать около 800 м/с при силе тока 250А.

Технологические возможности процесса плазменной резки металла (скорость, качество и др.), а также характеристики основных узлов плазмотронов определяются прежде всего плазмообразующей средой. Влияние состава плазмообразующей среды на процесс резки:

 

• за счет изменения состава среды возможно регулирование в широких пределах количества тепловой энергии, выделяющейся в дуге, поскольку при определенной геометрии сопла и данном токе состав среды задает напряженность поля столба дуги внутри и вне сопла;
• состав плазмообразующей среды оказывает наибольшее влияние на максимально допустимое значение отношения тока к диаметру сопла, что позволяет регулировать плотность тока в дуге, величину теплового потока в полости реза и, таким образом, определять ширину реза и скорость резки;
• от состава плазмообразующей смеси зависит ее теплопроводность, определяющая эффективность передачи разрезаемому листу тепловой энергии, выделенной в дуге;
• в ряде случаев весьма значительной оказывается добавка тепловой энергии, выделившейся в результате химического взаимодействия плазмообразующей среды с разрезаемым металлом (она может быть соизмерима с электрической мощностью дуги);

• плазмообразующая среда при взаимодействии с выплавляемым металлом дает возможность изменять его вязкость, химический состав, величину поверхностного напряжения;
• подбирая состав плазмообразующей среды, можно создавать наилучшие условия для удаления расплавленного металла из полости реза, а также предотвратить образование подплывов на нижних кромках разрезаемого листа или делая их легко удаляемыми;
• от состава среды зависит характер физико-химических процессов на стенках реза и глубина газонасыщенного слоя, поэтому для определенных металлов и сплавов некоторые плазмообразующие смеси недопустимы (например, содержащие водород и азот в случае резки титана); диапазон допустимых смесей также сужается с увеличением толщины разрезаемых листов и теплопроводности материала.

От состава плазмообразующей среды зависят и характеристики оборудования:

 

• материал катода и конструкция катодного узла (способ крепления катода в плазмотроне и интенсивность его охлаждения);
• конструкция системы охлаждения сопел;
• мощность источника питания, а также форма его внешних статических характеристик и динамические свойства;
• схема управления оборудованием, поскольку состав и расход плазмообразующего газа полностью определяют циклограмму формирования рабочей дуги.

При выборе плазмообразующей среды также важно учитывать себестоимость процесса и дефицитность используемых материалов.

 

Газ	Обрабатываемый металл
	Алюминий, медь и сплавы на их основе	Коррозионно-стойкая сталь	Углеродистая и низколегированная сталь
Сжатый воздух	Для заготовительной машинной резки	Для экономичной ручной и машинной резки
Кислород	Не рекомендуется	-	Для машинной резки повышенного качества
Aзотно-кислородная смесь	Не рекомендуется	Для машинной резки с повышенной скоростью
Азот	Для экономичной ручной и машинной резки	Для ручной и полуавтоматической резки	-
Aргоно-водородная смесь	Для резки кромок повышенного качества	Не рекомендуется

Таблица. Наиболее распространенные плазмообразующие газы

Резка с применением воздуха в качестве плазмообразующей среды называется воздушно-плазменной резкой.

Техника плазменной резки металла
Плазменная резка экономически целесообразна для обработки:

• алюминия и сплавов на его основе толщиной до 120 мм;
• меди толщиной до 80 мм;
• легированных и углеродистых сталей толщиной до 50 мм;
• чугуна толщиной до 90 мм.

Резак располагают максимально близко к краю разрезаемого металла. После нажатия на кнопку выключателя резака вначале зажигается дежурная дуга, а затем режущая дуга, и начинается процесс резки. Расстояние между поверхностью разрезаемого металла и торцом наконечника резака должно оставаться постоянным в диапазоне 3–10 мм. Дугу нужно направлять вниз под прямым углом к поверхности разрезаемого листа. Резак медленно перемещают вдоль планируемой линии разреза. Скорость движения необходимо регулировать таким образом, чтобы искры были видны с обратной стороны разрезаемого металла. Если их не видно с обратной стороны, значит металл не прорезан насквозь, что может быть обусловлено недостаточным током, чрезмерной скоростью движения или направленностью плазменной струи не под прямым углом к поверхности разрезаемого листа.

