Что такое плазма?

Что такое плазма? Четвертое состояние вещества

         Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Обычно на ум приходят три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Для такого распространенного вещества как вода, эти три состояния: лед, вода и пар. Разница между этими состояниями связана с их энергетическими уровнями. При воздействии энергии в виде тепла на лед он тает и превращается в воду. Дальнейшее нагревание приводит к разложению молекул воды на водород и кислород и образованию пара. При дальнейшем воздействии энергии на пар данные газы переходят в ионизированное состояние. В результате ионизации газ становится электропроводящим. Такой токопроводящий ионизированный газ называется плазмой 

Процесс резки металла плазмой

         Процесс плазменной резки используется для обработки металлов-проводников. Электропроводящий газ передает энергию от источника тока через плазменный резак к обрабатываемому материалу.
         Стандартная система плазменной резки состоит из источника тока, контура зажигания дуги и резака. Эти компоненты обеспечивают электрическую энергию, ионизацию газа и управление процессом, необходимые для выполнения качественной резки различных материалов с высокой производительностью.
         Источник тока представляет собой источник постоянного тока. Напряжение холостого хода обычно находится в диапазоне от 240 до 400 В пост. тока. Выходной ток источника определяет скорость резки и толщину материала, который способна обрабатывать система. Основная функция источника тока состоит в обеспечении достаточной энергии для поддержания плазменной дуги после ионизации.

         Контур зажигания дуги представляет собой высокочастотный генератор, подающий на выход переменное напряжение от 5 000 до 10 000 В с частотой 2 МГц. Это напряжение используется для создания дуги высокой интенсивности внутри резака, чтобы ионизировать газ и, таким образом, получить плазму.
Резак служит держателем для расходных деталей — сопла и электрода — и обеспечивает охлаждение этих деталей газом или водой. Сопло и электрод сжимаются и поддерживают плазменную струю.

Последовательность работы системы плазменной резки

         Источник тока и контур зажигания дуги соединены с резаком проводами и кабелями. Эти провода и кабеля обеспечивают подачу газа, электрического тока и высокочастотного напряжения в резак для запуска и поддержания процесса.

1. На источник тока подается сигнал на пуск процесса. Одновременно с этим на выводы подается напряжение холостого хода, а в резак начинает поступать газ (см. рис.). Напряжение холостого хода может быть измерено между электродом (–) и соплом (+). Обратите внимание на то, что сопло подключается к положительному выводу источника тока через резистор и реле (реле вспомогательной дуги), а разрезаемый металл (заготовка) — напрямую к положительному выводу. Газ проходит через сопло и выходит наружу из отверстия. На этом этапе дуга еще не появилась, поскольку для постоянного напряжения отсутствует контур протекания тока.
2. После стабилизации потока газа включается высокочастотный контур. Высокочастотный сигнал распределяется между электродом и соплом внутри резака таким образом, что газ должен пройти через эту дугу перед выходом из сопла. Энергия передается от высокочастотной дуги газу, вызывая его ионизацию и превращение в электропроводящую среду. Этот электропроводящий газ создает контур для протекания тока между электродом и соплом, в результате чего образуется плазменная дуга. Поток газа «выталкивает» эту дугу через отверстие сопла, создавая вспомогательную дугу.
3. Если сопло оказывается рядом с заготовкой, вспомогательная дуга «прикрепится» к заготовке, поскольку контур протекания тока к положительному выводу (на источнике тока) не ограничен сопротивлением, присутствующим в контуре подключения сопла. Ток к заготовке определяется электрическими схемами в источнике тока. После обнаружения тока высокочастотный сигнал отключается, а реле вспомогательной дуги открывается. Ионизации газа поддерживается за счет энергии основной дуги постоянного тока.
4. Под воздействием плазменной дуги расплавляется металл, прожигается заготовка, а высокоскоростной поток газа удаляет расплавленный материал с нижней части разреза. На этом этапе начинается перемещение резака и запускается процесс резки.

