Плазменная резка и факторы, влияющие на ее технологичность

Плазменная резка, как это следует из названия, основана на использовании для обработки металла вещества в четвертом своем состоянии – плазмы.

Краткие сведения о плазме

Плазма является газом, ионизированным в разной степени. Ионизация может быть полной или частичной – даже слабо ионизированный газ (менее 1% ионизированных частиц) проявляет некоторые свойства плазмы. Выделяют изотермическую и газоразрядную плазму, вид плазмы зависит от способа ее образования. Изотермическая плазма образуется при нагревании газа до температуры, при которой начинается процесс термической ионизации газа. Газоразрядная плазма, в свою очередь, образуется как следствие электрического разряда (электрической дуги) в газе. Наиболее распространенным примером такого разряда является молния.

Принцип работы плазмотрона

Плазмообразующие устройства, называемые плазмотронами, обеспечивают преобразование обычной электрической дуги в плазменную и использование ее в качестве рабочего тела при обработке материалов. Рассмотрим принцип их работы.

Так как условиями образования газового разряда в любом газе являются соответствующее давление, разность потенциалов и сила тока, то, установив необходимую разность потенциалов между двумя электродами плазмотрона, находящимися в воздухе (при давлении равном или выше атмосферного), можно получить пробой расстояния между этими электродами газовым разрядом. Такой газовый разряд возникает в виде электрической дуги, имеющей определенную величину площади поперечного сечения. Площадь сечения электрической дуги – это важный параметр, так как для повышения температуры дуги, и, как следствие, для создания плазмы, эту площадь необходимо уменьшать. В плазмотроне это осуществляется обжатием электрической дуги потоком газа. Такой газ, называемый плазмообразующим, выходит через сопло плазмотронного устройства под давлением и, в результате сжатия столба электрической дуги, температура плазмы в центральной части столба повышается до 10000 — 50000 К. Получаемое значение температуры зависит от степени обжатия столба электрической дуги и состава плазмообразующего газа.

Электрическая дуга в плазмотроне может замыкаться как на обрабатываемый материал (дуга прямого действия), так и на сопло плазмотрона (дуга косвенного действия). В первом варианте, обрабатываемый материал должен быть токопроводящим для создания замкнутой цепи, а изоляцию, исключающую замыкание дуги на стенку сопла, образует все тот же плазмообразующий газ. Металл при этом нагревается потоком плазмы, столбом электрической дуги и электрическим током, обеспечивая КПД в диапазоне 60-70 %. Второй случай примечателен тем, что воздействие на изделие осуществляется только плазменной струей, вследствие того, что столб электрической дуги образуется лишь внутри сопла, доходя по его внутренней поверхности до выходного среза. В связи с этим, такой способ дает КПД, не превышающий 30-40 %.

Факторы, влияющие на технологичность процесса плазменной резки

Рассмотрим основные особенности плазменной резки, благодаря которым она получила широкое применение в обработке металла.

Скорость

Зависит, в первую очередь, от интенсивности выплавления металла. При толщине подаваемого материала до 25 мм, быстрота операции плазменной резки выше чем скорость других способов обработки металла (например, кислородно-газовой резки) почти в 2 раза. С уменьшением толщины материала преимущество плазменной резки возрастает еще больше. Сквозной прожиг металла с помощью плазменной резки осуществляется за секунды, в то время как устройствам кислородно-газовой резки необходимо предварительно нагревать металл, что увеличивает время выполнения этой операции в десятки раз. Так же следует учитывать, что плазмотроны используются на станках с ЧПУ. Это положительно сказывается как на скорости резки, так и на качестве.

Качество

Сегодняшние установки для плазменной резки с ЧПУ допускают позиционирование рабочего тела плазмотрона (электрической дуги со струей плазмы) с большой точностью (до 0.5 мм) и осуществляют резку по загружаемым в них электронным шаблонам, что также исключает возможные неточности в контуре получаемого изделия. Плазмотроны практически не образуют окалин и натеков, вследствие того, что жидкий металл, образующийся на кромках, смывается потоком плазмы. В сравнении с кислородно-газовой резкой, плазменная резка не подвергает деформациям тонкие листы металла, образует малую зону нагрева материала и гарантирует высокое качество и низкую шероховатость плоскости реза.

Универсальность

Технологический процесс плазменной резки дает возможность обрабатывать любой проводящий материал: медь, алюминий, нержавеющую и низкоуглеродистую сталь, чугун, титан и другие металлы. В отличие от кислородно-газовой резки, основанной на сгорании (или окислении) металла и подходящей, таким образом, только для черных металлов. Необходимая настройка параметров резки для каждого отдельного вида материала разной толщины (сила тока, расход плазмообразующего газа) производится с помощью станков с ЧПУ.

Дешевизна

На общую дешевизну операций плазменной резки влияют следующие факторы:

Учитывая перечисленные достоинства, плазменная резка является одной из высокотехнологичных операций обработки металла, но может применяться с успехом только при использовании материалов толщиной до 120 мм, что обусловлено самим принципом работы плазмотронов.