Принцип работы плазменной резки

Как устроен аппарат плазменной резки?

Главные элементы аппаратов плазменной резки металла – плазмотрон, источник электропитания и так называемый кабель-шланговый пакет для соединения с компрессором. В качестве источника питания могут быть использованы инвертор или трансформатор.

Плазмотрон

Это главная часть аппарата плазменной резки. В свою очередь, он состоит из сопла, электрода и изолятора. По своей форме это корпус с камерой цилиндрической формы и малым выходным каналом, в котором формируется дуга. Электрод находится с тыла камеры, его функция – возбуждение дуги.

Электроды

Это специальные расходники, сделанные именно для резки металла. Чаще их производят из циркония, тория или гафния. Самые распространенные – из гафния.

С бериллием и торием нужно быть поосторожнее – эти элементы обладают радиоактивным компонентом.

Все эти элементы отличаются тем, что на их поверхности формируются оксиды с тугоплавкими свойствами. Эти оксиды как раз и защищают электрод от разрушения.

Розжиг или возбуждение дуги напрямую между электродом и металлической заготовкой произвести сразу трудно. Поэтому первым делом разжигается промежуточная дуга между электродом и плазмотроном. Затем воздух под давлением проходит чрез дугу, ионизируясь и нагреваясь.

Схема устройства плазменного резака.

В итоге объем этого воздуха повышается в объеме во много раз, он превращается в поток плазмы. Плазма вырывается из суженого конца сопла с огромной скоростью и высочайшей температурой вплоть до 30000°С.

Такому потоку все по силам, в дополнение ко всему он обладает очень высокой теплопроводностью – практически такой же, как у металла заготовки, которую нужно резать.

Настоящая дуга – та самая, которая нужна, формируется при выходе плазмы из сопла плазмотрона. Теперь именно эта рабочая дуга является главным режущим фактором.

Сопло плазмотрона

Различается по диаметру, от которого будут зависеть функциональные возможности всего аппарата. Прежде всего эта зависимость касается объема ионизированного воздуха, выходящего из сопла: именно им обусловлены главные характеристики резака – скорости работы и охлаждения, ширина шага реза.

Чаще встречаются сопла с малым диаметром, не превышающим 3-х мм. Зато длина сопла больше – около 10-ти мм.

Защитные газы

Прежде всего эти газы образуют плазму, их даже называют плазмообразующими. Такие газы используются только в мощных промышленных аппаратах для резки толстых металлов. Чаще это гелий, аргон, азот и их различные смеси. Кстати, кислород сам по себе также является защитным и плазмообразующим газом. Он используется в резаках небольшой мощности для резки металлов не толще 50-ти мм.

В плазмотроне расходными материалами являются сопло и электроды. Их нужно менять в положенных сроки.

https://www.youtube.com/watch?v=grj5WCpW9c8

Как сделать плазморез своими руками

Основы плазменной резки понятны, конструкция плазмореза тоже ясна, можно приступать к его сборке. Кстати, для этого не нужны специальные чертежи.

Итак, что будет необходимо.

Нужно найти источник электроэнергии. Самый простой вариант – это сварочный трансформатор или инвертор. По многим причинам инвертор лучше. К примеру, у него стабильное значение тока, без перепадов. Он экономичнее в плане потребления электроэнергии

Обратить внимание придется на ток, который выдает сварочный аппарат. Его значение не должно быть меньше 250 ампер.
Источник сжатого воздуха

Здесь без изменений – компрессор. Но какой? Основной параметр – давление воздуха. На него и надо будет обратить внимание. 2,0-2,5 атм. – будет нормально.
Резак можно приобрести в магазине. И это будет идеальным решением. Если есть в наличии резак для аргонной сварки, то и его можно переделать под плазменную резку. Для этого из меди придется сделать насадку в виде сопла, которая вставляется в резак аргонной сварки.
Комплект шлангов и кабелей, для соединения всех частей самодельного плазмореза. Опять-таки комплект можно приобрести в магазине, как единый соединяющий элемент.

Вот четыре элемента, с помощью которых собирается самодельный плазморез.

Вспомогательные элементы и материалы

На что еще необходимо обратить внимание, собирая аппарат плазменной резки своими руками. Как уже было сказано выше, основная характеристика плазменного резака – это диаметр его отверстия

Каких размеров он должен быть, чтобы качество реза было максимальным. Специалисты считают, что диаметр в 30 мм – оптимальный размер. Поэтому, покупая резак в магазине, нужно обратить внимание, есть ли в его комплекте сопло с таким отверстием.

