Термическая резка металла
Металлообработка насчитывает значительный набор работ, однако наиболее незаменимым останется качественный раскрой металла.
Дополнительная механическая обработка может и не требоваться, т.е. детали могут сразу использоваться в последующих этапах производственного процесса. Как этого достичь? Ответ прост ― для раскроя заготовок применить машину термической резки с программным управлением ЧПУ.
Понятие "термическая резка" знакомо каждому человеку, так или иначе связанному с металлоконструкциями либо изделиями из металла, а вот технологию процесса знают далеко не все. Между тем, понимание процесса дает возможность точнее спланировать все этапы изготовления изделия. Например, необходимость и величину припусков на детали с последующей механической обработкой, а также время, требующееся на каждый этап изготовления.
На сегодняшний день особое место заняла плазменная резка как высокопроизводительный и качественный способ раскроя листового металла.
Воздушно-плазменная резка, как и газокислородная, относятся к одной группе термической резки металлов. Это обуславливается одним и тем же принципом действия: местный нагрев с последующим выдуванием расплавленного металла из зоны резки. Отличие их в том, что при газокислородной резке источниками энергии являются горючее и окислитель, а при использовании воздушно-плазменной резки ― энергия электрической дуги. Но по сравнению с газокислородной, воздушно-плазменная резка имеет ряд существенных преимуществ.
Так как температура плазмы достигает десятков тысяч градусов, это позволяет резать любые металлы и их сплавы, в том числе углеродистую, нержавеющую и высоколегированную стали, чугун, медь, латунь, бронзу, алюминий, титан, а также биметаллы. Вследствие такой высокой температуры скорость резки в несколько раз выше, чем при газокислородной резке, а сам процесс начинается без предварительного разогрева металла. При этом металл не коробится и не деформируется, а грат, образующийся на краях реза, легко удаляется, после чего остается ровная кромка. Кроме этого потери металла минимальны из-за малой ширины реза.
Плазма ― это полностью или частично ионизированный газ. В качестве газа обычно используется воздух или инертный газ.
Процесс плазменной резки основан на использовании воздушно-плазменной дуги постоянного тока прямого действия (электрод ― катод, а разрезаемый металл ― анод). Сущность процесса заключается в локальном расплавлении и выдувании расплавленного металла с образованием полости реза при перемещении плазменного резака относительно разрезаемого металла.
Плазменная резка экономически целесообразна для обработки:
алюминия и сплавов на его основе толщиной до 120 мм;
меди толщиной до 80 мм;
легированных и углеродистых сталей толщиной до 50 мм;
чугуна толщиной до 90 мм.
По сравнению с технологией газокислородной резки, технология плазменной резки гораздо проще. Она не требует заправки и доставки газовых баллонов, присадок для резки ценных металлов или особого соблюдения мер пожарной безопасности. Для плазменной резки необходимы только электроэнергия и воздух, а в качестве расходных материалов – сопла и электроды.
Методы дуговой, газодуговой и газовой резки в применении к цветным металлам и высоколегированным сталям не обеспечивают высокой чистоты реза, малопроизводительны и дорогостоящи. Поэтому в последние годы для выполнения качественной резки сплавов алюминия, легированных и даже низкоуглеродистых сталей все большее применение получила плазменная резка.
Сам процесс плазменной резки характеризуется двумя этапами:
Образование пилотной («косвенной») плазмы при помощи высоковольтного высокочастотного разряда, который возникает между электродом (-) и соплом (+) горелки, и длится не более 2 секунд. «Косвенная плазма» имеет форму остроконечного факела, формируемого потоком газа.
При касании пилотной («косвенной») плазмы разрезаемого металла, происходит образование электрической дуги (т.е. «прямой плазмы»), между электродом плазмотрона (-) и металлом (+).
«Прямая плазма» формируется потоком воздуха или инертным газом в высокотемпературный (до 200000С) плазменный поток. Металл в зоне резки плавится и выдувается струей плазмы. Этой же струей расплавленный металл удаляется из полости реза. Температура плазмы достигает 30 000°С, а скорость ее истечения из сопла плазменной горелки -2000 м/с. Плазменная резка может применяться для металла толщиной от долей до десятков миллиметров. Для резки металла используется только «прямая плазма».
