Плазменная резка — это процесс, при котором электропроводящие материалы разрезаются с помощью ускоренной струи горячей плазмы . Типичные материалы, разрезаемые плазменной горелкой, включают сталь , нержавеющую сталь , алюминий , латунь и медь , хотя можно резать и другие проводящие металлы. Плазменная резка часто используется в производственных цехах, при ремонте и восстановлении автомобилей , в промышленном строительстве , а также в операциях по утилизации и слому . Благодаря высокой скорости и точности резки в сочетании с низкой стоимостью плазменная резка широко применяется как в крупномасштабных промышленных приложениях с числовым программным управлением (ЧПУ), так и в небольших любительских мастерских.
Основной процесс плазменной резки включает создание электрического канала перегретого, электрически ионизированного газа, т. е. плазмы, от самого плазменного резака через разрезаемую заготовку, тем самым образуя замкнутую электрическую цепь обратно к плазменному резаку через заземляющий зажим . Это достигается с помощью сжатого газа (кислорода, воздуха, инертного и других в зависимости от разрезаемого материала), который продувается через сфокусированное сопло на высокой скорости по направлению к заготовке. Затем внутри газа образуется электрическая дуга между электродом, расположенным рядом или встроенным в газовое сопло, и самой заготовкой. Электрическая дуга ионизирует часть газа, тем самым создавая электропроводящий канал плазмы. Когда электричество от резака движется вниз по этой плазме, оно обеспечивает достаточное количество тепла, чтобы расплавить заготовку. В то же время большая часть высокоскоростной плазмы и сжатого газа сдувает горячий расплавленный металл, тем самым разделяя, т. е. разрезая заготовку.
Плазменная резка — эффективный способ резки как тонких, так и толстых материалов. Ручные резаки обычно могут резать стальную пластину толщиной до 38 мм (1,5 дюйма), а более мощные резаки с компьютерным управлением могут резать сталь толщиной до 150 мм (6 дюймов). [ необходима цитата ] Поскольку плазменные резаки создают очень горячий и очень локализованный «конус» для резки, они чрезвычайно полезны для резки листового металла изогнутых или угловых форм.
Дуги генерируются в трехэтапном процессе. Высоковольтная искра на короткое время ионизирует воздух внутри головки резака. Это делает воздух проводящим и позволяет сформироваться «пилотной дуге». Пилотная дуга формируется внутри головки резака, при этом ток течет от электрода к соплу внутри головки резака. Пилотная дуга начинает сжигать сопло, расходную часть, находясь на этой фазе. Затем воздух выдувает плазму из сопла к заготовке, обеспечивая путь тока от электрода к заготовке. Когда система управления обнаруживает ток, текущий от электрода к заготовке, она разрывает электрическое соединение с соплом. Затем ток течет от электрода к заготовке, и дуга образуется снаружи сопла. Затем резка может продолжаться, не сжигая сопло. Срок службы сопла ограничен количеством запусков дуги, а не временем резки.
Плазменная резка возникла из плазменной сварки в 1960-х годах и стала очень производительным способом резки листового металла и пластин в 1980-х годах. [1] Она имела преимущества перед традиционной резкой «металл по металлу», так как не производила металлической стружки, давала точные разрезы и производила более чистую кромку, чем кислородная резка . Первые плазменные резаки были большими, довольно медленными и дорогими, и поэтому, как правило, предназначались для повторения шаблонов резки в режиме «массового производства».
Как и в случае с другими станками, технология ЧПУ (числовое программное управление) была применена к машинам плазменной резки в конце 1980-х и 1990-х годах, что дало машинам плазменной резки большую гибкость для резки различных форм «по требованию» на основе набора инструкций, которые были запрограммированы в числовом управлении машины. [2] Однако эти машины плазменной резки с ЧПУ, как правило, были ограничены резкой шаблонов и деталей на плоских листах стали, используя только две оси движения (называемые резкой XY).
Необходимы надлежащие средства защиты глаз и защитные экраны для предотвращения повреждения глаз, называемого дугой , а также повреждения от мусора. Рекомендуется использовать зеленую линзу с затемнением № 5. OSHA рекомендует использовать затемнение № 8 для тока дуги менее 300 А, но отмечает, что «Эти значения применяются, когда фактическая дуга четко видна. Опыт показал, что более светлые фильтры могут использоваться, когда дуга скрыта заготовкой». [3] Lincoln Electric, производитель оборудования для плазменной резки, говорит: «Обычно приемлемым является затемнение № 7–9». Longevity Global, Inc., другой производитель, предлагает эту более конкретную таблицу для защиты глаз при плазменной резке при более низкой силе тока: [ требуется ссылка ]
Также рекомендуется надевать кожаные перчатки, фартук и куртку, чтобы предотвратить ожоги от искр и горячего металла. [4]
Очень важно работать в чистой зоне, свободной от легковоспламеняющихся жидкостей, материалов и газов. Искры и горячий металл от плазменного резака могут быстро вызвать пожар, если они не изолированы от легковоспламеняющихся объектов. В определенных ситуациях плазменные резаки могут выбрасывать горячие искры на расстояние до 1,5 метров (5 футов). Операторы машин обычно не видят начавшегося пожара, поскольку находятся за своими защитными щитками. [5]
Плазменные резаки используют ряд методов для зажигания дуги. В некоторых устройствах дуга создается путем соприкосновения резака с заготовкой. Некоторые резаки используют высоковольтную высокочастотную цепь для зажигания дуги. Этот метод имеет ряд недостатков, включая риск поражения электрическим током, сложность ремонта, обслуживания искрового промежутка и большое количество радиочастотных излучений. [6] Плазменные резаки, работающие вблизи чувствительной электроники, такой как оборудование с ЧПУ или компьютеры, запускают пилотную дугу другими способами. Сопло и электрод находятся в контакте. Сопло является катодом , а электрод - анодом . Когда плазменный газ начинает течь, сопло выдувается вперед. Третий, менее распространенный метод - емкостный разряд в первичную цепь через кремниевый управляемый выпрямитель .
