Введение
Плазменная резка — это процесс, при котором электрически проводящие материалы разрезаются с помощью ускоренной струи горячей плазмы. Типичные материалы, разрезаемые плазменным резаком, включают сталь, нержавеющую сталь, алюминий, латунь и медь, хотя могут быть разрезаны и другие проводящие металлы. Плазменная резка часто используется в производственных цехах, при автомобильном ремонте и реставрации, в промышленном строительстве, а также при спасательных и утилизационных работах. Благодаря высокой скорости и точности резания в сочетании с низкой стоимостью, плазменная резка широко применяется как в крупномасштабных промышленных системах с числовым программным управлением (ЧПУ), так и в небольших мастерских для любителей. Основной процесс плазменной резки заключается в создании электрического канала из перегретого, электрически ионизированного газа, то есть плазмы, непосредственно из плазменного резака, проходящего через разрезаемый материал и формирующего замкнутую электрическую цепь обратно к плазменному резаку через заземляющий зажим. Это достигается за счет сжатого газа (кислорода, воздуха, инертных газов и других, в зависимости от разрезаемого материала), который под высоким давлением подается через фокусирующее сопло к заготовке. Затем в этом газе формируется электрическая дуга между электродом, расположенным рядом с соплом или интегрированным в него, и самой заготовкой. Электрическая дуга ионизирует часть газа, создавая тем самым электрически проводящий канал плазмы. Электричество от резака, проходя по этой плазме, обеспечивает достаточное тепло для расплавления материала. Одновременно большая часть высокоскоростной плазмы и сжатого газа удаляет расплавленный металл, тем самым разделяя, то есть разрезая, заготовку. Плазменная резка — эффективный способ резки как тонких, так и толстых материалов. Ручные резаки обычно могут резать стальные листы толщиной до , а более мощные резаки с ЧПУ — сталь толщиной до . Поскольку плазменные резаки создают очень горячий и локализованный "конус" для резки, они особенно полезны для резки листового металла сложной формы, с криволинейными или угловыми краями. Дуга формируется в три этапа. Высоковольтная искра кратковременно ионизирует воздух внутри головки резака, делая его проводящим и позволяя образоваться "пилотной дуге". Пилотная дуга возникает внутри головки резака, при этом ток течет от электрода к соплу. В этой фазе пилотная дуга начинает прожигать сопло — расходную часть. Затем воздух выдувает плазму через сопло на заготовку, обеспечивая путь тока от электрода к заготовке. Когда система управления обнаруживает протекание тока от электрода к заготовке, она разрывает электрическую цепь с соплом. После этого ток течет от электрода к заготовке, и дуга формируется за пределами сопла. После этого можно приступать к резке, не прожигая сопло. Ресурс сопла определяется количеством запусков дуги, а не временем резки.
Plasma cutting is a process that cuts through electrically conductive materials by means of an accelerated jet of hot plasma. Typical materials cut with a plasma torch include steel, stainless steel, aluminum, brass and copper, although other conductive metals may be cut as well. Plasma cutting is often used in fabrication shops, automotive repair and restoration, industrial construction, and salvage and scrapping operations. Due to the high speed and precision cuts combined with low cost, plasma cutting sees widespread use from large scale industrial computer numerical control (CNC) applications down to small hobbyist shops. The basic plasma cutting process involves creating an electrical channel of superheated, electrically ionized gas i. e. plasma from the plasma cutter itself, through the workpiece to be cut, thus forming a completed electric circuit back to the plasma cutter through a grounding clamp. This is accomplished by a compressed gas (oxygen, air, inert and others depending on material being cut) which is blown through a focused nozzle at high speed toward the workpiece. An electrical arc is then formed within the gas, between an electrode near or integrated into the gas nozzle and the workpiece itself. The electrical arc ionizes some of the gas, thereby creating an electrically conductive channel of plasma. As electricity from the cutter torch travels down this plasma it delivers sufficient heat to melt through the workpiece. At the same time, much of the high velocity plasma and compressed gas blow the hot molten metal away, thereby separating, i. e. cutting through, the workpiece. Plasma cutting is an effective way of cutting thin and thick materials alike. Hand held torches can usually cut up to thick steel plate, and stronger computer controlled torches can cut steel up to thick. Since plasma cutters produce a very hot and very localized "cone" to cut with, they are extremely useful for cutting sheet metal in curved or angled shapes. The arcs are generated in a three step process. A high voltage spark briefly ionizes the air within the torch head. This makes the air conductive and allows the "pilot arc" to form. The pilot arc forms within the torch head, with current flowing from the electrode to the nozzle inside the torch head. The pilot arc begins to burn up the nozzle, a consumable part, while in this phase. The air then blows the plasma out the nozzle towards the work, providing a current path from the electrode to the work. When the control system senses current flowing from the electrode to the work, it cuts the electrical connection to the nozzle. Current then flows from the electrode to the work, and the arc forms outside the nozzle. Cutting can then proceed, without burning up the nozzle. Nozzle life is limited by the number of arc starts, not cutting time.