Рис.2 Схема плазменных горелок для резки: a ― с прямой дугой, б ― с косвенной плазменной струей
При плазменно-дуговой резке дуга горит между неплавящимся электродом и разрезаемым металлом (дуга прямого действия). Столб дуги совмещен с высокоскоростной плазменной струей, которая образуется из поступающего газа за счет его нагрева и ионизации под действием дуги. Для разрезания используется энергия одного из приэлектродных пятен дуги, плазмы столба и вытекающего из него факела.
При резке плазменной струей дуга горит между электродом и формирующим наконечником плазмотрона, а обрабатываемый объект не включен в электрическую цепь (дуга косвенного действия). Часть плазмы столба дуги выносится из плазмотрона в виде высокоскоростной плазменной струи, энергия которой и используется для разрезания.
Плазменно-дуговая резка более эффективна и широко применяется для обработки металлов.
Варианты плазменной резки
Обычная плазменная резка
В данном процессе используется один газ (обычно воздух), который и охлаждает, и создает плазму. Большинство таких систем работают на токах ниже 100 А, разрезается материал толщиной до 12 мм. Часто применяется при ручной плазменной резке.
Резка двумя газами
В этом процессе используются два газа – один создает плазму, а другой – защитный. Защитный газ защищает место резки от воздействия атмосферы, создавая более чистый рез. Возможно использование самых различных комбинаций газов для достижения наилучшего качества.
Резка под защитой воды
Это вариант резки, аналогичный варианту с двумя газами, только вместо защитного газа используется вода. Получается лучшее качество резки нержавеющей стали. Данный процесс не применяется при ручной резке.
Резка с водяным впрыском
При таком типе используется газ для создания плазмы, а вода впрыскивается либо радиально, либо с завихрением прямо в дугу, чтобы улучшить форму дуги и увеличить плотность и температуру дуги. Такие процессы применяются от 260 до 750 А для высококачественной резки различных материалов и толщин.
Точная плазменная резка
При этом процессе достигается высокое качество резки на тонких материалах (менее 10 мм) при низких скоростях. Такое улучшенное качество является результатом использования последних технологий в области формирования плазменной дуги.
Мощными плазменными горелками, работающими при напряжении дуги до 200 В, можно разрезать листы толщиной до 150 мм и более со скоростью до 1 м/мин, а листы толщиной до 66 мм ― при скорости до 5 м/мин и более. Плазменная резка алюминиевых сплавов и других цветных металлов и легированных сталей позволяет получать резы с высоким качеством (по чистоте и точности) и отличается наибольшей экономичностью по сравнению со всеми другими методами резки. Для низкоуглеродистых сталей плазменная резка особенно эффективна при обработке листов толщиной до 30 мм.
Преимущества плазменной резки по сравнению с газовыми способами резки
значительно выше скорость резки металла малой и средней толщины;
универсальность применения – плазменная резка используется для обработки сталей, алюминия и его сплавов, меди и сплавов, чугуна и др. материалов;
точные и высококачественные резы, при этом в большинстве случаев исключается или заметно сокращается последующая механическая обработка;
экономичность воздушно-плазменной резки – нет потребности в дорогостоящих газах (ацетилене, кислороде, пропан-бутане);
возможность вырезать детали сложной формы;
очень короткое время прожига (при кислородной резке требуется продолжительный предварительный прогрев);
более безопасная, поскольку отсутствуют взрывоопасные баллоны с газом;
низкий уровень загрязнения окружающей среды.
Недостатки плазменной резки по сравнению с газовыми способами резки:
максимальная толщина реза обычно составляет 80–100 мм (кислородной резкой можно обрабатывать чугун и некоторые стали толщиной до 500 мм);
более дорогое и сложное оборудование;
повышенные требования к техническому обслуживанию;
угол отклонения от перпендикулярности реза не должен превышать 10–50º в зависимости от толщины детали (в противном случае существенно расширяется рез, что приводит к быстрому износу расходных материалов);
практически отсутствует возможность использования двух ручных резаков, подключенных к одному аппарату;
повышенный шум вследствие истечения газа из плазматрона с околозвуковыми скоростями;
вредные азотсодержащие выделения (при использовании азота) – для уменьшения разрезаемое изделие погружают в воду.
