Металлическая плазма. Особенности плазменной резки металла

Технология плазменной резки крайне редко применяется в быту, зато в промышленной сфере получила очень широкое распространение. Благодаря тому, что с помощью плазмореза можно легко, быстро и качественно разрезать практически любой токопроводящий металл, а также другие материалы - камень и пластик, его используют в машиностроении, судостроении, коммунальной сфере, изготовлении рекламы, для ремонта техники и многого другого. Срез всегда получается ровным, аккуратным и красивым. Тех, кто только собрался освоить данную технологию, может интересовать резонный вопрос, что собой представляет аппарат плазменной резки, каков принцип его работы, а также какие разновидности плазморезов бывают и для чего используется каждый из них. Все это даст общее понимание технологии плазменной резки, позволит сделать правильный выбор при покупке и освоить работу с аппаратом.

Как работает плазморез? И что подразумевается под словом «плазма»? Для работы плазмореза необходимо только две вещи - электричество и воздух. Источник энергии подает на резак (плазмотрон) токи высокой частоты, благодаря чему в плазмотроне возникает электрическая дуга, температура которой 6000 - 8000 °С. Затем в плазмотрон направляется сжатый воздух, который на большой скорости вырывается из патрубка, проходит через электрическую дугу, нагревается до температуры 20000 - 30000 °С и ионизируется. Воздух же, который ионизировался, теряет свойства диэлектрика и становится проводником электричества. Плазмой как раз и является этот воздух .

Вырываясь из сопла, плазма локально разогревает заготовку, в которой необходимо выполнить рез, металл плавится. Образованные на лобовой поверхности реза частички расплавленного металла сдуваются потоком воздуха, вырывающимся на огромной скорости. Так происходит резка металла.

Скорость плазменного потока (разогретого ионизированного воздуха) возрастает, если увеличить расход воздуха. Если же увеличить диаметр сопла, через которое плазма вырывается, то скорость уменьшится. Параметры скорости плазмы примерно таковы: на токе 250 А она может быть 800 м/с.

Чтобы рез получился ровным, плазмотрон необходимо держать перпендикулярно плоскости реза, максимальное допустимое отклонение 10 - 50 °. Также большое значение имеет скорость реза. Чем она меньше, тем ширина реза становится больше, а поверхности реза становятся параллельными. То же самое происходит при увеличении силы тока.

Если увеличить расход воздуха, то ширина реза уменьшится, зато кромки реза станут непараллельными.

Аппарат плазменной резки состоит из источника питания , плазмотрона и кабель-шлангового пакета , с помощью которого соединяются источник питания и компрессор с плазмотроном.

Источником питания для аппарата плазменной резки может служить трансформатор или инвертор, которые подают на плазмотрон большую силу тока.

Плазмотрон , собственно, и является главным элементом аппарата - плазменным резаком. Иногда по ошибке весь аппарат называют плазмотроном. Возможно, это связано с тем, что источник питания для плазмореза не отличается никакой уникальностью, а может быть использован вместе со сварочным аппаратом. А единственным элементом, отличающим плазморез от другого аппарата, и является плазмотрон.

Основные составляющие плазмотрона - электрод, сопло и изолятор между ними.

Внутри корпуса плазмотрона находится цилиндрическая камера малого диаметра, выходной канал из которой довольно мал и позволяет формировать сжатую дугу. В тыльной стороне дуговой камеры располагается электрод, служащий для возбуждения электрической дуги.

Электроды для воздушно-плазменной резки могут быть изготовлены из бериллия, гафния, тория или циркония. На поверхности этих металлов образуются тугоплавкие оксиды, предотвращающие разрушение электрода. Но для образования этих оксидов нужны определенные условия. Самыми распространенными являются электроды из гафния. А вот из бериллия и тория их не делают, и виной тому те самые оксиды: оксид бериллия - крайне радиоактивен, а оксид тория - токсичен. Все это может крайне негативно сказаться на работе оператора.

Так как возбуждение электрической дуги между электродом и заготовкой обрабатываемого металла напрямую затруднительно, сначала зажигается так называемая дежурная дуга - между электродом и наконечником плазмотрона. Столб этой дуги заполняет весь канал. После этого в камеру начинает подаваться сжатый воздух, который, проходя сквозь электрическую дугу, нагревается, ионизируется и увеличивается в объеме в 50 - 100 раз. Сопло плазмотрона сужено книзу и формирует из разогретого ионизированного газа/воздуха поток плазмы, вырывающийся из сопла со скоростью 2 - 3 км/с. При этом температура плазмы может достигать 25 - 30 тыс. °С. В таких условиях электропроводимость плазмы становится примерно такой же, как и у обрабатываемого металла.

Когда плазма выдувается из сопла и касается факелом обрабатываемого изделия, образуется режущая плазменная дуга - рабочая, а дежурная дуга гаснет. Если вдруг по какой-то причине рабочая дуга тоже погасла, необходимо прекратить подачу воздуха, снова включить плазмотрон и сформировать дежурную дугу, а затем пустить сжатый воздух.