Различные виды плазменной резки

Традиционная технология плазменной резки При данном виде резки обычно используется один газ (как правило, воздух или азот), который участвует как в охлаждении, так и в генерировании плазмы.Номинальный ток в большинстве систем такой резки не превышает 100 А; они подходят для резки материалов толщиной до 5/8 дюймов.Основное применение — ручная резка
Плазменная резка с использованием двухкомпонентной газовой смеси При данном виде резки используется двухкомпонентная газовая смесь, в которой один компонент используется в качестве плазмообразующего газа, а другой — в качестве защитного газа.Последний служит для защиты области резки от воздействия атмосферы, благодаря чему достигается более высокая чистота реза. Вероятно, это наиболее популярный вид плазменной резки, поскольку для обеспечения наилучшего качества резки материала могут использоваться различные сочетания газов.
Плазменная резка с использованием в качестве защитной среды воды Данный вид резки представляет собой вариант резки с использованием двухкомпонентной газовой смеси, только в данном случае вместо защитного газа используется вода.Вода обеспечивает лучшее охлаждение сопла и заготовки, а также более высокое качество резки нержавеющей стали.Этот вид резки предназначен для использования только в системах механизированной резки.
Плазменная резка с впрыском воды При данном виде резки один газ используется для получения плазмы, а вода впрыскивается радиально или по контуру завихрения непосредственно в дугу. Это позволяет значительно усилить сжатие дуги, повышая ее плотность и температуру.Значения тока в системах с такой технологией резки составляют находятся в диапазоне 260–750 А. Системы применяются для высококачественной резки большого количества материалов различной толщины.Этот вид резки предназначен для использования только в системах механизированной резки.
Прецизионная плазменная резка При данном виде резки обеспечивается превосходное качество резки тонких материалов (менее 1/2 дюйма) при работе на более низких скоростях. Такое повышение качества является результатом использования новейших технологий, позволяющих еще сильнее сжать дугу, благодаря чему возможно достижение очень высокой плотности энергии.Более низкие скорости позволяют резаку производить контурную резку с большей точностью.Этот вид резки предназначен для использования только в системах механизированной резки.

Почему стоит использовать плазменные системы Hypertherm?

Словарь терминов плазменной и термической резки

         Что означает «контактный пуск»? Что такое «линии задержки»? В отрасли плазменной резки используется множество специфических терминов и понятий. К счастью, наш словарь плазменной
резки содержит ответы на эти вопросы, а также дополнительные полезные сведения. Ниже приведены определения используемых терминов. Кто знает, возможно Вы сможете сильно удивить друзей своими познаниями.

• Переменный ток: электрический ток, который меняет свое направление через равные промежутки времени, например 60 раз в секунду т.е. переменный ток с частотой 60 Гц.
• Угловатость: характеристика измерения величины угла реза при плазменной резке.
• Контур Auto-voltage™: технология определения входного напряжения, которая позволяет системе работать при различных значениях напряжения без необходимости в переключениях.
• Контактный пуск: запатентованная технология, которая обеспечивает наличие вспомогательной дуги
• Система Boost Conditioner™: технология Hypertherm для коррекции колебаний входного напряжения.
• ЧПУ: числовое программное управление
• Технология Coaxial-assist™:запатентованная структура потока, позволяющая повысить скорость резки до 20% по сравнению с обычными структурами.
• Линии задержки: следы на поверхности реза вследствие воздействия на материал плазменной дуги.
• Окалина: расплавившийся в процессе термической резки материал, который отвердевает на заготовке или под ней. Также называется выгаром. В зависимости от процесса резки количество образующейся окалины может быть различным, различается и сложность ее удаления.
• Цепь управления Dual-threshold™:технология Hypertherm, позволяющая значительно снизить износ сопла за счет увеличения вспомогательного тока именно в тот момент, когда это необходимо.
• ETR™ (Easy Torch Removal): уникальная конструкция разъема, которая позволяет легко менять ручной резак на механизированный и обратно.
• FineCut™: семейство расходных деталей Hypertherm, обеспечивающих значительное повышение качества резки тонколистовых металлов благодаря уменьшению ширины разреза, снижению количества окалины и практически полному отсутствию зоны термического воздействия.
• Зона термического воздействия: участок металла, подвергшийся структурным изменениям в результате сильного нагревания. Зону термического воздействия нельзя определить визуально. Хотя одним из побочных эффектов термического воздействия может быть особый оттенок, который является видимым, размер области с таким оттенком также зависит от состояния поверхности листа. Поэтому область оттенка может в точности не соответствовать зоне термического воздействия.
• Электроды HyLife®: электроды с более длительным по сравнению с электродами обычной конструкции сроком службы благодаря применению запатентованных технологий, разработанных для передовых механизированных систем Hypertherm.
• Разрез: ширина реза, выполненного плазменной дугой.
• Плазма: плазма, иногда называемая четвертым состоянием вещества, представляет собой ионизованный газ высокой температуры.
• Плазменная резка: процесс резки, в котором применяется электропроводный газ с контролируемыми параметрами. Расходные детали резака сужают и контролируют поток ионизированного газа или плазменную дугу для резки наиболее распространенных металлов.

История развития систем плазменной резки — хронология

Лучшее качество резки

         Окалина, зона термического воздействия, скругление верхней грани иугол среза являются некоторыми из основных факторов, влияющих на качество резки. По двум из этих параметров — окалина и зона термического воздействия — плазменная резка действительно опережает кислородную, обеспечивая кромку практически без окалины и гораздо меньшую зону термического воздействия.

         Эта деталь на 50 мм демонстрирует способность резки HyPerformance HPR400XD практически без образования окалины.

