Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать последние новости и специальные предложения.
Плазменная резка металлов
Плазменная резка металлов
Плазменная резка металлов
Какая термическая резка дает лучшие результаты? Лазер! — ответят многие и будут неправы. Да, лазер для многих — это вершина технологий, внедрение инноваций. Но в условиях производства главными являются вопросы: что резать, какие толщины, точность, скорость, эксплуатационная стоимость. Именно поэтому в большинстве случаев современные установки для плазменной резки металлов предпочтительнее лазеров.
Несмотря на то, что технология плазменной резки появилась давно, в последнее время наблюдается пик ее популярности. Перечислим вкратце общие преимущества плазменной резки и сравним с другими способами.
Сравнение с кислородно-ацетиленовой резкой. Основное преимущество кислородно-ацетиленовой резки — малые капитальные затраты при разделительной резке углеродистых сталей. В остальном выигрывает плазменная резка. Качество реза па порядок выше, а именно: окалина (грат) минимальна или вообще отсутствует, исключается или сводится к минимуму необходимость последующей обработки, меньше зона термического влияния. Есть возможность резать цветные металлы, нержавеющие стали и алюминий, что невозможно при кислородно-ацетиленовой резке. Скорость резки при толщине металла до 30-35 мм в несколько раз выше, нет периода разогрева, пробой отверстия требует меньшего времени. Затраты на единицу длины реза значительно ниже, чем при других способах.
Сравнение с лазерной резкой. Современный опыт свидетельствует, что использование лазера при резке металлов наиболее эффективно, когда требуется геометрическая точность реза сталей менее 0,5 мм, при толщине менее 5-6 мм.
Преимущество плазменной резки в существенно меньших капитальных и эксплуатационных затратах, а также расходах на техническое обслуживание.
Плазменная резка используется для алюминиевых сплавов, что проблематично для лазерной резки из-за высокого коэффициента отражения. Скорость плазменной резки выше. Во многих случаях, при правильном подборе плазменной установки, выигрыш в скорости и стоимости резки — за плазмой.
На что обращать внимание, какие особенности надо учитывать, какое оборудование предпочесть — об этом далее.
Теория и практика плазменных установок. Любая установка для плазменной резки, как минимум, состоит из двух частей: плазмотрона (резака) и источника питания.
Плазмотрон — основная часть и рабочий инструмент любой системы плазменной резки. Его основная функция: зажечь дугу, обеспечить превращение подаваемого газа в плазму (когда газ продувается через дугу), стабилизировать и сконцентрировать плазменную струю, чтобы добиться лучшей точности и скорости при резке.
Источник питания должен обеспечить стабилизированный ток и напряжение резки, подаваемое на плазмотрон.
Не очень сложно? Действительно, в обычных резаках для ручной резки используют следующую стандартную схему работы.
В качестве плазмообразующего газа используют воздух, поступающий от компрессора или пневмосети (для цветных металлов можно использовать азот). Поджиг дуги обычно происходит контактным или бесконтактным способом. Источник питания может быть любой конструкции, наиболее современные — источники инверторного типа (преобразование и управление напряжением/током осуществляется мощными силовыми транзисторами).
Но если стоит задача более качественной резки, то все резко усложняется.
Во-первых, основная задача, особенно при автоматизированной резке, — добиться как можно большей долговечности сопла и электрода. Жизненный цикл комплектующих при этом измеряется не в часах и километрах, а в числе пусков в зависимости от продолжительности цикла резки. Все плазмотроны любых производителей могут показать приемлемое качество резки, если в них установлен новый электрод и новое сопло. Однако после сотни-другой циклов (а в некоторых случаях хватит и десятка), качество и параметры резки существенно ухудшаются. Поэтому ключевые производители таких систем используют более сложные схемы работы плазмотрона.
Это может быть специальный цикл процесса резки, позволяющий существенно уменьшить износ электрода в течение одного цикла резки. Например, технология LongLife фирмы Hypertherm, обеспечивающая комбинированное ступенчатое изменение давления плазмообразующего газа и силы тока, дает возможность использовать один электрод при более 1000 пусках без существенного снижения качества резки!
С возрастанием мощности/качества резки практически всегда используется только бесконтактный поджиг дуги — такой способ меньше повреждает сопло и катод по сравнению с контактным поджигом.
И, наконец, чем лучше охлаждение головки плазмотрона, тем лучше температурный режим работы и больший срок службы его частей. По этой причине, а также в силу других факторов в наиболее распространенных плазмотронах для высококачественной резки сегодня используют схему с изолированным контуром жидкостного охлаждения вместе с двухгазовой системой резки.
Схема такого плазмотрона отличается дополнительной защитной насадкой на сопло. Между ними пропускают защитный газ. Он решает четыре задачи: улучшенное охлаждение сопла; дополнительное сжатие дуги и, как следствие, лучшая концентрация и лучшие режущие свойства; охлаждение и защита кромок разрезаемой детали; защита сопла от брызг разрезаемого металла, особенно при пробое.