История
Плазменная резка выросла из плазменной сварки в 1960-х годах и стала высокопроизводительным способом резки листового металла и плит в 1980-х годах. Она обладала преимуществами перед традиционной резкой "металл о металл", такими как отсутствие металлической стружки, высокая точность реза и более чистый кромкообразование по сравнению с резкой кислородом. Первые плазменные резаки были крупными, относительно медленными и дорогими, поэтому их обычно использовали для повторяющихся режущих операций в режиме "массового производства". Как и в случае с другими станками, технология ЧПУ (числового программного управления) была применена к плазменным режущим машинам в конце 1980-х – 1990-х годах, что обеспечило им большую гибкость при резке разнообразных форм "по запросу" на основе набора инструкций, запрограммированных в систему числового управления. Однако эти плазменные режущие станки с ЧПУ обычно ограничивались резкой деталей и заготовок в плоских стальных листах, используя только две оси движения (так называемую резку по осям X и Y).
Начальные методы
Плазменные резаки используют несколько методов для запуска дуги. В некоторых моделях дуга создается путем контакта горелки с заготовкой. Некоторые резаки используют высоковольтную высокочастотную схему для запуска дуги. Этот метод имеет ряд недостатков, включая риск поражения электрическим током, сложность ремонта, необходимость обслуживания зазора искрового разряда и сильные радиочастотные излучения. Плазменные резаки, работающие вблизи чувствительной электроники, такой как оборудование с ЧПУ или компьютеры, запускают пилотную дугу иными способами. Сопло и электрод находятся в контакте. Сопло является катодом, а электрод – анодом. Когда плазменный газ начинает поступать, сопло отводится вперед потоком газа. Третий, менее распространенный метод – емкостный разряд в первичную цепь через кремниевый контролируемый выпрямитель.
Инверторные плазменные резцы
Аналоговые плазменные резаки, как правило, потребляющие более 2 киловатт, используют тяжелый трансформатор сетевой частоты. Инверторные плазменные резаки преобразуют питание сети в постоянный ток, который подается на высокочастотный транзисторный инвертор с частотой от 10 кГц до примерно 200 кГц. Более высокие частоты переключения позволяют использовать трансформаторы меньшего размера, что приводит к уменьшению общих габаритов и веса. Изначально использовались MOSFET-транзисторы, но сейчас все чаще применяются IGBT. При параллельном соединении MOSFET, преждевременное включение одного из транзисторов может привести к каскадному выходу из строя четверти инвертора. IGBT, более позднее изобретение, менее подвержены такому режиму отказа. IGBT обычно используются в аппаратах с высоким током, где невозможно параллельно подключить достаточное количество MOSFET-транзисторов. Используемая топология переключения называется двухтранзисторным преобразователем с гальванической развязкой. Несмотря на меньший вес и большую мощность, некоторые инверторные плазменные резаки, особенно без коррекции коэффициента мощности, нельзя использовать с генератором (производитель инверторного блока запрещает это; это относится только к небольшим, легким портативным генераторам). Однако в более новых моделях предусмотрена внутренняя схема, позволяющая устройствам без коррекции коэффициента мощности работать от маломощных генераторов.
