Режимы резания плазменной резки

Резка металла плазменной струей

Плазма — одно из состояний вещества, в котором нейтральные и возбужденные атомы имеют также и ионизированные атомы и электроны. Принципиальная схема установки плазменной резки металла смотрите на рисунке, где (а) схема плазменной резки и (б) ВАХ; 1- источник тока, 2- сопло плазматрона, 3 – электрод плазматрона, 4 – вспомогательная дуга, 5 — лист разрезаемого металла, 6 –сопротивление.
В зависимости от плазматрона, давления в камере и мощности источника плазмы, плазменный поток выбрасывается с различной скоростью (в среднем при 1000° С скорость соответствует 6000 м/с). Чтобы рассчитать среднюю скорость плазменного потока нужно воспользоваться формулой, v = 1,3*10**4*(T/A)**1/2, где T- абсолютная температура плазмы, A — атомный вес вещества. Плазменная резка выполняется с высокой производительностью, получаемой гладкой поверхностью с малой шероховатостью и неглубокой зоной термического и химического влияния. На установках плазменной резки металла легко режутся следующие типы металлов; вольфрам, титан, молибден, высоколегированные стали, постоянные магниты, нержавеющий металл, тантал, цветной металл, сплавы цветного металла, керамику, чугун, твердый сплав, кварц, ферриты и другие труднообрабатываемые материалы. ВАХ (вольтамперная характеристика приведена на рисунке).
Примером применения первых советских плазменный установок может явиться внедрение на Электростальском электрометаллургиче¬ском заводе им. Тевосяна поточная линия плазменной резки. Плазменная резка стальных звездочек диаметром 1000 миллиметров из листового металла толщиной 10 миллиметров, собранной в пакет, производят по копиру при токе 500 А. Экономическая эффективность применения этого метода составила очевидна в сравнении с фрезерной обработкой. Поверхность разрезки, после плазменной резки, не требует последующей механической обработки.
Трубопрокатный завод в городе Челябинск, Заводы «Лентрублит» в городе Санкт-Петербург и Новомосковский металлургический завод применяют плазменную резку при массовом производстве спирально- шовных труб диаметром достигающим 2500 миллиметров.

Технико-экономические показатели
Плазменную резку материалов выполняют с использованием плазменной установки, которая обеспечивает ежегодную экономию ресурсов в заготовительном и производственном процессах. На плазменной установке режутся стальные заготовки из легированной стали толщиной до 200 миллиметров и из меди и ее сплавов толщиной до 100 миллиметров. Плазменную установку обслуживает один рабочий-резчик. На первых установках плазменной резки использовались головки типа Т-12 с принципиально раздельной подачей рабочих газов. В качестве источника питания плазматрона используют три однофазных трансформатора типа ТСД-1000-4 с напряжением холостого хода 360 В. Рабочий ток имеет регулировки в диапазоне от 400 до 900 Ампер и производятся дросселями трансформаторов и балластными реостатами типа РБ-300, которые включены в основную цепь. В качестве дросселя насыщения применяют вторичную обмотку трансформатора ТСД-1000-4. Блок-выпрямитель составлен из двенадцати кремниевых диодов типа ВКД-200.
В плазменной установке, с красивым названием «Фиалка», температура рабочего газа от 4000 до 6000° С градусов по Цельсию; а мощность установки от 5 до 15 кВт. Широкое применение получали и микроплазменная установка типа МПУ-РУ. Экономический эффект от внедрения этой установки в советское время 70-х годах составляло 50—80 тыс. руб в год; и плазменная установка выпускается серийно. Скорость разрезки плазмой металлической заготовки толщиной 25 миллиметров из углеродистой стали достигает 83 мм/с; заготовки толщиной металлического листа 12,5 мм достигает 41 мм/с и скорость резания заготовки толщиной 25 мм составляет 21 мм/с. Вольфрамовые заготовки толщиной 4,1 миллиметров режут со скоростью 15 мм/с, а алюминиевые заготовки толщиной 6,35 мм — со скоростью 460 мм/с. Газы, применяемые в качестве рабочей среды в плазматронах, это такие как:

