Плазменная резка металла: технология, применение, преимущества

Содержание:

1. Особенности метода
2. Оборудование для плазменной резки
3. Какой газ надо применять
4. Какие материалы можно обрабатывать
5. Преимущества технологии
6. Настройка параметров для эффективной резки плазмой
7. Применение плазмореза
8. Цены на услуги резки плазмой
9. Вопросы и ответы

Плазменная резка металла применяется в промышленности уже около 75 лет, но последние годы была усовершенствована. Плазморезы с успехом заменили неудобные газовые резаки. Они быстро, качественно и экономично обрабатывают материал разной толщины и имеют разные размеры и мощность. В этой статье расскажем все о плазменной резке и о том, насколько она полезна в производстве. 

Особенности метода  

При включении плазмореза и нажатии кнопки на резаке между электродами возникает электрическая дуга температурой до 5000 градусов. Затем к горелке подается газ, который там ионизируется и достигает температуры 30 000 градусов, образуя плазменную струю. Дежурная электрическая дуга гаснет, и при поднесении сопла к поверхности материала появляется рабочая дуга, которая замыкается между соплом и металлом. 

Плазменный поток при плавном передвижении горелки режет металл быстро и аккуратно. Оплавленные остатки материала сдуваются плазмой, а после выключения дуги — воздухом. Облой на обработанной детали можно сбить инструментом. При этом лучший эффект достигается при перпендикулярном положении плазмотрона относительно поверхности металла. В ином случае оборудование быстро изнашивается,а рез получается слишком широким. 

Плазма представляет собой ионизированный газ, который нагнетается под давлением 8 атмосфер и нагревается до температуры в несколько десятков тысяч градусов. Плазма обладает электропроводностью и скоростью до 1500 мм/сек. Именно эти характеристики вещества позволяют использовать его для резки металла. 

Плазменную резку производят тремя способами: воздушно-плазменным, газо-плазменным и лазерно-плазменным: 

• Воздушно-плазменный использует в качестве рабочей среды воздух, который соединяется с электродугой;
• Газо-плазменный использует газ или водяной пар, и здесь таже требуется воздействие электродуги;
• Плазменная лазерная резка комбинирует лазерную и плазменную технологии для совершения раскроя. Это возможно в специальных станках с ЧПУ, которые могут обрабатывать небольшие тонкие заготовки лазером, а большие и толстые — плазмой.

Чем толще металл, выше скорость и сила тока, больше размер сопла и количество подаваемого газа, тем шире будет рез у аппарата. Толщина заготовки также влияет и на производительность работы. Тонкие листы режутся быстрей, чем толстые. Но даже бытовые аппараты достигают скорости 1-5 м в минуту.

Аппараты плазменной резки

Оборудование для распространенной воздушно-плазменной резки состоит из воздушного компрессора, источника питания и плазмотрона — горелки с соплом, которая подсоединяется к аппарату шлангом для подачи воздуха и кабелем для подачи тока.

• Компрессор может быть внутренний и внешний. Последний имеет больший объем и предназначен для промышленных масштабов работы. Аппарат с внутренним компрессором компактный и мобильный.

• Источник питания бывает трансформаторным или инверторным. Трансформаторы больше весят и расходуют больше энергии, но позволяют резать толстый листовой металл и меньше реагируют на скачки напряжения. Инверторы обеспечивают более стабильную электродугу, но больше подходят для резки тонких заготовок. Они успешно используются в небольших цехах и на частных предприятиях.

• Резак — основной элемент плазмореза, который называется плазмотрон. В нем находится сопло, электрод, канал для воздуха. Именно в плазмотроне образуется электродуга и плазма.

• Электрод чаще всего делают из гафния. На этом металле во время работы плазмореза образуются оксиды, защищающие электрод от разрушения. 

• Сопло предназначено для формирования плазменной струи, и обычно эта деталь имеет диаметр 3 мм. Чем длинней сопло, тем тоньше и чище рез получается у плазмотрона, но слишком большая длина отрицательно влияет на долговечность детали.