К тому же надо подбирать сопло со значительной длиной. Именно этот размер дает возможность струе сжатого воздуха набрать необходимую скорость. От чего рез металла получается аккуратным, а сам процесс резки быстрым и легким. Но не стоит приобретать сопло уж очень большой длины. Такое приспособление быстро разрушается под действием высоких температур.

Что касается выбора электрода для плазмореза, то тут необходимо обратить внимание на сплав, из которого он изготовлен. К примеру, если в сплав входит бериллий, то это радиоактивное вещество

Работать с такими электродами долго не рекомендуется. Если в сплав входит торий, то при высоких температурах он выделяет токсичные вещества. Идеальный электрод для плазменной резки, в сплав которого входит гафний.

Достоинства и недостатки плазменной резки

Обработка металлов аппаратами или станками плазменной резки дает в работе целый ряд преимуществ.

1. По сравнению с кислородной горелкой, плазморез обладает более высокой мощностью, и соответственно, производительностью, и по данному параметру уступает только лазерным установкам промышленного масштаба.
2. Плазменная резка выгодна с экономической точки зрения при толщине металла до 60 мм. Для резки материалов с толщиной более 60 мм рекомендуется использовать кислородную резку.
3. Современные плазморезы отличаются высокоточной и качественной обработкой металлов. Срез получается «чистый», с минимальной шириной, благодаря чему, практически не требует дополнительной шлифовки.
4. Также, плазменно-дуговая обработка характеризуется универсальностью применения, безопасностью и низким уровнем загрязнения окружающей среды.

Из недостатков можно отметить скромную толщину среза (до 100 мм), а также невозможность одновременной работы двух плазморезов и соблюдение жестких требований к отклонениям от перпендикулярности среза.

Изготовление плазмореза с ЧПУ своими руками

Плазморез оснащенный ЧПУ должен иметь унифицированную сборку, используя чертежи, выполненные на основе подготовленного технического задания изделия, куда входят:

1. стол рабочий;
2. передача ременная;
3. блок управления функциями;
4. элементы шаговые;
5. направляющие линейные;
6. система регулировки высоты реза;
7. блок управления ЧПУ;

Схема 3. Чертеж устройства инвертора для плазменной резки.

Чертежи всех блоков плазмореза можно приобрести с учетом требуемой мощности и характеристик установки и финансовых возможностей или сделать своими руками при наличии опыта и знаний.

Для комплектования и сборки станка с ЧПУ необходимо, используя чертежи, изготовить ряд элементов:

1. основание для сварки стола;
2. собирается прочная рама с последующей окраской;
3. крепятся опорные стойки;
4. собирается водяной стол;
5. устанавливаются крепления и сами рейки;
6. монтируются направляющие линейные;
7. монтируется облицовка стола;
8. устанавливаются направляющие совместно с порталом;
9. портал оснащается двигателем и сигнальными датчиками;
10. монтируются направляющие, двигатель направляющей Y и зубчатая рейка регулирования позиционирования;
11. монтируется направляющая с оснащением двигателем;
12. монтируется сигнальный датчик поверхности металла;
13. монтируется кран для удаления воды со стола;
14. прокладываются соединительные кабели-каналы X.Z.Y;
15. провода изолируются и закрываются с помощью облицовки;
16. монтируется рабочий резак;
17. собирается и монтируется устройство с ЧПУ.

Проведение операций по изготовлению и сборке плазмотрона с ЧПУ, должны выполняться только при наличии квалифицированных специалистов. Схема устройства (чертежи) должна включать все необходимые элементы, обеспечивающие высокое качество работы и безопасность выполнения резки металла. Оснащение предприятий оборудованием с ЧПУ позволяет повысить производительность труда и сложность выполнения операций. Сделать производственные процессы, выполняемые с помощью оборудования с ЧПУ более экономичными за счет повышения производительности труда и сокращения скорости обработки изделий.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Аппарат плазменной резки является довольно востребованным оборудованием, позволяющим производить резку любых металлов во многих областях производства. Плазморезы используются не только на предприятиях. В последнее время они начали появляться и в домашних мастерских. Но, поскольку почти в каждой мастерской уже имеются сварочные аппараты, то будет разумнее не покупать готовый плазморез, а изготовить его из инвертора своими руками.

