Ручной плазмотрон: устройство, принцип работы и особенности

Ручной плазмотрон – высокоэффективное устройство для создания направленной плазменной дуги, которая служит для быстрой и качественной резки металлопроката разных марок и толщины. Плазморез позволяет выполнять как прямолинейный, так и фигурный раскрой практически всех видов сталей, цветных металлов (алюминий, медь) и их сплавов, титана, чугуна и т.д.

Особенности устройств и технология плазменной резки

Технология плазменной резки заключается в ионизации газа электрическим разрядом. Плазма образуется за счет сообщения электрону большей энергии по сравнению с той, которая ему нужна для отделения от атома. Это ведет к образованию свободных электронов, обладающих излишней энергией и в результате выбивающих новые электроны. Такой способ получения плазменной дуги реализован в плазмотронах для ручной резки.

Фото 1. Внешний вид ручного плазмотрона

Плазменная резка позволяет выполнять прямолинейный и фигурный раскрой листового и профильного проката разных толщин. Основное преимущество технологии – возможность резания тонколистового проката практически без деформации заготовок. Это достигается за счет локального воздействия плазменной струи и минимальной зоны термического влияния. Высокотемпературная дуга имеет направленное воздействие, быстро прожигает материал и с относительно большой скоростью ведется вдоль линии реза, что исключает вероятность деформации вырезаемой детали из-за перегрева.

Фото 2. Процесс вырезания изделий сложной конфигурации

Виды плазменной резки

Вид резания определяется конструкцией и принципом работы плазменного устройства. Сегодня выпускается несколько моделей плазмотронов по типу поджига дуги:

• Дуга прямого действия – образуется при прохождении электрического тока от электрода плазмотрона (катода) на разрезаемый металлопрокат (анод). Применяется для резания материалов, которые обладают электрической проводимостью (стали разных марок, цветные металлы и их сплавы).
• Дуга косвенного действия – возникает при прохождении электротока от электрода (катода) на сопло плазмотрона (анод). Устройства с этим типом поджига дуги подходят для раскроя неэлектропроводных материалов (полимеры, пластмассы и т.д.).

Рисунок 3. Разные схемы поджига дуги, где слева – дуга прямого действия, справа – косвенного.

Устройство

В конструкции плазмотронов реализован дуговой разряд и классическая (осевая) схема расположения катода и анода.

Конструктивно устройство состоит из следующих компонентов:

• Катод (неплавящийся электрод) – элемент, отвечающий за поджиг и поддержание плазменной струи. Выпускается со вставкой из гафния либо циркония. Выбирается с учетом типа обрабатываемого металла.

Фото 4. Внешний вид катода

• Сопло – это своего рода наконечник плазменного резака, выполняет функцию формирования дуги направленного действия. Производится, как правило, из меди или ее сплавов.

Фото 5. Внешний вид сопла

• Завихритель – он же диффузор, служит для повышения давления с последующим замедлением плазменного потока уже в процессе резания заготовки.

Фото 6. Внешний вид диффузора

Катод и сопло являются расходными элементами, которые относительно быстро приходят в негодность и требуют замены. Для получения высокого качества и чистоты реза необходимо своевременно их менять – так, при раскрое сталей толщиной до 10 мм средний ресурс одного комплекта составляет одну рабочую смену или 8 часов непрерывной работы. Однако все зависит от их вида и качества изготовления.

Также в конструкции плазмотрона присутствуют другие конструктивные элементы – фторопластовый корпус, кожух, электродный узел, изоляционная втулка, гайка сопла. Их роль в функционировании тоже важна, но они выходят из строя крайне редко при правильной эксплуатации инструмента.

Как работает ручной плазмотрон

Принцип действия ручного плазмотрона заключается в подаче по шланг-пакету плазмообразующего газа (сжатого воздуха) в разрядную камеру. Там он ионизируется и выносит плазменную струю на обрабатываемый материал. Стенки резака, отверстие сопла и поток сжатого воздуха, проходящего через мундштук, формируют и стабилизируют дугу.

Также по корпусу ручного плазмотрона проходит воздух, который необходим для его охлаждения. Однако для этого может использоваться и специальный охладитель или вода.

Рисунок 7. Схема резания дугой плазмы

Сам процесс плазменного раскроя протекает в несколько этапов:

1. Возбуждение дежурной (или пилотной) дуги между катодом и соплом в результате подачи высокого напряжения.
2. Поджиг режущей дуги при касании дежурной к обрабатываемой детали.
3. Нагрев металлопроката до температуры его плавления в результате направленного воздействия плазменной струи.
4. Выдувание расплавленного металла из зоны реза за счет истекающей из рабочего инструмента плазмы под большим давлением.
5. Перемещение резака по заданному контуру для получения детали необходимых размеров и конфигурации.

Преимущества и недостатки

Основные достоинства плазмотронов для ручной плазменной резки:

• Отличная производительность – в 5-10 раз выше, чем газокислородной резки.
• Хорошее качество и точность реза – исключает необходимость дополнительной зачистки или обработки кромок перед сваркой.
• Универсальность – позволяет вырезать детали любых форм (даже самых сложных) и размеров.
• Минимальная ЗТВ (зона термического влияния) – особенно актуальна при раскрое тонколистового проката, поскольку исключает перегрев и тепловую деформацию заготовок.
• Наличие в продаже дополнительных приспособлений для поддержания постоянного расстояния между соплом и металлом, для вырезания круглых деталей/отверстий разных диаметров.
• Компактные размеры и небольшой вес инструмента.
• Надежная конструкция, простое обслуживание, ремонтопригодность.

Из недостатков можно выделить только необходимость ведения резака вручную при работе и поддержания постоянной скорости его перемещения. Однако этот минус присущ всем ручным инструментам.

Фото 8. Процесс ручного плазменного резания

Правила выбора

Выбирается, как правило, оборудование, а плазмотрон идет к нему в комплекте. Поэтому изначально необходимо определить приоритетные задачи, которые будут решаться с помощью аппарата:

• виды обрабатываемых материалов;
• предельная толщина разрезаемого металла;
• интенсивность эксплуатации оборудования.

Основной критерий выбора – толщина проката, который предполагается резать. В технических характеристиках аппаратов производители указывают максимальную толщину для классической углеродистой стали, иногда – для нержавейки и алюминия. Если же нужно будет резать медь, надо учитывать, что она имеет гораздо больший коэффициент теплопроводности. Это ведет к резкому возрастанию теплоотвода из зоны реза, в результате чего предельная толщина резки снижается на 25-30 % по сравнению с другими металлами. Т.е. если максимальная толщина разрезаемой стали для конкретного  оборудования составляет 40 мм, то сплавов на основе меди – всего 25 мм.

Также важно покупать оборудование с запасом мощности – если чаще придется работать с толщинами 20-30 мм, то следует выбирать устройства, рассчитанные на раскрой сталей 40-50 мм. Это обеспечит более высокую скорость резания и позволит сэкономить на энергоресурсах.

Фото 9. Плазменная резка толстого металлопроката

Интенсивность эксплуатации определяет такой параметр, как ПВ (или продолжительность включения). Для бытовых нужд и небольших мастерских, где оборудование не будет задействовано в течение всей рабочей смены, подойдут устройства с ПВ 40-60 %. Для производств, где плазменная резка является основным технологическим процессом надо покупать аппараты с ПВ 80-100 %.

При выборе непосредственно ручного плазмотрона нужно обратить внимание на качество его расходных элементов, проверить сечение и надежность кабелей, шланга для подачи газа (воздуха) в конструкции шлангпакета. В остальном конструктив резаков практически не отличается, главное – качество их изготовления.