Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

Высокое качество. Гарантированная надёжность. ГОСТ 5614-74.

Серия "РС"

Для резки толстых листов

    Для листов до 30мм

СЧПУ

Технология плазменной резки металлов

 

Сущность технологии плазменной резки, принцип работы плазменной резки, заключается в локальном расплавлении металла и выдувании этого расплавленного металла при перемещении плазменного резака относительно разрезаемого металла, с образованием полости реза.

Технология плазменной резки является одним из наиболее экономически эффективных способов раскроя металла при толщинах металла от 1 до 50 мм. и характеризуется следующими показателями:

 

ПРЕИМУЩЕСТВА:

УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ. С помощью технологии плазменной резки режутся все типы металлов (чёрные, легированные (в т.ч. нержавеющие), сплавы алюминия, сплавы меди, титан и проч.);

ВЫСОКАЯ СКОРОСТЬ РЕЗКИ МЕТАЛЛА – портальная машина плазменной резки – например МТР «Юпитер», станки «Омега» и даже бюджетный станок для раскроя металла «Гермес» - может резать металл со скоростью до 12 метров в минуту;

НИЗКАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ резки металла при толщинах  до 30 мм. В диапазоне толщин  30 -  50 мм.  себестоимость резко  возрастает. Самую низкую себестоимость даёт воздушно-плазменная резка металлов;

МАЛАЯ ЗОНА ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ в области реза на разрезаемый лист металла;

ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО РЕЗА. Современные плазменные резаки (плазмотроны) в совокупности с правильным подбором плазмообразующих и охлаждающих газов обеспечивают минимальную ширину реза, крайне низкую конусность реза, чистые (без наплывов и грата) кромки, почти не требующие дополнительной обработки. Таким условиям отвечает прецизионная плазменная резка;

БЕЗОПАСНОСТЬ. При использовании технологии плазменной резки не используются горючие газы (пропан, ацетилен), которые используются при газовой резке.

 

НЕДОСТАТКИ:

ВЫСОКАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ резки металла в диапазоне толщин 50-100 мм.;

ОГРАНИЧЕНИЕ ТОЛЩИНЫ разрезаемого металла  - максимальная толщина разрезаемого металла не превышает, как правило, 100-110 мм;

КОНУСНОСТЬ РЕЗА - от 1 до 10 градусов при резке чёрных металлов и от 1 до 20 градусов при резке цветных металлов. Конусность возрастает при выборе в качестве охлаждающего и плазмообразующего газов воздуха и при увеличении толщины разрезаемого металла;

СЛОЖНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ, которая делает практически невозможным одновременное использование двух плазменных резаков, подключенных к одному аппарату.

Принцип работы плазменной резки основан на использовании плазменной дуги постоянного тока прямого действия (электрод - катод, где разрезаемый металл – анод).

При образовании плазменной дуги нагретый электрической дугой до высокой температуры (порядка 25 000 °C) газ переходит в ионизированное состоянии – четвёртое агрегатное состояние вещества - плазму. Последнее означает, что этот газ утрачивает свойства диэлектрика и приобретает способность проводить электрический ток. В процессе резки плазменный поток становится проводником для тока, расплавляющего металл, и сам же его выдувает.

Для генерации и поддержания плазменной дуги используется специальное устройство, называемое плазменным резаком или плазмотроном.

Главными функциональными элементами в устройстве плазмотрона являются:

  • электрод (катод), имеющий вставку из металла с высокой термоэлектронной эмиссией (обычно из гафния Hf или циркония Zr);
  • камера закрутки (завихрения) плазмообразующего газа;
  • сопло, электрически изолированное от катода (электрода);
  • корпус, конструктивно объединяющий электрод, камеру завихрения и сопло.
 

Вид плазмотрона с воздушным охлаждением (модель SL100SV, Thernal Dynamics)

Устройство плазмотрона SL100SV (Неполная разборка )

 

Неполная разборка плазмотрона с жидкостным охлаждением (модель ХТ-301, Thernal Dynamics)

 Плазмообразующий газ (смесь газов, а при воздушно-плазменной резке - воздух), пройдя через канал внутри электродного узла и механизм закрутки (завихрения) образует вихревой газовый поток, закрученный вдоль продольной оси электрода плазмотрона и выходящий через геометрически соосный с ним канал сопла.

Рабочая дуга локально (в месте контакта) расплавляет металл и за счёт давления плазмообразующего газа и его высокой скорости истечения из сопла выдувает расплавленный металл из массива, образую полость реза. Таким образом, при перемещении плазмотрона (для обеспечения непрерывности контакта рабочей дуги с металлом) относительно листа, при соблюдении рабочего зазора между плазмотроном и листом металла, получается рез. Перемещение плазмотрона  осуществляет портальная машина плазменной резки.