Существуют плазморезы бытового и промышленного назначения. Бытовые приборы имеют небольшой размер и подключаются к источнику электропитания 220 В. Обычно это аппараты для ручной резки, на весу. Промышленные представляют собой большие системы машинной резки с ЧПУ, рабочим столом и направляющими, которым необходим источник питания 380 В. 

Оборудование для плазменной резки отличается по принципу поджига искры и по типу охлаждения. В контактных плазмотронах небольшой мощности дуга возникает между катодом в сопле резака и анодом детали. При пневматическом поджиге искра возникает уже внутри резака, на металл напрямую воздействует только плазма. Есть также вариант высокочастотного поджига, когда дуга образуется благодаря осциллятору, находящемуся внутри источника тока.

Охлаждается резак с помощью сжатого воздуха, рабочего газа или жидкости. Охлаждение воздухом распространено в простых бытовых аппаратах, водяное охлаждение — более быстрое, им оснащены более дорогие и мощные станки.

При выборе плазмореза надо ориентироваться на толщину металла, который придется резать. Чем больше толщина, тем больше сила тока должна быть у аппарата. Например, для раскроя 4 мм стали потребуется сила тока 20 ампер. Также нужно учитывать время, которое плазморез работает без перерыва. Хороший показатель 50-60%. Это значит, что аппарат работает 5-6 минут из 10, а затем ему нужно 5-4 минуты на технологический перерыв. Однако это не касается автоматизированных систем, продолжительность включения которых составляет 100%.

Плазмой можно как резать, так и сваривать металлы. Для сварки понадобится присадочная проволока и инертный газ. 

Какой газ надо применять

Для образования плазменного потока через сопло и электрод подается газ, с выбором которого связаны свойства плазмы. 

• Сжатый воздух применяют, чтобы резать черные металлы. Цветные металлы легко окисляются, поэтому для их резки нужен другой газ. 

• Аргон, азот, водород используются для обработки алюминия и других цветных металлов и сплавов, так как эти газы не реагируют с металлом и защищают его от окисления. Также для этих металлов подходит водяной пар.

• Смесь из нескольких перечисленных позволяет увеличить качество раскроя в каждом конкретном случае. Для резки цветных металлов и сплавов, кроме титана, применяют азотно-кислородную и аргоно-водородную смеси;

В зависимости от среды, в которой совершается плазменная резка, выделяют несколько ее типов:

• с воздухом или азотом при подключении тока,
• с плазмообразующим или защитным газом, чтобы повысить качество среза,
• с водой, которая защищает края от окисления вместо газа, охлаждает их и смывает токсичные выделения.

Плазменная резка с использованием сжатого воздуха для защиты и плазмообразования допускает толщину разрезаемого металла до 10 мм из-за небольшой электродуги. Кромки, обработанные воздухом, получаются гладкими, а на их поверхности меняется концентрация азота. 

Какие материалы можно обрабатывать

Плазморезы подходят для раскроя листов из цветных металлов и нержавейки, а также черных металлов толщиной до 100 мм. Плазме доступен и раскрой труб — круглых и профильных. Для резки можно предоставить свой металлопрокат или взять на складе компании по металлообработке. 

• Низкоуглеродистые стали лучше всего поддаются резке плазмотроном;
• Высокоуглеродистые и оцинкованные стали хорошо режутся плазмой при точной настройке параметров;
• Легированные и нержавеющие стали нуждаются в подаче смеси газов — азота, аргона и водорода — в ходе операции;
• Цветные металлы — титан, медь, бронза, латунь, алюминий — требуют бОльшей мощности тока и также обработки газовой смесью.

Плазморез эффективно раскраивает также чугун и бетон. При этом для раскроя чугуна и черных металлов подойдет аппарат с силой тока 4 А, а для цветных металлов уже понадобится 6 А.

Таким образом, плазма качественно раскраивает большинство  металлов в широком диапазоне толщин. При этом резка высокотеплопроводных цветных металлов более сложная по технологии. Она требует внимательной настройки параметров и контроля операции. Кроме того, обработка цветных металлов стоит дороже.

