Обзор установок плазменной резки металла с ЧПУ и без

12.05.2020

Плазменная резка металла – процесс, в ходе которого оборудование генерирует сжатую плазменную дугу, проплавляющую материал и удаляющую расплав из зоны реза. Эта технология считается наиболее универсальной в плане разрезаемых металлов, диапазона толщин и скоростей реза. Но все эти возможности обеспечиваются при условии выбора качественного и производительного аппарата.

Принцип действия установки

Конструктивно оборудование для плазменной разделительной резки металлов включает следующие компоненты:

• Источник питания – служит для подачи тока и напряжения для возбуждения дежурной и режущей дуги. Он может иметь крутопадающую вольтамперную или постоянную токовую характеристику.
• Плазмотрон – устройство для образования и стабилизации плазменной струи. Имеет сложную конструкцию, основными элементами которой являются сопло, катод, завихритель.
• Система охлаждения – предназначена для охлаждения кабелей и плазмотрона, которые подвержены чрезмерному нагреву. Установки мощностью от 100 А оборудуются водяным охлаждением, менее мощные аппараты – воздушным.
• Система воспроизведения или ЧПУ (числовое программное управление) – комплекс, обеспечивающий автоматическое движение суппорта с плазмотроном по заданному специальной программой контуру.
• Стол для резки (актуально для автоматических машин с ЧПУ) – представляет собой стальной настил для размещения металлопроката, который будет резаться.

Рисунок 1. Примерная схема оснащения участка по автоматической плазменной резке

Принцип работы заключается в образовании плазмы, которую плазмотрон формирует в струю направленного действия. Плазменная дуга прямого действия возникает при протекании тока от катода (неплавящийся электрод) на анод (стальную заготовку). За счет высокой плотности энергии и большой температуры (до 5000-30000 °C) плазма расширяется, что приводит к ее высокоскоростному (до 3 км/сек.) истеканию по направлению к металлопрокату.

Струя плазмы формируется небольшим отверстием в сопле и, благодаря направленному воздействию, мгновенно нагревает металл до температуры плавления, выдувая его из зоны реза.

Рисунок 2. Принцип работы устройств

Последовательность работы с установками следующая:

1. Подготовка – укладка металлического листа на рабочий стол, к которому подведен «плюсовой» провод, подключенный к источнику питания. «Минусовой» провод подключен к электроду в плазмотроне. Проверка работоспособности оборудования, целостности шлангпакетов и т.д.
2. Поджиг дежурной дуги за счет подачи высокого напряжения и возбуждение режущей дуги при касании пилотной к разрезаемому материалу.
3. Прожиг металла и движение плазмотрона по заданному контуру с постоянной скоростью и расстоянием между заготовкой и соплом.

Фото 3. Процесс разделительного резания струей плазмы

Принцип работы

Результат работы плазмотрона
Принцип действия плазмотрона заключается в следующем. Создаётся поток высокотемпературного ионизированного воздуха, электропроводность которого равна электропроводности разрезаемой заготовки (т.е. воздух перестаёт быть изолятором и становится проводником электрического тока).

Образуется электрическая дуга, которая локально разогревает обрабатываемую заготовку: металл плавится и появляется рез. Температура плазмы в этот момент достигает 25000 – 30000 °С. Появляющиеся на поверхности разрезаемой заготовки частички расплавленного металла будут сдуваться с нее потоком воздуха из сопла.

Технология

Технология плазменной резки металла вкратце может быть описана следующим образом. Плазменной обработке поддаются все виды металлов толщиой до 220 мм.

Эффект появляется после воспламенения плазмообразующего газа при образовании искры в контуре электрической дуги (между наконечником форсунки и неплавящимся электродом. От искры загорается поток газа, здесь же он ионизируется, превращаясь в управляемую плазму (с крайне высокой, 800 и даже 1500 м/с скоростью выхода).

Интересное: Плазменная резка бетона — особенности технологии

В выходном отверстии, от сужения, происходит ускорение потока плазмообразующего носителя. Высокоскоростная плазменная струя позволяет получить температуру на выходе около 20 0000с. Узконаправленная струя в тысячи градусов буквально проплавляет материал в точечной области воздействия, нагрев вокруг места обработки незначительный.

Плазменно-дуговой способ используется с замыканием обрабатываемой поверхности в проводящий контур. Другой вид резки (плазменной струей) — работает при наличии стороннего (косвенного) образования высокотемпературного компонента в рабочей схеме плазмотрона. Нарезаемый металл не включен в проводящий контур

Резка плазменной струей

Раскрой заготовок плазменной струей применяется для обработки материалов, не проводящих электрический ток. При резке этим методом дуга горит между формирующим наконечником плазмотрона и электродом, а сам разрезаемый объект в электрической цепи не участвует. Для разрезания заготовки используется струя плазмы.