азот — температура плазмы 7600 К, энтальпия плазмы 9900 ккал/кг, с КПД 60%,
смесь аргона и водорода – температура плазмы 8500 К, энтальпия плазмы 76600 ккал/кг с КПД 80%,
водород — температура плазмы 20300 К, энтальпия плазмы 51000 ккал/кг с КПД 48%,
азотно-водородная смесь — температура плазмы 14700 К, энтальпия плазмы 4600 ккал/кг с КПД 40%. Электрическая энергия плазменного потока тратиться на диссоциацию молекул и ионизацию атомов. Пример режима плазменной резки заготовок из углеродистой стали- толщина 6,4 мм, скорость резки металла 5080 мм/мин, сила тока 275 А, напряжение дуги 150 В, мощность 40 кВт, подача рабочего газа 8,5 м3/ч.
С помощью плазменной резки металла очень эффективно резать не только труднообрабатываемые материалы. Значительный экономический эффект получен от применения плазменной резки при обработке алюминия, меди и ее сплавов. Скорость плазменной разрезки листа из алюминия толщиной 6,35 мм составляет 127 мм/с; скорость плазменной разрезки листа из алюминия при толщине листа 127 мм составляет 3,3 мм/с. Скорость плазменной резки намного превышает скорость кислородной или кислородно-флюсовой резки металла. Плазменная резка может производиться как вручную, так и с помощью приспособлений или автоматизации. Резать плазмой можно металл, диэлектрики и неметаллические материалы, различные листы из алюминиевых сплавов толщиной до 125 миллиметров и стали толщиной до 100 миллиметров.
Плазменная резка хороша тем, что хорошее качество поверхности резки получается при глубине зоны термического влияния не более 0,5—0,8 миллиметров. При небольших требованиях к точности резки и задачи повышения производительности, возможно осуществлять пакетную резку металла. Скорость плазменной резки листов из углеродистой стали при толщине листа 6,35 миллиметров составляет 5000 мм/мин, а при толщине 25 миллиметров скорость плазменной резки составляет 2250 мм/мин.
Формируемые в процессе плазменной резки окалина, грат и наплывы выдуваются вместе с расплавленным металлом потоком плазменной струи. Примерные показатели скорости плазменной резки с использованием плазматрона УПР-1:
Медь – толщина 10 мм, скорость резки меди 80-150 м/ч.
Медь – толщина 60 мм, скорость резки меди 6-7 м/ч.
Алюминий — толщина 10 мм, скорость резки алюминия 300-400 м/ч.
Алюминий — толщина 60 мм, скорость резки алюминия 20 м/ч.
Нержавеющая сталь — толщина 10 мм, скорость резки нержавеющей стали 80-150 м/ч.
Нержавеющая сталь — толщина 60 мм, скорость резки нержавеющей стали 12 м/ч.
При плазменной резке меди применяют смесь состоящую из 20% аргона, 80% водорода или азота При плазменной резке алюминия используется смесь с 50% аргона, 50% водорода или чистый азот.