Сопло плазмотрона может иметь различные размеры и от этого зависят возможности всего плазмотрона и технология работы с ним. Например, от диаметра сопла плазмотрона зависит количество воздуха, которое может проходить сквозь этот диаметр за единицу времени. От количества расхода воздуха зависит ширина реза, скорость работы и скорость охлаждения плазмотрона. В плазморезах используют сопла не больше 3 мм диаметром, зато довольно длинные - 9 - 12 мм. Длина сопла влияет на качество реза, чем длиннее сопло, тем качественнее рез. Но здесь нужно быть осторожным, везде важна мера, так как слишком большое сопло будет быстрее изнашиваться и разрушаться. Оптимальной считается длина, в 1,5 - 1,8 раз больше диаметра сопла.

Крайне важно, чтобы катодное пятно фокусировалось строго по центру катода (электрода). Для этого используют вихревую подачу сжатого воздуха/газа. Если вихревая (тангенциальная) подача воздуха нарушена, то катодное пятно будет смещаться относительно центра катода вместе с дугой. Все это может привести к нестабильному горению плазменной дуги, образованию двойной дуги и даже выходу плазмотрона из строя.

В процессе плазменной резки используются плазмообразующие и защитные газы. В аппаратах плазменной резки с силой тока до 200 А (можно разрезать металл толщиной до 50 мм) используют только воздух. В таком случае воздух является плазмообразующим газом и защитным, а также охлаждающим. В сложных промышленных портальных аппаратах используют другие газы - азот, аргон, водород, гелий, кислород и их смеси.

Сопло и электрод в аппарате плазменной резки являются расходными материалами, которые необходимо своевременно заменять, не дожидаясь их полного износа.

В основном плазморезы принято покупать в готовом виде, главное - правильно подобрать нужный агрегат, тогда не придется ничего «доделывать напильником». Хотя в нашем отечестве есть «Кулибины», которые могут сделать аппарат плазменной резки своими руками, закупив некоторые детали отдельно.

Разновидности аппаратов плазменной резки

Плазморезы различают по нескольким различным параметрам. Аппараты плазменной резки могут представлять собой переносные установки, портальные системы, шарнирно-консольные машины, специализированные конструкции и установки с координатным приводом. Особенно выделяются машины плазменной резки с ЧПУ (числовым программным управлением), которые минимизируют вмешательство человека в процесс резки. Но помимо этих существуют и другие градации.

Аппараты для ручной и машинной резки

Используется для резки металла вручную, когда плазмотрон держит в руках оператор-человек и ведет его по линии реза. В связи с тем, что плазмотрон все время находится на весу над обрабатываемой заготовкой, рука человека может слегка дрогнуть даже в процессе обычного дыхания, все это отражается на качестве реза. На нем могут быть наплывы, неровный рез, следы рывков и т.д. Чтобы облегчить работу оператору, существуют специальные упоры, которые надеваются на сопло плазмотрона. С помощью него можно поставить плазмотрон непосредственно на заготовку и аккуратно вести его. Зазор между соплом и обрабатываемой заготовкой всегда будет одинаковым и соответствующим требованиям.

Аппараты машинной резки представляют собой плазморезы портального типа и аппараты автоматического раскроя деталей и труб. Такие аппараты используются на производстве. Качество реза таким плазморезом получается идеальным, дополнительная обработка кромок не требуется. А программное управление позволяет делать резы различной фигурной формы в соответствии с чертежом без страха дернуть рукой в неподходящий момент. Рез выполняется точно и гладко. На подобные аппараты плазменной резки металла цена на порядок выше, чем на ручные аппараты.

Трансформаторные и инверторные аппараты плазменной резки

Существуют трансформаторные и инверторные плазморезы.

тяжелее инверторных и больше по размеру, зато они более надежны, так как не выходят из строя в случае скачков напряжения. Продолжительность включения таких аппаратов выше, чем у инверторных, и может достигать 100 %. Такой параметр, как продолжительность включения, напрямую влияет на специфику работы с аппаратом. Например, если ПВ равна 40 %, это означает, что 4 минуты резак может работать без перерыва, а затем ему необходимо 6 минут отдыха, чтобы остыть. ПВ 100 % используется в производстве, там, где работа аппарат продолжается весь рабочий день. Недостатком трансформаторного плазмореза является высокое энергопотребление.

С помощью трансформаторных плазменных резаков можно обрабатывать заготовки большей толщины. На подобный аппарат воздушно-плазменной резки цена выше, чем на инверторный. Да и представляет он собой короб на колесиках.

Используются чаще в быту и на маленьких производствах. Они намного экономнее в энергопотреблении, обладают меньшим весом и габаритами и чаще всего представляют собой ручной аппарат. Достоинством инверторного плазмореза является стабильное горение дуги и КПД на 30 % выше, компактность и возможность вести работы в труднодоступных местах.

Аппарат воздушно-плазменной резки и водно-плазменной резки

Стоит отметить, что существуют не только аппараты воздушно-плазменной резки, принцип действия которых и устройство были описаны выше, но и аппараты водно-плазменной резки.

Если в воздушно-плазменных резаках воздух выступает и как плазмообразующий, и как защитный, и как охлаждающий газ, то в водно-плазменных резаках вода выступает в качестве охладителя, а водяной пар плазмообразователя.