Свойства и параметры рабочей дуги обусловлены формой и размерами соплового канала, устройством плазмотрона. С уменьшением диаметра и увеличением длины канала возрастают скорость потока плазмы, концентрация энергии в дуге (плотность дуги), её напряжение и режущая способность.

По способу возбуждения плазменной дуги плазмотроны делятся на два типа – осцилляторные и безосцилляторные.

При осцилляторном возбуждении дуги работа плазмотрона происходит следующим образом: генератор высокого напряжения высокой частоты (осциллятор) создаёт электрический потенциал в промежутке электрод-сопло плазмотрона, необходимый для возникновения искрового разряда. Этот разряд поджигает в газовой среде электрическую дугу, которая, возникая, горит между электродом и соплом плазмотрона (Фаза 1) и выдувается наружу потоком завихрённого газа через канал сопла на расстояние 10-40 мм от торца сопла. Это так называемая дежурная (пилотная) дуга плазмотрона. Ток дежурной дуги определяется токоограничивающим резистором R1 и составляет обычно 20—60 А. Дежурная дуга, коснувшись металла, шунтирует ограничивающий резистор R1 и замыкается на разрезаемый металл (Фаза 2), минуя контакта с соплом.  При этом возникает режущая (рабочая) дуга, дежурная дуга при этом автоматически отключается. Поток закрученного по спирали плазмообразующего газа стабилизирует и сжимает столб рабочей электрической дуги, не позволяя ей касаться стенок канала сопла плазмотрона и обеспечивая плотность плазменного шнура. Расстояние сопла от разрезаемого металла при этом не превышает, как правило, 20 мм.

При безосцилляторном возбуждении дуги работа плазмотрона основана на другом принципе. Конструктивно безосцилляторный плазмотрон отличается от осцилляторного. Обычно катод такого плазмотрона подпружинен и может передвигаться по продольной оси плазмотрона. В спокойном состоянии катод находится в нижнем положении и касается сопла. При включении АПР на катод подаётся минус напряжения дуги, на сопло плюс. При этом одновременно в вихревую камеру поступает плазмообразующий газ. Газ давит на катод и приподнимает его. При этом между катодом и соплом образуется дежурная (пилотная) дуга, которая сразу же выдувается газом через сопло наружу. Далее происходит «перехват» дежурной дуги, то есть  дежурная дуга, коснувшись металла, шунтирует ограничивающий резистор R и замыкается на разрезаемый металл, минуя контакта с соплом. При этом возникает режущая (рабочая) дуга, дежурная дуга при этом автоматически отключается.

Возможно и другое устройство плазмотрона, обеспечивающее безосцилляторный поджиг дуги, например модель SL100SV.

Каждый из  типов плазмотронов имеет свои недостатки и преимущества. Общее сравнение характеристик этих двух типов плазмотронов приведено в таблице 1

Таблица № 1

Сравнение характеристик осцилляторных и безосцилляторных плазмотронов

Параметр, характеристика

Плазмотрон

Безосцилляторный

Осцилляторный

Охлаждение катода и сопла

Плазмообразующим газом

Жидкостное или газовое

Жидкостное охлаждение

Не  требуется

Требуется, как правило

Разделение газов на охлаждающие и плазмообразующие

Невозможно

Возможно

Средний расход плазмообразующего газа

До 240-280 л/мин

До 80 л/мин.

Диапазон токов

10-160 А

10-400 А

Продолжительность включения

80 – 100 %

100 %

Индуцирование ЭМ-помех

Пониженное

Повышенное

Вес плазмотрона

0,5-1,5 кг.

1 - 3 кг.

Вес шланг-пакета плазмотрона

До 2 кг/м.

До 3,5 кг/м.

Срок службы пары «катод-сопло»

До 150-200 пробивок

До 300-600 пробивок

 

Срок службы сопла и катода зависят от интенсивности их охлаждения (жидкостью или охлаждающим газом), рациональных энергетических, технологических параметров и типа и величины расхода плазмообразующего газа.

Для плазменной резки металла применяются активные и неактивные газы и составляемые из них газовые смеси. Активные газы — это кислород и кислородосодержащие смеси (например – воздух), а неактивные — азот, аргон, водород.

Применение активных газов, как правило, требуется при резке черных металлов. Неактивные газы (и их смеси) используются при резке цветных металлов и сплавов. В таблице 2 «Применение плазмообразующих газов в зависимости от вида металла» даны области применения плазмообразующих газов.