Двухгазовая система резки
Даже если в качестве режущего и защитного газа используется воздух, такая схема обеспечивает лучшие параметры по сравнению с обычной схемой. А что если использовать другие газы и их комбинации? Наиболее распространены такие варианты:
02+воздух. Режущий газ — кислород, защитный газ — воздух. Эта комбинация обеспечивает наибольшую скорость и высокое качество резки углеродистых сталей. На кромках реза не бывает азотирования, минимум грата (заусенцев, наплывов на кромках реза с обратной стороны).
N2+воздух. Режущий газ — азот, защитный газ — воздух. Обеспечивает хорошее качество резки нержавеющих сталей и алюминия. Срок службы расходных материалов значительно выше, чем на воздухе.
H35+N2. Режущий газ — смесь Н35 (аргон — 35%, водород — 65%), защитный газ — азот. Применяют при резке нержавеющей стали и алюминия больших толщин. При этом обеспечивается резка металла максимально возможной толщины при минимальной величине грата, минимальное термическое воздействие, высокое качество реза без ухудшения свариваемости заготовок, а также длительный срок службы расходных материалов.
Патентованная технология резки HyDefinition обеспечивает постоянное качество резки
F5+N2. Режущий газ — смесь F5 (азот - 95%, водород — 5%), защитный газ — азот. Как результат — высококачественная резка нержавеющих сталей небольшой толщины.
Кстати, есть еще одно немаловажное преимущество такой системы. При использовании двухгазовой системы плазмотрона становится возможной резка ... под водой! При этом водяной стол дает важные преимущества при эксплуатации: практически исключаются выбросы и загрязнение воздуха, весь шлак, дым и искры улавливаются водой; снижается световое излучение дуги и шум; улучшается охлаждение детали, при этом минимизированы возможные деформации.
Технология двухгазовой плазменной резки используется в большинстве плазмотронов для высококачественной резки. Каждая фирма использует свои инновации, патенты, секреты, чтобы добиться лучших режущих свойств дуги. Например, установки фирмы Hypertherm, резаки серии HyDefinition, используют дополнительное промежуточное вихревое сопло. Похожую систему использует фирма Kjellberg для резаков серии HiFocus. В результате качество реза таких установок вплотную приближается к качеству лазерной резки.
Схема резака HiFocus Kjellberg
Существуют также и другие возможности. Представьте, что вместо защитного газа используется вода. Мы получаем лучшее охлаждение сопла и кромок детали. Такой способ используют для улучшения качества реза нержавеющих сталей. Единственное условие — этот способ должен применяться вместе с водяным столом. Отдельной разновидностью такого способа является способ водного впрыска (Water Injection). Вода подается по специальному каналу, улучшая концентрацию дуги. При этом возможно создание радиальных сжимающих сил и дополнительного закручивающего эффекта.
В заключение этой части перечислим основные проблемы, которые могут препятствовать достижению качественного реза:
• образование грата (окалины) на обратной стороне (неправильный режим резки, изношенные детали резака);
• угол разреза не прямой (неправильное направление движения, неправильная или непостоянная высота резака от детали):
• низкий срок службы деталей резака (начало и завершение резки вне поверхности листа).
Товары и цены — что почем. Приведем основных производителей и ценовой диапазон установок плазменной резки (цены даны средние).
Во-первых, установки воздушной плазмы для ручной/механизированной резки. Схема плазмотрона стандартная, режущий газ только воздух или азот, максимальная толщина реза 8-50 мм, требуется снятие небольшой окалины или последующая дополнительная обработка. Такие установки обычно обеспечивают высокую производительность и низкую себестоимость работ, особенно если требуется заменить кислородно-ацетиленовую или механическую резку. Качество реза нельзя назвать идеальным, но в большинстве случаев даже самый плохой рез воздушной плазмой лучше реза кислородно-ацетиленовым способом. Для улучшения качества реза используются малые средства механизации (резка по шаблону, тележки, вращатели и пр.)
В основном такие установки делают фирмы, выпускающее также сварочное оборудование. На рынке сейчас таких предложений масса, цепы варьируются от 500$ (толщины реза до 8 мм, Китай) до 7000$ (толщины реза до 50 мм, Европа.США). Конечно, производителя и модель установки надо выбирать исходя из задач и условий эксплуатации. Например, если требуется высокая надежность, лучше покупать аппараты промышленного класса. Такие аппараты обычно сделаны с высокой пыле-, влаго- и ударозащитой и могут работать в тяжелых условиях, жарком климате или северных регионах (одна из лучших таких установок — Genesis 35 фирмы Selco, рез 15 мм, 8 кг, 220В, цена 2600$).
Во-вторых, предположим, у вас уже есть источник для плазменной резки, по вы хотите получить высококачественный рез, используя двухгазовую систему резки. Есть фирмы, которые специализируются на изготовлении только плазмотронов, например фирма ТЕС.МО (Италия). Модель плазмотрона D250BW, 250А, 100% ПН, любые варианты режущего/защитного газа, в том числе с водяной защитой. Цена плазмотрона 2500$. Очень неплохое бюджетное решение, если у вас есть хорошие специалисты.