Достоинствами воздушно-плазменной резки являются низкая цена и небольшой вес, зато недостаток - ограничена толщина разрезаемой заготовки, зачастую не более 80 мм.

Мощность водно-плазменных резаков позволяет разрезать толстые заготовки, зато их цена несколько выше.

Принцип работы аппарата водно-плазменной резки заключается в том, что вместо сжатого воздуха в нем используется водяной пар. Это дает возможность отказаться от использования компрессора для воздуха или газовых баллонов. Водяной пар более вязкий по сравнению с воздухом, поэтому его необходимо намного меньше, запаса в баллончике хватает примерно на месяц-два. Когда в плазмотроне протекает электрическая дуга, в него подается вода, которая испаряется. Одновременно с этим рабочая жидкость поднимает катод отрицательного полюса от катода положительного полюса сопла. В результате загорается электрическая дуга, пар ионизируется. Еще до того, как плазмотрон приблизится к обрабатываемой заготовке, загорается плазменная дуга, которая выполняет резку. Ярким представителем данной категории плазморезов является аппарат Горыныч, на такой аппарат плазменной резки цена около 800 у.е.

В зависимости от того, включен разрезаемый материал в электрическую схему плазменной резки или нет, зависит тип резки - контактный и бесконтактный.

Контактная плазменная резка или резка плазменной дугой выглядит так: дуга горит между электродом плазмотрона и обрабатываемой деталью. Это еще называется дугой прямого действия. Столб электрической дуги совмещен с плазменной струей, которая вырывается из сопла на большой скорости. Продуваемый через сопло плазмотрона воздух обжимает дугу и придает ей проникающие свойства. За счет высокой температуры воздуха 30000 °С, повышается скорость его истечения и плазма оказывает сильной механическое воздействие на выдуваемый металл.

Контактный тип резки применяется при работах с металлами, которые могут проводить электричество. Это изготовление деталей с прямолинейными и криволинейными контурами, резка труб, полос и прутков, выполнение отверстий в заготовках и многое другое.

Бесконтактная плазменная резка или резка плазменной струей выглядит так: электрическая дуга горит между электродом и формирующим наконечником плазмотрона, часть плазменного столба выносится за пределы плазмотрона через сопло и представляет собой высокоскоростную плазменную струю. Именно данная струя и является режущим элементом.

Бесконтактная резка используется при работе с нетокопроводящими материалами (неметаллами), например, камнем.

Работа с аппаратом плазменной резки и технология воздушно-плазменной резки - это целое искусство, требующее знаний, терпения и соблюдения всех правил и рекомендаций. Знание и понимание устройства плазмореза помогает выполнять работу качественно и аккуратно, так как оператор понимает, какие процессы происходят в плазмотроне и за его пределами в тот или иной момент, и может ими управлять. Также немаловажно соблюдать все меры предосторожности и технику безопасности, например, работать с плазморезом необходимо в костюме сварщика, в щитке, перчатках, в закрытой обуви и плотных штанах из натуральной ткани. Некоторые окислы, выделяемые в процессе резки металла, могут нанести непоправимый вред легким человека, поэтому необходимо работать в защитной маске или хотя бы обеспечить хорошую вентиляцию в рабочей зоне.

) струи плазмы называется плазменной резкой. Поток плазмы образуется в результате обдува газом сжатой электрической дуги. Газ при том нагревается и ионизируется (распадается на отрицательно и положительно заряженные частицы). Температура плазменного потока составляет около 15 тысяч градусов по Цельсию.

Виды и способы резки при помощи плазмы

Резка плазмой бывает:

поверхностная;
разделительная.

На практике широкое применение нашла разделительная плазменная резка. Поверхностная резка используется крайне редко.

Само резание осуществляется двумя способами:

плазменной дугой. При резании стали этим способом разрезаемый металл включается в электрическую цепь. Дуга образуется между вольфрамовым электродом резака и изделием.

плазменной струей. Дуга возникает в резаке между двумя электродами. Разрезаемое изделие в электрическую цепь не включается.

Плазменная резка превосходит по производительности кислородную. Но если режется материал большой толщины или титан, то предпочтение надо отдавать кислородной резке. Плазменная резка незаменима при резании (особенно ).

Виды газов, применяемых для плазменного резания.

Для образования плазмы используются газы:

активные – кислород, воздух. Применяются при резке черных металлов
неактивные – азот, аргон, . Применяются при резке цветных металлов и сплавов.

Сжатый воздух. Используется для резки:

меди и ее сплавов – при толщине до 60 mm;
алюминия и его сплавов – при толщине до 70 mm;
стали – при толщине до 60 mm.

Азот с аргоном. Применяется для резки:

высоколегированной стали толщиной до 50 mm.

Применять эту газовую смесь для резания меди, алюминия, и черной стали не рекомендуется;

Чистый азот. Используется для резания (h=толщина материала):

меди h равной до 20 mm;
латуни h равной до 90 mm;
алюминия и его сплавов h равной до 20 mm;
высоколегированных сталей h равной до 75 mm, низколегированных и низкоуглеродистых – h равной до 30 mm;
титана – любой толщины.