Аналоговые плазменные резаки, обычно требующие более 2 киловатт, используют тяжелый сетевой частотный трансформатор. Инверторные плазменные резаки выпрямляют сетевое питание в постоянный ток, который подается в высокочастотный транзисторный инвертор между 10 кГц и примерно 200 кГц. Более высокие частоты переключения позволяют использовать трансформаторы меньшего размера, что приводит к снижению общего размера и веса.
Первоначально использовались транзисторы MOSFET , но сейчас все чаще используются IGBT . При параллельном включении MOSFET, если один из транзисторов активируется преждевременно, это может привести к каскадному отказу четверти инвертора. Более позднее изобретение, IGBT, не так подвержено этому режиму отказа. IGBT обычно можно найти в машинах с высоким током, где невозможно подключить параллельно достаточное количество транзисторов MOSFET.
Топология режима переключения называется двухтранзисторным автономным прямым преобразователем. Некоторые инверторные плазменные резаки, особенно без коррекции коэффициента мощности , хотя и легче и мощнее, не могут работать от генератора (это означает, что производитель инверторного блока запрещает это; это справедливо только для небольших, легких переносных генераторов). Однако более новые модели имеют внутреннюю схему, которая позволяет блокам без коррекции коэффициента мощности работать от легких генераторов.
Некоторые производители плазменных резаков создают столы для резки с ЧПУ , а некоторые встраивают резак в стол. Столы с ЧПУ позволяют компьютеру управлять головкой резака, обеспечивая чистые острые разрезы. Современное плазменное оборудование с ЧПУ способно выполнять многокоординатную резку толстого материала, что позволяет выполнять сложные сварные швы, которые в противном случае были бы невозможны. Для более тонкого материала плазменная резка постепенно заменяется лазерной , в основном из-за превосходных возможностей лазерного резака по резке отверстий.
Специализированное применение плазменных резаков с ЧПУ было в отрасли отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Программное обеспечение обрабатывает информацию о воздуховодах и создает плоские шаблоны для резки на столе для резки плазменной горелкой. Эта технология значительно увеличила производительность в отрасли с момента ее внедрения в начале 1980-х годов.
Плазменные резаки с ЧПУ также используются во многих мастерских для создания декоративных металлических изделий. Например, коммерческих и жилых вывесок, настенного искусства, адресных табличек и уличного садового искусства.
В последние годы произошло еще большее развитие. Традиционно столы для резки машин были горизонтальными, но теперь доступны вертикальные машины плазменной резки с ЧПУ, обеспечивающие меньшую занимаемую площадь, повышенную гибкость, оптимальную безопасность и более быструю работу.
Существует три основные конфигурации плазменной резки с ЧПУ, которые во многом различаются по форме материалов перед обработкой и гибкости режущей головки.
Это наиболее распространенная и традиционная форма плазменной резки с ЧПУ. Изготовление плоских профилей, где кромки реза находятся под углом 90 градусов к поверхности материала. Высокомощные плазменные резательные столы с ЧПУ сконфигурированы таким образом, что позволяют резать профили из металлической пластины толщиной до 150 мм. [ необходима цитата ]
Опять же, процесс изготовления плоских профилей из листового или пластинчатого металла, однако с введением дополнительной оси вращения режущая головка машины плазменной резки с ЧПУ может наклоняться во время прохождения по обычной двухмерной траектории резки. Результатом этого являются кромки резки под углом, отличным от 90 градусов к поверхности материала, например, углы 30-45 градусов. Этот угол непрерывен по всей толщине материала. Это обычно применяется в ситуациях, когда разрезаемый профиль должен использоваться как часть сварного изготовления, поскольку угловая кромка является частью подготовки под сварку. Когда подготовка под сварку применяется во время процесса плазменной резки с ЧПУ, можно избежать вторичных операций, таких как шлифование или механическая обработка, [ требуется ссылка ] снижая стоимость. Возможность угловой резки трехмерной плазменной резки также может использоваться для создания потайных отверстий и фасок на кромках профилированных отверстий.
Используется при обработке труб, труб или любой формы длинного сечения. Головка плазменной резки обычно остается неподвижной, пока заготовка подается, и вращается вокруг своей продольной оси. [ требуется ссылка ] Существуют некоторые конфигурации, в которых, как и при трехмерной плазменной резке, режущая головка может наклоняться и вращаться. Это позволяет делать угловые разрезы через толщину трубы или сечения, что обычно используется при изготовлении технологических трубопроводов, где отрезанная труба может быть снабжена подготовкой под сварку вместо прямой кромки.
За последнее десятилетие производители плазменных горелок разработали новые модели с меньшим соплом и более тонкой плазменной дугой. Это обеспечивает почти лазерную точность на кромках плазменной резки. Несколько производителей объединили прецизионное управление ЧПУ с этими горелками, чтобы позволить производителям изготавливать детали, требующие незначительной или нулевой отделки.
Плазменные горелки когда-то были довольно дорогими. По этой причине их обычно можно было найти только в профессиональных сварочных мастерских и очень хорошо укомплектованных частных гаражах и магазинах. Однако современные плазменные горелки становятся дешевле и теперь находятся в ценовом диапазоне многих любителей, менее 300 долларов. Старые устройства могут быть очень тяжелыми, но все еще портативными, в то время как некоторые новые с инверторной технологией весят совсем немного, но при этом равны или превосходят возможности старых. [ необходима цитата ]
