Plazmové řezání kovů: popis technologie •⚙• OOO TZGSHO

V současné době existuje několik různých způsobů řezání kovových výrobků. Všechny metody se od sebe liší efektivitou a cenou. Ale důležitým faktorem je, že některé metody lze použít pouze v průmyslovém podniku, zatímco jiné lze použít i doma.

Z metod používaných v každodenním životě je třeba zvláště zdůraznit plazmové řezání kovů. Koneckonců, ve skutečnosti je účinnost této metody omezena tím, jak zkušený je mistr a zda byla instalace správně vybrána.

Pro lepší pochopení se blíže podíváme na to, co je řezání kovů pomocí plazmy, jak se provádí a v jakých oblastech jej lze použít.

Základy plazmového řezání kovů <br />

Než pochopíte základy plazmového řezání kovových výrobků, musíte vědět, co je to plazma. Protože kvalita konečného výsledku přímo závisí na správném pochopení tohoto pojmu a principů práce s plazmatronem.

Aby bylo možné úspěšně řezat kovy, musí být pracovní paprsek sestávající z kapaliny a plynu nasměrovaný na zpracovávaný povrch upraven na určité vlastnosti. Mezi tyto vlastnosti patří:

• rychlost. Pracovní paprsek je aplikován na povrch kovového výrobku pod vysokým tlakem. To znamená, že řezání plazmou zahrnuje okamžité zahřátí kovu a jeho následné foukání. Je třeba poznamenat, že rychlost proudového letadla může dosáhnout 1.5-4 km za sekundu;
• teplota. Protože k vytvoření plazmy je nutné zahřát kovový produkt na 5-30 tisíc stupňů Celsia v co nejkratším čase, používá se k dosažení tohoto indikátoru elektrický oblouk. Poté, co vzduch dosáhne požadované teploty, ionizuje, změní své vlastnosti a získá schopnost vést elektrický proud. Proces plazmového řezání může také používat systémy proudění vzduchu a speciální odvlhčovače k ​​odstranění přebytečné vlhkosti;
• přítomnost elektrického obvodu. Hned je třeba poznamenat, že naprosto vše o řezání kovů pomocí plazmy se lze naučit pouze praxí. Před zakoupením instalace je však stále třeba vzít v úvahu určité nuance. Na moderním trhu jsou dostupné přímé a nepřímé plazmatrony. Jejich hlavní rozdíl spočívá v tom, že první typ zařízení lze použít pouze s těmi materiály, které mohou vést elektrický proud a mohou být zařazeny do elektrické sítě, zatímco pro druhý typ tato nuance nemá absolutně žádný význam. To je důvod, proč použití nepřímých plazmatronů umožňuje řezat kovy a jakékoli jiné materiály, které nevedou proud.

Ke všemu výše uvedenému je třeba také dodat, že plazmové řezání tlustých kovových výrobků se téměř nepoužívá. Proč? Jde o to, že tento druh řezání je poměrně drahý a neefektivní.

Jak se provádí řezání kovů plazmou? <br />

Základní princip činnosti řezání kovů pomocí plazmy by měl být popsán následovně.

• Za prvé, kompresor dodává vzduch do plazmatronového hořáku.
• Za druhé, díky téměř okamžitému zahřátí proudu vzduchu pomocí elektrického proudu začne sám procházet elektřina a tvořit plazma. Některá zařízení mohou místo vzduchu používat inertní plyny.
• Za třetí, řezání kovové konstrukce pomocí plazmy se provádí okamžitým úzkým zahřátím povrchu na určitou teplotu a následným vyfouknutím roztaveného kovu.
• Za čtvrté, po dokončení všech řezných prací vzniká odpad, který zahrnuje zbytky plechu, odřezky, okuje a zbytky roztaveného kovu.

Protože pro úspěšné řezání pomocí plazmy je materiál zahříván do kapalného stavu, tloušťka kovu by neměla překročit určitou hodnotu. Například tloušťka hliníku by neměla být větší než 120 mm, mědi – více než 80 mm, legované a uhlíkové oceli více než 50 mm a litiny – více než 90 mm.