Для получения чистого разреза (практически без окалины и деформаций разрезаемого металла) важно правильно подобрать скорость резки и силу тока. Для этого можно выполнить несколько пробных разрезов на более высоком токе, уменьшая его при необходимости в зависимости от скорости движения. При более высоком токе или малой скорости резки происходит перегрев разрезаемого металла, что может привести к образованию окалины.

 

Плазменная резка алюминия и его сплавовтолщиной 5–20 мм обычно выполняется в азоте, толщиной от 20 до 100 мм – в азотно-водородных смесях (65–68% азота и 32–35% водорода), толщиной свыше 100 мм – в аргоно-водородных смесях (35–50% водорода) и с применением плазматронов с дополнительной стабилизацией дуги сжатым воздухом. При ручной резке в аргоно-водородной смеси для обеспечения стабильного горения дуги содержание водорода должно быть не более 20%.

Воздушно-плазменная резка алюминия, как правило, используется в качестве разделительной при заготовке деталей для их последующей механической обработки. Хорошее качество реза обычно достигается лишь для толщин до 30 мм при силе тока 200 А.
Плазменная резка меди может осуществляться в азоте (при толщине 5–15 мм), сжатом воздухе (при малых и средних толщинах), аргоно-водородной смеси. Поскольку медь обладает высокой теплопроводностью и теплоемкостью, для ее обработки требуется более мощная дуга, чем для разрезания сталей. При воздушно-плазменной резке меди на кромках образуются легко удаляемые излишки металла (грат). Резка латуни происходит с большей скоростью (на 20–25%), с использованием таких же плазмообразующих газов, что и для меди.

Плазменная резка высоколегированных сталей эффективна только для толщин до 100 мм (для больших толщин используется кислородно-флюсовая резка). При толщине до 50–60 мм могут применяться воздушно-плазменная резка и ручная резка в азоте, при толщинах свыше 50–60 мм – азотно-кислородные смеси.
Резка нержавеющих сталей толщиной до 20 мм может быть выполнена в азоте, толщиной 20–50 мм – в азотно-водородной смеси (50 % азота и 50 % водорода). Также возможно использование сжатого воздуха.
Плазменная резка низкоуглеродистых сталей наиболее эффективна в сжатом воздухе (особенно для толщин до 40 мм). При толщинах свыше 20 мм разрезание может осуществляться в азоте и азотно-водородных смесях.
Для резки углеродистых сталейиспользуют сжатый воздух (как правило, при толщинах до 40–50 мм), кислород и азотно-кислородные смеси.

 

 

Разрезаемый материал	Параметры режима
	Толщина (мм)	Диаметр сопла (мм)	Сила тока (А)	Напряжение (В)	Расход воздуха (л/мин)	Скорость резки (м/мин)	Средняя ширина реза (мм)
Алюминий	5-15	2	120-200	170-180	70	2-1	3
	30-50	3	280-300	170-190	40-50	1.2-0.6	7
Медь	10	3	300	160-180	40-60	3	3
	20					1.5	3.5
	30					0.7	4
	40					0.5	4.5
	50					0.3	5.5
	60	3.5	400			0.4	6.5
Сталь 12Х18Н10Т	5-15	3	250-300	140-160	40-60	5.5-2.6	3
	10-30			160-180		2.2-1	4
	31-50			170-190		1-0.3	5

Таблица. Ориентировочные режимы воздушно-плазменной резки металла

Преимущества плазменной резки по сравнению с газовыми способами резки

значительно выше скорость резки металла малой и средней толщины;
универсальность применения – плазменная резка используется для обработки сталей, алюминия и его сплавов, меди и сплавов, чугуна и др. материалов;
точные и высококачественные резы, при этом в большинстве случаев исключается или заметно сокращается последующая механическая обработка;
экономичность воздушно-плазменной резки – нет потребности в дорогостоящих газах (ацетилене, кислороде, пропан-бутане);
возможность вырезать детали сложной формы;
очень короткое время прожига (при кислородной резке требуется продолжительный предварительный прогрев);
более безопасная, поскольку отсутствуют взрывоопасные баллоны с газом;
низкий уровень загрязнения окружающей среды.

 

Максимальная толщина реза обычно составляет 80–100 мм (кислородной резкой можно обрабатывать чугун и некоторые стали толщиной до 500 мм);

более дорогое и сложное оборудование;
повышенные требования к техническому обслуживанию;
угол отклонения от перпендикулярности реза не должен превышать 10–50º в зависимости от толщины детали (в противном случае существенно расширяется рез, что приводит к быстрому износу расходных материалов);
практически отсутствует возможность использования двух ручных резаков, подключенных к одному аппарату;
повышенный шум вследствие истечения газа из плазматрона с околозвуковыми скоростями;вредные азотсодержащие выделения (при использовании азота) – для уменьшения разрезаемое изделие погружают в воду.

