Плазменная резка металла:
устройство плазмотрона и режимы

Что такое плазменная резка и как возникает плазма

Между вольфрамовым или циркониевым электродом плазмотрона и металлом зажигается электрическая дуга. Через узкое сопло, окружающее электрод, под давлением проходит газ, обычно воздух или его смеси. Дуга ионизирует этот газ: часть молекул теряет электроны, и газ переходит в плазму, четвёртое состояние вещества помимо твёрдого, жидкого и газообразного. Температура струи достигает десятков тысяч градусов, сопло дополнительно сжимает столб дуги, поэтому энергия концентрируется в узком пятне на металле.

Плазма плавит металл в точке контакта, а тот же поток газа тут же выдувает расплав из зоны реза, освобождая путь для дальнейшего движения горелки. Ключевое отличие от лазера в источнике энергии: там это сфокусированный свет, здесь электрическая дуга и разогретый ею газ. Отсюда и разница в физике реза: плазма греет более широкое пятно, поэтому кромка и точность контура хуже, чем у лазера, зато толщина металла может быть намного больше.

Устройство плазмотрона

• Электрод. Изготовлен из материала с высокой стойкостью к эрозии дугой, вольфрам или цирконий в зависимости от типа газа. Расходная деталь, требует периодической замены.
• Сопло. Сжимает столб дуги в узкий поток, диаметр канала сопла напрямую определяет ширину реза и его максимальную толщину для данного тока.
• Завихритель газа. Придаёт потоку газа вращение вокруг электрода, это стабилизирует дугу и продлевает срок службы сопла и электрода.
• Дуга прямого действия. Горит между электродом и самой деталью, применяется при резке металла: деталь входит в электрическую цепь.
• Дуга косвенного действия. Горит между электродом и соплом, деталь в цепь не входит, используется в горелках для наплавки и напыления, не для резки.

Дежурная дуга зажигается сначала между электродом и соплом маломощным разрядом, а уже потом, при касании соплом рабочего расстояния до металла, переходит в основную дугу прямого действия. Это защищает электрод от лишнего износа при частых поджигах.

Виды плазменной резки

Резка с подачей воды заслуживает отдельного пояснения: вода вокруг зоны дуги охлаждает металл вокруг реза, снижает уровень шума и почти убирает видимое ультрафиолетовое излучение дуги, а заодно связывает часть дыма и мелких частиц металла. За это платят более сложным оборудованием и необходимостью удалять воду с уже разрезанного листа.

Какие металлы и толщины режет плазма

Плазма режет любой токопроводящий металл, в этом её отличие от газовой резки, которая работает только по углеродистой стали.

Верхняя граница у разных станков разная и зависит от силы тока источника питания: мощные промышленные установки уверенно берут толщину около 60 мм, компактные ручные аппараты обычно ограничены 20-30 мм. Разбор всех способов резки металла между собой и таблица толщин по каждому металлу собраны на общей странице резка металла.

Параметры резки: ток, скорость, высота дуги

На станках с ЧПУ высоту горелки над листом держит автоматика по датчику, потому что вручную выдержать постоянное расстояние вдоль всего контура физически невозможно, а любое отклонение сразу меняет ширину и качество реза. При ручной резке высоту держит оператор на глаз, поэтому результат сильнее зависит от навыка.

Точность, конусность и кромка

Точность контура у плазмы примерно 0,5-1,5 мм в зависимости от толщины и состояния расходников, электрода и сопла. Конусность реза, то есть разница ширины реза сверху и снизу, обычно 1-3 градуса, а на толстом металле разница между верхней и нижней кромкой доходит до миллиметра. Это заметно больше, чем у лазера, и требует учёта на детали, где кромка потом работает как посадочная поверхность.

Ручная резка и резка на станке с ЧПУ

Ручной плазменный резак держит оператор, скорость и траекторию он задаёт рукой по разметке или на глаз. Такой способ незаменим на монтаже, демонтаже старых конструкций и в ремонте, где точный повторяемый контур не требуется, а важна скорость выполнения прямо на месте.