Оборудование для плазменной резки
Для плазменной резки тонких металлических листов с получением толщины реза шириной, равной толщине разрезаемого листа, используют плазматрон мощностью от 50 до 500 Вт; при их использовании достигается ширина плазменного реза до 0,1 мм. В плазматроне применяется вольфрамовый электрод диаметром 3—4 миллиметра и сопло диаметром 4—5 миллиметра. В процессе плазменной резки рабочий ток режущей дуги составляет 350 Ампер. Применение рабочей газовой смеси аргона с аммиаком увеличивает скорость плазменной резки, при этом увеличивается шероховатость на поверхности реза алюминиевых листов в месте плазменной резки, особенно явно это проявляется при плазменной резке листов большой толщины.
Первые плазменные установки импортного производства для плазменной резки стальных листов толщиной от 60 до 80 миллиметров и обработки цветных металлов и их сплавов толщиной до 100 миллиметров были такие как, плазменный полуавтомат АСА-500 и автомат плазменной резки УСА1В-900. При плазменной резке тонких листов скорость резания составляет 5000 мм/мин, а при плазменной резке толстых листов и листов фасонного профиля скорость соответствует 200 мм/мин.
Полуавтомат с ленточным управлением и возможностями программировать процесс резки позволяет автоматизировать плазменную резку металла. После установки ленты с программой резки металла в устройство считывания записанной программы и её запуска, плазматрон перемещается к месту врезки в лист и автоматически зажигает плазменную дугу. По окончании плазменной резки заготовки программа перемещает плазматрон в новое положение. Разрезаемые профили также программируют на пакетную плазменную резку.
Затраты на плазменную резку в среднем на порядок меньше чем расходы на дуговую резку. Расходы на плазменную резку, вместе со стоимостью выплавленного металла алюминия, дюралюминия, меди и её сплавов и легированной стали в 4—5 раз меньше стоимости на резку электродом и в два раза ниже по сравнению со стоимостью механической резки металла. Трудоемкость металлообработки с использованием метода плазменной резки металла легированных сталей на станке АСА-500 в 34 раза ниже, чем трудоемкости при использовании метода электродуговой резки металла, при этом экономиться сам обрабатываемый металл, его расход идущий в отходы уменьшается в 3 раза. Затраты времени при плазменной резки металлов на установках полуавтоматах в 12 раз меньше, чем время механической резки металла, с уменьшением величины металла, идущего в отход в два раза. Установка плазменной резки -полуавто¬мате АСА-500 может разрезать любые виды заготовки.
Для вырезки плазмой кольца из трубы, с толщиной стенки равной 51 миллиметр, из труднообрабатываемого металла, потребуется 3 мин машинного времени. Плазменная резка трубы осуще-ствлялась со скоростью резки металла 805 мм/мин при силе тока 400 Ампер и напряжении 120 Вольт. Для сравнения, вырезка такого же кольца абразивным кругом потребует 16 человеко-часов.

Чем труднее материал поддается обработке традиционными методами и средствами, тем выше технико-экономическая эффективность плазменной резки металла.

Рекомендуем прочитать статьи о плазменной резке:

Плазменная резка металлов: оборудование

Плазменная резка металла. Оборудование для плазменной резке металла.

ООО «Кантар» предлагает оборудование воздушно-плазменной резки металла с ЧПУ. Оборудование для резки металла позволяет производить раскрой металла в автоматическом режиме.

Габаритность оборудования для плазменной резке, размеры рабочей зоны, максимальная толщина металла для раскроя проектируются индивидуально.
Технические характеристики оборудования предоставляются по запросу.

Видеоролик работы оборудования для плазменной резке металла

Технология воздушно-плазменной резке, ее преимущества и применение в современном машиностроении

В настоящее время наблюдается рост интерес к плазменной резке металла. Так, количество запросов в поисковиках по ключевым словам «плазменная резка» составляет более 26 412.

Что же такое плазменная резка и как появилась такая технология?

Плазменная резка – это такой вид резки, при котором с помощью струи плазмы осуществляется раскрой металлов. С помощью плазмы можно разрезать любые металлы – от черных и цветных до тугоплавких сплавов. Такая резка не оставляет никакой деформации на срезе – даже если и останутся небольшие заусенцы, они легко поддаются удалению. Стоит отметить, что исключена тепловая деформация. Скорость резания на станках плазменной резки с ЧПУ – в несколько раз выше, чем, например, скорость газовой резки. Еще одним несомненным плюсом плазменной резке является то, что с помощью станков с ЧПУ легко осуществляется фигурная резка без ограничений по геометрической форме.

Развитие технологии плазменной резке началось еще в 50-годах 20 века. Суть воздушно-плазменной резки состоит в следующем: в сопло аппарата для плазменной резки подается газ. Под воздействием электрической дуги он превращается в плазму и сжимается, проходя через охлаждаемую форсунку. Температура плазмы может достигать до 30 000 градусов, а скорость — до 1500 м/с. По сравнению с другими методами резки металла, технология воздушно-плазменной резке позволяет разрезать металл значительно точнее. Оснащение станков для плазменной резке числовым программам управлением (ЧПУ) обеспечивает идеальную точность реза, возможность выполнять сложные по геометрии резы (в т.ч. фигурный раскрой металла).

