Аппараты для плазменной резки – ни один металл не устоит!

1 Какое оборудование используется для плазменной обработки?

Под резкой потоком плазмы понимают операцию нагрева локального участка стальной или металлической заготовки. Такой процесс ведется целенаправленно при помощи плазменного резака, называемого иначе плазморезом. Возможность разрезания металла обеспечивается наличием на нем плазмотрона – насадки особого вида, оснащенной специальным электродом (стержнем для сварки).

В плазмотрон направляется воздух в сжатом состоянии либо другой плазмообразующий газ, аппарат включают, в нем образуется ток, необходимый для проведения сварки или разрезания материалов. Этот ток нагревает стержень. После чего осуществляется розжиг дуги, которая преобразовывает газ в высокотемпературный (вплоть до 30 тысяч градусов) плазменный поток. Именно он и позволяет практически мгновенно разрезать заготовку при помощи аппаратов для плазменной резки.

Все оборудование для плазменной резки металла можно отнести к одному из трех видов: аппараты; установки; машины. Аппараты используются для ручной обработки материала, а установки и машины – для автоматической резки и сварки. Поэтому последние из указанных обычно применяются на промышленных предприятиях, где требуется высокая мощность и производительность оборудования. При этом и ручные, и автоматические плазморезы обеспечивают идентичные преимущества резки металлических деталей.

Они гарантируют:

• отличную эффективность выполнения операции;
• возможность разрезания практически любых металлов, включая медь, нержавеющую сталь, алюминий;
• безупречное качество среза, выраженное в отсутствии облоя и наплывов, явления коробления, а также в малой ширине получающегося шва.

Разрезанные плазмотроном заготовки можно впоследствии соединять по любой технологии сварки, не выполняя промежуточную подготовку их отрезанных кромок.

2 Что представляет собой стандартный плазменный резак?

Такой резак (горелка для резки, плазмотрон) подсоединяется к источнику тока и выполняет важную функцию, заключающуюся в формировании необходимого для выполнения запланированной операции плазменного потока. Любая современная плазменная горелка состоит из следующих компонентов:

• сопло (в нем происходит образование плазменной струи или дуги);
• электрод с держателем;
• системы снабжения агрегата водой и газом;
• специальный изолирующий элемент, который отделяет друг от друга сопловый и электродный узел;
• камера (дуговая) для создания плазмы, требуемой для сварки и резки.

Режущая дуга в аппаратах для плазменной резки, как было сказано, создается соплом. Его размеры и форма устанавливают рабочие свойства и параметры потока. Время эксплуатации установки зависит от сохранности размеров и формы соплового канала. При увеличении его длины и уменьшении сечения режущие возможности установки, концентрация энергии и скорость плазменного потока повышаются.

Сопла обычно делают из чистой меди. Теплопроводность меди очень высока, поэтому сопло из нее функционирует долго и надежно в условиях сильнейших тепловых напряжений. При выборе расхода газа и силы тока для резки обращают внимание на протяженность и сечение сопла. А охлаждают данный элемент плазмотрона водой (допускается использовать газовое охлаждение сопла, но только тогда, когда применяется дуга малой мощности).

Некоторые современные плазморезы располагают особым узлом завихрения. Он дает возможность направлять в дуговую камеру плазмообразующий состав по тангенциальной (иначе говоря – вихревой) схеме. В камере происходит сжатие рабочей струи (смотрите видео процесса), а затем и ее эффективная стабилизация.

Описываемые нами горелки разделяют на четыре типа:

• со стабилизацией дуги по газожидкостной методике;
• предназначенные для окислительных газов;
• используемые с восстановительными и инертными газами;
• двухпоточные (позволяют работать со всеми газами).

На производственных объектах, а также для решения бытовых задач чаще всего используются горелки для восстановительных (водород и азот) и нейтральных газов (гелий и аргон). Устроены подобные аппараты для плазменной резки таким образом: дуговой отсек формируется катодным и сопловым узлом (они являются изолированными).

В одном из концов отсека располагается катод (электрод) для сварки, изготовленный из вольфрама. Его в обязательном порядке стабилизируют при помощи тех или иных специальных добавок – в основном применяются оксиды тория, иттрия и лантана. Указанные соединения увеличивают показатели стойкости стержня против его реакции с воздухом и кислородом – подобное взаимодействие наблюдается при повышенных температурах сварки и резки металлов.

