Современная плазменная резка не перестает удивлять качеством. Ведь ее результат – толстостенные металлические плиты с блестящей, словно отполированной поверхностью реза (Рис.1). Трудно даже представить, что это  сделано с помощью газа, раскаленного до состояния плазмы. Как это получается? За ответом мы направились в Германию, где над процессом плазменной резки работают c 1959 г. Специалист компании Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH господин Торстен Юниор (Torsten Junior) и владелец компании  IHT Automation GmbH & Co. KG  господин Курт Нахбаргауэр (Kurt Nachbargauer) любезно согласились раскрыть секреты узкоструйной плазмы.

Рис. 1. Резка углеродистой нелегированной стали,

толщиной 120 мм, установкой плазменной резки FineFocus 1600

с регулятором высоты M 4000 PCS.

Плазма как четвертое состояние вещества людям известна достаточно давно. Электрическая дуга – это частный случай плазмы. Еще в 1802 г. русский профессор В.В. Петров открыл электрическую дугу и описал ее в своей книге.  Позже во второй половине ХIХ в. английский ученый сэр Уильям Крукс исследовал электрическую проводимость в газах при пониженном давлении. В процессе этих исследований было обнаружено состояние газа, когда он превращался в электропроводный. В 1879 г. У. Крукс назвал это плазмой. Через три года русский ученый Н.Н. Бенардос применил свободную электрическую дугу для сварки. С этого времени она стала широкого использоваться сварщиками. Сварка как новый технологический процесс стала завоевывать мир. В 1922 г. немецкими и шведскими партнерами во главе с Оскаром Келбергом под Берлином был заложен завод по производству генераторов, полностью подходящих для сварки электродами ЭСАБ. Компания Kjellberg и сейчас работает в области сварки и резки металлов и носит имя этого выдающегося промышленника и изобретателя.

В середине 1950­х гг. немецкие, советские  и американские ученые для увеличения удельной мощности дуги стали пропускать ее через отверстие. Однако эта экспериментальная резка не получила распространения из­за очень быстрого износа сопла, за счет его расплавления шунтирующей дугой. С этого момента было положено начало работе над созданием совершенного плазматрона для резки. Так и в компании Kjellberg с 1959 г. совместно с Дрезденским институтом  Manfred von Ardenne началась активная работа над созданием первого промышленного образца для плазменной резки. В 1962 г. была создан и запатентован первый промышленный образец плазменного резака. С этого момента плазма вышла из лаборатории и начала служить человечеству.

Современные решения, конечно же, берут начало из тех времен, но управляются совсем на другом уровне. Процессу зажигания дуги предшествует множество предварительных этапов; совсем по­другому рассчитана аэродинамика горелки; имеются дополнительные потоки, обжимающие дугу. Сложный процесс представляет собой управление газами. Такая технология позволяет создать и стабилизировать плазму температурой до 60 тыс. °С (например, температура плавления вольфрама 3 422 °С). Разрезая материал такими температурами, металл просто испаряется, без образования грата и окалины. При этом сопла и электроды, которые формируют плазму, работают очень долго.

Современная плазма – это очень высокотехнологичный комплекс. Это можно увидеть, рассматривая один из этапов комплексного управления плазмой. Например, согласованность работы плазмы и перемещения горелки. Если такое согласование будет нарушено, качество резки понизится, и стойкость электродов значительно уменьшится.

Так, например, при начале резки дуги нужно четко выдержать необходимый алгоритм работы, дистанцию. Поджиг дуги нужно произвести на правильном расстоянии (Рис. 2). Это расстояние рассчитывается и проверяется экспериментально. Затем идет этап прожига металла. В этот момент уже стабилизированную дугу можно вытянуть так, чтобы горелка ушла от брызг расплавленного металла, выдуваемого плазматроном. На больших толщинах в начале процесса пока еще нет сквозного прожига, металл выдувается обратно в сторону горелки. Слишком интенсивное воздействие брызг значительно уменьшает ресурс устанавливаемых на горелку расходных элементов. Поэтому увеличение дистанции до горелки с небольшим съездом в сторону благоприятно сказывается на стойкости съемных элементов горелки. После прожига металла необходима стабилизация процесса резки, а после стабилизации – выход за заданное расстояние до листа. Подобное перемещение позволит продлить срок службы расходных материалов горелки в момент поджига плазмы и прожига листа.

