Ручная плазменная резка – мобильность высоких промышленных технологий

1 Особенности аппаратов и технологии плазменной резки

Плазменная резка – термический процесс разделительной обработки материалов, происходящей за счет их плавления. В качестве режущего исполнительного инструмента используется струя низкотемпературной плазмы, которую получают следующим образом. Между электродом плазменного аппарата и его соплом или разрезаемым металлом создается электрическая дуга, температура которой достигает 5000 °С.

Затем в сопло подается под давлением газ, что приводит к повышению температуры электрической дуги до 20 000 °С, в результате чего газ ионизируется и преобразуется в низкотемпературную плазму (высокотемпературный газ). Ионизация при нагреве от дуги возрастает, что ведет к повышению температуры газовой струи до 30 000 °С. При этом поток плазмы ярко светится, обладает высокой электропроводностью, проистекает из сопла со скоростью 500–1500 м/с, попадая на заготовку, локально ее разогревает и плавит в месте реза.

Для получения плазмы используют следующие газы:

• воздух;
• кислород;
• азот;
• водород;
• аргон;
• водяной пар.

Охлаждение сопла и удаление с поверхности реза расплавленных частичек материала осуществляется потоком газа или жидкости. Толщина разрезаемого плазменными установками металла может достигать 200 мм.

Эта технология крайне редко используется в быту, зато получила широкое распространение в различных промышленных отраслях. Плазменным аппаратом можно качественно, быстро, легко разрезать любой металл и другие материалы – пластик, камень. Благодаря этому, его используют в судостроении, машиностроении, коммунальной сфере, для ремонта техники, изготовлении рекламы и многого другого. Получаемый срез всегда аккуратный, ровный и красивый.

2 Основная классификация плазменного оборудования для резки

Все устройства для плазменной резки делятся на:

• косвенного действия – для бесконтактной резки;
• прямого действия – для контактной.

Резаки первого типа используются для обработки неметаллических материалов. Такая техника является специфической и не востребована вне производства. При бесконтактном способе электрическая дуга зажигается между электродом и соплом плазмотрона.

Устройствами прямого действия режут различные металлы. При работе с ними разрезаемая деталь включена в электрическую схему плазменного аппарата, и электрическая дуга зажигается между ней и электродом, расположенном в сопле. Поток ионизированного газа подвергается нагреву на всем участке между местом своего выхода и поверхностью заготовки – струя плазмы обладает большей мощностью, чем в устройствах первого типа. Ручная плазменная резка металла выполняется только с помощью оборудования данного типа, контактным способом.

3 Устройства для ручной плазменной резки металлов

Они состоят из плазмотрона, источника питания, набора кабелей и шлангов, с помощью которых производится соединение плазмотрона с источником питания и газовым баллоном или компрессором. Плазмотрон (плазменный резак) – главный элемент такого оборудования. Иногда по ошибке так называют весь аппарат. Возможно, это обусловлено тем, что применяемые для плазмореза источники питания не отличаются от подобных им устройств и могут использоваться вместе со сварочным оборудованием. А единственным элементом, который отличает плазменный аппарат от другого устройства, и является плазмотрон. Его основные составляющие:

• сопло;
• электрод;
• термостойкий изолятор, расположенный между ними.

Плазмотрон – это оборудование, которое энергию электрической дуги преобразует в тепловую энергию плазмы.Внутри его корпуса имеется цилиндрическая камера с выходным каналом (соплом) очень маленького диаметра. В тыльной части камеры установлен электрод, который служит для образования электрической дуги. Сопло отвечает за скорость и форму потока плазмы. Аппарат ручной плазменной резки применяется для раскроя металла вручную – оператор держит плазмотрон в руках и ведет его над линией реза.

Так как рабочий инструмент находится все время на весу, и поэтому может быть подвержен перемещениям из-за непроизвольных движений исполнителя, это неизменно отражается на качестве раскроя. Рез может быть неровным, с наплывами, следами рывков и так далее. Для облегчения и улучшения качества работы существуют специальные подставки, упоры, надеваемые на сопло плазмотрона. Они позволяют поставить оборудование непосредственно на заготовку и вести его вдоль линии реза. Зазор между металлом и соплом в этом случае всегда будет соответствовать предъявляемым требованиям.

При ручной резке плазмообразующим и защитным (для охлаждения сопла и удаления продуктов резки) газом может быть воздух или азот. Они подаются от магистрали, баллона или встроенного в оборудование компрессора.

4 Источники питания ручных плазменных аппаратов для резки

Все источники питания ручных аппаратов работают от электросетей переменного тока. Большинство из них преобразуют получаемую электроэнергию в напряжение постоянного тока, а остальные служат только для усиления переменного тока. Такое распределение обусловлено тем, что у плазмотронов, работающих на постоянном токе, более высокий КПД. Переменный ток применяется в ряде случаев – к примеру, для раскроя алюминия и сплавов из него.

Источником питания может служить инвертор или трансформатор, подающий на плазмотрон ток большой силы. Инверторы обычно используют на маленьких производствах и в быту. Они обладают меньшими габаритами, весом и в энергопотреблении намного экономнее, чем трансформаторы. Инверторы чаще всего входят в состав ручного аппарата для плазменной резки. К достоинствам инверторных устройств относят КПД, который выше, чем у трансформаторных, на 30 %, и стабильное горение электрической дуги, а также компактность и возможность проводить работы в любых труднодоступных местах.

К недостаткам – ограничение по мощности (максимальная сила тока обычно составляет 70–100 А). Как правило, инверторные аппараты используют при разрезании заготовок сравнительно небольшой толщины.

Трансформаторные источники питания получили свое название из-за используемых в их конструкции низкочастотных трансформаторов. Они обладают гораздо большими габаритами и массой, но при этом могут иметь и более высокую, чем инверторные источники, мощность. Трансформаторные аппараты применяют для ручной и механизированной резки металлов различных толщин. Они более надежны, потому что при скачках напряжения не выходят из строя. Продолжительность их включения выше, чем у инверторных аппаратов, и может достигать значений в 100 %.

Продолжительность включения (ПВ) оказывает прямое влияние на специфику работы с оборудованием. Например, если ручная плазменная резка металла, оборудование для которой имеет ПВ 40 %, длилась без перерыва 4 минуты, то затем аппарату необходимо дать 6 минут отдыха для того, чтобы он остыл. Устройства с ПВ 100 % используют в производстве, где аппарат эксплуатируется на протяжении всего рабочего дня. Существенный недостаток трансформаторного оборудования – высокое энергопотребление.

5 Принцип работы аппаратов для ручной плазменной резки

После того, как установка ручной плазменной резки собрана (произведены все подключения и соединения ее элементов), металлическую заготовку подсоединяют к аппарату (инвертору или трансформатору) предусмотренным для этого кабелем. Оборудование подключают к электросети, плазмотрон подносят к обрабатываемому материалу на расстояние до 40 мм и производят зажигание дежурной (инициирующей ионизацию) электрической дуги. Затем открывают подачу газа.

После получения плазменной струи, которая обладает высокой электропроводимостью, в момент ее соприкосновения с металлом образуется рабочая (режущая) электрическая дуга. Одновременно автоматически отключается дежурная. Рабочая дуга поддерживает непрерывность процесса ионизации подаваемого газа, образования плазменного потока. Если она по какой-то причине погаснет, то требуется прекратить подачу газа, заново включить плазменный аппарат и зажечь дежурную дугу, а после этого пустить газ.