Сегодня на рынке широко представлены станки для воздушно-плазменной резке с ЧПУ. Все они отличаются своей мощностью, максимальными габаритами разрезаемого металла, системой управления. Неизменным остается принцип работы, базирующийся на самом понятии воздушно-плазменной резке.

Мы предлагаем Вам подобрать нужную модель станка для воздушно-плазменной резке с ЧПУ исходя из Ваших характеристик: толщины и теплопроводности разрезаемого металла. Такой подход обеспечит экономию электроэнергии, ведь разумение использовать для реза тонких металлов станок меньшей мощности. Предлагаем Вам индивидуальный подход и консультации по вопросам приобретения станка для воздушно-плазменной резке с ЧПУ.

Параметры плазменной резки

Существуют определенные параметры, определяющие процесс плазменной резки. На него влияют многие факторы, в том числе факельный зазор (зазор межу листом и соплом), состав плазмообразующего газа, скорость перемещения резака, сила тока дуги. Причем одни из них напрямую зависят от других.

Плазмообразующий газ

Считается, что в ручной плазморезке наиболее эффективно в качестве плазмообразующего газа использовать обычный воздух. И это отлично – ведь что может быть доступнее и дешевле? Вот только воздушная смесь хорошо зарекомендовала себя при раскрое листов толщиной до 25 мм. Причем использование воздуха приводит к азотированию кромки. Такое явление наблюдается при насыщении кромки реза входящим, в состав воздуха, оксида азота.

При автоматической плазменной резке, как правило, применяют двойной газ. Листы толщиной +/-25 мм раскраивают с помощью водяного тумана (дополнительного газа) и азота (основного). К сожалению, на более тонких листах водяной пар достаточно интенсивно охлаждает рез. При этом не обеспечивается прогрев близлежащих участков металла. В результате на нижней поверхности образуется шлак, а кромка получается слишком грубой.

Для раскроя листов толще, чем 25 мм, большинство производителей плазменных резок рекомендуют использовать водород или аргон в качестве основного газа, а двуокись углерода или азот – как дополнительный. Применение водородно-азотистой смеси приводит к минимизации нитрирующего эффекта.

Углекислый газ значительно дороже азота. Но он незаменим, когда необходимо получить чистые кромки и максимально уменьшить вредные испарения, сопровождающие процесс резки металла.

Следует отметить, что процесс раскроя стальных листов зависит не только от выбора плазмообразующих газов. Важное значение здесь играет оптимальное давление, под которым находится газ. От этого параметра зависит срок службы сопла и качество реза.

Так, если давление повышено, в начале процесса не удается получить качественной кромки. При пониженном же давлении наблюдается недостаточное охлаждение плазмотрона. А это приводит к раздвоению дуги и разрушению сопла. В таблице ниже показано, как действуют различные газы на процесс резания металлов:

Ток дуги

От этого параметра напрямую зависит толщина раскраиваемого металла и срок эксплуатации сопла и электродов. Каждый комплект сопло-электрод имеет свое значение номинального тока. При резке металла на плазменной установке допустимый ток дуги составляет до 95% от номинального. Увеличивая ток дуги, необходимо синхронно увеличивать размер выходного диаметра сопла.

Факельный зазор

От данного параметра зависит:

• перпендикулярность образуемых
  кромок;
• плотность плазменной дуги;
• ее устойчивость.

Чтобы избежать кромочных дефектов, необходимо выдерживать постоянным факельный зазор. Уменьшение его величины приведет к преждевременному сгорания и электрода, и дорогостоящего сопла. Особенно опасным является контакт сопла и листа, когда факельный зазор равен нулю. Чтобы избежать разрушения сопла по этой причине,
плазменные установки, выпускаемые компанией «ТеплоВентМаш», оборудованы датчиками контроля высоты. Такие стабилизаторы позволяют автоматически поддерживать оптимальный, заданный оператором, факельный зазор.

