Плазменные резаки (плазмотроны для резки)

Плазменный резак (плазмотрон или плазменная горелка для резки) - устройство для образования плазмы при резке, подключаемое к источнику тока.

Фото. Плазменные резаки (горелки) ESAB PT-27, Hypertherm T80 для ручной плазменной резки и П3-400ВА для механизированной резки.

Основные узлы плазменного резака:

• электрододержатель с электродом;
• сопло, формирующее плазменную дугу или плазменную струю;
• дуговая камера для образования плазмы;
• изолятор, разделяющий электродный и сопловой узлы;
• системы газо- и водоснабжения.

Во многих резаках также имеется узел завихрения, обеспечивающий вихревую (тангенциальную) подачу плазмообразующего газа в дуговую камеру для сжатия и стабилизации дуги.

Рисунок. Ручной плазменный резак аппарата Мультиплаз-15000

Рисунок. Конструкция плазменного резака ТД-300 для механизированной резки

Основные виды плазменных резаков

Конструктивная схема плазменного резака и оформление его элементов зависят от рабочей среды, способа ее подачи в дуговую камеру, зажигания дуги и системы охлаждения. Основные виды плазменных резаков (горелок):

• для инертных (аргона, гелия) и восстановительных (азота, водорода) газов;
• для окислительных газов - содержащих кислород;
• двухпоточные - для инертных, восстановительных и окислительных сред;
• с газожидкостной стабилизацией дуги.

Плазмотроны с водяной и магнитной стабилизацией дуги получили ограниченное применение.

Наиболее простыми являются плазмотроны для инертных (нейтральных) и восстановительных газов.

Рисунок. Плазменный резак для инертных и восстановительных газов с осевой стабилизацией дуги и водяным охлаждением

Изолированные сопловой и катодный узлы образуют дуговую камеру с формирующим каналом. В торцовой части камеры размещен вольфрамовый катод, стабилизированный окислами лантана, иттрия, тория или другими примесями, повышающими эмиссионные свойства и стойкость вольфрама против взаимодействия при высоких температурах с активными газами (кислородом, воздухом и др.). Катод изнашивается под действием теплоты, выделяющейся в катодной области дуги.

Катоды из вольфрама обычно изготавливают в виде стержней диаметром 3-6 мм и длиной 50-150 мм или коротких цилиндрических вставок диаметром 2-3 мм и длиной 5-6 мм. В плазменных резаках со стержневым вольфрамовым катодом, закрепляемым в зажимах или цангах, рабочая среда, как правило, подается соосно катоду. Рабочую часть катодного стержня заостряют для фиксации катодного пятна дуги. За счет соосной (аксиальной) подачи газа дуга может быть растянута на большую длину при меньшем рабочем напряжении, что важно для ручной плазменной резки и резки толстого металла.

Широко распространены машинные и ручные плазменные резаки с гильзовыми катодами.

Рисунок. Плазменный резак с гильзовым катодом, вихревой стабилизацией дуги и водяным охлаждением

Вставка из тугоплавкого материала запрессовывается в канал гильзы-катодержателя из меди или другого теплопроводного металла. Хвостовик гильзы интенсивно охлаждается воздухом или водой, что улучшает условия охлаждения катода и увеличивает срок службы катодной вставки. Торец гильзовых катодов обычно плоский. Дуга стабилизируется с помощью закрученного потока газа. Вихрь фиксирует катодную область дуги в центре торца вставки. Активное пятно дуги изнашивает вставку с образованием постепенно углубляющейся полости. Диаметр и глубина полости зависят от интенсивности ввода теплоты в катод и теплопередачи охлаждающей среде.

Гильзовые катоды получили широкое применение в плазменных резаках, использующих в качестве рабочей среды сжатый воздух. Катодные вставки из тугоплавких металлов - циркония и гафния - при высоких температурах образуют в основании дуги стабильную тугоплавкую пленку из окислов и нитридов, которая защищает чистый металл от испарения. Такие катоды называют пленочными или пленкозащитными. Существование катодного пятна обусловлено высокой эмиссионной способностью и низким электрическим сопротивлением пленки из окислов и нитридов при высоких температурах. Регулярный износ катодных вставок происходит за счет испарения оксидно-нитридного расплава, а разовый, более существенный, - при зажигании дуги из-за разрушения пленки от термического удара.

Фото. Электроды с гафниевой вставкой для плазмотрона

Плазменные резаки с пленочными катодами также применяются для резки в среде кислорода. При этом стойкость катодов несколько ниже.