И, наконец, производители, специализирующиеся на разработке источников питания и плазмотронов для качественной автоматизированной резки. Обычно их оборудование продается уже в комплекте с системой привода — портальной машиной или роботом фирмы, изготавливающей или продающей средства автоматизации и роботизации. В таком случае покупатель приобретает не набор «сделай сам», а уже готовое сбалансированное решение (о приводах мы здесь говорить не будем, хотя их стоимость может быть па порядок больше стоимости плазменной установки).
Мировые производители плазменных установок — Hypertherm, Kjellberg, Thermal Dynamics, Kaliburn, Esab и др. Помимо портативных установок для воздушной плазмы (плазмотрон другой конструкции, порядок цен немного выше, чем у производителей сварочного оборудования, 10000-14000$), установки для высококачественной резки выпускаются обычно двух классов:
• средний класс установок, двухгазовая система, жидкостное охлаждение резака, любые режущие газы, максимальная толщина реза 40-80 мм, максимальная толщина реза без окалины — 15-40 мм. В некоторых случаях при параллельном подключении двух источников питания можно увеличить максимальную толщину реза вдвое — до 160 мм (!). Цены 30000-40000$;
• установки с тонкоструйными плазмотронами, те же параметры по толщине реза, что и средний класс, но самые высокие параметры по точности/углам реза (угловые отклонения 2-4, по стандарту ISO 9013). Обычно позволяют также проводить разметку и маркировку. Цены 40000-65000$.
Системы плазменной резки HyPerformance от Hypertherm
Газовые консоли для получения смесей Н35, F5. Если простые модели — смесители, цена 2000- 2500$. Цена станции с автоматическим управлением в течение цикла до 18000$, но они необходимы для получения максимально качественной резки нержавеющих сталей и алюминия.
Критерии выбора. Итак, будем считать, что вы — директор, владелец или технолог производства. Перед вами стоит вопрос: если покупать установку для плазменной резки, то как правильно выбрать нужную? Предлагаем учесть следующие факторы, а также ответить на некоторые вопросы.
Типы разрезаемых материалов. Если вы режете только нержавеющие стали, то кислородная плазма не нужна. Если же вы в основном режете конструкционные стали (черные) и редко цветные, то лучше предпочесть установку кислородной плазмы с возможностью подключения разных газов. В случае использования спецсталей и сплавов сначала проведите испытания па образцах, чтобы понять, какой тип плазменной резки даст оптимальные результаты.
Толщины разрезаемых материалов. Какой диапазон толщин должна резать данная установка? Определите 2-3 варианта толщин, которые вы будете резать чаще. Установите максимальную толщину пробоя (прожог отверстия не с торца). Эти данные определят мощность и тип установки. Помните, что обычно лучшие результаты резки достигаются где-то на половине максимально возможной толщины. То же и с толщиной пробоя — обычно это не больше половины максимальной толщины.
Какая операция будет проводиться после резки (сварка, формовка, механическая обработка)? Вид последующей обработки определит тип используемого газа для резки, чтобы добиться требуемых металлургических свойств кромок. Если, например, после резки конструкционной стали потребуется сварка непосредственно по кромке, лучше всего резать кислородной плазмой, чтобы избежать азотирования и последующих дефектов сварного шва.
Какое требование к кромкам и точности реза (отклонения по углу/общий допуск)? Каков минимальный диаметр прорезаемых отверстий? Этот параметр покажет, какой класс плазменной установки нужен. При низких требованиях возможно использование недорогих установок даже с ручными плазмотронами, это обеспечит низкую стоимость расходных материалов и эксплуатации. И, наоборот, если хотите лучшего результата (например, отклонения в пределах всего -1 ... +2°), вам нужны тонкоструйные установки высокого качества резки. Например, если минимальный диаметр вырезаемых отверстий менее 2 см, ско¬рее всего, вам понадобятся такие системы.
Ценовой диапазон — вы укладываетесь? Помните, что разница в цене между установками для ручной воздушной резки и для высококачественной резки тонкоструйными плазмотронами отличается на порядок. Ориентируйтесь на требуемый результат.
Дополнительно задайтесь вопросом: возможно ли в перспективе существенное расширение производства? Позаботьтесь о запасе производительности резки. Это тем более важно, если вы планируете резку с большой продолжительностью (например, 6 ч из 8 ч рабочей смены). В некоторых случаях также может потребоваться параллельная установка нескольких плазмотронов. Определитесь, что при выборе для вас наиболее важно: снижение себестоимости эксплуатации (если у вас уже есть лазеры); повышение производительности (кислородно-ацетиленовая резка); упрощение снабжения производства (отказ от сторонних поставщиков); цена покупки или цена эксплуатации (например, некоторые установки имеют режимы, продлевающие срок службы сопел и катодов — но их стоимость при покупке выше).
