Базовые сведения о плазменной резке металлов

В современной металлообработке плазменная резка металла и оборудование со схожими функциональными возможностями используется весьма широко. Это касается не только крупного или мелкосерийного производства, но и небольших мастерских и даже бытовых работ эпизодического уровня. Тепловое воздействие плазменной струи универсально – она прорезает любые металлы, в стоимостном выражении аппаратура вполне доступна и несложна в освоении. Так что в личном пользовании можно встретить не только стандартное оборудование для сварки инверторы и полуавтоматы, но и аппараты по плазменной резке металлов.

Применение

В качестве рабочей среды таких аппаратов применяются газы (как у оборудования Сибирь), водо-воздушные смеси или специальные составы. Из технических газов в качестве основных элементов инициирования плазмы используются сжатый воздух, водород и кислород, реже – аргон и азот. Выбор рабочей среды определяется совокупностью ее рабочих качеств и технических характеристик типового прорезаемого материала. Инертные газовые смеси предпочтительны при жестких требованиях к чистоте кромок, отсутствию на них самых незначительных шероховатостей, их чаще применяют по сплавам цветных металлов. Газы двухатомной структуры (азот и водород) в процессе плазмообразования подвергаются рекомбинации, что повышает теплоотдачу в зоне воздействия факела. Кислород при склонности разрезаемого металла к экзотермической реакции обеспечивает скоростную и качественную резку изделий большой толщины.

Базовые требования к плазмообразующим средам для производительной резки металла таковы:

• Эффективное формирование режущего факела и его стабильность в процессе работы;
• Высокий процент теплопередачи от дуги к прорезаемой детали;
• Большая и регулируемая мощность для возможности обработки изделий различной толщины (мощности много не бывает);
• Длительное время работы без замены/ремонта аппаратной части и прочие слагаемые экономичности;
• Высокая чистота поверхностей и вертикальность среза;
• Безопасность в подготовке и непосредственно при работе.

Выбор критических критериев

Разумеется, практическая плазменная резка металла используется без полного набора идеальных качеств. Выбираются критические критерии – например, чистота среза и скорость прямолинейной резки, а с частой заменой элементов плазмотрона приходится смириться. Или на передний план выводится экономичность, доступность по цене и простота использования – тогда экзотермическое реагирование с прорезаемым металлом становится вторично.

Типовое применение плазмообразующих сред таково:

• Кислород в чистом виде – для скоростной механизированной резки стальных сплавов, особенно при технологической необходимости низкого газонасыщения получаемых срезов;
• Азот. Используется с добавлением водорода или воды, возможно и чисто «азотное» прорезание меди в машинных масштабах и ручная обработка других цветных металлов с ограничением их эффективной толщины 8-9 см.
• Аргон с водородом оптимален при чистовой и сравнительно медленной обработке некоторых цветных металлов
• Сжатый воздух – для ручного и машинного разрезания широкого спектра стальных сплавов (низколегированных, стойких к коррозии, с различной степенью содержания углерода и др.). Часто используется для предварительной, «черновой» резки цветных сплавов;
• Сжатый воздух с кислородом – для промышленной резки стальных изделий;
• Сжатый воздух с водой – для прорезания стальных заготовок с минимизацией газонасыщения новообразованных поверхностей;
• Сжатый воздух с добавлением бутана или пропана – для обработки стали с жесткими требованиями к качеству срезов. Возможно применение для производительного «чистового» разрезания медных сплавов.

Вышеописанные плазмообразующие среды имеют исторический, многолетний характер эксплуатации. В настоящее время активно разрабатывается интенсификация классических составов. При обработке сталей воздушно-плазменным факелом обогащение рабочей зоны кислородом позволит улучшить качество кромок и скорость проходов одновременно. Аналогичный эффект дает добавление в плазменную камеру молекул воды. При разрезании медных сплавов воздухом интенсификация среды углеводородными присадками также благотворно для производительности и чистоты поверхностей. Такие улучшения важны и сами по себе, и в процессе технологической последовательности со сварочными работами. Известно, что любое инверторное оборудование для сварки Kemppi, EWM или Сварог – гораздо эффективнее при качественных кромках и точной подгонке деталей.

Процесс плазменной резки

Последовательность процесса резки металлов включает в себя:

1. Начало реза, т.н. «врезание». Короткий, но ответственный этап. Обычно выполняется с кромок (краев), врезание с внутренних участков возможно при сверлении (пробивке, штамповке) вспомогательного паза или отверстия.
2. Прямолинейная резка – основная рабочая стадия. Все ухищрения по росту производительности и качественных характеристик результата связаны именно с ней.
3. Проход криволинейных участков. Данный функционал реализован на некоторых премиальных аппаратах промышленного назначения. Естественно, по дуге или кривой можно разрезать и бытовым резаком – но вертикальность и шероховатость кромок «оставят желать»…
4. Завершение разреза. Далеко не столь простое дело – ответственные изделия часто бракуются на последних сантиметрах, необходим соответствующий опыт.

В качестве основных регулируемых параметров и условий при плазменной резке металлов выступают: точный состав рабочей среды, ее расход с учетом толщины и структурных особенностей заготовок; рабочий ток; рекомендованный зазор между металлом и плазмотроном; геометрический характеристики сопел – длина и диаметр. Скорость реза и напряжение на дуге обычно определяются после завершения настройки основных параметров.

Скорость плазменной резки

Выбор необходимой и оптимальной скорости процесса плазменной резки – один из главных основ качества получаемых изделий, при единовременной экономии материалов. Скорость плазменной резки влияет не только на качество и надежность, но и на образование шлака в нижней поверхности детали, а также на необходимость последующей механической обработке кромок детали.

• Низкая (недостаточная) скорость процесса плазменной резки приведет к перерасходу рабочего газа, помимо этого получится излишнее охлаждение детали, а так же образуется шлак.
• Высокая (избыточная) скорость приведет к нестабильности дуги плазмы, произойдет потеря точности реза, края деталей деформируются и станут волнистыми.

Определить среднюю оптимальную скорость плазменной резки можно следующим образом: скорость процесса плазменной резки металла должна быть такой, чтобы угол отставания при резке нижней кромки листа по отношению к верхней не превышал 5 (пяти) градусов.

Качество и надежность детали после процесса плазменной резки можно определить следующими параметрами:

• Линейное отклонение (точность реза);
• Гладкость и шероховатость реза;
• Размер зоны термического влияния.
• Перпендикулярность торцевой поверхности (плоскость реза);

Все выше перечисленные параметры напрямую зависят от угла наклона кромок и ширины реза. Сама форма кромок будет зависеть от ниже представленных параметров:

• Ток и мощность дуги;
• Скорости расхода газа (для образования плазмы);
• Скорость реза.

Линейные отклонения процесса плазменной резки в основном зависят от того, как точно перемещаются каретки станка для плазменной резки металла или сам плазморез, а также от точности определения и ширины реза.

Неточность и увеличение отслеживания каждого из параметров приводят к уменьшению или увеличению ширины реза, что может плохо сказываться на качестве торцевой поверхности детали, а так же привести нарушению линейных размеров детали вырезаемой на плазменной резке и/или привестит к образованию ступенек.

В общем случае для оценки ширины реза можно использовать простую формулу: ширина реза равна диаметру сопла умноженному на 1,5.

В следующей статье мы расскажем Вам, как правильно подобрать аппарат плазменной резки, который будет отвечать именно Вашим потребностям.