Принцип плазменной резки и какие газы для неё нужны

Плазма — это ионизированный газ при очень высокой температуре. Это не метафора и не маркетинговый термин: при плазменной резке рабочий газ разогревается до 15 000–30 000 °C, превращается в плазменную струю и буквально выжигает металл по линии реза. Температура выше, чем при кислородно-ацетиленовой резке. Скорость реза на металле до 30 мм — тоже выше. Разбираемся, как это работает и какой газ нужен.

Между неплавящимся вольфрамовым или медным электродом и соплом (или заготовкой) возникает электрическая дуга. Через неё с высокой скоростью продувается газ. Дуга ионизирует газ — превращает его в плазму. Плазменная струя вылетает из сопла со скоростью до 800 м/с и нагревает металл до температуры плавления. Расплав выдувается из реза давлением газа.

Два типа плазмотронов: с прямым действием (дуга горит между электродом и заготовкой) и с косвенным (дуга внутри плазмотрона, заготовка не включена в цепь). Прямое действие — для металлов. Косвенное — для неметаллов и диэлектриков.

Самый распространённый тип для промышленного применения. Рабочий газ — обычный сжатый воздух. Дёшево, доступно, не нужны специальные газы.

Недостаток: азот в воздухе при плазменных температурах вступает в реакцию с металлом — азотирует кромку. На углеродистых сталях это обычно некритично. На нержавейке — приводит к охрупчиванию кромки. Поэтому воздушную плазму применяют преимущественно для резки конструкционных сталей, чугуна, алюминия.

При повышенных требованиях к качеству кромки и при резке цветных металлов используют специальные рабочие и защитные газы.

Аргон + водород (35–65% H₂) — высокоэнтальпийная смесь. Высокая температура дуги, высокая скорость резки нержавейки и алюминия, чистая кромка без азотирования. Самое качественное решение. Минус — водород горючий, требует особых мер безопасности.

Азот — применяется как плазмообразующий газ для нержавейки при среднем качестве кромки. Дешевле аргоно-водородной смеси.

Кислород — для резки углеродистых сталей. Кислородная плазма даёт высокую скорость реза благодаря дополнительному тепловыделению от горения металла. Кромка — с оксидным налётом.

Защитный газ (экранирующий) — в многогазовых системах вокруг плазменной струи подают отдельный защитный газ (аргон, азот или их смесь). Он изолирует плазменную струю от воздуха и улучшает качество реза.

Плазма vs кислородная резка. Плазма режет быстрее на металле до 30 мм. Кислородная резка выигрывает на толщинах от 50 мм и выше, где плазма уже не так эффективна. Плазма режет нержавейку и алюминий — кислородная нет.

Плазма vs лазерная резка. Лазер точнее, кромка чище, тоньше рез. Плазма — дешевле в оборудовании, режет больший диапазон толщин, меньше требований к качеству поверхности металла. Для серийного производства листовых деталей из толстого металла — плазма; для точных деталей с чистой кромкой — лазер.

При воздушно-плазменной резке — нужен только компрессор со стабильным давлением. Влажность воздуха критична: компрессор плюс осушитель — обязательная пара.

При работе с аргоно-водородными смесями или чистыми газами — отдельные баллоны или газовые рампы под каждый газ. Аргон — через рампы для аргона, азот — через рампы для азота. При нескольких плазменных постах — централизованная подача с автоматическим переключением. Как устроена такая система — в статье «Что такое газовая рампа».

Расход газа при плазменной резке — умеренный (5–30 нм³/ч), значительно ниже, чем при лазерной. Для среднего производства стандартные баллоны на рампе полностью решают задачу.

КубСпецТех поставляет рамповые системы для газоснабжения плазменных постов. Подробнее — в каталоге.

Быстрый ориентир:

Углеродистая сталь до 30 мм — воздух или кислород. Дешевле. Кромка с оксидным слоем, но для последующей сварки или покраски — нормально.

Углеродистая сталь свыше 30 мм — кислород. Лучшее проплавление, выше скорость.

Нержавеющая сталь — азот или аргоно-водородная смесь. Воздух даёт азотирование кромки.

Алюминий — аргоно-водородная смесь. Чистая кромка, высокая скорость.

Медь — аргон или аргоно-водородная смесь. Медь отражает плазменную дугу — нужна более высокая мощность и правильный газ.

Конкретный рецепт газа для каждого сочетания «материал + толщина + оборудование» даёт производитель плазмотрона. Общие рекомендации — только ориентир.