Плазменно-дуговая резка

Плазменно-дуговой резке подвергаются токопроводящие материалы. При выполнении резки этим методом дуга горит между разрезаемой заготовкой и электродом, её столб совмещен со струей плазмы. Последняя образуется за счет поступления газа, его нагрева и ионизации. Газ, продуваемый через сопло, обжимает дугу, придает ей проникающие свойства и обеспечивает интенсивное плазмообразование. Высокая температура газа создает высочайшую скорость истечения и увеличивает активное воздействие плазмы на плавящийся металл. Газ выдувает из зоны реза капли металла. Для активизации процесса используется дуга постоянного тока прямой полярности.

Плазменно-дуговая резка применяется при:

• производстве деталей с прямолинейными и фигурными контурами;
• вырезании отверстий или проемов в металле;
• изготовлении заготовок для сварки, штамповки и механической обработки;
• обработке кромок поковок;
• резке труб, полос, прутков и профилей;
• обработке литья.

Виды плазменной резки

В зависимости от среды, существуют три вида плазменной резки:

• простой. Этот метод подразумевает использование только воздуха (или азота) и электрического тока;
• с защитным газом. Применяются два вида газа: плазмообразующий и защитный, который сохраняет зону реза от влияний окружающей среды. В результате повышается качество реза;
• с водой. В этом случае вода выполняет функцию, аналогичную защитному газу. Кроме того, она охлаждает компоненты плазмотрона и поглощает вредные выделения.

Основанная на указанных принципах плазменная резка обеспечивает не только высокопроизводительное производство, но и совершенно пожаробезопасное: применяемые в технологии материалы не огнеопасны.

Видео

Посмотрите ролики, где наглядно объясняется, как происходит плазменная резка:

Принцип работы воздушно-плазменной резки металла

Воздушно-плазменная резка: на чем основан принцип осуществления. Плазма, производящая резку, является разогретым газом с высоким значением электропроводности. Его еще называют ионизованным. Генерируется плазма специальным дуговым элементом. Принято называть этот способ резки плазменным.

Обычная дуга сжимается плазмотроном. Ионизованный газ вдувается в нее, с помощью чего она может генерировать горячий воздух. Она способна производить обработку, при помощи повышенной температуры.Металл разрезается, плавясь при этом.

Осуществление обработки металла происходит благодаря, как плазменной дуге, так и струе. В первом варианте на металлическое изделие оказывается прямое воздействие, во втором — косвенное. Наиболее распространенным и действенным является метод резки с помощью действия напрямую. Для материала, который не обладает электропроводностью (как правило это неметаллические изделия) применяют способ непрямого влияния. При любом из вариантов разрезаемый материал не теряет агрегатного состояния и его конструкция слабо подвергается деформации.

Интересное: Технология плазменно-дуговой резки металла

Принцип работы плазменного резака

Плазмотрон – это техническое устройство, которое образует электрический разряд между электродом (катодом) и поверхностью обрабатываемого изделия (анодом), это происходит в потоке газа который образует плазму.

Принцип работы устройства: для охлаждения применяется вода или газ, для получения плазмы используется плазмообразующий газ. Поток входящего в камеру газа подвергается нагреванию до высоких температур после чего ионизируется, тем самым приобретает свойства плазмы. Плазмообразующий газ и охлаждающий подаются в различные каналы плазматрона. При подаче питания между катодом и соплом образуется так называемый вспомогательный разряд, визуально её можно видеть как небольшой факел.

Основная (рабочая дуга) образуется при касании второстепенного разряда обрабатываемой поверхности, которая в данном случае выполняет роль анода (плюс). Стабилизация разряда может осуществляться магнитным полем, водой либо газом, зачастую стабилизирующий газ является и плазмообразующим. После этого можно проводить резку материала, нанесение покрытий, сварку, наплавку или даже добычу полезных ископаемых, путём разрушения горных пород.

Условно конструкцию плазмотрона можно представить как несколько основных элементов:

1. изолятор;
2. электрод;
3. сопло;
4. механизм для подвода плазмообразующего газа;
5. дуговая камера.