Азот с водородом. Применяется для резки:

меди и ее сплавов средних толщин (до 100 mm);
алюминия и сплавов средних толщин – до 100 mm.

Азотоводородная смесь непригодна для резки любых сталей и титана.

Аргон с водородом. Применяется при резке:

Меди, алюминия и сплавов на их основе толщиной от 100 мм и выше;
Высоколегированной стали толщиной до 100 мм.

Для резки углеродистых, низкоуглеродистых и низколегированных сталей, а также для титана аргон с водородом применять не рекомендуется.

Оборудование для плазменной резки: виды и краткая характеристика.

Для механизации плазменной резки созданы полуавтоматы и машины переносные различных модификаций.

1. могут работать как с активными, так и с неактивными газами. Толщина разрезаемого материала колеблется от 60 до 120 мм.

Расход газа:

воздух – от 2 до 5 м куб/час;
аргон – 3 м куб/час;
водород – 1 м куб/час;
азот – 6 м куб/час.

Скорость перемещения – от 0,04 до 4 м/мин.
Рабочее давление газа – до 0,03 МПа.
Вес полуавтоматов составляет 1,785 – 0,9 кг в зависимости от модификации.

2. Переносные машины используют сжатый воздух.

Толщина разрезаемого материала – не более 40 мм.
Расход сжатого воздуха – от 6 до 50 м куб/час;
Охлаждение плазмотронов – водой или воздухом.
Скорость перемещения – от 0,05 до 4 м/мин.
Рабочее давление газа – до 0,4 – 0,6 МПа.
Вес переносных машин – до 1,8 кг в зависимости от модификации.
Плазмотроны, охлаждаемые водой, могут эксплуатироваться только при плюсовых температурах окружающей среды.
Полуавтоматы и переносные машины пригодны для промышленного использования.

Для ручной резки выпускаются два комплекта:

КДП-1 с плазмотроном РДП-1;
КДП-2 с плазмотроном РДП-2.

Резание плазмой

Аппарат КДП-1 используется для резки алюминия (до 80 мм), нержавеющих и высоколегированных сталей (до 60 мм) и меди (до 30 мм).

Максимальный рабочий ток – 400 А.

Максимальное напряжение холостого хода источника питания – 180 В.

Плазмотрон РДП-1 работает с азотом, аргоном или смеси этих газов с водородом.

Охлаждается плазмотрон РДП-1 водой, потому его можно использовать при температуре выше 0 градусов Цельсия.

Аппарат КДП-2 уступает первому по мощности дуги (всего 30 кВт). Преимущество этой модели в том, что охлаждение плазмотрона РДП-2 осуществляется воздухом. В результате комплект может быть использован на открытом воздухе при любой температуре окружающего воздуха.

Комплектность аппаратов ручной резки:

режущий плазмотрон;
кабель-шланговый пакет;
коллектор;
зажигалка для возбуждения режущей дуги.

Комплекты для ручной плазменной резки выпускаются беспультовыми. Такое конструктивное решение рационально для выполнения ограниченного объема работ с загрузкой оборудования не более чем на 40 – 50%. Но на время работы их приходится доукомплектовывать сварочными выпрямителями и преобразователями.

При том не следует забывать, что с точки зрения техники безопасности для ручной резки допускается величина напряжения холостого хода источника питания не более 180 В.

Плазменная резка металлов выполненная своими руками: некоторые тонкости процесса.

Началом процесса резания металлов считается момент возбуждения плазменной дуги. Начав резку, необходимо поддерживать постоянное расстояние между соплом плазмотрона и поверхностью материала. Оно должно быть от 3 до 15 мм.
Необходимо стремиться к тому, чтобы в процессе работы ток был минимальным, потому что при увеличении силы тока и расхода воздуха снижается ресурс работы сопла плазмотрона и электрода. Но при этом уровень тока должен обеспечивать оптимальную производительность резки.
Наиболее сложной операцией является пробивка отверстий. Сложность заключается в возможном образовании двойной дуги и выходе из строя плазмотрона. Потому при пробивке плазмотрон должен быть поднят над поверхностью металла на 20 – 25 мм. Опускается плазмотрон в рабочее положение только после того, как металл будет пробит насквозь. При пробивке отверстий в листах большой толщины специалисты рекомендуют использовать защитные экраны с отверстиями диаметром 10-20 мм. Экраны помещаются между изделием и плазмотроном.
Для ручной резки высоколегированных сталей в качестве плазмосодержащего газа применяется азот.
При ручной резке алюминия с применением аргоноводородной смеси содержание водорода не должно превышать 20% для повышения стабильности горения дуги.
Резку меди выполняют с использованием водородосодержащих смесей. А вот латунь требует азота или азотоводородной смеси. При этом резка латуни происходит на 20% быстрее, чем меди.
После резки медь обязательно зачищают на глубину 1-1,5 мм. Для латуни это требование не является обязательным.

Для резки металлов используют несколько различных методов отличающихся друг от друга себестоимостью и эффективностью. Некоторые способы используются исключительно для промышленных целей другие также можно применять и в быту.

К последним относится плазменная резка металлов. Эффективность плазменного раскроя ограничивается опытом мастера и правильным выбором установки.

