Разделительные операции – одни из наиболее распространённых в металлообработке. При резке относительно простых контуров однозначное преимущество получают технологии резки сдвигом на ножницах и в штампах. Однако для реализации подобной технологии требуется иметь значительное количество типоразмеров рабочего инструмента, что не всегда целесообразно при многочисленных переналадках заготовок с одной конфигурации на другую. В таких условиях безусловные преимущества получает плазменная резка.
Процесс плазменной резки металла
Содержание
- Описание процесса
- Разделение непрофилированными электродами
- Резка с использованием кислорода или воздуха
- Разделение в струе инертного газа
- Разделение дуговым разрядом
- Вам также могут быть интересны статьи:
Описание процесса
Что такое плазменная резка? Технология плазменной резки металла основывается на принципе локального теплового источника значительной мощности, который способен, подобно сварке, с большой скоростью расплавить материал в зоне обработки. В соответствии с этим различают следующие разновидности способа:
- Плазменно-воздушная/кислородная резка, где режим плазмообразования достигается вследствие ионизации воздуха, который с большой скоростью нагревается до нужной температуры.
- Плазменно-дуговая резка, где образование плазмы производит за счет дугового разряда большой мощности.
- Разрезание непрофилированным электродом, в основе которой положен принцип электрического взаимодействия между заготовкой и проволокой из высокостойких к эрозии материалов – меди, латуни.
- Газоплазменная технология, аппараты которой формируют плазму в потоке инертных газов высокой плотности (например, аргона).
Каждый из вышеперечисленных способов разделения металла (в основном – листового) имеет свои преимущества и ограничения. Общим является одно – отсутствие потребности в специализированной оснастке, возможность режима разделения по сколь угодно сложному контуру и наличие технологических отходов в виде грата расплавленных, а затем застывших частиц, которые впоследствии потребуется удалять. Поэтому рассматриваемый в данной статье процесс (в частности, даже ручными аппаратами) наиболее целесообразен и эффективен главным образом в условиях мелкосерийного и единичного производства, когда число резов за смену не превышает 2000 — 4000.
Разделение непрофилированными электродами
Источником тепла для образования плазмы в данном случае является искровой разряд сравнительно небольшой скважности, который формируется при пробое межэлектродного промежутка между проволочным электродом и разрезаемым изделием.
Принцип работы плазмореза такого типа происходит так.
Латунная или медная проволока с небольшим (не более 1 мм) поперечным сечением перематываясь с одной катушки на другую, передвигается вдоль линии реза. При пробое межэлектродного промежутка (ручным или механизированным способом) в плазморезе возбуждается искровой разряд, который выполняет локальное расплавление. В момент накапливания энергии для следующего импульса специальное устройство перемещает проволоку на определённое расстояние, расчёт величины которого выполняется в соответствии с теплофизическими характеристиками заготовки и её толщиной. Движение проволоки в аппарате исключает опасность сварки и обеспечивает более равномерный износ непрофилированного электрода.
Производительность и скорость с применением такого плазмореза невелика. Это объясняется как малой мощностью источника, так и небольшим диаметром проволочного электрода, из-за чего в зону обработки невозможно ввести большую энергию: проволочка просто испарится. Несомненными преимуществами способа считаются малые потери при резке, исключение сварки отдельных фрагментов, а также хорошее качество зоны разделения листового материала. Поэтому эти аппараты используются при выполнении разделительных работ повышенной точности, для обработки тонких заготовок, и при сложной конфигурации поверхности их раздела.
Принцип резки плазмой
Резка с использованием кислорода или воздуха
Плазморезы, работающие по данному принципу, используют энергию сгорания кислорода (чистого или находящегося в составе воздуха). Плазменная резка происходит в силу следующих причин:
- Высокой температуры, которая достигается при сгорании вещества в воздушно-кислородной среде (расчёт, однако, показывает, что температура не должна превышать температуры плавления, иначе металл плавится, а не разделяется);
- При работе плазмореза данной конструкции происходит выделение дополнительного тепла, что способствует стабилизации процесса;
- Высокой скорости прокачки газа в устройстве, вследствие чего уменьшается зона его воздействия на материал, исключается самопроизвольная сварка, и улучшается качество поверхности раздела;
- Газовый поток во время работы аппарата по специальной программе обеспечивает эффективное удаление частиц расплава из зоны обработки.