Скорость плазменной резки

Именно скорость перемещения резака определяет качество реза. От нее зависит присутствие шлака под листом и на сложность его удаления. Если скорость невелика, возникнет перерасход плазмообразующего газа. А на нижней части листа появится легко удаляемый «низкоростный» шлак.

При повышенной скорости перемещения сопла линия реза становится волнистой. На нижней же части листа появляется плохо отделимый «высокорослый» шлак.

Идеальной скоростью резания листового металла считается такое перемещение резака, при котором угол отставания между прорезанием верхней и нижней кромок не превышает 5 градусов.

Угол наклона кромок и ширина реза

ГОСТ 14792-80 определяет четыре главнейших параметра, влияющих на качество раскроя листового металла. К ним относятся:

• линейное отклонение;
• неперпендикулярность торцовой
  поверхности;
• её шероховатость;
• зона термического воздействия.

На точность и качество реза определяющее влияние оказывает угол наклона кромок и ширина реза. А вот форма кромок и размеры реза зависят от тока и напряжения дуги, скорости перемещения плазмотрона и расхода плазмообразующего газа.

На ширину реза влияют ток дуги и размер выходного отверстия в сопле. Стоит хоть немного увеличить эти параметры, как тут же ширина реза увеличится. Чтобы оценить ширину шва, можно увеличить диаметр выходного отверстия в сопле в 1,5 раза.

Для получения точных размеров вырезаемых заготовок, необходимо сдвинуть плазмотрон «в металл» на полуширину реза. Если
купить станок плазменной резки с ЧПУ, это произойдет автоматически. В нашем оборудовании встроены специальные корректоры (или компенсаторы реза). Они устанавливают эквидистантную траекторию перемещения инструмента.

Вырезаемая деталь будет меньше положенного (если рез широк) из-за частичного разрушения электрода, повышенного тока дуги, завышенного факельного зазора, низкой скорости резки или уменьшенный расхода плазмообразующего газа.

Причиной узкого реза (и, соответственно, больших размеров заготовки) являются малый факельный зазор, пониженная дуга тока, перерасход плазмообразующего газа и завышенная скорость перемещения резака.

Углом наклона кромок считают угол, образованный перпендикуляром к поверхности листа и обработанной плоскостью. Если подвод плазмообразующего газа тангенциальный, правая и левая кромки реза отличаются углами наклона. Закручивание газового потока по часовой стрелке приводит к тому, что, по ходу движения плазмотрона угол правой кромки составит от 1 до 3 градусов, а левой – от 3 до 8. Если угол кромки превышает 5 градусов, следует пересмотреть параметры резки.

Остались вопросы? Задайте их нашим специалистам!

Отправьте заявку и наш менеджер свяжется с вами в течение 3 минут!

Методические рекомендации по подбору технологических параметров резки.

Рекомендации по подбору параметров резки

Кислородная резка

Кислородная резка основана на сгорании металла в струе технически чистого кислорода. Металл при резке нагревают пламенем, которое образуется при сгорании какого-либо горючего газа в кислороде. Кислород, сжигающий нагретый металл, называют режущим. В процессе резки струю режущего кислорода подают к месту реза отдельно от кислорода, идущего на образование горючей смеси для подогрева металла. Процесс сгорания разрезаемого металла распространяется на всю толщину, образующиеся окислы выдуваются из места реза струёй режущего кислорода.

Металл, подвергаемый резке кислородом, должен удовлетворять следующим требованиям: температура воспламенения металла в кислороде должна быть ниже температуры его плавления; окислы металла должны иметь температуру плавления ниже, чем температура плавления самого металла, и обладать хорошей жидкотекучестью; металл не должен иметь высокой теплопроводности. Хорошо поддаются резке низкоуглеродистые стали.