Таблица 2

Применение плазмообразующих газов в зависимости от вида металла

Плазмообразующие газы

Медь и ее сплавы

Алюминий и его сплавы

Сталь

Титан

Сжатый воздух

толщина до 60 мм

до 70 мм

до 60 мм

не рекомендуется

Азот с аргоном

не рекомендуется

не рекомендуется

только высоколегированную толщиной до 50 мм

не рекомендуется

Азот с кислородом

не рекомендуется

не рекомендуется

при резке любой толщины

не рекомендуется

Чистый азот

медь до 20 мм латунь до 90 мм

до 20 мм

высоколегированные до 75 мм низкоуглеродистые до 30 мм

для любой толщины

Азот с водородом

до 100 мм

до 100 мм

не рекомендуется

не рекомендуется

Аргон с водородом

выше 100 мм

выше 100 мм

для высоколегированной до 100 мм

не рекомендуется

 

Режим плазменной резки характеризуется следующими основными взаимосвязанными и взаимозависимыми параметрами:

  • сила тока аппарата пламенной резки. Выбирается в зависимости от типа металла и его толщины;
  • диаметр сопла плазмотрона. Выбирается в зависимости от силы тока и давления плазмообразующих и охлаждающих газов;
  • скорость резки. Выбирается в зависимости от типа и толщины разрезаемого металла, силы тока, скоростных параметров станка для раскроя металла;
  • расстояние между торцом сопла и изделием. Определяется давлением плазмообразующего газа и силой тока;
  • тип, давление и расход плазмообразующего газа;
  • степень очистки плазмообразующего газа.

Для обеспечения нормального процесса плазменной резки и получения необходимого качества необходим рациональный выбор параметров режима.

Одним из параметров качества реза является образование грата. Грат представляет собой затвердевшую смесь металла и его оксида, приставшую к нижней части поверхности после выполнении плазменной резки. На верхней кромке поверхности листа металла, прошедшего плазменную резку, могут также быть брызги.

На формирование грата оказывает влияние множество переменных значений, в частности:

  • скорость резки;
  • расстояние, на котором находится плазменный резак от поверхности листа;
  • сила тока и напряжение плазменной дуги;
  • тип и давление плазмообразующего и охлаждающего газа.

Имеется также зависимость от таких переменных значений как сам материал, его толщина, состояние поверхности и перепады температуры материала во время резки. Грат может также образовываться, если скорость резки слишком велика или слишком мала. Обычно в середине диапазона между этими двумя предельными величинами находится та величина, при которой отсутствует грат.

Другим важным параметром резки является конусность реза (угловое отклонение).

В горелке поток газа плазмы, выходя из горелки, вращается, поддерживая однородный столб газа. Это вращение проявляется в том, что одна сторона реза получается более прямоугольной, чем другая. Если смотреть по направлению перемещения, то правая сторона реза является более прямоугольной, чем левая.

Чтобы прямоугольная сторона реза находилась на внутреннем диаметре круга, плазмотрон надо двигать по кругу против часовой стрелки. Чтобы прямоугольная сторона реза находилась на наружном диаметре, плазмотрон надо двигать по часовой стрелке. Также нужно учитывать температурный градиент в плазменной дуге. Наибольшая передача температуры от плазменной дуги к металлу происходит в верхней части реза, что заставляет плавиться в верней части реза большее количество материала, чем в нижней части. Соответственно, это также влияет на конусность реза. На конусность влияет и степень обжатия плазменной дуги, что обусловлено устройством плазмотрона. Чем большему обжатию со стороны завихрённого плазмообразующего газа (а в некоторых  моделях плазмотронов – и со стороны охлаждающего газа) подвергается плазменная дуга, тем меньшим получается конусность реза. Угол отклонения реза также зависит от расстояния, на котором находится плазмотрон от листа металла и от скорости резки. При плазменной резке без повышенного обжатия плазменного дуги угол резки с обеих сторон обычно составляет от 4 до 8 градусов. При использовании повышенного обжатия плазменной дуги угол резки может быть уменьшен до величины меньше 1 градуса. 

Плазменная резка с повышенным обжатием плазменной дуги (прецизионная плазменная резка) даёт возможность добиться очень хорошего качества реза и высокой точности. Данная технология обеспечивает для элементов допуск ±0,2 мм и высокую точность повторения, позволяя, таким образом, получить качество кромки реза сопоставимое по качеству с теми кромками, которые даёт лазер. Также плазменная резка с повышенным обжатием плазменной дуги на станках для раскроя металла с высшим классом точности, например на МТР «Юпитер», позволяет достичь результатов:

  • Грат либо не образовывается вовсе, либо создаётся в ограниченном количестве;
  • Высокая точность контура при острых углах и кромках;
  • Узкий допуск неровности поверхностей реза;
  • Узкая зона, подверженная тепловому воздействию, незначительное искривление;
  • Минимальная высота от вершин до впадин, гладкая поверхность реза;
  • Возможность выполнения отверстий малых диаметров. 