Практически всегда перед потребителем металлопроката становится вопрос дальнейшей его обработки - рубка, резка, подгон под размеры, обработка поверхности и т.д. Мы осуществляем резку трубы, арматуры, листа, стали, алюминия, резку рулонов, резку листового металла, профиля, ленты, нержавейки, круга, оцинковки, уголка стального, балки, швеллера,катанки, полосы. По виду различают: резка металла газом, гильотиной, кислородом, лазером, плазмой, болгаркой, ленточнопильная резка. Весь этот комплекс услуг оказывает наша компания.

Продольная и поперечная резка металла

Наша компания осуществляет продольную и поперечную резку черных и оцинкованных рулонов толщиной от 0,25 до 3 мм., диаметры рулона 600 - 1500 мм., ширина до 1650 мм.
Минимальная ширина ленты после резки - 20 мм. Этот способ резки рулона совмещает в себе высокую производительность и точность, минимальное колл-во отходов материала и возможность быстрого перехода в другой раскрой. Высокая скорость обработки металла дает возможность осуществлять порезку металла в промышленных масштабах.

Плазменная резка

Воздушно-плазменная резка относится к видам термической резки металлов. Но, по сравнению с газокислородной, воздушно-плазменная резка имеет ряд существенных преимуществ. В основе воздушно-плазменной резки лежит выдувание электрической дуги воздухом, подаваемым под давлением, которое местно плавит металл и удаляет его из реза давлением потока газа.
Высокая температура плазмы позволяет осуществялть резку практически всех видов металлов и сплавов - это и высоко/низкоуглеродистые и нержавеющие стали, цветные сплавы, чугун, титан, биметаллы и др. Однако, при выборе этого метода резки металла, следует учитывать, что полученная заготовка в дальнейшем требует механической обработки при необходимости высокоточного соблюдения чертежных размеров.

Гидроабразивная резка

Гидроабразивная резка - самая передовая технология резки металла на сегодняшний день. Позволяет получить требуемую деталь с минимальными погрешностями, не требующую дальнейшей обработки с неразрушенными температурными воздействиями кромками из любого материала. Упрощенная система управления параметрами процесса позволяет упростить процедуру изготовления требуемой детали путем ввода традиционных архитектурно-проектных графических схем в Систему Управления Процессом. Технология гидроабразивной резки металла позволяет обрабатывать металл толщиной до 300 мм. со скоростью до 300 метров в минуту.

Газокислородная резка

На данный момент самым распростараненным видом резки металла при строительно-монтажных работах является газокислородная резка. В основе кислородной резки явялется свойство горячего металла интенсивно гореть при подаче струи чистого кислорода. Окислы и жидкий металл, получившиеся в процессе газокислородной резки, удаляются из реза кислородом, подающимся из сопла резака под большим давлением. Газокислородной резке подлежат металлы, отвечающие следующим условиям:

1) температура плавления металла выше, чем температура горения металла в кислороде
2) невысокая теплопроводность металла
3) содержание углерода и легирующих примесей в металле должно быть минимально.

НЕ ПОДДАЮТСЯ ГАЗОКИСЛОРОДНОЙ РЕЗКЕ следующие металлы: алюминий и алюминиевые сплавы, чугун, медь и высоколегированные стали. Эти стали режут методом плазменной резки.

Ленточнопильная резка

Благодаря высокой производительности и относительно невысокой стоимости резки, ленточно-пильная резка металлопроката как больших, так и средних диаметров занимает лидирующие позиции. Это обусловлено в первую очередь высокой скоростью резки металла от 100 мм и выше на лентопилочных станках с точным соблюдением заданных параметров. Кроме того, полученные заготовки не требуют дополнительной дополнительной обработки в местах распила, если только это не обусловлено отдельными требованиями к изделию.

Рубка металла гильотиной

Этот метод резки металла базируется на использовании ножниц и ножей для рубки металла. Рубка металла гильотиной обеспечивает гладкий срез без смятых кромок, заусенцев и зазубрин. Рубка металла осуществляется с помощью специальных ножей и позволяет сделать угловой, квадратный и круглый профиль. Кроме того, рубка металла гильотиной помимо высокой точности реза, позволяет осуществлять поперечную и продольную резку металлов.