Druhy plazmového řezání kovů

V současné době existují dva způsoby zpracování kovových výrobků, na kterých závisí vlastnosti plazmového řezání. Tyto metody jsou:

• řezání plazmovým obloukem. Tato metoda je ideální pro všechny druhy kovů, které mohou vést elektrický proud. Ve většině případů se pro průmyslová zařízení používá řezání plazmovým obloukem. Celá podstata metody spočívá v tom, že plazma vzniká díky oblouku, který se objeví mezi plazmatronem a povrchem zpracovávaného kovu;
• řezání plazmovým paprskem. V tomto případě je oblouk vytvořen přímo v samotném plazmatronu. Díky tomu je řezání plazmovým paprskem univerzálnější a umožňuje řezání nekovových výrobků. Hlavní nevýhodou této metody je nutnost pravidelné výměny elektrod.

Je třeba poznamenat, že řezání kovů pomocí plazmy funguje stejně jako standardní řezání obloukem, ale v tomto případě se nepoužívají nám známé elektrody. Je však třeba vzít v úvahu, že účinnost řezání závisí především na tloušťce zpracovávaného materiálu.

Rychlost a přesnost procesu plazmového řezání kovů <br />

Stejně jako u jiných typů tepelného zpracování materiálů dochází při plazmovém řezání kovů k roztavení výrobku, což ovlivňuje kvalitu řezu. Kromě toho existují další nuance charakteristické pro výše uvedenou metodu. A to:

• kužel. V závislosti na výkonu instalace a na tom, jak zkušený řezák byl, může být zúžení 3-10 stupňů;
• tavení okrajů. Bez ohledu na profesionalitu řemeslníka a režim řezání kovové konstrukce dojde na začátku práce k mírnému natavení povrchu;
• řezná rychlost. Standardní postup řezání kovu pomocí plazmatronu se provádí poměrně rychle a s minimální spotřebou napětí a elektřiny. Pokud vezmeme v úvahu technické vlastnosti ručních instalací a normy GOST, pak by rychlost řezání kovu pomocí plazmy neměla být vyšší než 6500 mm/min;
• řezné vlastnosti. Rychlost a kvalita plazmového řezání závisí na operacích, které je třeba provést. Například konvenční štípací řez bude vyžadovat nejméně času a navíc většina strojů dokáže řezat kov až do tloušťky 64 mm. No, pokud je nutné provést tvarové řezání, bude to trvat déle a tloušťka zpracovávaného materiálu by neměla přesáhnout 40 mm.

Důležitou nuancí je, že rychlost a kvalita plazmového řezání do značné míry závisí na dovednosti specialisty. Proto přesný a čistý řez s minimální odchylkou od požadovaných rozměrů může provést pouze kvalifikovaný pracovník se specializovaným vzděláním.

Je možné řezat neželezné kovy pomocí plazmy?

V závislosti na druhu materiálu, jeho hustotě a mnoha dalších technických charakteristikách lze pro zpracování neželezných kovů použít různé způsoby řezání. V každém případě však při řezání neželezných slitin je třeba vzít v úvahu následující doporučení:

• Při řezání nerezové oceli není vhodné používat stlačený vzduch. V závislosti na tloušťce materiálu lze použít buď čistý dusík, nebo dusík smíchaný s argonem. Kromě toho byste si neměli nechat ujít nuanci, že nerezové oceli jsou citlivé na střídavé proudy, protože to může vést k rychlému poškození materiálu.
  Nejoptimálnějším řešením pro řezání nerezové oceli je použití instalace s nepřímým nárazem;
• Stlačeným vzduchem lze řezat hliník až do tloušťky 70 mm. Ale jeho použití je nepraktické, pokud má materiál nízkou hustotu.

Rozsah použití plazmového řezání kovů

V současné době jsou plazmatrony široce populární a žádané. A to není vůbec překvapivé, protože ve srovnání s jinými zařízeními pro řezání kovu vám výše uvedené zařízení umožňuje dosáhnout vysoce kvalitních řezů při relativně nízkých nákladech na ruční instalaci.

Dnes se plazmové řezání kovových konstrukcí používá v následujících odvětvích:

• zpracování kovů. Pomocí plazmy můžete bez jakýchkoli potíží řezat absolutně jakýkoli kov, včetně žáruvzdorných, železných a neželezných;
• výroba kovových konstrukcí;
• zpracování různých dílů a umělecké kování. Buďte si jisti, že s pomocí plazmové řezačky bude možné vytvořit díl téměř jakékoli složitosti;
• automobilový průmysl, výroba letadel, investiční výstavba a mnoho dalšího.