Критерии качества плазменной резки металла

Классификация видов термической резки, габариты деталей и качество обработки установлены европейским регламентом EN ISO 9013 «Термическая резка».

Этот стандарт касается любых материалов, которые можно разделить плазмой, кислородом или лазером. Но при плазменной резке металла станками с ЧПУ или ручным оборудованием толщина должна быть в пределах от 1 до 150 мм.

Грат в нижней части реза и брызги в верхней части.

После плазменной резки металла на поверхности снизу можно увидеть затвердевшие частички самого металла и его оксида. Это грат. Брызги же обычно остаются на верхней кромке заготовки, обработанной плазмой. Грат образуется под воздействием множества факторов. К примеру, на его формирование могут повлиять определенная скорость резки, удаленность резака от обрабатываемой поверхности, сила тока, напряжение, выбор газа и самого метода резки металла плазмой.

Появится грат или нет, может зависеть также и от самого материала, его геометрических параметров, качества поверхности и скачков температуры в ходе процесса. Если скорость разделения металлов будет слишком низкой или, наоборот, высокой, тоже может сформироваться избыточный металл. Скорее всего, его не будет, если выбрать среднюю скорость. Также не допустить появления грата помогут правильно подобранный газ и технология резки.

Угловое отклонение.

При выполнении плазменной резки разные температуры в дуге способствуют тому, что поверхность реза получается под небольшим углом. За счет того, что вверху реза нагрев был сильнее, материал там расплавился в большей степени, чем в нижней части. Но чем лучше была обжата дуга, тем менее заметным будет угловое отклонение. На последнее также влияют расстояние от резака до поверхности и скорость резки. Стандартное разделение материала плазмой предполагает, что с двух сторон угол резки равен 4–8°.

Обрабатываемые заготовки будут иметь общие края реза, если угол резки станет меньше 1°. Достичь такого результата позволяет технология плазменного разделения с повышенным обжатием.

На практике специалисты по плазменной резке придерживаются правила, согласно которому ширина реза должна соответствовать 1,5–2 диаметрам выхода сопла. На то, какой будет эта величина, влияет скорость резки. Чем она ниже, тем более широкий рез удастся получить.

Металлургический эффект (область термического воздействия).

Если сравнивать с резкой кислородом, при плазменной обработке нелегированных сталей область теплового воздействия будет меньше на третью часть. Когда плазмой разделяют иные материалы, зона, находящаяся под влиянием высоких температур, будет зависеть от самого материала.

Насыщение азотом.

Во время плазменного разделения деталей с использованием воздуха или азота большое количество последнего начинает скапливаться на поверхности реза. Это может стать причиной появления пор в сварочном шве. Их будет гораздо меньше, если применять кислород.

Получить высококачественный и высокоточный рез позволяет использование плазмы с повышенным обжатием. Основные преимущества данной технологии – это получение допусков по ±0,2 мм и возможность невероятно точного повторения. В результате резы по качеству ничуть не уступают лазерной обработке.

Если рассматривать самые распространенные стали, тут можно получить качество реза, соответствующее стандартам, но нужно придерживаться установленных параметров обработки. То же самое касается и заготовок из алюминия, однако нужно иметь в виду, что у них высота от вершин до впадин не такая, как у стальных деталей. У алюминия она больше. Поэтому можно сказать, что качество обработки во многом зависит именно от материала изделий.

Например, состояние кромки определяется такими составляющими, как титан, магний, их сплавы, латунь и медь. Причем последние два вещества обладают выраженной зернистой структурой, а их высоту от вершин до впадин не получится рассчитать или оценить по регламенту EN ISO 9013.

Технология резки плазмой с повышенным обжатием позволяет достичь следующих результатов:

• Грата нет совсем либо он образуется в минимальном количестве.
• Даже при острых краях и углах контур получается очень точным.
• Небольшой допуск неровности поверхностей реза.
• Возможность высокоточной подгонки.
• Малая область воздействия высокой температуры и минимальное искривление.
• Рез ровный и гладкий, так как высота от вершин до впадин очень маленькая.
• Можно получить отверстия нужного небольшого диаметра.