Что такое плазменная резка металла?
На чем основан принцип проведения работ?
Какие сферы применения имеет этот способ раскроя материалов?

Основы резки металлов плазмой

Чтобы понять основы резки металла с помощью плазменного метода следует для начала уяснить, что же такое плазма? От правильного понимания того как устроен плазматрон и принципов работы с ним зависит качество конечного результата.

Термическая плазменная обработка металлов зависит от параметров рабочей струи газа или жидкости, направленной под давлением на обрабатываемую поверхность. Для достижения необходимых результатов струю доводят до следующих характеристик:

Скорость - струя направляется под высоким давлением на поверхность материала. Можно сказать, что плазменный раскрой металла основан на разогревании металла до температуры плавления и быстрого выдувания его. Рабочая скорость струи при этом составляет от 1,5 до 4 км в сек.
Температура - для образования плазмы необходимо практически моментально разогреть воздух до 5000-30000°C. Высокая температура достигается благодаря созданию электрической дуги. При достижении необходимой температуры воздушный поток ионизируется и меняет свои свойства, приобретая электропроводность. Технология плазменной резки металла подразумевает использование систем нагнетания воздуха, а также осушителей, которые удаляют влагу.
Наличие электрической цепи. Все о раскрое металла плазмой можно узнать только на практике. Но некоторые особенности необходимо учитывать еще до приобретения установки. Так, существуют плазмотроны косвенного и прямого воздействия. И если для вторых обязательно, чтобы обрабатываемый материал пропускал электричество и был включен в общую электрическую сеть (выступая в роли электрода), то для первых такой необходимости нет. Плазма для резки металла в таком случае получается с помощью встроенного электрода внутри держателя. Этот способ используют для металлов и других материалов, которые не проводят электричество.

Еще один важный момент, который следует учитывать, это то, что плазменная резка толстого металла практически не выполняется, так как это ведет к увеличенным материальным затратам и малоэффективно.

Характеристики и принцип резки металла плазмой

Основной принцип работы плазменной резки металла можно описать следующим образом:

Так как процесс связан с моментальным разогревом разрезаемого материала до жидкого состояния, толщина металла при резке составляет:

алюминий до 120 мм;
медь 80 мм;
углеродистая и легированная сталь до 50 мм;
чугун до 90 мм.

Существуют два основных способа обработки материалов, от которых зависят характеристики плазменной резки. А именно:

Плазменно-дуговая - способ подходит для всех видов металла, которые в состоянии проводить электрический ток. Обычно плазменно-дуговую резку используют для промышленного оборудования. Суть способа сводится к тому, что плазма образовывается за счет дуги, которая появляется непосредственно между поверхностью обрабатываемого материала и плазмотроном.
Плазменно-струйная – в этом случае дуга возникает в самом плазмотроне. Плазменно-струйный вариант обработки более универсален, позволяет разрезать неметаллические материалы. Единственным недостатком является необходимость периодической замены электродов.

Плазменная резка металла работает как обычная дуговая, но без использования привычных электродов. Но эффективность способа обработки прямо пропорциональна толщине обрабатываемого материала.

Скорость и точность резки металла плазмой

Как и при любом другом виде термической обработки, при плазменной резке металла происходит определенное оплавление металла, что отражается на качестве реза. Существуют и другие особенности, которые являются характерными для этого метода. А именно:

От профессионализма мастера во многом зависит качество выполнения работ. Чистый и точный рез с минимальным отклонением от необходимых размеров может выполнить только работник с профильным образованием. Без соответствующей подготовки выполнить фигурную резку вряд ли получится.

Плазменная резка цветных металлов

При обработке цветных металлов используются разные способы резки в зависимости от типа материала, его плотности и других технических характеристик. Для разрезания цветных сплавов требуется соблюдения следующих рекомендаций.

Где применяется плазменный раскрой металла

Использование плазмотронов не зря пользуется такой большой популярностью. При относительно простой эксплуатации и незначительной стоимости ручной установки (по сравнению с другим оборудованием для резки) удается достичь высоких показателей относительно качества реза.

Применение плазменной резки металла получило распространение в следующих сферах производства:

Применение станков с плазменной резкой не заменило ручных установок. Так художественная резка металла плазмой позволяет сделать уникальные детали точно соответствующие замыслу художника, для использования их в качестве декоративных украшений для заборов и лестниц, а также перил, ограждений и т. д.

Резка металла плазмой – преимущества и недостатки

Без резки металла не может обойтись практически ни одно промышленное предприятие, так или иначе связанное с металлопрокатом. Быстрое разрезание листового материала на заготовки, декоративная фигурная резка металла плазмой, вырезание точных отверстий – все это можно выполнить достаточно быстро с помощью плазмотрона. Плюсы, которые имеет метод, заключаются в следующем:

Высокая производительность и скорость обработки деталей. По сравнению с обычным электродным методом можно выполнить объемы работ от 4 до 10 раз больше.
Экономичность - плазменный метод намного выигрывает на фоне стандартных способов обработки материалов. Единственные ограничения связанны с толщиной металла. Нецелесообразно и экономически невыгодно разрезать с помощью плазмы сталь толще 5 см.
Точность - деформации от тепловой обработки практически незаметны и не требуют дополнительной обработки впоследствии.
Безопасность.