Методы резки с ЧПУ
Некоторые производители плазменных резаков изготавливают столы для резки с ЧПУ, а некоторые встраивают резак непосредственно в стол. Столы с ЧПУ позволяют компьютеру управлять головкой резака, обеспечивая чистые и точные разрезы. Современное плазменное оборудование с ЧПУ способно выполнять многоосевую резку толстых материалов, открывая возможности для создания сложных сварных швов, которые невозможно получить другим способом. Для тонких материалов плазменная резка все чаще заменяется лазерной, главным образом благодаря превосходным возможностям лазерного резака по вырезанию отверстий. Специализированное применение плазменных резаков с ЧПУ нашло в отрасли отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ). Программное обеспечение обрабатывает данные о воздуховодах и создает плоские выкройки для резки плазменным резаком на режущем столе. Эта технология значительно повысила производительность в отрасли с момента ее внедрения в начале 1980-х годов. Плазменные резаки с ЧПУ также используются во многих мастерских для изготовления декоративных изделий из металла, таких как коммерческие и жилые вывески, настенные панно, адресные таблички и садовые скульптуры. В последние годы произошли дальнейшие усовершенствования. Традиционно станки для резки имели горизонтальные столы, но теперь доступны вертикальные плазменные станки с ЧПУ, обеспечивающие меньшую занимаемую площадь, повышенную гибкость, оптимальную безопасность и более высокую скорость работы.
Конфигурации плазменной резки с ЧПУ
Существует три основные конфигурации плазменной резки с ЧПУ, которые в основном различаются по форме обрабатываемых материалов и гибкости режущей головки.
Двумерная / двухосевая плазменная резка
Это наиболее распространенная и общепринятая форма плазменной резки с ЧПУ. Она используется для получения плоских профилей с режущими кромками, расположенными под углом 90 градусов к поверхности материала. Высокопроизводительные станки плазменной резки с ЧПУ сконструированы таким образом, что позволяют резать профили из металлических листов толщиной до 150 мм.
Трехмерная / 3+ оси плазменная резка
Снова процесс производства плоских профилей из листового или сортового металла, однако, благодаря введению дополнительной оси вращения, режущая головка станка плазменной резки с ЧПУ может наклоняться при движении по стандартной двухмерной траектории реза. Это позволяет получать кромки реза под углом, отличным от 90 градусов к поверхности материала, например, 30 или 45 градусов. Этот угол сохраняется по всей толщине материала. Обычно это применяется в тех случаях, когда вырезаемый профиль предназначен для использования в качестве части сварной конструкции, поскольку скошенный край является частью подготовки к сварке. Применение подготовки к сварке непосредственно в процессе плазменной резки с ЧПУ позволяет избежать дополнительных операций, таких как шлифовка или механическая обработка, что снижает затраты. Возможность угловой резки при трехмерной плазменной резке также может использоваться для создания зенковок и фасок на краях профилированных отверстий.
Резка плазмы труб и секций
Используется при обработке труб, профилей или любых длинномерных заготовок. Плазменная режущая головка обычно остается неподвижной, а заготовка подается через нее и вращается вокруг своей продольной оси. Существуют и другие конструкции, в которых, как и при трехмерной плазменной резке, режущая головка может наклоняться и поворачиваться. Это позволяет выполнять угловые разрезы по толщине трубы или профиля, что часто используется при изготовлении технологических трубопроводов, когда резка трубы выполняется сразу с подготовкой под сварку вместо ровного края.
Новая технология
За последнее десятилетие производители плазменных резаков разработали новые модели с меньшим диаметром сопла и более тонкой плазменной дугой. Это обеспечивает точность реза, близкую к лазерной. Несколько производителей объединили точное ЧПУ-управление с этими резаками, что позволяет производителям изготавливать детали, требующие минимальной или вообще не требующие дополнительной обработки.
Расходы
Плазменные резаки раньше стоили довольно дорого. Поэтому их обычно можно было встретить только в профессиональных сварочных мастерских, а также в хорошо оснащенных частных гаражах и мастерских. Однако современные плазменные резаки становятся доступнее, и теперь их цена находится в пределах возможностей многих любителей, менее 300 долларов. Старые модели могут быть очень тяжелыми, но при этом оставаться портативными, в то время как некоторые новые, использующие инверторную технологию, весят совсем немного, но при этом обладают такой же или даже большей мощностью, чем старые.