Преимущества технологии

Плазменная резка обладает большинством преимуществ лазерной, но имеет и свои ограничения. Среди плюсов:

• универсальность — плазма справляется с раскроем даже тех материалов — металлов и неметаллов, свойства которых обычно усложняют резку. Разделяет листы и трубы, вырезает отверстия и сложные геометрические фигуры. При этом есть плазморезы, которые режут очень толстые заготовки;

• скорость — при разрезании металлических листов от 6 мм плазма режет со скоростью, примерно равной скорости лазера, и конечно, гораздо быстрее газового резака;

• соотношение “скорость-точность-качество” — на достаточно высокой скорости горелка плазмореза оставляет точно выполненные срезы без заусенцев;

• экологичность — при раскрое плазмой практически не происходит выброса токсичных веществ;

• безопасность — использование плазмореза не нуждается в газовых баллонах, которые иногда могут взрываться;

• ускорение работы благодаря резке без предварительного нагрева заготовки;

• легкая обработка широких листов, так как возможна резка под разными углами к поверхности изделия;

• плазма успевает нагреть небольшой участок материала во время обработки, поэтому он остывает быстрей, чем после других видов раскроя.

Ограничение плазменной резки состоит в сложности оборудования, которое нужно технически грамотно обслуживать и применять. Кроме того, при подаче газа на высокой скорости под давлением оборудование издает громкий шум. Впрочем, перечисленные достоинства метода вкупе с экономической выгодой и разнообразием станков успешно компенсируют его недостатки.

По результату воздействия на материал плазменный резак сравнивают с ножом, который недалеко отстоит лазерной, скальпельной обработки. У плазмотрона такая же высокая точность скоса, легкость при раскрое сложных и мелких деталей, небольшая площадь термического воздействия, гладкие края среза и почти полное отсутствие окалины. 

Настройка параметров для эффективной резки плазмой

Чтобы плазменная резка металла демонстрировала все свои преимущества, важно контролировать и технологию, и параметры раскроя. Ключевые настройки для этой операции — температура плазмы и скорость плазменной струи. И оба этих показателя взаимосвязаны с толщиной и характеристиками обрабатываемого материала. 

Для 4-миллиметрового алюминиевого листа нужны совершенно другие настройки, нежели для углеродистой стали толщиной 1 мм. Дополнительная регулировка параметров может понадобиться во время прохода, чтобы получить рез высокого качества и снизить количество отходов.

Есть несколько моментов, которые позволяют улучшить результат раскроя плазмой после проведения тестового раскроя:

• оптимальная скорость — на тестовом срезе видны вертикальные линии задержки, расположенные перпендикулярно горизонтальной поверхности заготовки; 
• оптимальный режим — необходимая толщина должна быть ближе к середине диапазона. По возможности — использовать кислород как плазмообразующий газ;
• очищение и осушение воздуха и газа — компрессор и источник питания нужно разделить осушителем, влагоотделителем и маслоотделителем. Это улучшит качество реза и продлит эксплуатацию расходников;
• контроль расходных материалов — оригинальность и не изношенное состояние сопла, электрода и завихрителя — залог качества обработки;
• правильное направление реза — по часовой стрелке вырезают круг, против часовой — отверстие;
• контроль высоты резака — не слишком большое и не слишком маленькое расстояние резака от поверхности металла поможет снизить косину и сберечь резак;
• соотношение параметров для отверстий — нужно соблюдать минимальное соотношение диаметра отверстия и толщины металла, разное для разных систем плазменной резки: от 1:1 до 2,5:1. 
• устранение окалины — нужно уменьшать или повышать скорость раскроя и силу тока в зависимости от причин появления окалины, одновременно проверяя состояние сопла.

Таким образом, эффект при раскрое плазмой достигается благодаря знанию принципов и технологии процесса, а также возможностям оборудования. Современные тенденции развития этого способа металлообработки таковы, что роль человека в процессе работы будет уменьшаться. Аппараты и станки ЧПУ получают все больше автоматизированных функций, совершенствуется система фокусировки плазмы и управление. В то же время плазменная резка в своем развитии дополняется другими новыми технологиями: лазерной, ультразвуковой обработкой, 3D-печатью, роботизированными комплексами.