Как сделать плазморез из инвертора — инструкция

При желании подобное оборудование в состояние изготовить своими руками любой владелец. Однако, чтобы самодельный плазморез смог эффективно выполнять свою работу, необходимо соблюсти все правила. В подобном деле инвертор будет практически незаменим, так как при помощи этого устройства будет обеспечена надежная подача тока. За счет него в работе плазмореза не будет возникать перебоев, а также удастся уменьшить расход электроэнергии. Однако при этом у него имеются и недостатки: он рассчитан на резку материала меньшей толщины, нежели при использовании трансформатора.

Выбор элементов

Если вы решили самостоятельно изготовить плазморез, то вам следует подготовить необходимые материалы и оборудование:

Инвертор или трансформатор, обладающий требуемой мощности. Чтобы не ошибиться во время покупки этого устройства, необходимо в магазине рассказать продавцу о том, для резки материала какой толщины вы планируете применять его. На основании этого и будет сделан выбор подходящего механизма. Учитывая, что резка будет выполняться вручную, желательно приобрести именно инвертор, что связано не только с его легковесностью, но и способностью уменьшить расходы электроэнергии.

Плазменный резак или плазмотрон точка. При его выборе необходимо опираться на те же критерии, что и в случае с инвертором. Важным моментом здесь является то, что оборудование прямого воздействия рассчитано на работу с токопроводящими материалами, а плазморез косвенного воздействия больше подойдет для работы с изделиями, не способными проводить электричество.

Компрессор для прогонки воздуха

Здесь следует уделить внимание его мощности, по которой он должен соотноситься с прочими подбираемыми компонентами.

Кабель-шланговый пакет. Его задача будет заключаться в соединении всех вышеописанных элементов.

Сборка

Еще до начала сборки самодельного плазмореза не помешает выяснить, совместимы ли компоненты, приобретенные вами между собой. Если вам ранее не приходилось изготавливать своими руками аппарат плазменной резки, то желательно обратиться за помощью к более опытным мастерам. Проведя анализ мощности каждого необходимого элемента, они дадут вам свою рекомендацию. Обязательно стоит позаботиться о наличии защитного комплекта одежды. Его вам придется использовать, когда настанет время проверить работоспособность самодельного плазмореза. Если говорить о процедуре сборки оборудования для плазменной резки, то она включает в себя следующие этапы:

На первом этапе необходимо подготовить все необходимые элементы для сборки и защитную одежду.

Далее, следует решить вопрос с источником бесперебойного питания.

Затем необходимо взять инвертор или же трансформатор, а также кабель подходящей толщины и электроды

Особое внимание уделите последнему элементу, который должен быть выполнен из бериллия, циркония, тория или гафния. Подобные материалы считаются наилучшим выбором для воздушно-плазменной резки

Гафний также может рассматриваться в качестве альтернативы, поскольку в этом случае сварщику или мастеру, который будет выполнять работу по разделению листов, будет обеспечена более высокая безопасность. Перечисленные элементы необходимо по порядку соединить между собой, в результате должна получиться электрическая дуга.

Далее, к компрессору подключают шланг. Именно через него будет поступать воздух в аппарат плазменной резки. Второй край необходимо подсоединить к плазмотрону.

Возьмите небольшой кусок алюминия и проверьте в работе аппарат, который вы изготовили. Особое внимание уделите безопасности соединений.

Вне зависимости от того, планируете ли вы изготавливать плазморез своими руками или же приобрести его в магазине, вначале следует изучить все модели, познакомиться с принципами их работы и вариантами исполнения. Важным моментом является и тип материала, который планируется в дальнейшем резать с помощью этого оборудования. Упростить себе задачу по выбору вы сможете, если вначале посмотрите видео, в котором показывается принцип действия аппарата ручной плазменной резки и технология работы с ним.

Виды плазменной резки

Плазменная резка металла бывает нескольких видов:

1. Простая. При таком способе используется электрический ток и воздух. Длина электрической дуги во время такого процесса ограничена, поэтому при толщине листа в несколько миллиметров обработка поверхностей сравнивается с резкой лазером. Простой способом применяется для обработки только мягкой или низколегированной стали. При разрезе материала заусенцы не образовываются, кромка остается ровной. Иногда вместо воздуха может применяться азот.
2. С применением воды. Во время резки вода используется для охлаждения плазмотрона и защиты среза от негативного влияния окружающей среды. Кроме этого, водой поглощаются все вредные испарения.
3. С использованием защитного плазмообразующего газа. Срез во время такой резки защищен от окружающей среды, поэтому качество разрезания металла увеличивается.

