Плазмотрон — устройство, виды, принцип работы

Плазмотрон — это специализированное устройство, предназначенное для генерации плазмы. В статье мастер сварщик расскажет о принципе его работы и конструкции.

Устройство плазмотрона

Устройство плазмотрона представляет собой сложную конструкцию, сочетающую электрические, газовые и механические элементы для формирования и стабилизации плазменной дуги.

Основные компоненты включают:

• Электрод (катод). Центральный элемент, обычно выполнен из вольфрама с вставками из циркония или гафния для повышения термоэлектронной эмиссии. Это позволяет эффективно испускать электроны при высоких температурах. Электрод может быть трубчатым (холодным) для больших токов и окислительных сред или торцевым (горячим) для инертных газов. Охлаждение осуществляется через медную державку, температура рабочей поверхности достигает 400–450 К. В водяных системах используется графитовый электрод, подаваемый автоматически по мере сгорания.
• Сопло (анод). Изолированное от катода, обычно из меди или нержавеющей стали, с цилиндрической, конфузорной или диффузорной формой. Оно формирует плазменную струю, сжимая дугу. Сопло оснащено каналами для охлаждения (водой или воздухом) и может иметь межэлектродную вставку (МЭВ) для повышения энтальпии плазмы. При высоких токах добавляется магнитная система для перемещения разряда.
• Вихревая камера и завихритель. Обеспечивают закручивание плазмообразующего газа для стабилизации дуги. Камера выполнена из диэлектриков (кварц, керамика) или металлов, с каналами для ввода газа (осевым или вихревым).
• Система охлаждения. Водяная (для высоких нагрузок, с теплоемкостью воды для максимальной теплоотдачи) или воздушная (газодинамическая изоляция). Водяное охлаждение требует чистой воды и усложняет конструкцию, но позволяет устанавливать максимальные тепловые нагрузки.
• Газовая система. Включает основной ввод плазмообразующего газа (воздух, азот, аргон, кислород, водород или смеси) под давлением до 8 атм, вспомогательные потоки для защиты и локального воздействия. Диаметр канала внутреннего электрода в 1–2 раза больше выходного для вихревого потока.
• Изолятор и защитный кожух. Предотвращают короткое замыкание и защищают от брызг металла и пыли. Кожух требует регулярной очистки.
• Дополнительные элементы. Высокочастотный осциллятор для поджига дуги (до 5000 В), регуляторы давления и шланги для газа/воды.

Расходные материалы — сопла и электроды — изнашиваются равномерно, при толщине металла до 10 мм комплект служит 8 часов. Несвоевременная замена приводит к дефектам реза.

Принцип работы

Принцип работы плазмотрона основан на создании электрической дуги в среде плазмообразующего газа, которая ионизирует газ, превращая его в плазму с температурой 5000–30 000 °C. Процесс включает несколько этапов:

• Поджиг пилотной (дежурной) дуги. Между электродом (катод) и соплом (анод) подается высокое напряжение (до 5000 В) от высокочастотного генератора или короткий импульс. Это инициирует разряд, создавая путь для основной дуги. Альтернатива — пневмоконтактный поджиг с касанием заготовки.
• Формирование плазменного канала. Газ (сжатый воздух, азот и т.д.) подается под давлением через сопло в зону дуги. Под действием электрического поля (постоянный или переменный ток) молекулы газа ионизируются, теряя электроны и образуя плазму — проводящий ионизированный газ. Температура в канале достигает 25 000–30 000 °C, скорость потока — до 1000 м/с.
• Стабилизация и сжатие дуги. Газовый вихрь или другие методы фокусируют дугу, предотвращая её рассеивание. Плазменная струя приобретает кинетическую энергию, сжимаясь в сопле до диаметра 1–2 мм.
• Взаимодействие с материалом. При контакте с заготовкой (анод) рабочая дуга переносится на неё. Плазма нагревает металл до плавления (или испарения), а поток выдувает расплав, формируя разрез шириной 1,5–3 мм. Защитный газ предотвращает окисление. Скорость резки — до 10 м/мин, точность — 0,1 мм.
• Завершение. При отпускании кнопки дуга гасится, газ продувает зону для удаления остатков.

