Воздушно-плазменная резка – это высокопроизводительный процесс, пригодный для резки металлов в промышленных условиях. При этом скорость резания больше, чем при газовой резке, при более высоком качестве реза. Процесс воздушно-плазменной резки не требует дорогостоящих, технологически опасных и экологически вредных материалов, используется лишь электроэнергия и сжатый воздух.
Сущность процесса воздушно-плазменной разделительной резки заключается в локальном интенсивном расплавлении разрезаемого металла в объеме полости реза теплотой, генерируемой сжатой дугой, и удалении жидкого металла из полости сжатым воздухом, вытекающим из канала сопла плазмотрона.
В современной технике резки применяют две схемы плазмообразования (рисунок 3.1).
а – плазменная дуга; б – плазменная струя;
1 – подача газа; 2 – дуга; 3 – струя плазмы; 4 – обрабатываемый металл;
5 – наконечник; 6 – катод; 7 – изолятор; 8 – катодный узел
Рисунок 3.1 – Схемы плазмообразования
В первом случае используют дугу прямого действия, возбуждаемую на обрабатываемом металле, являющемся одним из электродов разряда. При этом используется энергия одного из приэлектродных пятен дуги и энергия плазмы столба и вытекающего из него факела. Поэтому резку по такой схеме называют плазменно-дуговой.
Во второй схеме, соответствующей косвенной (независимой) дуге, объект обработки не включают в электрическую цепь. Вторым электродом сжатой дуги служит формирующий наконечник плазмотрона. Поток плазмы, вытекая из сопла, образует свободную струю плазмы. Для резки используется только энергия плазменной струи (резка плазменной струей).
Энергетическая оценка обеих схем показывает, что плазменно-дуговая резка наиболее эффективна, поскольку полезная мощность сжатой дуги реализуется в частях разряда, вынесенных за пределы наконечника. Поэтому для резки металлов, как правило, используют схему плазменно-дуговой резки. Плазменную струю применяют относительно редко, преимущественно для резки неметаллических материалов.
Основными элементами плазмотрона, предназначенного для плазменной резки, являются электрод (катод), сопло и изолятор между ними (рисунок 3.2).
1 – корпус; 2 – электрод (катод); 3 – формирующий наконечник;
4 – изолятор; 5 – разрезаемый металл; 6 – дуговая камера; 7 – столб дуги;
8 – подача охлаждающей воды; 9 – подача плазмообразующего газа;
10 – слив воды; 11 – источник тока; 12 – устройство зажигания дуги;
V р – направление резки
Рисунок 3.2 – Режущий плазмотрон
Корпус режущего плазмотрона содержит цилиндрическую дуговую камеру малого диаметра с выходным каналом, формирующим сжатую (плазменную) дугу. Для возбуждения плазмогенерирующей дуги служит электрод, располагаемый обычно в тыльной стороне дуговой камеры. Столб дуги ориентируется по оси формирующего канала и заполняет практически все его сечение.
В дуговую камеру подается рабочий газ (плазмообразующая среда). Газ, поступая в столб дуги, заполняющий формирующий канал, превращается в плазму. Вытекающий из сопла поток плазмы стабилизирует дуговой разряд.
Газ и жесткие стенки формирующего канала ограничивают сечение столба
дуги (сжимают его), что приводит к повышению температуры плазмы до
15 000–20 000 ºС. При этих температурах электрическая проводимость плазмы приближается к электропроводимости металлического проводника. Скорость плазмы в струе, истекающей из сопла режущего плазмотрона, может превышать 2–3 км/с. Плотность энергии в формирующих соплах режущих плазмотронов достигает 10 Вт/см.
При воздушно-плазменной резке наиболее эффективно используется энергия в режущей дуге постоянного тока прямой полярности (анод на металле). В качестве рабочей плазмообразующей среды при воздушно-плазменной резке используется воздух.
В отличие от газокислородной резки, при которой пламя выделяет мало теплоты и имеет относительно низкую температуру, для врезания в металл требуется затратить некоторое время на местный подогрев металла до температуры его воспламенения. Сжатая дуга вследствие высокой температуры и скорости потока плазмы врезается в металл почти мгновенно.