Резка металла болгаркой

Данный метод наибоее прост и доступен для большинства видов металлопроката малых и средних диаметров. Резка металла болгаркой позволяет осуществить резку металла более точную относительно газовой, не образует окислов и окалины на кромке

Резка плазменной струей

В этом случае разрезаемый металл не включен в электрическую цепь (см. рис.1). Дуга образуется внутри плазмотрона; плазма, представляющая собой поток ионизированного газа, выдувается в сопло в виде острой, кинжалообразной струи. Плазменной струей можно разрезать и неэлектропроводные материалы. Резка плазменной струей дает высокое качество и малую ширину реза.

Для резки плазменной струей ручным и механизированным способами разработаны резаки ИМЕТ-106 и ИМЕТ-106А.

Данный способ отличается от плазменно-дуговой резки тем, что разрезаемый металл не включен в цепь дуги и резка материала производится косвенной дугой, имеющей кинжалообразную форму (рис.1).
Постоянный ток от источника питания 3 подводится минусом к вольфрамовому электроду 4, конец которого заточен на конус, плюс - формирующему дугу 6 медному соплу 2. Под действием потока газа (аргона, азота или их смесей), продуваемого через мундштук 5, образуется кинжалообразная дуга плазмы 1, используемая для проплавления разрезаемого материала 7. Мундштук 5 и совмещенное с ним сопло 2 охлаждаются водой. Электрод имеет возвратно-поступательное движение за счет пружины 4, установленной в верхней части резака. Резку производят ручным и механизированным способами. Установка для резки (рис.2) состоит из баллона 1 с рабочим газом, источника постоянного тока 2, распределительного устройства 3 с аппаратурой управления процессом, резака 4, и стола 5.
Вольфрамовый электрод располагают соосно с соплом плазмотрона, а рабочий газ, протекая сквозь столб дуги, нагревается сквозь столб дуги, нагревается, ионизируется и приобретает свойства плазмы. Нагреваясь до высоких температур, газ сильно расширяется, и поток его ограниченный стенками канала, с большой скоростью вырывается из сопла. В результате образуется светящаяся струя плазмы. Направленная на поверхность разрезаемого металла плазменная струя оказывает на него не только тепловое воздействие, но и механическое, интенсивно удаляя из разреза расплавленный металл и шлаки.

При резке плазменной струей можно применять любые газы. Однако, в связи с хорошим защитным действием, наибольшее распространение получил аргон и смеси его с азотом.

Струя плазмы, обычно, имеет форму вытянутого конца, сечение которого на выходе соответствует сечению сопла.

Энергия плазмогенерирующей дуги распределяется между ее столбом, вольфрамовым электродом и наконечником. В плазменной струе реализуется только энергия столба дуги, причем часть этой энергии передается плазмой формирующемуся наконечнику.

Перемещаясь с большой скоростью, частицы струи обладают определенной кинетической энергией, зависящей от массы и скорости частиц, и потенциальной энергией, зависящей от потенциала ионизации и возбуждения атомов, от величины работы выхода электронов, а также от теплосодержания мельчайших частиц материала электродов.

Процесс резки плазменной струей заключается в выплавлении материала по линии реза и удалении давлением струи расплавленного или перегретого до испарения материала. Механизм плазменного нагрева основан на теплообмене между "горячими" частицами плазмы и относительно холодным материалом. Так же как и при газовом пламени, нагрев плазменной струей осуществляется за счет теплопроводности, лучеиспускания и конвекции. Однако в отличии от газопламенного, плазменный нагрев разрезаемого материала, помимо энергии движения частиц, сообщает энергию, ранее затраченную на диссоциацию.

Скорость резки плазменной струей зависит от характера передачи ею теплоты разрезаемому материалу и от параметров режима резки - силы тока, напряжения, расхода газа, диаметра и длины канала сопла и расстояния от острия электрода до горлового сечения сопла.

С увеличением силы тока эффективная мощность плазменной струи возрастает, увеличение напряжения в значительно меньшей степени влияет на эффективную мощность и скорость резки. На оба параметра резки сильно влияет мощность плазменной струи. Чем выше электрическая мощность дуги, диаметр сопла и расход плазмообразующего газа, тем выше эффективная тепловая мощность струи и скорость резки.

Длина дуги слабо влияет на эффективную мощность плазменной струи. Состав газа оказывает очень большое влияние на повышение скорости резки. Так, например, добавка к аргону 20% азота способствует значительному повышению эффективности резки. Существенное влияние на эффективность резки оказывает также расстояние от сопла плазмотрона до разрезаемого материала.