Для кислородной резки пригодны горючие газы и пары горючих жидкостей, дающие температуру пламени при сгорании в смеси с кислородом не менее 1800 гр. Цельсия. Особенно важную роль при резке имеет чистота кислорода. Для резки необходимо применять кислород с чистотой 98,5-99,5 %. С понижением чистоты кислорода очень сильно снижается производительность резки и увеличивается расход кислорода. Так при снижении чистоты с 99,5 до 97,5 % (т.е. на 2 %) — производительность снижается на 31 %, а расход кислорода увеличивается на 68,1 %.

Технология кислородной резки. При разделительной резке поверхность разрезаемого металла должна быть очищена от ржавчины, окалины, масла и других загрязнений. Разделительную резку обычно начинают с края листа. Вначале металл разогревают подогревающим пламенем, а затем пускают режущую струю кислорода и равномерно передвигают резак по контуру реза. От поверхности металла резак должен находиться на таком расстоянии, чтобы металл нагревался восстановительной зоной пламени, отстоящей от ядра на 1,5-2 мм, т.е. наиболее высокотемпературной точкой пламени подогрева. Для резки тонких листов (толщиной не более 8-10 мм) применяют пакетную резку. При этом листы плотно укладывают один на другой и сжимают струбцинами, однако, значительные воздушные зазоры между листами в пакете ухудшают резку.

На машинах МТР «Кристалл» применяется резак «Эффект-М». Особенность резака — наличие штуцера для сжатого воздуха, который, пройдя через внутреннюю полость кожуха, истекает через кольцевой зазор над мундштуком и создает колоколообразную завесу, что локализует распространение продуктов сгорания и защищает элементы конструкции машины от перегрева.

Параметры режимов резки низкоуглеродистой стали приведены ниже в таблице 1:

1. Толщина разрезаемого металла
5. Давление кислорода
6. Скорость резки
7. Расход кислорода
8. Расход пропана
9. Ширина реза
10. Расстояние до листа

Воздушно-плазменная резка

Процесс плазменной резки основан на использовании воздушно-плазменной дуги постоянного тока прямого действия (электрод-катод, разрезаемый металл — анод). Сущность процесса заключается в местном расплавлении и выдувании расплавленного металла с образованием полости реза при перемещении плазменного резака относительно разрезаемого металла.

Для возбуждения рабочей дуги (электрод — разрезаемый металл), с помощью осциллятора зажигается вспомогательная дуга между электродом и соплом — так называемая дежурная дуга, которая выдувается из сопла пусковым воздухом в виде факела длиной 20-40 мм. Ток дежурной дуги 25 или 40-60 А, в зависимости от источника плазменной дуги. При касании факела дежурной дуги металла возникает режущая дуга — рабочая, и включается повышенный расход воздуха; дежурная дуга при этом автоматически отключается.

Применение способа воздушно-плазменной резки, при котором в качестве плазмообразующего газа используется сжатый воздух, открывает широкие возможности при раскрое низкоуглеродистых и легированных сталей, а также цветных металлов и их сплавов

Преимущества воздушно-плазменной резки по сравнению с механизированной кислородной и плазменной резкой в инертных газах следующие: простота процесса резки; применение недорогого плазмообразующего газа — воздуха; высокая чистота реза (при обработке углеродистых и низколегированных сталей); пониженная степень деформации; более устойчивый процесс, чем резка в водородосодержащих смесях.

Рис. 1 Схема подключения плазмотрона к аппарату.

Рис. 2 Фазы образования рабочей дуги
а — зарождение дежурной дуги; б — выдувание дежурной дуги из сопла до касания с поверхностью разрезаемого листа;
в — появление рабочей (режущей) дуги и проникновение через рез металла.

Технология воздушно-плазменной резки. Для обеспечения нормального процесса необходим рациональный выбор параметров режима. Параметрами режима являются: диаметр сопла, сила тока, напряжение дуги, скорость резки, расстояние между торцом сопла и изделием и расход воздуха. Форма и размеры соплового канала обуславливают свойства и параметры дуги. С уменьшением диаметра и увеличением длины канала возрастают скорость потока плазмы, концентрация энергии в дуге, её напряжение и режущая способность. Срок службы сопла и катода зависят от интенсивности их охлаждения (водой или воздухом), рациональных энергетических, технологических параметров и величины расхода воздуха.