Энергия передается через дугу высокой плотности (до 250 000 °C в центре), обеспечивая минимальный нагрев прилегающих зон.

Виды плазмотронов

Плазмотроны классифицируются по множеству критериев: типу разряда, газу, стабилизации, охлаждению, току и перемещению.

По типу разряда:

• Электродуговые. Используют анод и катод для создания дуги, могут быть с прямой или косвенной дугой, с электролитическими или вращающимися электродами.
• Высокочастотные (ВЧ). Работают на индуктивном или ёмкостном принципе без электродов, в диэлектрических камерах, используются для чистых порошков.
• Сверхвысокочастотные (СВЧ). Похожи на ВЧ-плазмотроны, но работают на еще более высоких частотах.
• Комбинированные. Объединяют дуговой разряд, высокочастотное поле и магнитное поле.

По плазмообразующему газу:

• Воздушно-плазменные. Сжатый воздух, для сталей/алюминия до 50 мм.
• Газоплазменные. Азот, водород, аргон, кислород, пароводяные (на воде).
• С активными газами. Смеси для повышения температуры.

По стабилизации дуги:

• Газовая стабилизация. Самая простая и распространенная. Подтипы: Вихревая. Закручивание газа для сжатия и охлаждения стенок. Двойная. Два потока газа. Аксиальная одинарная. Осевой поток с МЭВ. Холодный газ сжимает дугу, фиксируя по оси, недостаток — меньшая эффективность.
• Водяная стабилизация. Высокая степень сжатия (температура до 50 000 °C). Использует пары воды/графитовый электрод (подача автоматическая). Сложная конструкция с регулировкой, но повышенная скорость эрозии, для высоких нагрузок.
• Магнитная стабилизация. Продольное поле от соленоида регулирует сжатие без потерь газа. Менее эффективна, усложняет конструкцию, для контроля формы дуги.

Стабилизация влияет на качество. газовая — для рутинных задач, водяная — для интенсивных, магнитная — для прецизионных.

По охлаждению и соплам:

• Воздушное/водяное охлаждение. Обеспечивает защиту от перегрева.
• Сплошные/секционированные сопла. Выбор конструкции зависит от условий применения.

По защите зоны:

• Газовая.
• Водяная (подводная для снижения шума).

По источнику питания:

• Плазмотроны могут работать от источников постоянного или переменного тока, а также использоваться в импульсном режиме.

По перемещению:

• Ручные. Управляются оператором для работы по контурам.
• Механизированные. Обеспечивают повторяемость процессов.
• Автоматизированные. Управляются системами с числовым программным управлением (ЧПУ).

По режиму:

• Непрерывные/импульсные. Работают либо непрерывно, либо импульсно.
• Атмосферное/высокое давление. В зависимости от применения плазмотроны могут работать при атмосферном или высоком давлении.

По назначению:

• Бытовые (ток до 60 A, ПВ 50–60%).
• Профессиональные (до 160 A).
• Промышленные (до 800 A).

Область применения

Плазмотроны используются в различных отраслях благодаря универсальности:

• Металлообработка. Резка листового металла (сталь, алюминий, медь, титан, нержавейка) толщиной до 90 мм, изготовление конструкций, проката. Скорость в 5–12 раз выше газокислородной.
• Машиностроение и авиация. Фигурный раскрой деталей, отверстий, обработка тугоплавких сплавов. Точность 0,24–0,34 мм, минимальная деформация.
• Строительство. Капитальные объекты, художественная ковка (декоративные элементы для лестниц, заборов).
• Сварка. Плазменная сварка швов, включая электрошлаковую.
• Другие. Получение порошковых металлов, подводная резка (снижение выбросов), ЧПУ-станки для серийного производства.