При резке нержавеющей стали толщиной 5 мм, током 300 А, с использованием смеси из 80% аргона и 20% азота скорость резки достигает 65 м/ч. Резку ведут при минимальном зазоре между соплом и металлом, в некоторых случаях даже касаясь торцом сопла поверхности металла. Рез получается очень узкий, равный в верху диаметру канала сопла. В нижней части ширина реза меньше, чем в верхней. Дугу возбуждают кратковременным касанием концом электрода кромок сопла, для чего в головне имеется устройство для осевого перемещения вольфрамного электрода вниз. Сначала в мундштук пускают газ, затем, опуская электрод, возбуждают дугу. В первоначальное положение электрод возвращается под действием пружины. Резка выполняется ручным способом или на резательных машинах, применяемых для плазменной резки.

Плазменная резка преимущественно используется для резки металлов сравнительно небольшой толщины (3-5 мм) и неэлектропроводных материалов. При плазменной резке нержавеющей стали толщиной 0,5-3 мм для получения узкого чистого реза, необходима плазменная струя с высокой концентрацией энергии в сопле. Поэтому используют сопла с узким каналом, диаметром 1 мм и длиной 5 мм. В качестве плазмообразующего газа служат аргонно-азотные смеси. Скорость резки должна быть максимальной, при которой обеспечивается прорезаемость и отсутствуют шлаки с обратной стороны реза. Режимы резки при этом указаны в таблице 83*.

Сравнительно небольшие скорости резки плазменной струей средних толщин металла позволяют рекомендовать этот способ главным образом для резки малых толщин (менее 5 мм) высоколегированной стали и алюминиевых сплавов, которые, при небольших толщинах, с большей производительностью режутся плазменной проникающей дугой.

Главная же область применения плазменной струи в процессах резки - резка различных неметаллических материалов небольших толщин, огнеупоров, керамики и пр.

Плазменная резка металла с применением воды

Плазменная резка металла давно зарекомендовала себя как высокоточный, простой и экономичный метод разделения различных сплавов. Спустя годы после изобретения первого плазмотрона, технологии плазменной резки металла существенно изменились. В частности, для стабилизации плазменной дуги и охлаждения генераторов стала использоваться вода. Плазменная резка металла с применением этого простейшего электролита позволила:
- повысить качество кромок,
- уменьшить тепловые деформации деталей,
- улучшить условия труда персонала.
Плазменная резка металла: технологические схемы работы

В настоящее время плазменная резка металла с использованием воды осуществляется тремя способами:

- плазменная резка металла, полностью или частично прогруженного в водяную ванну,
- водоэлектрическое разделение металлоконструкций,
- подача воды непосредственно в столб плазмы.

В первом случае плазменная резка металла позволяет свести к минимуму выбросы оксидов азота и твердых суспендированных частиц. Шлаки, выплавляемые из полости реза, оседают на дно водяной ванны, поэтому пространство рабочей зоны остается чистым. Плазменная резка металла с использованием воды также способствует снижению шумовой нагрузки.

Что касается водоэлектрической резки металлов, то в данном случае вода используется в качестве плазмообразующей среды. Водоэлектрический метод применяется для термического разделения высоколегированных сталей и алюминия. Плазменная резка металла, выполненная таким способом, позволяет добиться высокого качества кромок и сохранения естественного цвета материалов. К недостаткам метода необходимо отнести сложность возбуждения дуги и необходимость частой замены расходных материалов.

Наиболее распространенным способом плазменной резки металлов является введение воды в низкотемпературную плазму. Технологически плазменную резку металла в данном случае можно представить в виде следующей схемы. Для возбуждения дуги плазмообразующий газ (воздух или азот) подается в полость сопла агрегата, в то время как вода поступает в канал сопла. Под влиянием высокой температуры вода диссоциирует на кислород и водород. В результате дуга стабилизируется, а плазменная резка металла идет без существенных энергетических потерь.

Будущее металлургической отрасли за плазменной резкой металла

Плазменная резка металла с использованием воды позволяет улучшить качество кромки и повысить скорость реза. Кроме того, применение водяной защиты существенно снижает уровень шума в помещении, где проводится плазменная резка металла. Поэтому ведущие специалисты в области металлообработки прочат плазменной резке металла с водяной инжекцией светлое будущее.