3 В каком виде изготавливаются катоды для плазмотронов?

Вольфрамовые электроды, принцип использования коих вы можете посмотреть на видео процесса разрезания металлических заготовок, в большинстве случаев производят в виде:

• вставок цилиндрической формы длиной не более 6 мм и диаметром до 3 мм;
• стержней длиной от 5 до 15 сантиметров и сечением не более 6 мм.

Мы советуем посмотреть на нашем сайте видео того, как эксплуатируются аппараты для плазменной резки, снабженные стержневым электродом из стабилизированного вольфрама. Это позволит вам заметить, что катод в плазмотронах фиксируется в цангах либо зажимах, причем в данном случае подача рабочей среды осуществляется соосно к стержню.

Также на видео хорошо виден рабочий участок катода, который всегда выполняется немного заостренным. Это делается для того, чтобы пятно дуги было надежно зафиксировано, а сама дуга при этом имела при малом напряжении большую протяженность. Без таких особенностей дуги невозможно произвести разрезание заготовок большой толщины, да и сам процесс ручной резки плазмотроном при других характеристиках пятна будет затруднен.

В последние годы активно стали использоваться и катоды-вставки гильзового типа. Их гильзы делают из металла с хорошими теплопроводными свойствами (например, из меди), а саму вставку, которая помещается в гильзовый канал, из гафния или циркония (материалов, относящихся к группе тугоплавких). Конец такого катода выполняют плоским, а хвостовую часть гильзы активно охлаждают обычной водой либо воздухом. Охлаждение, в принципе, является необязательным, но оно существенно повышает время работы катода-вставки.

Особенность описываемого элемента заключается в том, что газовый закрученный поток эффективно стабилизирует дугу, закрепляя ее активное пятно в центре катода. Любой тип аппарата для плазменной резки, функционирующий на сжатом воздухе, использует именно подобные приспособления, называемые пленкозащитными катодами, так как они прекрасно предохраняют от испарения расплав чистого металла за счет создания нитридной и оксидной тугоплавкой пленки.

Добавим, что для работ в окислительных средах в некоторых случаях применяются медные цилиндрические катоды пустотелого типа. Они требуют активного водного охлаждения. Данные катоды не разрушаются за счет использования вихревого принципа стабилизации дуги для сварки и резки. Он создается специальным завихрительным механизмом плазменного резака.

4 Плазморезы с двумя соплами и с газожидкостной стабилизацией дуги

Агрегаты для плазменной резки с двумя соплами называют двухпоточными. У них есть два сопла – защитное (наружное) и внутреннее. Принцип их работы понятен из видео – в сопла подается газ (во внутреннее – первичный, в защитное – вторичный), который для каждого сопла может характеризоваться различным расходом, назначением и составом.

Рассматриваемые плазморезы оснащаются как пленочными, так и стержневыми катодами. Если применяются вторые, их защита обеспечивается поступающим во внутреннее сопло аргоном либо азотом. А вот кислород или воздух, которые подаются в наружное сопло, выполняют функцию окислительной рабочей смеси. При подобной схеме (смотрите видео) за стабилизацию дуги отвечает газ-окислитель, а в плазму преобразуется почти весь защитный газ. При использовании пленочных катодов удается достичь повышенного содержания кислорода в струе плазмы.

Аппараты для плазменной резки, в которых принцип стабилизации дуги является газожидкостным, описываются таким же строением, как и другие плазмотроны. Единственное их конструктивное отличие состоит в наличии комплекса каналов в сопловом узле. Эти каналы необходимы для обеспечения дугового сжатого столба водой. Ее объем должен быть таким, чтобы жидкость испарялась при резке полностью.

Если дуга стабилизируется при помощи газожидкостных двухфазных потоков, она характеризуется большим режущим потенциалом (так как в столбе отмечается повышенная концентрация энергии). При этом металлические кромки при резке такой дугой мало насыщаются азотом, а охлаждение сопла является намного более качественным, нежели при воздушно-плазменной обработке.

5 Особенности конструкции и использования ручных плазморезов

В комплект аппаратов для плазменной резки входит источник питания и непосредственно плазменный резак. Подача газа, требуемого для формирования рабочего пламени, осуществляется от баллона, компрессора, интегрированного в агрегат, а также от газовой магистрали.