Рис. 2. Алгоритм управления высотой во время прожига металла и выход на режим резки

От правильной дистанции зависит и качество реза. Это наглядно показывает схема (Рис. 3), на которой видно, что плазма не по всей длине одинаковая и имеет различные зоны. Узкоструйная плазма дополнительно обжимается защитным газом. Такое обжатие позволяет сконцентрировать ввод тепла и увеличить температуру плазмы  до 60 тыс. °С. Законы аэродинамики не позволяют обжатую дугу, двигающуюся в чехле защитного газа, сразу использовать для резки. Для стабилизации дуги необходимо время. Вследствие этого имеется зона стабилизации плазмы  после обжатия. Когда дуга стабилизировалась, плазменный поток в высокой степени ламинарен. Именно этой зоной и нужно производить резку. Когда горелка находится на правильном расстоянии и в канал резки входит стабилизированная плазма, мы имеем наиболее качественную и производительную резку. Ничто не может существовать вечно. Чехол защитного газа под воздействием неподвижного воздуха с течением времени нарушается, и возникает турбулентность. Если горелка располагается слишком высоко, то ниже по столбу плазмы действие защитного газового чехла ослабевает. Поэтому слишком большая высота горелки над разрезаемым металлом приводит к снижению качества. В связи с этим очень важна правильная высота резки, что дает возможность получить самое высокое качество.

Рис. 3. Основные зоны узкоструйной  плазмы.

Остается вопрос: «Как выставить требуемую высоту резки, если прокат имеет неплоскостность?» Многие специалисты считают, что правильная высота резки гарантируется правильной установкой напряжения плазмы. Это было бы так при возможности замерять напряжение прямо с плазменного столба. Однако температура плазмы велика, и нам приходится измерять напряжение в электрической цепи. Напряжение на дуге, согласно закону OMA,  U=IR. А в электрической цепи у нас сумма сопротивлений:  R плазмы + R остальное. Поэтому наша формула выглядит как U=I (R плазмы + R остальноe). При этом остальное – это, например, сопротивление контакта разрезаемого листа, сопротивление поверхности (ржавый или очищенный лист), сопротивление стола для резки, удаленность резака от заземляющего кабеля и многое другое. В результате можно получить ситуацию, когда, имея правильное напряжение в цепи, получаем совершено некорректное напряжение плазмы. Резка выполняется на другой высоте, и не достигается максимальное качество.

Для высококачественной плазменной резки рекомендуется проводить монтаж регулятора высоты горелки, который точно установит заданную высоту резака в момент, когда процесс резки стабилизировался (точная высота = правильное напряжение плазмы с коррекцией падений напряжений электрической цепи),  измерит суммарное напряжение и будет его поддерживать в процессе вырезки заготовки. Такая система может немного нивелировать неточность установки скорости резки, грязную поверхность листа, а также многое другое.

Современная установка плазменной резки, правильно настроенная, может коренным образом поменять технологию всего производства. Уходят в прошлое припуски, экономится металл, значительно уменьшается доля зачистки, механическая обработка листов часто вообще больше не требуется. Трудоемкость процесса может уменьшиться до 30 %.

 Новые технологии плазменной резки, с которыми мы познакомились в Германии, позволяют получить качественный рез поверхности. Благодаря этому уменьшаются работы по механической обработке деталей, что в конечно итоге снижает общую себестоимость.

Жданов Виталий

ООО «НТ­Сварка»,
Санкт­Петербург, Россия

Тел./факс +7(812) 67 67 072

info@nt­welding.ru,

http://nt­welding.ru

Курт Нахбаргауэр

IHT Automation GmbH & Co. KG,  Баден­Баден,  Германия

http://www.iht­automation.com

Торстен Юниор  

Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH, Германия

http://www.kjellberg.de