Дополнительная механическая обработка может и не требоваться, т.е. детали могут сразу использоваться в последующих этапах производственного процесса. Как этого достичь? Ответ прост ― для раскроя заготовок применить машину термической резки с программным управлением ЧПУ.
Понятие "термическая резка" знакомо каждому человеку, так или иначе связанному с металлоконструкциями либо изделиями из металла, а вот технологию процесса знают далеко не все. Между тем, понимание процесса дает возможность точнее спланировать все этапы изготовления изделия. Например, необходимость и величину припусков на детали с последующей механической обработкой, а также время, требующееся на каждый этап изготовления.
На сегодняшний день особое место заняла плазменная резка как высокопроизводительный и качественный способ раскроя листового металла.
Воздушно-плазменная резка, как и газокислородная, относятся к одной группе термической резки металлов. Это обуславливается одним и тем же принципом действия: местный нагрев с последующим выдуванием расплавленного металла из зоны резки. Отличие их в том, что при газокислородной резке источниками энергии являются горючее и окислитель, а при использовании воздушно-плазменной резки ― энергия электрической дуги. Но по сравнению с газокислородной, воздушно-плазменная резка имеет ряд существенных преимуществ.
Так как температура плазмы достигает десятков тысяч градусов, это позволяет резать любые металлы и их сплавы, в том числе углеродистую, нержавеющую и высоколегированную стали, чугун, медь, латунь, бронзу, алюминий, титан, а также биметаллы. Вследствие такой высокой температуры скорость резки в несколько раз выше, чем при газокислородной резке, а сам процесс начинается без предварительного разогрева металла. При этом металл не коробится и не деформируется, а грат, образующийся на краях реза, легко удаляется, после чего остается ровная кромка. Кроме этого потери металла минимальны из-за малой ширины реза.
Плазма ― это полностью или частично ионизированный газ. В качестве газа обычно используется воздух или инертный газ.
Процесс плазменной резки основан на использовании воздушно-плазменной дуги постоянного тока прямого действия (электрод ― катод, а разрезаемый металл ― анод). Сущность процесса заключается в локальном расплавлении и выдувании расплавленного металла с образованием полости реза при перемещении плазменного резака относительно разрезаемого металла.
Плазменная резка экономически целесообразна для обработки:
алюминия и сплавов на его основе толщиной до 120 мм;
меди толщиной до 80 мм;
легированных и углеродистых сталей толщиной до 50 мм;
чугуна толщиной до 90 мм.
По сравнению с технологией газокислородной резки, технология плазменной резки гораздо проще. Она не требует заправки и доставки газовых баллонов, присадок для резки ценных металлов или особого соблюдения мер пожарной безопасности. Для плазменной резки необходимы только электроэнергия и воздух, а в качестве расходных материалов – сопла и электроды.
Методы дуговой, газодуговой и газовой резки в применении к цветным металлам и высоколегированным сталям не обеспечивают высокой чистоты реза, малопроизводительны и дорогостоящи. Поэтому в последние годы для выполнения качественной резки сплавов алюминия, легированных и даже низкоуглеродистых сталей все большее применение получила плазменная резка.
Сам процесс плазменной резки характеризуется двумя этапами:
Образование пилотной («косвенной») плазмы при помощи высоковольтного высокочастотного разряда, который возникает между электродом (-) и соплом (+) горелки, и длится не более 2 секунд. «Косвенная плазма» имеет форму остроконечного факела, формируемого потоком газа.
При касании пилотной («косвенной») плазмы разрезаемого металла, происходит образование электрической дуги (т.е. «прямой плазмы»), между электродом плазмотрона (-) и металлом (+).
«Прямая плазма» формируется потоком воздуха или инертным газом в высокотемпературный (до 200000С) плазменный поток. Металл в зоне резки плавится и выдувается струей плазмы. Этой же струей расплавленный металл удаляется из полости реза. Температура плазмы достигает 30 000°С, а скорость ее истечения из сопла плазменной горелки -2000 м/с. Плазменная резка может применяться для металла толщиной от долей до десятков миллиметров. Для резки металла используется только «прямая плазма».