Конструкция и принцип работы плазмотрона с совмещенным соплом и каналом

Особенностью плазмотрона, использующего воздушно-плазменную резку является совмещение канала и сопла. Воздух проходит через канал сопла наружу. Принцип работы схож, при подаче электропитания промеж катодом и соплом образуется вспомогательный разряд. Воздух закрученный по спирали, стабилизирует и сжимает столб рабочего разряда. Он же предотвращает соприкосновение электрической дуги стенок соплового канала.

Типы плазмотронов

Плазмотроны можно условно разделить на три глобальных типа

1. электродуговые;
2. высокочастотные;
3. комбинированные.

Устройства работающие на основе электрической дуги оснащены одним катодом, который подключен к источнику питания постоянного тока. Для охлаждения применяют воду, которая находится в охладительных каналах.

Можно выделить следующие виды электродуговых аппаратов

• с прямой дугой;
• косвенной дугой (плазмотроны косвенного действия);
• с использованием электролитического электрода;
• вращающимися электродами;
• вращающейся дугой.

Автомат: принцип работы

Станок плазменной автоматической резки имеет:

1. пульт управления,
2. плазмотрон
3. рабочий стол для заготовок.

Автомат для резки (Китай). Источник фото: ru.made-in-china.com
На пульте управления происходит корректировка предварительно установленных программ, если резка отклоняется от установленных параметров. Для оперативного исправления в процессе работы и выбора оптимальных режимов резания.

Через установленный на рабочем столе лист, пропускается электрический ток. Между поверхностью листа и плазмотроном пробегает первичная электродуга. В которой сжатый воздух, разогревается до состояния плазмы. Первичная дуга скрывается в раскаленной ионизированной струе, которая и режет металла.

Резка начинается с середины или с края. Чем чаще происходит прерывание дуги и зажигание новой искры, тем меньше становится ресурс сопла и катода. Грамотный оператор автоматической резки выбирает режимы резания по таблице и отталкиваясь от конкретных условий (толщина металла, диаметр сопла). Благодаря чему можно добиться значительного сокращения расходов. По окончанию операции, автомат самостоятельно оповестит оператора, выключит и отведет плазмотрон от материала.

Интересное: Что такое плазменная резка труб

Применение установок

Плазменное оборудование для резки металла направленной струей плазмы широко применяется в разных отраслях промышленности:

• автомобиле-, судо-, авиастроение;
• строительная промышленность;
• металлообработка и изготовление металлоконструкций;
• металлургия;
• тяжелое машиностроение и т.д.

Фото 4. Плазменная резка в цеховых условиях

Также аппараты часто используют в небольших автомастерских, кузницах. Инверторы нередко применяют даже в быту, поскольку это эффективные устройства для разделительного резания конструкционных сталей и цветных металлов.

Виды станков

Станки для плазменной резки металла можно условно разделить на несколько категорий:

• Ручные аппараты – для раскроя металлопроката вручную, где весь рабочий процесс (скорость перемещения плазмотрона, зазор между соплом и заготовкой) контролируется человеком.

Фото 6. Инверторный аппарат для ручного плазменного резания

• Портативные устройства для продольного резания листов – для прямолинейного раскроя только в одном направлении. Обычно комплектуются направляющей, вдоль которой перемещается каретка с резаком.

Фото 7. Установка для прямолинейного раскроя листов «Грань»

• Устройства для резки труб – специальные машины для кольцевого резания и снятия фасок при монтаже магистральных трубопроводов. Представляют собой самоходные тележки, передвигающиеся по окружности с помощью приводной цепи.

Фото 8. Машина для резания труб «Орбита-М»

• Автоматические машины с ЧПУ – полностью автоматизированные установки для прямолинейного и фигурного раскроя. Рабочие параметры и контур перемещения суппорта с резаком задаются автоматически программой в зависимости от толщины и марки металла. Выпускаются в виде портальных, портально-шарнирных, шарнирных и портативных станков.

Фото 9. Портальная установка плазменной резки с ЧПУ

Конструктивные особенности

Ручное плазменное оборудование состоит из нескольких технологических элементов, которые и обеспечивают его работоспособность.

Одним из главных элементов является сам плазмотрон, функционирование которого обеспечивает источник заданного питания с определенными рабочими параметрами.

Также в состав ручного плазменного аппарата в обязательном порядке входят набор кабелей, специальных шлангов с соответствующим сечением.

Дополнительно работу плазменного аппарата обеспечивает универсальный компрессор. Стоит отметить, что плазмотрон, который и выполняет роль резака, имеет достаточно сложную конструкцию.

В его состав входят непосредственно само сопло и специальный электрод, между которыми особым образом устроен изолятор с высокими показателями термостойкости.

