Плазморез и принципы его функционирования
Плазморез или плазменный станок - это инструмент, основная задача которого заключается в резке металлов с применением свойств плазменной дуги. Принципы функционирования плазмореза основаны на использовании ионизированного газа, который проходя через электрическую дугу преобразуется в плазму, достигающую температуры 20-30 тысяч градусов Цельсия. Процесс резки происходит при воздействии плазменного потока на поверхность материала, что приводит к его расплавлению. Данный метод резки материалов является достаточно точным, быстрым, универсальным и надежным.
Плазменная резка используется в различных областях: строительство, производство металлических конструкций, автомобильная промышленность и даже в искусстве и дизайне. Он широко применяется для фигурной резки металлических листов, труб и профилей, в том числе из сплавов.
Процесс плазменной резки гарантирует более высокую точность и чистоту обработки по сравнению с другими методами. Это связано с тем, что плазма обладает особенно высокой температурой и скоростью потока, что обеспечивает получение более чистых и точных краев среза. Высокая производительность – одна из характеристик плазменной резки. Это особенно отмечается при работе с толстыми или твердыми материалами. Плазменная резка даёт возможность значительно сократить временные и финансовые затраты на обработку металлов, по сравнению с традиционными методами резки.
При этом, метод резки плазмой считается более безопасным, чем газовая резка, поскольку не используются горючие газы, а это, в свою очередь, уменьшает риск возникновения пожаров и взрывов. Оборудование для резки плазмой создает меньше вредных выбросов и дыма в сравнении с газовыми инструментами, что делает рассматриваемый метод более экологичным.
Можно сделать однозначный вывод, что использование плазмореза позволяет быстро и эффективно осуществлять резку металлических элементов, что определяет его незаменимость не только в промышленности, но и в других отраслях.
Процедура плазменной резки начинается с подготовки материала и оборудования. Оператор должен настроить все необходимые параметры, активировать подачу воздуха на плазмотроне. Основные принципы работы плазменного резака заключается в создании между электродом и заготовкой электрической дуги. Электрод изготовлен из тугоплавкого материала, такого как вольфрам, способного нагревается до существенных температур. Далее через электрод осуществляется подача газа и создание ионизированного потока, называемого плазмой. Зачастую газ состоит из сжатого аргона, воздуха или азота, которые проходят через электрическую дугу. Поток плазмы направляют на заготовку для ее нагрева и расплавления. Для плазмы характерны очень высокие показатели температур: свыше 20 тысяч градусов Цельсия позволяет обеспечить максимальную производительность и точность резки.
После резки происходит удаление расплавленного металла из зоны обработки с помощью потока воздуха или газовой смеси под высоким давлением. Это обеспечивает чистое и точное резание без наплавления металла на краях заготовки. Для поддержания постоянно одинакового промежутка между горелкой и заготовкой используется система контроля высоты резака, что гарантирует равномерную скорость резки и высокое качество кромки. Плазменная резка может производиться вручную или в автоматическом режиме с использованием станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Второй вариант особенно актуален на производствах где выполняют фигурную резку материала.
Виды газов в плазменной резке
Исходя из предназначения и выполняемых функций, газ в плазменной резке может разделяться на несколько видов:
Плазмообразующий газ (PG) - это может быть любой газ или газовая смесь, которая используется для создания плазмы и самой резки. Этот газ проходит через электрическую дугу и преобразуется в плазму. Следует понимать, что осуществляются два процесса: зажигания и резки, исходя из чего и происходит выделение двух типов газа.
Газ для зажигания (ZG) плазменной дуги также называют пусковым газом. Он упрощает процесс зажигания и продлевает срок возможного использования электрода.
Маркировочный газ (MG) используется для маркировки материалов: нанесения информации о номере, партии, дате выпуска без температурного повреждения материала. В процессе осуществления маркировки тонких металлов применяется газ с низким давлением и скоростью потока. Таким образом, струя режущего газа имеет малую плотность и сплав не перегревается, что обеспечивает сохранение целостности изделия.
Вихревой газ (WG) – газ, который проходит через сопло плазменного резака и ускоряется. Этот ускоренный газ затем закручивается в вихрь (отсюда и название) с помощью завихрителя, а его цель - обволакивание струи плазмы. Это позволяет увеличить качество резки за счет снижения температуры электрической дуги и ее сужения. Применение вихревого газа защищает детали от быстрого износа, когда резка происходит в воде, или в процессе проделывания первичного отверстия.