Все эти преимущества плазменной резки металла объясняют, почему метод пользуется настолько широкой популярностью не только в промышленных, но и бытовых целях.

Но говоря о плюсах необходимо заметить и некоторые отрицательные стороны:

Ограничения, связанные с толщиной реза. Даже у мощных установок максимальная плотность обрабатываемой поверхности не может быть выше, чем 80-100 мм.
Жесткие требования относительно выполнения обработки деталей. От мастера требуется четко придерживаться угла наклона резака от 10 до 50 градусов. При несоблюдении этого требования нарушается качество реза, а также ускоряется износ комплектующих.

Сравнение плазменной и лазерной резки металла

Отличие лазерной резки металла от плазменной заключается в методах воздействия на поверхность материала.

Лазерные установки обеспечивают большую производительность и скорость обработки деталей, при этом после выполнения операции наблюдается меньший процент оплавленности. Минусом лазерного оборудования является его высокая стоимость, а также то, что толщина разрезаемого материала должна быть меньше 20 мм.

По сравнению с лазером плазмотрон имеет меньшую стоимость, более широкую сферу применения и функциональные возможности.

Применение плазменной резки имеет широкое распространение. Она используется в машиностроении, коммунальной отрасли, при строительстве судов, изготовлении конструкций из металла. В основе плазменной резки лежит принцип, при котором ионизированный воздух начинает проводить электрический ток.

Разделку металла осуществляют плазма, представляющая собой разогретый ионизированный воздух, и плазменная дуга. Характерные для плазменной резки металла принципы работы будут описаны далее.

Что представляет собой плазменная резка

При резке металла плазмой происходит усиление электродуги. Это возможно благодаря действию газа, находящегося под давлением. Режущий элемент разогревается до высоких температурных значений, результатом чего становится высококачественная и быстрая разрезка металла.

В отличие от ее плазменный аналог не способствует перегреванию всего обрабатываемого изделия. Высокая температура возникает непосредственно в месте разделки металла, а остальные части изделия не прогреваются и не деформируются.

Принцип плазменной резки металла основывается на:

выдаче необходимого напряжения источником тока (стандартное напряжение - 220 В, повышенное - 380 В, для резки металла на крупных предприятиях);
передаче тока к плазмотрону (горелке) через кабели, в результате между анодом и катодом загорается электродуга;
подаче компрессором по шлангам воздушных потоков в устройство;
действии внутри плазмотрона завихрителей, направляющих потоки к электрической дуге;
прохождении вихревых потоков воздуха через электродугу и создании ионизирующего воздуха, разогретого до высоких температур;
замыкании рабочей дуги между электродом и обрабатываемой поверхностью при поднесении плазмотрона к ней;
действии воздуха под большим давлением и высокой температурой на обрабатываемое изделие.

В результате получается разрез небольшой толщины с минимальными наплывами.

Дуга способна гореть в дежурном режиме, если аппарат не используется в конкретное время. При дежурном режиме горение поддерживается автоматически. При поднесении горелки к изделию дуга мгновенно переходит в рабочий режим и моментально разрезает металл.

После выключения аппарата производится его продувание для удаления мусора и остужения электродов.

Электродуга универсальна в своем действии. Она способна не только разрезать, но и сваривать металлические изделия. Для сваривания применяют присадочную проволоку, подходящую к конкретному типу металла. Через дугу пропускают не воздух, а инертный газ.

Структура плазмореза

Называют аппарат, которым осуществляется резка металлических изделий различными способами. В устройство агрегата входят элементы:

источник электрического питания;
компрессор;
плазмотрон;
кабель-шланги.

В качестве источников питания выступают несколько устройств:

инвертор;
трансформатор.

Каждое из устройств имеет ряд достоинств и недостатков. К достоинствам инвертора относятся:

дешевизна;
стабильность горения дуги;
удобство при применении в участках с затрудненным доступом;
небольшой вес;
высокий КПД, превышающий аналогичный показатель для трансформатора на 30%;
экономичность.

Какие есть недостатки и ограничения?

Основным недостатком инвертора является невозможность его использования для нарезания металлических изделий большой толщины.

Трансформатор эффективно используется при резке толстостенного металла, с которым не справится инвертор. Он выдерживает перепады сетевого напряжения, но отличается низким КПД. Неудобны трансформаторы по причине своего большого веса.

Компрессор представляет собой устройство, подающее воздух к электродуге. Механизм способствует созданию вихревых воздушных потоков, направляемых к ней. Компрессором обеспечивается четкое нахождение катодного пятна дуги в центре электрода. При нарушении процесса возникают последствия в виде:

образования сразу двух электродуг;
слабого горения дуги;
поломки плазмотрона.

Через компрессор в процессе работы обычного непромышленного плазмореза пропускается только сжатый воздух. Он создает плазму и охлаждает электроды. На промышленных агрегатах применяют смеси газов на основе кислорода, гелия, азота, аргона, водорода.