Для вихревой (тангенциальной) подачи плазмообразующего газа в дуговую камеру плазменного резака используют завихрительные устройства. В простейшем случае функции завихрителя выполняются корпусом плазмотрона, и рабочий газ поступает в дуговую камеру по каналам, выведенным по касательной к ее стенкам. Эффективно применение завихрительных колец или шайб из жаростойкой керамики, размещаемых перед входом в сопло. Их недостатком является невысокая прочность керамики. В качестве завихрителя может выступать и само сопло. Рациональна конструкция завихрителя, выполненного в виде винтовой резьбы на наружной поверхности электрододержателя, который плотно устанавливается в гнезде корпуса плазменного резака.

Фото. Вихревое кольцо и винтовая резьба электрододержателя, используемые в плазменных резаках для завихрения газа.

При резке в окислительных средах также используют плазмотроны с пустотелым (полым) цилиндрическим катодом из меди, интенсивно охлаждаемым водой. Плазменный резак имеет систему вихревой стабилизации дуги. Катод является распределенным - под действием вихря катодное пятно быстро перемещается по внутренней поверхности цилиндрического катода, не разрушая его.

Двухпоточные плазмотроны снабжены двумя соосными соплами - внутренним и наружным (защитным колпаком). Газ, поступающий во внутреннее сопло, условно называют первичным, в наружное - вторичным или дополнительным. Первичный и вторичный газы могут иметь разный состав, назначение и расход. В качестве электродов применяются как вольфрамовые, так и пленкозащитные катоды.

В двухпоточных плазмотронах со стержневым вольфрамовым катодом первичный газ (азот или аргон), подаваемый во внутреннее сопло, защищает вольфрамовый электрод от окисления. В наружное сопло поступает рабочий окислительный газ - воздух или кислород. Рабочая часть катода может располагаться в полости под внутренним соплом или между соплами. При первой схеме в плазму превращается в основном защитный газ, а окислительный газ используется преимущественно для стабилизации дуги. Во втором случае возможно получение плазменного потока с высоким содержанием кислорода.

Рисунок. Двухпоточные плазмотроны со стержневыми вольфрамовыми катодами - с расположением рабочей части катода под внутренним соплом (слева) или между соплами (справа)

Пленкозащитные катоды, к примеру, используются в плазменных резаках Hypertherm (серий HSD, HT, HPR и др.). При этом защитный (дополнительный) газ обеспечивает следующие функции:

• защиту плазменного резака от брызг расплавленного металла при пробивке отверстия;
• препятствие образованию «двойной» дуги;
• дополнительное обжатие дуги, что увеличивает ее удельную энергетическую плотность, делает рез более тонким и уменьшает оплавление на острых углах;
• способствует формированию практически перпендикулярного реза с острой верхней кромкой без оплавления и отсутствующим либо незначительным гратом снизу.

Рисунок. Плазменный резак Hypertherm с пленкозащитным катодом, предназначенный для работы с плазмообразующим и защитным газами

Достаточно распространены плазменные резаки с газожидкостной стабилизацией дуги. Их формирующая система обычно аналогична инертно- или восстановительно-газовым, активно-газовым или двухпоточным плазмотронам, с тем отличием, что сопловой узел снабжен системой каналов для подачи воды в сжатый столб дуги. Для стабилизации дуги также используют двухфазные газожидкостные потоки, которые вводят преимущественно по схеме двухпоточного плазмотрона. Количество воды, стабилизирующей дугу, устанавливают таким, чтобы вода полностью испарялась. При газожидкостной стабилизации дуги увеличивается концентрация энергии в столбе дуги и повышаются ее режущие свойства. За счет подачи жидкости в формирующее сопло улучшаются условия его охлаждения. При резке с применением водовоздушной стабилизации стальные кромки меньше насыщаются азотом, чем при воздушно-плазменной резке.

Помимо плазменных резаков с газожидкостной стабилизацией дуги используют плазмотроны с водяной завесой и газожидкостной системой охлаждения. В резаках с водяной завесой с помощью системы водяных каналов вокруг столба дуги формируется водяная оболочка. Вода охлаждает кромки обрабатываемого металла, что сводит к минимуму зону термического влияния. Снижается уровень шума, выделения аэрозолей и излучения при резке.

Сопло плазменного резака предназначено для формирования режущей дуги. Форма и размеры соплового канала определяют параметры и свойства дуги. При уменьшении его диаметра и увеличении длины повышаются скорость потока плазмы, концентрация энергии в дуге, ее напряжение и режущая способность. Чем дольше сохраняются форма и размеры сопла, тем дольше срок его службы.

Сопло является наиболее теплонапряженным элементом плазмотрона. Чтобы между стенками соплового канала и плазменным потоком в столбе мощной дуги (с температурой 10000-20000° С и выше) присутствовал слой сравнительно холодного газа, силу тока и расход газа выбирают в соответствии с диаметром и длиной сопла. Наилучший материал для изготовления сопел - медь высокой чистоты, имеющая высокую теплопроводность и относительно низкую стоимость. В большинстве случаев для охлаждения сопел применяется система водяных каналов. При резке маломощными дугами охлаждение сопла горелки может быть газовым.