Именно в плазмотроне происходит преобразование дуги электричества в тепловую энергию плазмы. Скорость, а также форму потока плазмы регулирует сопло, имеющее сложную конструкцию.

При работе на ручном плазменном аппарате оператор самостоятельно контролирует ровность линии реза.

Большое значение при работе на ручном плазменном аппарате имеет опыт оператора.

ВАЖНО ЗНАТЬ: Описание станков гидроабразивной резки

Так как рабочий аппарат человек постоянно держит на весу, возможны непроизвольные движения, которые могут привести к появлению дефектов и снижению качества выполняемого раскроя.

Неопытный оператор может сделать рез не только неровным, но и с наплывами и следами рывков.

Чтобы этого не произошло, выпускаются самые разные дополнительные устройства в виде упоров и подставок.

При их использовании даже у неопытного оператора рез получается максимально ровный и качественный.

Ручной агрегат для плазменной резки металлов — это огромные функциональные возможности в области обработки металлов различной толщины и конфигурации.

Посмотреть, как производится процесс резки металлов при помощи аппарата плазменного ручного типа, можно на видео, которое размещено ниже.

Видео:

Стоимость станков для резки металла

Цена оборудования для разделительной плазменной резки металла зависит от рабочих параметров и функциональных возможностей:

• типа – ручной или автоматический с ЧПУ;
• максимального рабочего тока;
• ПВ (продолжительности включения) – бытовые (до 60 %), полупрофессиональные (от 60 до 80 %), профессиональные (80-100 %).

К категории бюджетных устройств относятся инверторные аппараты для ручного резания с максимальным ПВ 60 %. Рассчитанные на более интенсивную эксплуатацию модели относятся к средней ценовой категории. Машины с ЧПУ – самые дорогие, ими обычно оснащают крупные промышленные предприятия, где налажен массовый выпуск продукции. Поэтому важно изначально определить принципы выбора и предстоящей эксплуатации станков.

Плюсы и недостатки плазменной резки

Если сравнивать с другими способами раскроя листового металла, то плазменная технология обладает некоторыми преимуществами.

Первое, что следует отметить, высокую производительность.

Из этого следует и оптимальная цена изделия, которая складывается из нескольких составляющих – экономия энергии, оптимальное использование металла и высокая точность изделий.

Видео:

К недостаткам следует отнести ограничения по толщине обрабатываемого металла. К минусам также относится и цена некоторых установок с ЧПУ.

Несмотря на эти ограничения, плазменная резка используется и в производственных целях, и в бытовой сфере.

Лучшие производители плазменного оборудования

Плазменная резка считается одной из самых высокотехнологичных технологий раскроя, поэтому оборудование пользуется большим спросом. Оно производится как зарубежными, так и отечественными производителями. Стоимость импортных станков очень высока, поэтому большинство фирм и крупных предприятий отдают предпочтение российским маркам.

Одной из лидирующих отечественных компаний по разработке и производству установок плазменной резки считается ООО «ПУРМ». Она выпускает все виды оборудования – от ручных инверторных и трансформаторных аппаратов до труборезов и полностью автоматизированных машин с числовым программным управлением.

Видео о применении установок:

Преимущества станков марки ПУРМ:

• ориентированность на суровые условия эксплуатации;
• высокая точность и чистота реза;
• минимальное энергопотребление;
• простое обслуживание и эксплуатация.

Принцип действия плазмореза

Резка металлических сплавов и других материалов с использованием плазмы выполняется на специальной установке, которая называется плазморез.

Надо напомнить, что плазма – это одна из форм существования материи. В окружающей человека среде материальные объекты представляются в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Плазма – это четвертое состояние, которое характеризуется высокой температурой.

Установка для плазменной резки создает поток ионизированного воздуха высокой температуры, который и разрезает заготовку.

Рабочая температура этого потока достигает величин от 5000 до 30000 градусов.

Установка состоит из следующих элементов:

• источник питания;
• компрессор;
• плазматрон.

Источником питания служит либо трансформатор, либо инвертор. Используя трансформатор, можно резать заготовки большой толщины.

Он без потерь переносит перепады напряжения электрической сети. При этом у него большой вес, низкий КПД и высокая цена.

Инвертор дешевле, экономичнее и значительно легче. У инверторного устройства более высокий КПД по сравнению с трансформатором.

Компактная конструкция позволяет использовать инверторные установки в комплексах с ЧПУ, неудобных и труднодоступных местах.

Сегодня промышленностью выпускается широкая линейка инверторных установок для резки металла с помощью плазмы.

Компрессором в плазморез подается воздух или определенный газ.