Плазмотрон выполняет основную функцию аппарата - режет изделие. В его устройство входят:

охладитель;
электрод;
колпак;
сопло.

Внутри плазмотрона содержится гафниевый электрод, возбуждающий электродугу. Применяются циркониевые, реже бериллиевые и ториевые электроды. Их оксиды токсичны и даже радиоактивны.

Через плазмотронное сопло проходит плазменная струя, разрезающая изделия. От его диаметра зависят качество резки, технология, скорость работы агрегата, ширина разреза и скорость охлаждения.

Через кабель проходит ток, идущий от инвертора или трансформатора. По шлангам движется сжатый воздух, образующий плазму в плазмотроне.

Понять, как работает , позволяет последовательное изучение этапов плазменной резки металлов:

нажимается кнопка розжига, приводящая к началу подачи тока от трансформатора или инвертора к плазмотрону;
внутри плазмотрона появляется дежурная электродуга с температурой 70000С;
происходит зажигание дуги между наконечником сопла и электродом;
происходит поступление сжатого воздуха в камеру, который проходит через дугу, нагреваясь и ионизируясь;
в сопле происходит обжатие поступающего воздуха, вырывающегося из него единым потоком со скоростью 3 м/с;
обжатый воздух, вырывающийся из сопла, разогревается до 300000С, превращаясь в плазму;
при соприкосновении плазмы с изделием дежурная дуга гаснет, зажигается режущая (рабочая);
рабочая дуга плавит металл в месте воздействия, результатом становится рез;
части расплавленного металла сдуваются с изделия воздушными потоками, вырывающимися из сопла.

Любая технология плазменной резки металла зависит от скорости реза и расхода воздуха. Высокая скорость способствует появлению более тонкого реза. При низкой скорости и высокой силе тока ширина реза становится больше.

При усиленном расходе воздуха происходит увеличение скорости резки. Чем больше диаметр сопла, тем меньше скорость и шире рез.

Методики резки

На практике используются два способа нарезания металла плазмой:

струей из плазмы;
плазменно-дуговым способом.

Нарезание плазменной струей нашло применение при обработке неметаллических изделий, не способных проводить электроток. При указанном способе обработки изделие не является частью электросхемы. Горение дуги происходит между электродом и наконечником плазмотрона. Изделие разрезается плазменной струей.

Применение плазменно-дугового способа широко. Он используется при:

нарезании профилей, труб;
изготовлении изделий с прямолинейными контурами;
обработке литья;
формировании отверстий в металле;
производстве сварочных заготовок.

Горение дуги происходит между электродом и изделием. Столб дуги совмещается с плазменной струей. Струя возникает за счет продуваемого через работающий компрессор газа, сильно нагревающегося и ионизирующегося в процессе. Газ способствует образованию плазмы, а за счет его высокой температуры увеличивается скорость нарезания обрабатываемого металла. Данный метод подразумевает применение дуги постоянного тока с прямой полярностью.

Разновидности резки плазмой

Выделяют три разновидности процесса:

простая - с применением электротока и воздуха (альтернативой является азот);
с применением воды, выполняющей функцию охлаждения плазмотрона, его защиты и поглощения выделений;
с применением защитного газа, повышающего качество реза.

Плюсы и минусы плазморезки

Плюсы	Минусы
Универсальность применения (предназначена для обработки любых металлических изделий при условии, если подобрано устройство правильной мощности с требуемым давлением воздуха).	Небольшой диапазон толщины реза (не более 100 мм).
Минимальный вред окружающей среде.	Вред окружающей среде и здоровью (мастер, работавший с плазморезом, для которого в качестве газа предусмотрен азот, получает серьезное отравление).
Высокая производительность, уступающая только лазерной резке, но выигрывающая в себестоимости.	Высокая цена агрегата.
Высокое качество работы, отличающееся небольшой шириной реза и отсутствием сильного перегрева всего изделия при его обработке плазмой.	Сложная конструкция.
Отсутствие потребности в прогреве всего изделия, влияющего на его качество.	Повышенный уровень шума при работе.
Безопасность процесса по причине отсутствия необходимости использовать газовые баллоны.	Максимально допустимый угол отклонения от перпендикулярности реза составляет всего 100- 500 в зависимости от толщины изделия.

Ручная плазменная резка является незаменимым универсальным методом обработки металлов своими руками. Устаревшие громоздкие газовые резаки уже не идут в сравнения с постоянно совершенствующимися, мобильными и доступными аппаратами для плазменной резки. С их помощью обучение методики высокоскоростной резки металлов не требует нескольких лет, а становится доступным после практических занятий.

Технология выполнения ручной плазменной резки металла

Ручная резка плазмой и обучение технологии обработки металла зависит от вида конкретного оборудования, а именно типа плазмотрона.

Особенности агрегатов плазменной резки

Плазменный резак косвенного действия. Используется для не металлических материалов, и он основан на получении реза непосредственной струей плазмы, выходящей из сопла под большим давлением. Это специфическая техника, которая не является востребованной для применения вне производства.

Плазменный резак прямого действия. Металлическая деталь подключается к электрической сети и является непосредственным участником образования сварочной дуги в потоке газа. Все металла руками работает на данном принципе.