Рис.2 Схема плазменных горелок для резки: a ― с прямой дугой, б ― с косвенной плазменной струей
При плазменно-дуговой резке дуга горит между неплавящимся электродом и разрезаемым металлом (дуга прямого действия). Столб дуги совмещен с высокоскоростной плазменной струей, которая образуется из поступающего газа за счет его нагрева и ионизации под действием дуги. Для разрезания используется энергия одного из приэлектродных пятен дуги, плазмы столба и вытекающего из него факела.
При резке плазменной струей дуга горит между электродом и формирующим наконечником плазмотрона, а обрабатываемый объект не включен в электрическую цепь (дуга косвенного действия). Часть плазмы столба дуги выносится из плазмотрона в виде высокоскоростной плазменной струи, энергия которой и используется для разрезания.
Плазменно-дуговая резка более эффективна и широко применяется для обработки металлов.
Варианты плазменной резки
Обычная плазменная резка
В данном процессе используется один газ (обычно воздух), который и охлаждает, и создает плазму. Большинство таких систем работают на токах ниже 100 А, разрезается материал толщиной до 12 мм. Часто применяется при ручной плазменной резке.
Резка двумя газами
В этом процессе используются два газа – один создает плазму, а другой – защитный. Защитный газ защищает место резки от воздействия атмосферы, создавая более чистый рез. Возможно использование самых различных комбинаций газов для достижения наилучшего качества.
Резка под защитой воды
Это вариант резки, аналогичный варианту с двумя газами, только вместо защитного газа используется вода. Получается лучшее качество резки нержавеющей стали. Данный процесс не применяется при ручной резке.
Резка с водяным впрыском
При таком типе используется газ для создания плазмы, а вода впрыскивается либо радиально, либо с завихрением прямо в дугу, чтобы улучшить форму дуги и увеличить плотность и температуру дуги. Такие процессы применяются от 260 до 750 А для высококачественной резки различных материалов и толщин.
Точная плазменная резка
При этом процессе достигается высокое качество резки на тонких материалах (менее 10 мм) при низких скоростях. Такое улучшенное качество является результатом использования последних технологий в области формирования плазменной дуги.
Мощными плазменными горелками, работающими при напряжении дуги до 200 В, можно разрезать листы толщиной до 150 мм и более со скоростью до 1 м/мин, а листы толщиной до 66 мм ― при скорости до 5 м/мин и более. Плазменная резка алюминиевых сплавов и других цветных металлов и легированных сталей позволяет получать резы с высоким качеством (по чистоте и точности) и отличается наибольшей экономичностью по сравнению со всеми другими методами резки. Для низкоуглеродистых сталей плазменная резка особенно эффективна при обработке листов толщиной до 30 мм.
Преимущества плазменной резки по сравнению с газовыми способами резки
значительно выше скорость резки металла малой и средней толщины;
универсальность применения – плазменная резка используется для обработки сталей, алюминия и его сплавов, меди и сплавов, чугуна и др. материалов;
точные и высококачественные резы, при этом в большинстве случаев исключается или заметно сокращается последующая механическая обработка;
экономичность воздушно-плазменной резки – нет потребности в дорогостоящих газах (ацетилене, кислороде, пропан-бутане);
возможность вырезать детали сложной формы;
очень короткое время прожига (при кислородной резке требуется продолжительный предварительный прогрев);
более безопасная, поскольку отсутствуют взрывоопасные баллоны с газом;
низкий уровень загрязнения окружающей среды.
Недостатки плазменной резки по сравнению с газовыми способами резки:
максимальная толщина реза обычно составляет 80–100 мм (кислородной резкой можно обрабатывать чугун и некоторые стали толщиной до 500 мм);
более дорогое и сложное оборудование;
повышенные требования к техническому обслуживанию;
угол отклонения от перпендикулярности реза не должен превышать 10–50º в зависимости от толщины детали (в противном случае существенно расширяется рез, что приводит к быстрому износу расходных материалов);
практически отсутствует возможность использования двух ручных резаков, подключенных к одному аппарату;
повышенный шум вследствие истечения газа из плазматрона с околозвуковыми скоростями;
вредные азотсодержащие выделения (при использовании азота) – для уменьшения разрезаемое изделие погружают в воду.