При воздушно-плазменной резке сталей диапазон разрезаемых толщин может быть разделён на два — до 50 мм и выше. В первом диапазоне, когда необходима надёжность процесса при небольших скоростях резки, рекомендуемый ток 200-250 А. Увеличение силы тока до 300 А и выше приводит к возрастанию скорости резки в 1,5-2 раза. Повышение силы тока до 400 А не даёт существенного прироста скоростей резки металла толщиной до 50 мм. При резке металла толщиной более 50 мм следует применять силу тока от 400 А и выше. С увеличением толщины разрезаемого металла скорость резки быстро падает. Максимальные скорости резки и сила тока для различных материалов и толщины, выполненные на 400 амперной установке приведены в таблице ниже.

Скорость воздушно-плазменной резки в зависимости от толщины металла: таблица 2

Режимы. таблица 3

Режимы воздушно-плазменной резки металлов. таблица 4

Рис. 3 Области оптимальных режимов резки металлов для плазмотрона с воздушным охлаждением (ток 40А и 60А)

Рис. 4 Области оптимальных режимов для плазмотрона с воздушным охлаждением (ток 90А).

Рис. 5 Зависимость выбора диаметра сопла от тока плазмы.

Рис. 6 Рекомендуемые токи для пробивки отверстия.

Скорость воздушно-плазменной резки, по сравнению с газокислородной, возрастает в 2-3 раза (см. Рис. 7).

Рис. 7 Скорость резки углеродистой стали в зависимости от толщины металла и мощности дуги.
Пологая нижняя линия — газокислородная резка.

При воздушно-плазменной резке меди рекомендуется применять силу тока 400 А и выше. Замечено, что при резке меди с использованием воздуха во всём диапазоне толщины и токов образуется легко удаляемый грат.

Хорошего качества реза при резке алюминия, с использованием воздуха в качестве плазмообразующего газа, удаётся достигнуть лишь для небольших толщин (до 30 мм) на токах 200 А. Удаление грата с листов большой толщины затруднительно. Воздушно-плазменная резка алюминия может быть рекомендована лишь как разделительная при заготовке деталей, требующих последующей механической обработки. Припуск на обработку допускается не менее 3 мм.

Плазменная резка

Плазменная резка – это достаточно эффективный технологический процесс, который используется во многих отраслях промышленности для резания черных и цветных металлов, а также сплавов. Плазменная резка отличается высокой производительностью процесса, качеством полученного реза и точностью обработки.

Основа плазменной резки в интенсивном расплавлении металла высококонцентрированной электрической дугой по линии реза. Жидкий металл в процессе обработки удаляется высокоскоростным потоком плазмы.

Где применяют плазменную резку

Плазменную резку применяют для получения заготовок высокого качества из листового металла, труб, проката, удаления дефектов, создания отверстий, снятия фасок под сварку, уменьшения габаритных размеров при утилизации, а также для отрезки литниковых прибылей.

Поскольку этот метод является одним из самых приемлемых по соотношению качества и цены, то его с успехом применяют для серийного производства, резки цветного металла и нержавеющих сталей. Плазменная резка позволяет качественно и эффективно разрезать металл толщиной до 50мм. Данный метод достаточно универсален и позволяет обрабатывать металлы разного класса на одном станке для плазменной резки.