Ширина реза. Действует практическое правило, по которому ширина реза при плазменной резке составляет от полутора до двух величин диаметра выхода сопла. Ширина реза зависит от скорости резки. Если уменьшить скорость резки, то рез становится шире.

Металлургический эффект (зона, подверженная тепловому влиянию). По сравнению с кислородной резкой, зона, подверженная тепловому влиянию, меньше приблизительно на одну треть, если для нелегированных сталей используется плазменная резка. При обработке с помощью плазменной резки других материалов зона подверженная тепловому влиянию, варьирует, смотря по тому, что это за материал.

Азотация кромки реза. В случае выполнения плазменной резки с использованием в качестве плазмообразующего и охлаждающего газа воздуха или азота поверхность металла в области реза насыщается азотом (происходит азотация кромки реза). При использовании кислорода в качестве плазмообразующего и охлаждающего газа азотация кромки резко уменьшается или исчезает вообще.

Таблица 3

Наиболее  распространённые отклонения по качеству, связанные  с плазменной резкой, и способы их устранения

Критерий

Отклонение

Возможная причина отклонения

Устранение отклонения

 

Слишком большое угловое отклонение

Резак не установлен под требуемым углом.

Установить резак под правильным углом

Расстояние между соплом и разрезаемым металлом слишком велико.

Уменьшить расстояние между плазмотроном и разрезаемым металлом

Слишком маленькая сила тока

Увеличить силу тока

Слишком высокая скорость резки

Отрегулировать скорость резки

Неверное направление движение резака

Изменить направление движения плазмотрона (например с движения по часовой стрелки на движение против часовой стрелки)

Сопло разрушено эрозией

Заменить сопло

 

Грат из-за высокой скорости

Слишком высокая скорость резки

Отрегулировать скорость резки

Рез слишком узкий, бороздки по диагонали или в виде буквы S

Слишком маленькая сила тока

Увеличить силу тока

Незначительное образование грата, грат твёрдый

Расстояние между соплом и разрезаемым металлом слишком велико.

Уменьшить расстояние между плазмотроном и разрезаемым металлом

 

Грат из-за низкой скорости

Слишком низкая скорость

Отрегулируйте скорость

Рез широкий, бороздки направлены вертикально

Слишком высокая сила тока

Уменьшить силу тока

Образование грата в большом количестве, грат с пузырьками

Расстояние между соплом и разрезаемым металлом слишком мало.

Увеличить расстояние между плазмотроном и разрезаемым металлом

 

Скруглённые верхние кромки

Вторичный газ не подходит

Используйте другой газ

Расстояние между соплом и разрезаемым металлом слишком велико.

Уменьшить расстояние между плазмотроном и разрезаемым металлом

Слишком высокая скорость резки

Отрегулировать скорость резки

 

Брызги на верхней кромке

Слишком низкая скорость резки

Отрегулировать скорость резки

Расстояние между соплом и разрезаемым металлом слишком велико.

Уменьшить расстояние между плазмотроном и разрезаемым металлом

Сопло разрушено эрозией

Заменить сопло

 

 

Таблица 4

Ориентировочные режимы плазменной резки металла с плазмообразующим газом - воздухом

Разрезаемый материал

Параметры режима

Толщина (мм)

Диаметр сопла (мм)

Сила тока (А)

Напряжение дуги (В)

Расход воздуха (л/мин)

Скорость резки (м/мин)

Средняя ширина реза (мм)

Алюминий и его сплавы

5–15

2

120–200

170–180

70

2–1

3

30–50

3

280–300

170–190

40–50

1,2–0,6

7

Медь и её сплавы

10

3

300

160–180

40–60

3

3

20

1,5

3,5

30

0,7

4

40

0,5

4,5

50

0,3

5,5

60

3,5

400

0,4

6,5

Сталь 12Х18Н10Т

5–15

3

250–300

140–160

40–60

5,5–2,6

3

10–30

160–180

2,2–1

4

31–50

170–190

1–0,3

5

 

Обычно усреднённые режимы плазменной резки листового металла (давление газов, сила тока, скорость резки и проч.) указываются производителями аппарата плазменной резки и плазмотрона в технической документации на АПР. Точные (фактические) режимы плазменной резки листового металла определяются оператором портальной машины плазменной резки экспериментальным путём в начальной стадии работы на станке для раскроя металла.

 

Статья "Технология плазменной резки" - скачать версию для печати.