Окалина

         В процессе плазменной резки используется электрически заряженный газ высокой температуры, чтобы расплавить металл и удалить его из области реза. При кислородной резке протекает химическая реакция между кислородом и сталью, приводящая к образованию шлака из оксида железа или окалины. В связи с различиями в процессах при плазменной резке образуется меньше окалины, и она меньше прилипает, поэтому ее легче удалить. Как правило, окалину можно легко сбить, не прибегая к шлифовке или работе стамеской, что значительно сокращает время, необходимое для выполнения вторичных операций. Меньшая потребность в шлифовке означает выпуск большего количества продукции.

Резка 30 мм листа с помощью ручного резака Powermax. Выполненный Powermax рез достаточно гладкий, без окалины.

Резка 30 мм листа с помощью кислородного ручного резака. Обратите внимание, что край при кислородной резке более неровный, и на нем неравномерно располагается окалина.

Зона термического воздействия

         Одной из проблем при резке металлов является размер образующейся зоны термического воздействия. Интенсивные тепловые изменения в химической структуре металла, придающие подвергшемуся тепловому воздействию краю темный цвет (область оттенка), приводящие к
деформации и, возможно, делая деталь непригодной для вторичных сварочных работ до удаления области термического воздействия.
Независимо от процесса, чем быстрее движется резак, тем меньше зона термического воздействия.

         Таким образом, более высокая скорость плазменной резки приводит к образованию меньшей области термического воздействия, поэтому меньше времени тратится на вспомогательные операции по удалению.

         Область оттенка также может представлять проблему для некоторых пользователей кислородной резки. В отличие от зоны термического воздействия, не видимой глазу, область оттенка видна из-за изменения цвета металла. И здесь более высокие скорости плазменной резки обеспечивают меньшую площадь области оттенка. На этих фотографиях показано отличие между двумя одинаковыми кусками низкоуглеродистой стали после плазменной и после кислородной резки. Меньшая скорость, необходимая для выполнения кислородной резки, приводит к образованию области оттенка, в 5 раз большей, чем в случае плазменной резки.

В случае плазменной резки размер области оттенка составляет всего лишь 2 мм.	В случае кислородной резки размер области оттенка превышает 10 мм.

Более высокая производительность

         Учитывая тот факт, что скорость резки и прожига при использовании технологии плазменной резки до 8,5 раз превышает скорость аналогичных операций при кислородной резке, можно с уверенностью сказать, что плазменная резка позволяет обеспечить значительные преимущества в производительности, не говоря уже о том, что при плазменной резке значительно меньшее время тратится на предварительный нагрев и вторичную обработку.
         В таблицах ниже приводятся данные сравнения скоростей резки систем HySpeed, HyPerformance, и Powermax компании Hypertherm со скоростями резки при использовании технологии кислородной резки при обработке низкоуглеродистой стали толщиной 12 мм. Как видно из приведенных данных, при обработке материала указанной толщины, все системы Hyperherm превосходят показатели кислородной резки, при этом семейство систем включает в себя как системы, обеспечивающие лишь незначительное преимущество, так и системы, скорость резки которых в 8,5 раз превышает скорость кислородной резки.

Скорости резки низкоуглеродистой стали толщиной 12 мм

         С появлением в семействе продуктов Hypertherm системы HyPerformance HPR400XD толщина промышленного прожига возросла до 50 мм, при этом скорость резки значительно выше, чем при кислородной резке. Хотите увидеть, насколько эффективно система плазменной резки Hypertherm справилась бы с заданием на Вашем производстве? Щелкните здесь для просмотра таблицы по системам плазменной резки Hypertherm с указанием данных по скоростям резки металлов различной толщины.

Более низкая себестоимость детали

         При рассмотрении вопроса стоимости важно понимать разницу между эксплуатационными затратами и эксплуатационными затратами на единицу продукции или на фут/метр.

         Как же определить реальную стоимость изготовления детали? Эксплуатационные затраты на фут или метр — это стоимость всего необходимого для резки в течение часа, разделенная на общее количество метров или футов резки за час.

         В стоимость резки входят затраты на расходные детали, электроэнергию, газ, труд и накладные расходы.
Общее количество метров или футов резки за час определяется скоростью резки, как указано в разделе «Более высокая производительность» .
Таким образом, себестоимость детали равна произведению общей длины траектории резки, необходимой для ее изготовления, на стоимость резки на фут или метр.

Эксплуатационные затраты на фут (м) х линейная длина детали = себестоимость детали

         Вот основные расчеты , проводимые для определения стоимости резки квадратной детали со стороной 0,9 м и длиной траектории резки 3,66 м из низкоуглеродистой стали толщиной 12 мм с использованием системы плазменной резки HPR260 и системы кислородной резки.

         Плазменная система обеспечивает значительно меньшую себестоимость благодаря более высоким скоростям, позволяющим изготовить большее количество изделий за то же время.

         В случае ручной резки экономию лучше оценивать на основании стоимости выполнения работы или задания. Стоимость выполнения задания равна произведению эксплуатационных затрат в час на время, необходимое для его выполнения. Для кислородной резки необходимо также учесть время предварительного нагрева и продолжительность операций вторичной обработки.