Применяются ручные установки для мелких работ и автоматизированные для крупных объемов. Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Высокая производительность. Скорость резки в 5–10 раз выше традиционных методов, прожиг за секунды.
• Универсальность. Обрабатывает любые металлы (включая нержавейку, алюминий, титан), толщиной до 90 мм.
• Точность и качество. Минимальный зазор (1,5 мм), гладкие кромки без зачистки, деформация <0,1 мм, угол скоса регулируем.
• Экономичность и мобильность. Низкие затраты на газ, портативные модели, ПВ до 100%.
• Безопасность и экология. Минимальные вредные выбросы, низкий шум (с водяным экраном), нет открытого пламени.
• Регулируемость. Легкий пуск/остановка, контроль мощности.

Недостатки:

• Ограничения по толщине. Неэффективно для >50 мм (экономически), требует мощных моделей.
• Износ расходников. Регулярная замена электродов/сопел (каждые 8 часов), иначе дефекты (волны, косой срез).
• Сложность эксплуатации. Требует точного угла (10–50°), давления, не для нескольких резахов одновременно.
• Стоимость. Дорогое оборудование, особенно водяное охлаждение, низкий КПД по сравнению с дуговой сваркой.
• Тепловые эффекты. Возможное насыщение азотом, окисление без защиты, шум и искры без экрана.

Выбор плазмотрона

Выбор зависит от задач, материалов и условий:

• По току и толщине. 4 A/мм для стали, 5–6 A/мм для алюминия/нержавейки. Для 10 мм — 40–50 A, бытовые (до 60 A, до 20 мм), профессиональные (до 160 A, до 55 мм), промышленные (до 800 A, до 90 мм).
• Продолжительность включения (ПВ). 50–60% для бытовых, 100% для интенсивных работ.
• Сеть и мощность. Однофазная (бытовые), трехфазная (промышленные), проверить нагрузку сети.
• Охлаждение. Воздушное (простое, для <100 A), водяное (эффективное для высоких токов).
• Поджиг дуги. Высокочастотный (без касания, удобный), пневмоконтактный (дешевле).
• Газ. Воздух (экономично, для сталей), специальные (азот/аргон для точности).
• Дополнительно. Ручной/механизированный, наличие ЧПУ, бренд (надежность расходников). Учитывать мобильность, цену и сервис.

Порядок работы

Работа с плазмотроном требует строгого соблюдения техники безопасности:

• Подготовка. Подключить источник питания (инвертор/трансформатор), компрессор/баллон с газом, шланги, регулятор давления (5–8 атм). Проверить изоляцию, очистить кожух от пыли/брызг.
• Настройка. Выбрать режим (ток, скорость, диаметр сопла по толщине). Установить упор для расстояния 1,5–3 мм. Надеть СИЗ (маска, перчатки).
• Продувка. Нажать/отпустить кнопку — газ продует резак 10–15 с.
• Поджиг. Держать перпендикулярно на 10–15 см над заготовкой. Нажать кнопку: пилотная дуга зажигается (ВЧ или контакт). При касании — рабочая дуга.
• Резка. Вести плавно под углом 10–50°, скорость по таблице (например, 1 м/мин для 10 мм). Следить за искрами — ровный поток.
• Завершение. Отпустить кнопку, продуть газом 5–10 с. Очистить сопло ветошью, слить воду.
• Обслуживание. Заменять расходники своевременно, хранить в сухом месте.

Заключение Плазмотроны революционизировали обработку материалов, предлагая высокую эффективность и универсальность. Несмотря на недостатки вроде износа и ограничений по толщине, их достоинства — скорость, точность и безопасность — делают их незаменимыми в промышленности. Правильный выбор и эксплуатация обеспечивают оптимальные результаты, подчеркивая роль плазмотронов в современном производстве. В продолжение темы посмотрите также наш обзор Как работает плазморез — устройство, принцип работы