Работа плазморезов с применением продольного газового потока выгодно отличается высокой удельной мощностью, и поэтому применяется при программах разделения листового металла значительной толщины (до 60…80 мм), труб, других профилей металлопроката. Вместе с тем имеется и ряд ограничений:
- Во время обработки на поверхности всегда происходит интенсивное окислообразование. Расчёт данного процесса сложен, но важен, поскольку иначе качество ухудшается из-за появления толстой оксидной плёнки (как при сварке). Поэтому аппараты, реализующие данный способ резки, снабжаются узлами подачи флюсов – веществ, связывающих оксиды в легкоплавкие вещества, которые далее удаляются. Состав флюсов определяется расчётом. В результате исключается опасность сварки отдельных частиц на разрезаемом контуре, что предоставляет эксплуатационникам дополнительные преимущества. Плазменная резка алюминия, меди и других сплавов, обладающих высокой теплопроводностью, без флюсов вообще невозможна.
- Повышения точности действия плазмореза можно достичь только за счёт увеличения скорости потока газа, поэтому такие аппараты отличаются повышенным уровнем шума. Расчёт шумозащитных экранов под такие плазморезы не отличается особой точностью
- Технология разделения с использованием плазмы в горючих газах по параметрам своей фактической производительности аппаратов и скорости реза является малоэффективной для обработки нержавеющей стали, отличающейся высокой температурой плавления.
- Плазморезы такого типа требуют повышенных организационных мер по своей пожаробезопасности.
Тем не менее, простота схемы устройств, а также доступная автоматизация плазменной резки при работе таких аппаратов обеспечивают относительно небольшую удельную мощность оборудования. При отсутствии высоких требований к качеству обработки плазморезы газовой резки выгодно отличаются небольшой ценой, а потому получили достаточное распространение. Известны, например, модели ручных и переносных плазморезов рассмотренного типа.
Разделение в струе инертного газа
Плазменная резка нержавеющей стали чаще всего выполняется именно этим способом. Если толщина листового металла не превышает 50 мм, применяют азот, а при большей толщине – аргон. Принцип выполнения операции подобен сварке под слоем флюса. Он заключается в том, что зона реза локализуется потоком инертного газа, который препятствует возгоранию металла, и тем самым увеличивает производительность устройства. Особенно чистый рез достигается при введении в основной газ до 15…20% водорода. При расчёте экономической целесообразности используется и автоматическая плазменная резка.
Аппараты данного типа управляются по параметру скорости. С её увеличением уменьшается толщина зоны разделения, и возрастает температура. Рез получается более чистым, а непрерывный подогрев кромки теплом отработанной плазмы стабилизирует процесс во времени, и исключает вероятность образования узлов сварки, поскольку поддержание температуры плазмы на необходимом уровне происходит автоматически. Поэтому программы управления такими процессами отличаются простотой и надёжностью.
Плазменно-дуговая резка требует тщательных расчётов. Расчёт её параметров сводится к определению скорости перемещения инструментальной головки станка и регулированию значения температуры в зоне реза, чтобы исключить возможную сварку. Вместо расчётов некоторые производители таких аппаратов приводят в руководствах пользователя практические номограммы. Они позволяют по толщине исходной заготовки, коэффициенту её теплопроводности и необходимой производительности устройства выбрать длину столба плазмы, а также количество подаваемого инертного газа.
Схема работы воздушно-плазменной резки
Разделение дуговым разрядом
Метод считается наиболее прогрессивным и универсальным. Отличительными особенностями плазморезов данного типа являются:
- Упрощение устройства инструментальной головки, поскольку здесь нет необходимости включения дуги в общую электрическую цепь аппарата.
- Универсальность метода, поскольку финишная конфигурация линии или поверхности реза определяется только формой электрода по результатам расчёта (он может быть медным, из тугоплавких металлов – например, вольфрама, либо графитовым).
- Высокие производительность и скорость обработки вследствие того, что объёмная плотность тепловой мощности дуги – наивысшая из возможных.
- Сравнительно небольшой стоимостью аппаратов, поскольку в качестве источника формирования дугового разряда применяются обычные преобразователи, используемые для сварки.
- Хорошим качеством кромки, которая, например, для последующей сварки не требует дополнительной обработки
- Процесс с использованием тепла электрической дуги легко управляется по программе путём изменения тока дугового разряда и производительности прокачки рабочей диэлектрической среды через зону обработки. Известные программы обеспечивают хорошую регулировку скорости резки, межэлектродного зазора и качества готовой кромки листового металла.
Плавление металла в процессе плазменной резки Резка листового металла плазмой Резка по шаблону плазмой
Процесс плазменной резки пригоден для реализации относительно всех токопроводящих материалов, независимо от их теплофизических показателей. Аппараты известных моделей удобны и просты в управлении, хотя и требуют дополнительной защиты от шума.
Источник: