Плазменная резка. Основные понятия. | Компания ОПТТОРГ

Плазменная резка. Основные понятия.

Плазма — электропроводный газ, содержащий электроны, ионы и нейтральные молекулы. При плазменной резке используют термическую плазму с температурами (5÷30) * 103 К, получаемую в результате продувания текучей плазмообразующей среды (обычно — газа, реже — жидкости, а также газожидкостных смесей) через электрический дуговой разряд в устройстве, называемом дуговым плазмотроном.
В столбе дугового разряда плазма образует пространственную область, содержащую газообразный проводник между электродами с плотностью энергии до 1 * 106 Вт/см2, а за его пределами — высокоэнтальпийный факел. Эта формируемая в виде сжатой цилиндрической струи и надлежащим образом ориентированная пространственная область может служить концентрированным высокотемпературным теплообменным источником тепловой энергии. Истечение плазменной струи характеризуется скоростями, достигающими скорость звука. Радиальное распределение температуры и скорости в струе аппроксимируется кривыми Гаусса.
Плазменная резка состоит в непрерывном проплавлении материала заготовки струей плазмы электрической дуги, перемещаемой по заданной линии, при сопутствующем удалении ею расплава с образованием полости реза. С этой целью режущую струю размещают в исходной позиции у кромки обрабатываемого металла и по мере его проплавления перемещают по намеченной линии.
Однако в процессе резки плазменной струей используется лишь около 7% энергии плазмогенерирующей дуги, что ограничивает его рациональность преимущественно обработкой неметаллических материалов. Для резки металлов (электропроводных материалов) используют не только плазменный факел и столб дуги, но прежде всего активно передающее энергию заряженных частиц пятно (обычно анодное) плазмогенерирующей дуги постоянного тока, которую принято называть режущей плазменной дугой. Такой способ плазменной (точнее — плазменнодуговой) резки дает возможность существенно (до 20—30% и более) повысить использование энергии дугового разряда. Применяя металлическую подложку в качестве вспомогательного анода, возможно использовать для резки неметаллических материалов столб плазменной дуги.
Столб дуги и струя плазмы имеют нужный для разделительной резки характер линейного источника тепла. Активное пятно дуги под действием потока плазмы вместе с радиальным участком столба перемещается от верхних кромок реза к нижним. Затем у верхних кромок происходит шунтирование радиального участка, нижнее пятно отмирает и процесс многократно повторяется, что придает теплопередаче квазилинейный характер.

Плазмотрон имеет дуговую камеру, содержащую электродный элемент для формирования катодной области режущего разряда и электрически изолированное от него сопловое устройство. В дуговую камеру подается рабочая среда, преобразуемая в плазму, вытекающую из сопла в виде цилиндрической струи. Анодом плазмогенерирующей дуги служит, как правило, разрезаемый металл (при плазменнодуговой резке) или корпус сопла (при резке струей плазмы). Корпус сопла используют в качестве анода также в начальной пусковой фазе. Поджиг дуги осуществляют наложением на дуговой промежуток напряжения источника тока, а также высокого напряжения тока высокой частоты, осуществляющего искровой пробой.
Катод плазмотрона изготовляют из тугоплавких металлов с высокими эмиссионными характеристиками. Для работы в нейтральных плазмообразующих средах используют вольфрам. В окислительных средах применяют катоды из циркония или гафния, образующих при работе дуги защитную пленку тугоплавких оксидов и нитридов (пленочные термохимические катоды). В плазмотронах для машинной резки наиболее часто используют гильзовую конструкцию катодов, состоящую из медного катододержателя с катодной вставкой из вольфрама, графиня или циркония. Как правило, катододержатель интенсивно охлаждают проточной водой. Рабочий торец пленочных катодов — плоский. Катодное пятно дуги стабилизируется в центре катодной вставки вихревым потоком плазмообразующего газа, для чего плазмотрон снабжают завихрителем.

В европейских странах получили распространение созданные Германии тонкоструйные резательные плазмотроны, рассчитанные на резку дугами с токами величиной до 100—160 А, формируемыми в соплах диаметром до 1,5 мм при подаче плазмообразующей аргоно-водородной смеси под повышенным давлением. Такие плазмотроны используют для резки цветных металлов или высоколегированных сталей в диапазоне толщин до 20—30 мм. Их преимущества состоят в получении узких разрезов повышенного качества. При резке цветных металлов улучшается использование потребляемой энергии. Резка сталей более целесообразна в кислородсодержащих смесях.
Для микроплазменной резки (металлов толщиной <10мм) используют (преимущественно в зарубежной технике) плазмотроны для токов 10— 100 А с еще меньшими диаметрами сопл.

Материалы
Рабочие плазмообразующие среды должны обеспечивать:
эффективное формирование режущей дуги
получение высококачественных кромок реза
эффективную передачу разрезаемому металлу тепловой энергии, заимствованной в столбе дуги
длительную работу формирующих элементов плазмотрона
получение дополнительной энергии для резки за счет экзотермических реакций
экономичность и безопасность работы.
Рабочие среды наиболее широко используются в виде технических газов: азота, аргона, водорода, кислорода, сжатого воздуха и др.
Рабочую среду выбирают с учетом ее свойств и свойств обрабатываемого материала. Инертные газы обеспечивают получение наиболее чистых поверхностей реза, что особенно важно для резки цветных металлов. Двухатомные газы улучшают передачу энергии дуги разрезаемому металлу за счет механизма диссоциации — рекомбинации. Кислородсодержащие среды повышают энергетическую эффективность резки металлов, экзотермически реагирующих с кислородом, что обеспечивает для них наиболее высокую производительность резки.

Наибольшее применение в СССР получила резка на основе использования плазмы кислородсодержащего сжатого воздуха (воздушно-плазменная резка).

Перспективно использование интенсифицирующих плазмообразующих сред. При воздушно-плазменной резке обогащение воздуха кислородом обеспечивает повышение производительности резки сталей без увеличения затрат энергии и способствует улучшению качества металла на кромках. Подача воды в плазменную дугу также улучшает качество заготовок из сталей и способствует повышению скорости резки. Если к плазмообразующему воздуху добавлять углеводороды, заметно возрастает скорость резки меди и ее сплавов. и существенно улучшается качество заготовок.