Барьерный газ (SpG) это разновидность вихревого газа. Он подается со сниженным расходом периодически в перерывах в «мокрой» плазменной резке. Барьерный газ защищает головку погружной горелки от попадания жидкости.
Контрольный газ (KG) – газ, который необходим для контроля наличия на горелке защитного колпачка. Он должен быть направлен на головку горелки – такая конструкция позволяет обеспечить безопасное использование установки.
Идентифицирующий газ (IG) – вид контрольного газа, задача которого соответствует его названию - идентификация разнообразных головок на горелке. В конструкции плазмореза идентифицирующий газ направлен от горелки, то есть «возвращается».
Какими свойствами обладают газы, что применяются в плазменной резке для того или иного металла
Для осуществления плазменной резки обязательно необходимо использовать газ или газовую смесь. Для этих целей может подходить аргон, водород, азот и некоторые другие газы, выбор которых зависит от особенностей материала, что нужно обрабатывать, требуемой точности резки, оформления края и пр. Например, для резки стали рекомендуется применять сжатый воздух или кислород, а аргон - для работы с алюминием.
Безусловно, чтобы обеспечить экономичность процесса резки и, вместе с этим, достичь высоких показателей, определяющих точность и качество обработки деталей, следует учитывать химические свойства газов и физические особенности материалов, которые будут подвергаться резке. Требуется уделять внимание теплопроводности, оценивать энергию ионизации, учитывать значения атомной массы и возможные химические реакции.
Аргон относится к группе инертных газов, то есть он не вступает в реакцию с металлом в процессе резки и не ухудшает качество реза. Он наделён наибольшей атомной массой среди прочих газов, используемых для плазменной резки, и выталкивает сплав из прорези особенно эффективно за счёт того, что плазменная струя приобретает мощную кинетическую энергию. Аргон способен хорошо выполнять функцию газа для зажигания, учитывая его низкий потенциал ионизации, однако не следует его применять как единственный режущий газ из-за того, что показатели теплопроводимости будут маленькими.
Водород, если сравнивать его с аргоном, обладает высокой теплопроводимостью, а при больших значениях температур диссоциирует, то есть существенное количество тепла отводится от электрической дуги и температура граничых слоев снижается. Данный эффект обеспечивает сжатие электрической дуги и повышает мощность энергии. Процессы рекомбинации приводят к высвобождению тепла в расплавленном металле в результате энергетического воздействия. Как единственный для плазменной резки газ, водород не следует использовать, так как его атомная масса небольшая, а значит энергии для вытеснения шлаков будет недостаточно.
Азот представляет собой малоактивный газ с химической точки зрения. По значениям показателей атомной массы, теплопроводимости и энтальпии, азот расположен где-то между водородом и аргоном. Данный газ может быть использоваться как единственный режущий и вихревой газ, однако исключительно в процессе обработки высоколегированных тонких сталей.
Кислород по показателям атомной массы и свойствам теплопроводимости ближе к азоту. Он хорошо взаимодействует с железом – при окислении высвобождается тепло, которое способствовует повышению скорости резки. Однако реакция происходит достаточно медленно и металл он успевает расплавиться, поэтому считается, что резка осуществляется расплавлением. Кислород больше всего подходит в качестве режущего или вторичного газа для углеродистых и конструкционных сталей.
Воздух представляет собой смесь газов, среди которых основные – это азот и кислород. Использование воздуха дает возможность объединять полезные свойства обоих газов. Это позволяет использовать его для резки всех типов сталей. Кроме того, воздух – один из наиболее дешевых газов.
Каждый газ обладает особенными свойствами, которые, безусловно, влияют на процесс плазменной резки. Например, кислород используется для ускорения резки и улучшения чистоты среза, однако его использование требует повышенной осторожности. Азот применяется для резки нержавеющей стали и других специальных материалов, а аргон - для резки алюминия и других цветных металлов. Именно поэтому, выбор газа зависит от типа материала и требуемых параметров резки.
Чаще всего для плазменной резки используются газы в форме смесей. Это позволяет сочетать их свойства и достигать оптимальных показателей эффективности обработки материала. Например, высокую теплопроводимость водорода комбинируют с большой атомной массой аргона, определяя долю газов исходя из толщины материалов. Создаются и другие составы, например, азота и водорода с добавлением аргона.