Je třeba poznamenat, že použití plazmových řezacích strojů nebylo schopno nahradit ruční zařízení.

Umělecké plazmové řezání kovů poskytuje jedinečnou možnost vytvořit díl, který přesně odpovídá představě designéra či umělce, což umožňuje jeho použití pro dekorativní dekoraci schodišť, plotů, zábradlí apod.

Hlavní výhody a nevýhody řezání kovů plazmou <br />

Dnes se plazmové řezání kovů používá téměř v každém odvětví. Důvody této prevalence jsou skryty ve výhodách zákroku. Mezi výhody výše uvedené metody tedy patří:

• vysoká rychlost a produktivita. Pokud tuto metodu porovnáme se standardním řezáním elektrodou, pak plazmové řezání umožňuje dokončit všechny práce několikanásobně rychleji;
• nízké náklady. Pokud potřebujete ušetřit peníze, pak je plazmové řezání ideálním řešením. Hlavní a jediné omezení spočívá v tloušťce materiálu. Koneckonců je ekonomicky nerentabilní a nepraktické řezat například ocel, jejíž tloušťka je větší než 50 mm;
• přesnost. Díky použití moderního zařízení jsou deformace z tepelného zpracování prakticky neviditelné a nevyžadují další zpracování;
• bezpečnost řezání.
  Pokud jde o negativní aspekty tohoto druhu řezání kovů, nevýhody zahrnují:
• omezení související s tloušťkou řezu;
• přísné požadavky na zpracování kovových dílů.

Porovnání laserového a plazmového řezání kovů

Hlavním rozdílem mezi řezáním plazmou a řezáním laserem je způsob expozice povrchu zpracovávaného materiálu.

Ano, nepochybně laserové zařízení poskytuje nižší procento tavení a také vyšší produktivitu a rychlost zpracování součásti, ale tento druh zpracování bude stát řádově více a navíc by měla být tloušťka zpracovávaného materiálu nepřesahuje 20 mm.

Co se týče plazmového řezání, v tomto případě plazmatron stojí méně a má širší rozsah aplikací.

Podstata metody. Plazma je ionizovaný plyn obsahující elektricky nabité částice a schopný vést proud. K ionizaci plynu dochází při jeho zahřívání. Čím vyšší je teplota plynu, tím vyšší je stupeň ionizace. Ve střední části svařovacího oblouku se plyn zahřívá na teplotu 5000 °C. 30 000 °C, má vysokou elektrickou vodivost, jasně září a je typickým plazmatem. Plazmový paprsek používaný pro svařování a řezání se vyrábí ve speciálních plazmových hořákech, ve kterých se plyn zahřívá a ionizuje obloukovým výbojem ve speciálních komorách.

Proces plazmového řezání kovu je založen na použití stejnosměrného stejnosměrného proudu vzduch-plazmový oblouk (elektroda-katoda, řezaný kov – anoda). Podstatou procesu je lokální tavení a vyfukování roztaveného kovu za vzniku řezné dutiny, když se plazmová řezačka pohybuje vzhledem k řezanému kovu.

K vybuzení pracovního oblouku (elektroda je řezaný kov) se pomocí oscilátoru zapálí pomocný oblouk mezi elektrodou a tryskou – tzv. pilotní oblouk, který je vyfukován z trysky startovacím vzduchem ve formě hořáku o délce 20-40 mm. Proud pilotního oblouku je 25 nebo 40-60 A, v závislosti na zdroji plazmového oblouku. Když se hořák pilotního oblouku dotkne kovu, objeví se řezací oblouk – pracovní a zapne se zvýšený průtok vzduchu; Pilotní oblouk se automaticky vypne.

Použití vzduchového plazmového řezání, při kterém se jako plazmotvorný plyn používá stlačený vzduch, otevírá široké možnosti pro řezání nízkouhlíkových a legovaných ocelí, ale i neželezných kovů a jejich slitin.

Výhody vzduchového plazmového řezání ve srovnání s mechanizovaným kyslíkem a plazmovým řezáním v inertních plynech jsou následující: jednoduchost procesu řezání; použití levného plazmotvorného plynu – vzduchu; vysoká čistota řezu (při zpracování uhlíkových a nízkolegovaných ocelí); snížený stupeň deformace; stabilnější proces než řezání ve směsích obsahujících vodík.