ВАЖНО ЗНАТЬ: 2 способа заточки ножниц по металлу

Воздух подается под высоким давлением, которое обеспечивает вихревую форму струи.

Плазматрон является основным элементом плазмореза и представляет собой резак, который состоит из следующих элементов:

• колпачок;
• охладитель;
• сопло;
• электрод.

При подаче напряжения и поджиге дуги возникает поток воздуха, который имеет высокую степень ионизации.

Присутствие ионов превращает воздух из изолятора в проводник электрического тока. При этом формируется электрическая дуга.

Под действием дуги локально разогревается заготовка, металл плавится и образуется рез.

Как выбрать установку для резки металла?

При выборе аппарата для плазменной резки изначально нужно определиться в следующем:

• Предполагаемые работы – только прямолинейный рез или с возможностью фигурного раскроя.
• Производительность – ручная или автоматическая резка, наличие ЧПУ, фотокопирования.
• Марки и максимальная толщина обрабатываемого материала – от этого зависит мощность и то, какой газ будет использоваться (сжатый воздух, азот, смеси на основе аргона и водорода или других газообразных веществ).

Также надо определиться с рабочими характеристиками устройства. К основным из них относится сила тока, поскольку она определяет диапазон разрезаемых толщин – чем этот показатель выше, тем толще металл можно будет резать.

ПВ (продолжительность включения) характеризует максимальные нагрузки, которые сможет выдержать оборудование – т.е. время его работы без перерывов на охлаждение. Обозначается в процентах – ПВ 80 % означает, что из 10-минутного рабочего цикла устройство может непрерывно работать на максимальных нагрузках на протяжении 8 минут. При превышении этого показателя возможен перегрев и выход из строя.

Характерные особенности процесса резки

Ручная плазменная резка, при которой используется ручной плазменный аппарат, можно отнести к термической обработке, при которой материал плавится.

В данном конкретном случае основным режущим инструментом является поток низкотемпературной плазмы под большим давлением, которая образуется за счет некоторых специфических процессов.

Используемое для работы плазменное оборудование обязательно имеет специальный электрод, который при помощи сопла и рабочего металла создает электрическую дугу, внешняя температура которой в некоторых отдельных случаях достигает нескольких тысяч градусов по Цельсию.

В определенный момент в сопло начинает подаваться под большим давлением специальный газ, что способствует тому, что рабочая температура многократно повышается, а это, в свою очередь, приводит к ионизации газа и, соответственно, преобразование его в плазму, которую называют низкотемпературной.

Следует отметить и то, что ионизация имеет свойство при нагреве от дуги возрастать, а это делает температуру газового потока еще большей. Сам рабочий поток ярко светится и становится электропроводным.

ВАЖНО ЗНАТЬ: Области применения и особенности безогневой резки

Аппарат, используемый для обработки металла при помощи плазмы, способен локально разогревать металлическую заготовку и плавить ее непосредственно в необходимом месте реза.

Для того чтобы получить плазму, необходимо в определенных пропорциях смешать определенные виды газов.

За основу берется атмосферный воздух, который смешивается с кислородом, азотом, а также водородом и аргоном. В состав плазмы также входит водяной пар.

Для того чтобы при работе сопло не оплавилось под воздействием высоких температур, предусмотрено его специальное охлаждение за счет потока жидкости или газа.

Конечно, использовать в быту аппарат для плазменной резки достаточно проблематично, так как требуются определенные условия его эксплуатации, однако данное оборудование установлено на многих промышленных предприятиях.

Стоит отметить, что цена такого устройства достаточно высокая и для многих домашних мастеров просто не подъемная.

В настоящее время такое оборудование активно используется в самых разных сферах и дает возможность получать не только ровный, но и аккуратный рез.

Более подробно узнать о возможностях ручных аппаратов для плазменной резки можно на видео, которое размещено ниже.

Видео:

Наиболее частые поломки машин

На практике при эксплуатации плазменного оборудования чаще сталкиваются с такими проблемами:

• Перепады напряжения, превышающие установленный производителем диапазон.
• Физический износ узлов и механизмов, большое превышение установленного ресурса деталей.
• Короткие замыкания в электросети, что ведет к выходу из строя основных управляющих плат.

Однако все эти поломки устраняются, после чего станки могут работать дальше в стандартном режиме. Единственное – нужно своевременно менять расходные материалы (катод, сопло), что обеспечит стабильную работу оборудования и высокое качество плазменной резки.

← Плазматроны для резки металла: конструкция, виды, правила выбора Ручной плазмотрон: устройство, принцип работы и особенности →