В зависимости от применяемого источника питания интересующее нас оборудование делят на инверторные аппараты плазменной резки и на трансформаторные. Более мощными, как правило, являются трансформаторные источники (по аналогии с теми, которые используются для плазменной сварки). Но их габариты и масса зачастую весьма большие, поэтому использовать их не всегда удобно, если речь идет о ручной резке или сварке. Трансформаторы разумнее эксплуатировать при механизированных операциях.

Инверторные источники по своим параметрам и весу намного меньше трансформаторных. Они потребляют сравнительно мало энергии. Недостатком инверторов считается то, что они подходят для резки (сварки) изделий с малыми толщинами. Связано это с ограничениями их наибольшей мощности. Очень трудно найти инвертор, который мог бы выдавать более 100 ампер тока (подавляющее большинство подобных аппаратов для плазменной резки обеспечивают ток на уровне 70–80 ампер).

Современные агрегаты плазменной резки пользуются популярностью благодаря тому, что они при скачках напряжения гарантируют стабильность тока. Достигается это за счет реализации в них особого внешнего вертикального либо крутопадающего вольт-амперного параметра, который образуется при эксплуатации специальных тиристорных управляющих схем и насыщающих дросселей. Данные элементы способны функционировать в цепях с тремя фазами, что обуславливает необходимость применения выпрямителей.

Почти все современные питающие источники для резки металлов плазменным потоком используют прямой по полярности постоянный ток. Именно он гарантирует максимально возможный коэффициент полезного действия описываемых установок. Переменный ток рекомендуется применять только в тех ситуациях, когда требуется обработка сплавов алюминия либо изделий из чистого алюминия.

6 Небольшой обзор популярных агрегатов для плазменной резки и сварки

Отечественный рынок предлагает достаточно широкий ассортимент подобного оборудования. На нем есть хороший выбор агрегатов российских производителей, а также продукция зарубежных брендов.

При выборе аппарата нужно тщательно изучить все технические характеристики и особенности предлагаемых плазморезов. Если в интернете имеются их видео-обзоры, имеет смысл посмотреть такие материалы, чтобы заранее оценить все возможности оборудования. Мы не будем размещать подобные видео-инструкции, но зато коротко расскажем о востребованных аппаратах для плазменной резки.

Начнем обзор с агрегата Плазариум S-3, который можно использовать для плазменной сварки, пайки и резки. Он характеризуется следующими достоинствами:

• инновационными электрическими схемами, способными нивелировать нестабильные показатели напряжения и мощности;
• компактными размерами;
• адаптацией в автоматическом режиме к напряжению на входе в интервале от 100 до 250 В;
• надежным вольт-амперным параметром, гарантирующим стабильное функционирование плазмореза и простоту его запуска;
• современной инверторной архитектурой;
• возможностью подключения агрегата к дизельным и бензиновым станциям и даже к автомобильной бортовой сети (в последнем случае необходимо приобрести специальный преобразователь мощностью более 3,5 киловатт).

За счет всех указанных достоинств Плазариум S-3 годится для использования и в стационарных, и в полевых условиях. Не меньшей популярностью пользуются и различные модели инверторных плазменных установок под маркой ESAB серии PowerCut (650, 875, 1500) и OrigoCut 35i. С их помощью можно разрезать листы и изделия из алюминия, углеродистой и нержавеющей стали, многих других металлов.

Длительность непрерывного включения данных установок варьируется в пределах 27–100 процентов (все зависит от выбранной силы тока). Они могут без проблем разрезать алюминий и углеродистые стали толщиной 1–4 мм, "нержавейку" от 0,6 до 2,9 см. Минимальный рабочий ток отмечается у аппарата OrigoCut 35i (35 А), максимальный – у PowerCut 1500 (90 А).

Также несколько слов скажем об инверторном оборудовании других производителей:

• Powermax от компании Hypertherm. Широкая линейка плазморезов с азотом или воздухом в качестве плазмообразующих газов. В ассортименте имеются аппараты для машинной резки и несколько видов ручных резаков, которые имеют неплохие технические характеристики. При ручной обработке материалов допускается разрезать материалы толщиной до 10 миллиметров.
• BRIMA LGK. Агрегат для эффективной обработки "нержавейки" и других металлов толщиной не более трех сантиметров. Он отличается постоянным током при выполнении операции и надежным управлением с обратной связью.
• Energocut и АПР от предприятия Энерготехника. Известные агрегаты, используемые на многих российских производствах. С ними работают и в бытовых условиях (серия "АПР"), подключая оборудование к 220-вольтной сети.