Plyn vháněný do komory (obr. 1), stlačující sloupec oblouku v kanálu plazmatronové trysky a ochlazování jeho povrchových vrstev, zvyšuje teplotu kolony. V důsledku toho se proud procházejícího plynu, zahřátý na vysoké teploty, ionizuje a získává vlastnosti plazmatu. Zvýšení objemu plynu o 50 při zahřátí. 100 a vícekrát vede k odtoku plazmy při vysokých transsonických rychlostech. Plazmový paprsek snadno roztaví jakýkoli kov. V praxi se používají dva hlavní způsoby zapínání plazmových hořáků (viz obr. 1). V prvním případě existuje obloukový výboj mezi tyčovou katodou umístěnou uvnitř hořáku podél jeho osy a ohřívaným produktem (přímý plazmový paprsek). Takové plazmové hořáky mají vyšší účinnost, protože výkon vynaložený na ohřev kovu sestává z výkonu uvolněného v anodové oblasti a výkonu přenášeného na anodu plazmovým paprskem.

Rýže. 1 Konstrukce plazmových hořáků s axiálním (a) (přímé působení)a tangenciální (b) (nepřímá akce) dodávka plynu

Ve druhém hoří oblouk mezi katodou a tryskou, která je připojena ke kladnému pólu zdroje energie (nepřímý plazmový paprsek). Proud plynu proudící z trysky stlačuje část plazmy sloupce oblouku a unáší ji mimo plazmový hořák. Tepelná energie tohoto plazmatu, která se skládá z kinetické a potenciální energie jeho částic, se využívá k ohřevu a tavení obrobků. Ve většině případů je celková a měrná tepelná energie malá, proto se takové plazmové hořáky používají pro svařování tenkých výrobků v mikroplazmových instalacích pro pájení a zpracování nekovů, protože výrobek nemusí být nutně elektricky vodivý.

Pro spolehlivou stabilizaci oblouku a jeho odtlačení od stěn trysky se používá axiální nebo tangenciální přívod plynu (viz obr. 1). Pro eliminaci turbulencí v osově symetrických proudech jsou vytvářeny pomocí speciálních konstrukcí trysek a vložek.

Při obloukových procesech s netavnou elektrodou vede změna intenzity proudu se změnou napětí oblouku k nerovnoměrné hloubce průniku kovu a narušení stability procesu. Proto jsou při svařování plazmovým obloukem optimální vnější charakteristikou zdroje prudce klesající nebo dokonce vertikální charakteristiky, které umožňují výraznou změnu napětí při zachování konstantního proudu. Zdroje energie s vertikálními charakteristikami se objevily relativně nedávno ve vztahu k plazmovým obloukovým procesům.

K dispozici je speciální zařízení pro ruční a mechanizované svařování plazmovým obloukem, navařování a řezání. Od dříve popsaných svařovacích zařízení se liší konstrukcí plazmového hořáku. Existuje mnoho hořáků, které se liší konstrukcí katody (tyčové, duté, kotoučové), způsobem chlazení (voda, vzduch), způsobem stabilizace oblouku (plyn, voda, magnetické pole), typem proudu, složením plazmotvorného média atd. .

Rýže. 2 Schéma mikroplazmového hořáku pro svařování plazmovým obloukem:1 – pracovní plyn;2 – zaostřovací plyn

Se zvýšením rychlosti plazmového paprsku je narušena laminarita proudění. Navíc v oblasti za tryskou klesá stupeň stlačení sloupce oblouku. V tomto ohledu se v posledních letech stále více rozšiřují hořáky se sekundárním zaostřováním a ochranným prouděním plynu (obr. 2). Plyn je přiváděn pod úhlem k ose hořáku a jakoby omývá sloupec oblouku a intenzivně jej ochlazuje, díky čemuž se průměr sloupce oblouku se vzdáleností od trysky mírně zmenšuje. V tomto případě je dosaženo vysoké koncentrace proudu plazmy při relativně nízké výstupní rychlosti. Takové hořáky, nazývané jehlová plazma nebo mikroplazma, umožňují získat špičatý plazmový oblouk v rozsahu nízkého proudu (0,5 – 30 A).