Станок с ЧПУ ведёт плазмотрон по загруженной программе с постоянной скоростью и постоянной высотой над листом, поэтому кромка получается ровнее, а контур одинаков от первой до последней детали партии. Для серийных деталей по чертежу используется только механизированная резка: ручная просто не даст нужной повторяемости и точности отверстий.

Типичные дефекты плазменной резки

Грат после плазмы почти всегда сбивают механически, щёткой, шлифмашинкой или в галтовочном барабане на партии мелких деталей. Это штатная операция, а не признак брака: даже на верно настроенном режиме грат снизу реза остаётся почти всегда, отличие только в том, насколько легко он снимается.

Плазма против лазера и газовой резки

У плазмы своя ниша между двумя соседними способами. Против лазера она проигрывает в точности и чистоте кромки на тонком листе, но выигрывает в скорости и цене на средних и больших толщинах, там, где лазер уже работает на пределе возможностей или требует слишком дорогого источника. Подробный разбор лазерной резки, её физики и режимов вынесен в статью про лазерную резку металла.

Против газовой (кислородной) резки плазма выигрывает по скорости почти на любой толщине в общем диапазоне и умеет резать и сталь, и цветные металлы, чего газ не может в принципе. Газовая резка сохраняет смысл только на очень больших толщинах, за пределами разумной для плазмы зоны, и там, где важна минимальная себестоимость, а не скорость.

• Толщина до 20 мм, важен точный контур и мелкие отверстия: лазер выгоднее.
• Толщина 6-40 мм, крупный контур без мелких элементов: плазма золотая середина по деньгам и скорости.
• Толщина свыше 60-100 мм, точность не критична: газовая резка часто дешевле.
• Прямой рез на листе до 6 мм без контура вообще: механическая рубка на гильотине, см. статью про рубку металла, обходится дешевле любого термического способа.

Раскрой листа и перемычки на плазме

Раскрой листа на плазме строится по тем же принципам, что и на лазере, но с поправкой на более широкий рез и конусность кромки. Перемычки между соседними деталями делают шире, чем на лазере, обычно 4-8 мм, потому что более широкий и грязный рез плазмы иначе портит соседний контур. Отступ от края листа тоже берут с запасом, край проката часто волнистый и с окалиной проката.

Крупные простые детали без мелких вырезов вкладываются на плазме почти так же плотно, как на лазере, а вот мелкий и частый контур с большим количеством отверстий выгоднее переносить на лазер именно из-за ширины реза и требований к перемычкам.

Безопасность на плазменном участке

Дуга плазменной резки даёт яркое видимое и ультрафиолетовое излучение, сравнимое по интенсивности со сваркой, поэтому оператор работает в защитной маске с подходящим светофильтром, а не в обычных очках. Резка сопровождается высоким уровнем шума от истекающей струи газа, средства защиты слуха обязательны при длительной работе.

• Сварочный аэрозоль и дым, особенно при резке нержавейки и легированной стали с хромом и никелем, отводится местной вытяжкой в зоне реза.
• Ультрафиолет и яркий видимый свет дуги требуют маски и закрытой спецодежды, как при сварке.
• Шум струи плазмообразующего газа компенсируется наушниками или берушами на постоянном рабочем месте.
• Резка с подачей воды частично снимает и шум, и ультрафиолет, но добавляет требование по электробезопасности рядом с водой.

Что делаем на производстве, цены и сроки

На своём участке режем плазмой конструкционную сталь, нержавейку, алюминий, медь и латунь толщиной примерно 3-60 мм, единично и партиями, по чертежу или образцу. Общий порядок оформления заказа на резку по вашему файлу и полный список услуг заготовительного участка собраны на странице резка металла на заказ.

Перед расчётом уточняем: марку металла и толщину, длину контура или число резов, требования к кромке (нужна ли зачистка сразу или деталь идёт под сварку без доводки), количество деталей и есть ли готовый чертёж или DXF. Заготовки после резки берём дальше в работу: сварку разбираем на странице сварка нержавейки и алюминия, металлоконструкции из плазменного раскроя на странице изготовление металлоконструкций.

Вопросы и ответы