Применение плазмореза

Резка плазмой — универсальный способ раскроя металла, который подходит и для труб, и для металлических листов. Кроме того, плазморез точен при вырезании сложных фигур и отверстий. 

• Трубы. Плазмой можно резать трубы с разной формой сечения. Этой цели отлично служат автоматизированные труборезы с центраторами и приводами, передвигающими резак по трубе. Такие труборезы также предназначены для очистки швов, снятия фаски и разделывания кромок.
• Листовой металл. Плазма отлично раскраивает тонкие и толстые заготовки из всех, используемых в производстве металлов. Однако эффективность при операциях с тонким металлом делает особенно востребованной резку именно таких листов. А резку толстых деталей из теплопроводных цветных металлов плазма не осилит.
• Фигурная резка. Автоматизированный плазморез легко создает сложные узоры и фигуры на металлических листах толщиной до 100 мм. При этом на поверхности заготовки может быть любое покрытие — оно не помешает операции, которая совершается при температуре около 30 000 градусов. 
• Отверстия. Современные плазморезы используются для проделывания отверстий под соединительные болты. Их качество при этом не уступает качеству отверстий, выполненных лазером. Только минимальный размер отверстий больше, чем тех, что может вырезать лазер.
• Бетон, железобетон и камень. Все больше получает распространение плазменная резка высокопрочных материалов толщиной до 100 мм. Она выполняется только плазменной струей, так как эти поверхности плохо проводят ток, и требует дополнительного оборудования, а также серьезных навыков в такой работе. При этом глубина реза получается не слишком большой.
• Чугун. По производительности плазморезы идеальны для обработки чугуна в тяжелом машиностроении и других похожих отраслях. Метод экономичен и удобен для решения трудозатратных задач.
• Сталь. Подходящим методом можно назвать плазменную резку и для листовой стали малой и средней толщины. В том числе, нержавеющей, которую не берет кислородная резка. При быстром и точном прожиге стали плазморезом на краях почти не бывает грата. 

Основные сферы производства, в которых используются режущие возможности плазмы —  это конструктивные строительные элементы, трубы и фланцы для трубопроводов, металлические детали для промышленности и заготовки для дальнейшей машинной обработки. В каждой из этих отраслей требуется высокая скорость, точность и качество реза.

• Строительство. Плазморез позволяет изготавливать прочные детали мостов, опор, кронштейнов и других металлоконструкций.
• Трубопроводы. Метод эффективен в производстве труб и фланцев для газовой и нефтяной отраслей, при изготовлении водопроводных и канализационных труб. Благодаря качественной обработке швов трубы получаются более износостойкими. 
• Автомобилестроение, авиастроение и судостроение. При помощи плазмореза создают детали для строительства транспорта и комплектующие для производственного оборудования. Автоматизация позволяет обеспечить повторяемость таких изделий в большой партии.
• Заготовки для металлических изделий. Плазморез применяется для раскроя больших листов металла для заготовок, которые в дальнейшем остается подвергнуть только токарной и фрезерной обработке, чтобы получить готовое изделие широкого назначения.

Цены на услуги плазменной резки

Стоимость работы складывается из затрат на электроэнергию, расходные материалы (сопла и электроды) и зарплату оператора. Также в эту величину нужно вкладывать амортизацию станка. Например, плазменная резка металла с ЧПУ будет стоить 7,6 рубля при толщине материала 10 мм, скорости операции 2260 мм в минуту, стоимости электроэнергии 5 р за кВт/ч, зарплате оператора 35 000 рублей в месяц.

Цена услуги зависит от толщины и физико-химических свойств металла, а также от сложности и объема работы. Она повышается с увеличением толщины материала и сложности заказа и понижается с увеличением партии. Примерная стоимость раскроя плазмой представлена в таблице:

* Стоимость рассчитывается за метр погонный с учетом НДС.