Obloukový plazmový paprsek je intenzivní zdroj tepla s širokým spektrem technologických vlastností. Lze jej použít pro ohřev, svařování nebo řezání jak elektricky vodivých kovů (viz obr. 1, a, b), tak i elektricky nevodivých materiálů, jako je sklo, keramika atd. (viz obr. 1, b).

Tepelná účinnost obloukového plazmového paprsku závisí na síle svařovacího proudu a napětí, složení, průtoku a průtoku plazmotvorného plynu, vzdálenosti od trysky k povrchu výrobku, rychlosti pohybu. hořáku (rychlost svařování nebo řezání) atd. Geometrický tvar paprsku může být také různý (čtvercový, kulatý atd.) a je určen tvarem výstupu trysky.

Svařovací technika. Oblouk je napájen zpravidla střídavým nebo stejnosměrným proudem přímé polarity (mínus na elektrodě). Oblouk je buzen pomocí oscilátoru. Pro usnadnění iniciace přímého oblouku se používá pilotní oblouk, hoří mezi elektrodou a tryskou hořáku. Pro napájení plazmového oblouku se používají zdroje svařovacího proudu s provozním napětím do 120 V, v některých případech i vyšším; Pro napájení plazmového hořáku používaného k řezání je optimální napětí naprázdno napájecího zdroje do 300 V.

Plazmovým paprskem lze svařovat téměř všechny kovy ve spodní a vertikální poloze. Jako plazmotvorné plyny se používají argon, dusík, směs argonu s dusíkem a vodíkem, oxid uhličitý a vzduch (hlavně pro řezání). Jako elektroda se používají wolframové tyče nebo speciální měděné tyče s hafniovými nebo zirkoniovými vložkami.

Mezi výhody plazmového svařování patří vysoká produktivita, nízká citlivost na kolísání délky oblouku a eliminace wolframových vměstků ve svarovém kovu. Bez zkosení hran je možné svařovat kov až do tloušťky 15 mm pro vytvoření průvaru specifického tvaru. To se vysvětluje vytvořením průchozího otvoru v základním kovu, kterým proud plazmy vystupuje na zadní stranu produktu. Kov roztavený v přední části svarové lázně je plazmovým tlakem posouván podél stěn svarové lázně do její zadní části, kde krystalizuje a tvoří šev. V podstatě jde o proříznutí produktu se svařením oblasti řezu.

Plazmový paprsek lze použít ke svařování tupých a koutových svarů. Tupé spoje na kov do tloušťky 2 mm lze svařovat s přírubovými hranami u tloušťky nad 10 mm se doporučuje hrany zkosit. V případě potřeby se používá další kov. Pro svařování kovu do tloušťky 1 mm se s úspěchem používá mikroplazmové svařování nepřímým paprskem, při kterém je svařovací proud 0,1. 10 A.

Řezání plazmovým paprskem je založeno na roztavení kovu v místě řezu a jeho vyfukování proudem plazmy. Plazmovým paprskem se řeže kov o tloušťce od zlomků až po desítky milimetrů. K řezání tenkého kovu se používá nepřímý plazmový paprsek. Se zvýšenou tloušťkou kovu je dosaženo lepších výsledků s přímým plazmovým paprskem. Při řezání i uhlíkových ocelí je v mnoha případech ekonomičtější než kyslíko-palivové díky vysoké rychlosti a lepší kvalitě řezu.

V závislosti na kovu mohou být jako plazmotvorné plyny použity směsi dusíku, vodíku, argon-vodík, argon-dusík, dusík-vodík. Použití směsí plynů obsahujících dvouatomové plyny pro řezání je energeticky účinnější. Disociací dvouatomový plyn absorbuje velké množství tepla, které se uvolňuje na studeném řezném povrchu, když se volné atomy spojují do molekuly. Nedávno, když bylo možné používat vodou chlazené zirkoniové a hafniové elektrody, se jako řezný plyn začal používat vzduch. Svařování a řezání lze provádět ručně nebo automaticky.

Rychlost řezání vzduchovou plazmou v závislosti na tloušťce kovu.

Materiál k řezání

Síla proudu A

Maximální řezná rychlost (m/min) kovu v závislosti na jeho tloušťce, mm