Как работает плазменная резка?


Что такое плазма?

Чтобы разъяснить принцип действия плазменной резки, сначала нужно ответить на вопрос «Что такое плазма?» Плазма — это четвертое состояние вещества. Обычно мы сталкиваемся только с тремя состояниями вещества: твердым, жидким и газообразным. При поступлении или утрате энергии, например, тепла, вещество может переходить из одного состояния в другое. Например, при поступлении достаточного количества тепла вода переходит из твердого состояния (лед) в жидкое. Если тепла поступит еще больше, она перейдет в газообразное состояние (пар). Если добавить еще больше тепла, пар ионизируется и станет электропроводящим — превратится в плазму. Устройство плазменной резки сможет использовать этот электропроводящий газ для передачи энергии от источника питания к любому материалу-проводнику, что позволяет обеспечить более качественную и быструю резку по сравнению с газовой. 

Образование плазменной дуги начинается с пропускания газа, например, кислорода, азота, аргона или даже обычного воздуха, через узкое сопло внутри плазмотрона под высоким давлением. Затем к этому потоку сжатого газа подается ток от источника питания, в результате чего возникает электродуга. В результате образовывается «струя плазмы». Плазма мгновенно достигает температуры до 22000°C, достаточной для быстрого разрезания рабочего изделия и сдувания расплавленного металла.

Составляющие системы плазменной резки

  • Источник питания — источник питания для плазменной резки преобразует одно- или трехфазный переменный ток в постоянный ток напряжением от 200 до 400В. Постоянный ток требуется для поддержания стабильной плазменной дуги на всем протяжении резки. Также источник питания позволяет регулировать силу тока в зависимости от типа и толщины материала.
  • Система поджига дуги — этот контур генерирует переменный ток напряжением около 5000 В и частотой 2 МГц, который образует внутри плазмотрона искру, поджигающую плазменную дугу.
  • Плазмотрон — плазмотрон служит для выравнивания и охлаждения расходных материалов. Основные расходные материалы для плазменной резки — это электрод, завихритель и сопло. Для повышения качества резки также может потребоваться дополнительный защитный колпачок, а для удержания всех деталей вместе используются внутренний и внешний поджимные колпачки.

Большинство современных систем плазменной резки делятся на традиционные и высокоточные.

 

 Традиционные системы плазменной резки  

 

 

В традиционных системах в качестве плазменного газа используется окружающий воздух, а форма плазменной дуги зависит от отверстия сопла. Приблизительная сила тока дуги таких систем составляет примерно 12 000-20 000 ампер на квадратный дюйм. Подобная схема используется во всех системах для ручной резки и некоторых механизированных системах, если это позволяют допуски.

Высокоточные системы плазменной резки

 

Высокоточные системы плазменной резки (с высокой плотностью тока) используются для особо высококачественной и точной плазменной резки. Конструкция плазмотрона и расходных деталей для таких систем отличается большей сложностью и включает дополнительные детали для фокусировки дуги. Дуга высокоточной системы резки имеет силу тока около 40 000-50 000 ампер на квадратный дюйм. Чтобы обеспечить максимальное качество резки различных материалов, в качестве плазменного газа используются кислород, очищенный воздух, азот и смеси водорода/аргона/азота.

 

 

 

 

Ручная резка

В большинстве систем ручной плазменной резки, например, Tomahawk® Air Plasma, в выключенном состоянии электрод и детали сопла находятся в контакте. При нажатии триггера источник питания начинает вырабатывать постоянный ток, который проходит через это соединение и запускает поток плазменного газа. После того, как плазменный газ (сжатый воздух) достигает достаточного давления, электрод и сопло размыкаются, что приводит к возникновению электрической искры, которая преобразует поток воздуха в струю плазмы. Затем постоянный ток переключается с контура от электрода к соплу на контур от электрода к рабочему изделию. Подача тока и воздуха продолжаются, пока остается нажат триггер. 

   Плазмотрон для ручной резки

 


Высокоточная плазменная резка

Электрод и сопло внутри плазмотрона для высокоточной резки не соприкасаются и изолированы друг от друга завихрителем, который имеет небольшие вентиляционные отверстия, преобразующие плазменный газ в вихрь. Когда в источник питания поступает команда включения, он начинает подачу постоянного тока с напряжением холостого хода до 400В и начинает предварительную подачу газа через шланг к плазмотрону. Сопло в данный момент подключено к положительному потенциалу источника питания через контур вспомогательной дуги, а электрод — к отрицательному.

Как работает плазменная резка? — Шаг 1 

 

 

После этого система поджига дуги вырабатывает высокочастотную искру, из-за которой плазменный газ ионизируется и становится проводником тока от электрода к соплу. В результате образуется вспомогательная дуга плазмы.

 

Как работает плазменная резка? — Шаг 2 

 

После того, как вспомогательная дуга вступит в контакт с рабочим изделием (заземленному через пластины стола для резки), контур тока перемещается от электрода к рабочему изделию, высокочастотный разряд отключается и включается контур вспомогательной дуги.

 

Как работает плазменная резка? — Шаг 3 

 

 

После этого источник питания наращивает постоянный ток до выбранной оператором силы тока и меняет предварительную скорость потока газа на оптимальную скорость для данного материала. Также используется вспомогательный поток защитного газа, который подается вне сопла через защитный колпачок.

 

Как работает плазменная резка? — Шаг 4 

 

Форма и диаметр отверстия защитного колпачка заставляют защитный газ еще больше сужать плазменную дугу, что позволяет обеспечить чистую резку с минимальными углами скоса и небольшой шириной линии разреза.

 

Как работает плазменная резка? — Шаг 5 

 

 

Как работает плазменная резка? — Шаг 6