Основные элементы оборудования для плазменной резки

Оборудование для плазменной резки состоит из источника тока, аппаратного блока, ручного или механизированного плазмотрона, при отсутствии централизированной воздушной магистрали необходимо компрессорное оборудование, при отсутствии системы водоснабжения необходим автономный блок охлаждения плазмотронов, устройства для механизации перемещения изделия (или плазмотрона). Источник тока для плазменной резки обладает крутопадающей внешней характеристикой с повышенным напряжением на холостом ходу (более 100В), естественным охлаждением и возможностью плавного или ступенчатого регулирования тока. В зависимости от мощности, плазматроны имеют воздушное или водяное охлаждение. Большинство плазмотронов укомплектованы шилнгом-кабелем длиной около 6 метров. Ручной плазматрон состоит из пластикового корпуса с подведенными проводами и воздухотокоподводом, а также режущей головки. На рукоятке плазмотрона устанавливается кнопка для включения и выключения. Механизированные плазмотроны оснащаются проточным водяным охлаждением. Плазмотроны для механизированной резки размещаются на стационарной установке портального, портально – консольного или шарнирно – пантографического типа, с использованием разного рода систем перемещения – ЧПУ, фотоэлектронная, линейная с ручной регулировкой скорости, магнитным копированием. Основный расходные элементы плазмотрона – специальные электроды и сопла. Процесс зажигания режущей плазменной дуги осуществляется при помощи вспомогательной дуги с малой мощностью, которая возбуждается искровым разрядом от осциллятора установки.

Процесс плазменной резки может проходить не только в условиях цеха, но и монтажно – полевых условиях, в автоматическом или ручном режиме, при размещении изделия в любом пространственном положении. Резка плазмой ведется в основном на токе с прямой полярностью, но на некоторых специализированных плазмотронах полярность тока обратная. Плазмообразующий и охлаждающий газ – воздух под давлением от 3,5 до 6 ати. Воздух перед подачей на установку проходит через влагомаслоотделитель. Между соплом плазмотрона и обрабатываемой поверхностью расстояние должно составлять 10-15мм. При ручной плазменной резке, плазмотрон может скользить по поверхности детали благодаря специальной диэлектрической насадке для сопла. Скорость резания задается в зависимости от обрабатываемого материала и технологического режима и варьируется от 0,07 до 6,0м/мин.

В отличие от других процессов резки (газовой, лазерной, вибрационной и т.д.) – плазменная резка обладает рядом преимуществ:

• Плазменная резка достаточно универсальный процесс, который позволяет на одном и том же оборудовании обрабатывать различные электропроводящие материалы.
• Скорость резания в 2-3 раза больше при обработке металла толщиной до 50мм, в сравнении с другими термическими способами резки (за исключением лазерной резки).
• Применяемый для резки газ – сжатый воздух, что весьма экономично.
• Значительное снижение термической деформации обрабатываемых деталей.
• При использовании малогабаритных установок с воздушным охлаждением для плазменной резки, оборудование достаточно мобильно.
• Установки плазменной резки просты в эксплуатации и экономичны.

При ряде достоинств, плазменная резка обладает всего одним, но значительным недостатком – в процессе резания происходит оплавление и термическое упрочнение края, что ведет к образованию трещин, в процессе гибки. Для того чтобы избежать этого, в некоторых случаях достаточно зачистить оплавленные края среза.

Плазменная резка

Общепринятые обозначения

PAC – Plasma Arc Cutting – резка плазменной дугой

CUT— Cutting-резка

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.

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 q_р), поступает из столба плазменной дуги и определяется выражением:

где V_р – скорость резки (см/с);
F – площадь поперечного сечения зоны выплавляемого металла (см 2 );
γ – плотность металла (г/см 3 );
с – теплоемкость металла, Дж/(г·°С);
Т_пл – температура плавления металла (°С);
T – температура металла до начала резки (°С);
q – скрытая теплота плавления (°С).

Произведение V_р·F·γ определяет массу выплавляемого металла за единицу времени (г/с). Для заданной толщины металла имеется определенное числовое значение эффективной тепловой мощности q_р, 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.

Плазмообразующие газы

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.

Наиболее распространенные плазмообразующие газы

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

Для машинной резки повышенного качества

Aзотно-кислородная
смесь

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

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. Дугу нужно направлять вниз и обычно 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 сплавов толщиной 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 сталей используют сжатый воздух (как правило, при толщинах до 40–50 мм), кислород и азотно-кислородные смеси.

Ориентировочные режимы воздушно-плазменной резки металла

Разрезаемый
материал

Параметры режима

Толщина
(мм)

Диаметр
сопла
(мм)