Также резать металл можно с помощью дуги или струи. В первом случае обрабатываемый материал является частью цепи, во втором – дуга образовывается между электродами.

Классификация видов плазменной резки

Виды плазменной резки будут зависеть от среды, в которой проводятся работы по металлу:

Простой

Главное отличие способа – ограниченность электрической дуги. Для резки используется электрический ток и воздух. Иногда вместо воздуха применяются газ в виде азота. Если металлически лист тонкий – всего несколько миллиметров, процесс можно сравнить с лазерным разрезанием.

В разрезах получаются очень ровные кромки, не требующие дальнейшей доработки.

С применением защитного газа

При этом способе вместо воздуха используются защитные газы, которые превращаются в плазменный поток после преобразования в плазмотроне. Качество срезов в данном случае значительно повышается благодаря отличной защите процесса от воздействия окружающей среды.

Газ для плазменной резки не представляет из себя ничего необычного: это может быть водород или аргон – «газовая классика».

С водой вместо воздуха

Отличны способ со многими преимуществами, одно из которых – отсутствие необходимости в дорогостоящей и громоздкой системе охлаждения.

Существуют и другие критерии классификации плазменной резки. К примеру, виды резки бывают разделительными и поверхностными. Первый из них используется чаще.

Плазменные резаки представлены на рынке в самых разнообразных вариантах, так что их можно классифицировать по маркам, производителям и многим другим техническим и торговым параметрам.

Физика плазмы

Технология плазменной резки металла отдает главную женскую роль нашей любимой электрической дуге. Он формируется между электродом и соплом. Иногда вместо электрода выступает металл, который нужно разрезать. Разберемся, что такое плазменная резка.

Начало процесса – включение источника электрического питания и подача тока высокой частоты в плазменный резак. Источник питания включается автоматически после нажатия тумблера розжига в аппарате.

Сначала формируется так называемая промежуточная дуга – она имеет временный характер и соединяет электрод с наконечником сопла резака. Нагревается эта дежурная дуга до уровня температуры около 8000°С.

Это важный момент общего процесса плазменной резки – нужно помнить, что настоящая дуга между электродом и металлом образуется не сразу, а через ее промежуточный вариант.

Следующий этап процесса – поступление воздуха из компрессора, который обычно прилагается к аппарату резки металла. Компрессор подает воздух в сжатом виде. Этот воздух поступает в камеру плазмотрона, в котором находится и уже раскалена временная электрическая дуга.

Дуга нагревает сжатый воздух, объем которого при нагреве увеличивается во много раз. Дополнительно к нагреву и увеличению объема воздух начинает ионизироваться и трансформироваться в настоящий проводник электрического тока. Он превращается в ту самую плазму

Малый диаметр сопла дает возможность разгонять поток этой раскаленной плазмы до огромных скоростей, с которыми струя вылетает из аппарата. Скорость потока может достигать трех метров в секунду.

Схема работы плазменной резки.

Температура воздуха – запредельная, вплоть до 30 000°С. При этих условиях электрическая проводимость воздуха – плазмы практически равна проводимости разрезаемого металла.

Настоящая конечная дуга появляется мгновенно, как только поток плазмы достигает и касается поверхности металла. Временная дуга, в свою очередь, автоматически выключается. Металл начинает плавится точно в месте среза.

Жидкие металлические капли сразу же сдуваются струей сжатого воздуха. Это и есть принцип плазменной резки. Как видите, все просто, логично и понятно.

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.

Плюсы и минусы

Главнейшим достоинством оборудования является высокая точность кроя. Поскольку процессом управляет компьютер, вероятность отклонения от траектории движения рабочего инструмента равна нулю! На станках данного типа выполняются резы любой конфигурации. Еще одно бесспорное преимущество заключается в большой чистоте торцов раскроенных заготовок. Таким образом, дополнительная их обработка не требуется. Плюс также и в безопасности работы на станке: среди элементов оборудования нет находящихся под высоким напряжением.

Недостатков практически нет. К минусам можно отнести невозможность раскроя слишком толстых листов. Например, не обрабатывается высоколегированная сталь толщиной больше 10 см. Титан тоже не режется на плазменных станках.