Самой востребованной и экономически выгодной обработкой металла руками является применение воздушно-плазменной резки. Такой способ раскроя металла стал уже традиционным для ручной обработки, так как позволяет в разы сократить время выполнения реза и не требует наличия специальных навыков работы с режущими газами.

Использование воздуха в качестве плазмо-обрабатывающего газа имеет свои преимущества (экономия на расходном газе) и недостатки (габаритный, тяжелый аппарат). Недостатки вызваны наличием - источника питания. Современный дизайн ручных установок для плазменного раскроя направлен на удобное использование инверторов, поэтому они имеют несколько ручек, подъемных ремней, колесики для передвижения и корпус из легкого материала.

Конструкция оборудования для ручной резки

Главным элементом конструкции является плазменный резак (плазмотрон), который в свою очередь состоит из нескольких частей:

Форсунка.

Катод.
Сопло с защитным клапаном.
Роликовый упор.
Головка резака.
Кабель-шланг.

Их вид влияет на работу всей режущей установки.

Плазменная резка руками напрямую зависит от вида сопла, используемого в плазмотроне. Определяющей его характеристикой является диаметр, который влияет на:

скорость формирования режущей дуги и всего процесса обработки металла;
количество пропускаемого газа (воздуха);
ширину получаемого реза;
чистоту получаемого реза, гладкость кромок;
скорость охлаждения расплавленного металла.

Сопло относится к часто заменяемым деталям аппарата ручной резки и поэтому его вид можно подобрать самостоятельно. Для улучшения общих характеристик работы режущей системы можно увеличить длину сопла, но не более чем в полтора раза.

Инструкция выполнения ручной плазменной резки

Установка аппарата. Инвертор плазменной резки должен размещаться на свободном пространстве, чтобы со всех сторон к нему был доступ воздуха.
Сборка аппарата. Подключение всех кабелей проводится строго по инструкции аппарата с соблюдением техники безопасности.
Подключение аппарата в сеть. Подобное оборудование подключается к сети с напряжением в 220 - 230 В. Перепады напряжения в сети не должны сказаться на выходной мощности резака.
Выбор материала. Все аппараты для ручной резки имеют ограниченную мощность и предназначены для раскроя металла находящегося в определенном диапазоне толщин. За счет уменьшения силы тока можно добиться качественного реза и для меньшей толщины, но не желательно применять аппарат для толщин, выходящих из рекомендованных рамок.
Образование дежурной дуги. При включении аппарата возникает электрическая дуга длиной не более 40 мм и с током в ней не более 65 - 70 А.
Образование режущей дуги. При касании к подключенной к аппарату металлической поверхности ток увеличивается в разы, повышается расход воздуха и в несколько раз увеличивается температура режущего факела. При этом дежурная дуга автоматически отключается.
Непрерывное время работы. Оборудование для ручной плазменной резки рассчитано не более чем на 30 минутную непрерывную работу, после чего ему необходимо время для остывания.

Для бытового применения ручных аппаратов раскроя использование сжатого воздуха является достаточным. Защитные газы и газо-воздушные смеси необходимы для более сложной обработки металла большой толщины, они являются востребованными на производстве.

Критерии выбора аппарата для ручной плазменной резки

При подборе аппарата следует обратить внимание на несколько важных вопросов:

Сфера применения. Обучение технологии плазменной обработки металла или использование для металла только одного вида требует аппаратов с разной силой тока. Так же чем толще обрабатываемый металл, тем больше должна быть рабочая сила тока.
Возможность простой и плавной регулировки параметров аппарата. Наличие ступенчатой регулировки усложнит процесс подбора и настройки рабочей силы тока для разных металлов.
Условия эксплуатации. Класс электрозащиты, пожаробезопасности, а так же возможность работы в условиях пониженных температур имеют значения.
Тип аппарата. Наличие встроенного компрессора для получения рабочего сжатого воздуха не является обязательным для каждого аппарата. Многие полупрофессиональные модели имеют отдельный мобильный блок компрессора. Такие модели являются более долговечными и рассчитаны на постоянное интенсивное использование.
Экономичность. Стоит обратить внимание не только на показатели энергопотребления, но и расход воздуха, который не должен превышать количество, производимое самим аппаратом за одну минуту.

Для обработки различных металла своими руками целесообразней использовать инвертор плазменной резки. Он наиболее эффективен для работы с коррозионностойкими нержавеющими сталями (толщиной 4 - 6 см), с чугуном, с титаном и с мягкими металлами (алюминий, медь). В настоящее время цена подобного оборудования является приемлемой, а модельный ряд от разных производителей ориентирован на любого покупателя.

Преимущества использования ручной плазменной резки

Основными преимуществами плазменной резки являются:

Компактность оборудования.
Небольшой уровень энергозатрат;
Надежность получения реза различных металлов.
Высокий КПД.
Высокоскоростная обработка металла.
Независимость от перепадов напряжения в сети.
Наличие принудительного воздушного охлаждения и защиты от перегрева.
Простой запуск устройства.

Универсальность подобных аппаратов позволяет работать с различными металлами и при этом не перегревать зону термического влияния резака, что исключает возникновения дефектов.