Устройство плазмотрона

Плазмотрон. Устройство и принцип работы

Горелки ручных резаков для плазменной резки – основная рабочая часть любого плазмотрона. Именно там формируется высокоэнергетический поток плазмы, управляя которым можно производить точное и быстрое разделение металла.

2 Плазменная резка – принцип работы плазмотрона

Плазмотрон представляет собой устройство плазменной резки, в корпусе которого размещают небольшую по сечению дуговую камеру цилиндрической формы. На выходе из нее имеется канал, который создает сжатую дугу. С задней стороны такой камеры располагается сварочный стержень.

Между наконечником устройства и электродом зажигают предварительную дугу. Эта стадия необходима, так как возбуждения дуги между разрезаемым материалом и электродом добиться практически невозможно.Указанная предварительная дуга выходит из сопла плазмотрона, соприкасается с факелом, и в этот момент создается уже непосредственно рабочий поток.

После этого формирующий канал полностью заполняется столбом плазменной дуги, газ, образующий плазму, поступает в камеру плазмотрона, где происходит его нагрев, а затем ионизация и увеличение в объеме. Описанная схема обуславливает высокую температуру дуги (до 30 тысяч градусов по Цельсию) и такую же мощную скорость истекания газа из сопла (до 3 километров в секунду).

Конструктивно плазмотрон представляет собой закрытую камеру. Ее внутренние токопроводящие стенки, выполняющие и роль анода, имеют внешнее водяное охлаждение на случай перегрева. Также роль анода может выполнять и сам материал , подлежащий обработке, но в этом случае он должен хорошо проводить электричество. Внутри камеры монтируется узел для подачи плазмообразующего газа ( аргона , азота , водорода , метана , кислорода и др.). Катодом служит электрод из вольфрама или графита , устанавливаемый по ее центру.

Газ подается под давлением по спиральному каналу, чтобы подожженная струя на выходе оказалась максимально сжатой. Еще больше уплотняет горящий поток воздействующее на него индуктивное поле, создаваемое расположенным там же соленоидом или индуктивной катушкой.

Само сопло и катодный электрод относят к расходным материалам плазмотрона. Они отрабатывают одну рабочую смену (7-8 часов) и подлежат единовременной замене. Увы, существуют ограничения и по толщине раскраиваемого материала. Обычно это до 10 мм (у самых мощных моделей – до 20 мм).

Комбинированные аппараты

По стабилизации электродуги плазмотроны подразделяются на типы:

  • газовые;
  • водяные;
  • магнитные.

Функция стабилизации влияет на сжатие электродуги, направление вдоль оси электрода и в отверстии сопла.

Газовые устройства

Одна из самых простых и распространённых схем. Принцип основан на сжатии столба дуги плазмообразующим газом. Кроме этого, реализуется охлаждение стенок. Головка плазмотрона работает в щадящих условиях.

Водяные устройства

Несмотря на усложнение конструкции, паровой плазменный резак, является одним из самых востребованных устройств.

Водоохлаждаемая головка резака — вторая конструкция (после воздушной), применяемая умельцами при конструировании своими руками модели плазменного резака.

Магнитные резаки

Магнитная система менее эффективна, по сравнению с предыдущими. Но, преимущество — это регулировка сжатия электродуги без потери рабочего тела (газа).

Наряду с обычными сварочными аппаратами и газокислородной резкой, несмотря на существенную цену, всё большее количество умельцев осваивает сборку плазмотрона. Мы будем признательны, если вы поделитесь своим опытом, расскажете о своих самоделках. Для этого на сайте есть блок для комментариев.

Конструкция

Плазморезка сформирована следующими элементами:

1. Элемент питания, который отвечает за подачу тока той или иной силы. В качестве элемента применяют либо трансформаторы, либо инверторы.

Первый вариант характеризуется значительной массой, зато почти неуязвим для колебаний напряжения, а также дает возможность осуществлять рез металлических заготовок огромной толщины.

Инвертор – хороший выбор в том случае, если манипуляции ведутся с не слишком толстыми заготовками. Они экономичны в отношении потребления энергии, характеризуются высоким КПД и рекомендуются для использования в частном хозяйстве.

2. Плазмотрон. Основной элемент, посредством которого и ведется рез.

Корпус детали скрывает электрод, отвечающий за формирование мощной дуги. Сделан электрод из тугоплавкого металла, благодаря чему исключены его деформации и разрушения вследствие высокотемпературных нагрузок. Как правило, используется гафний, как наиболее прочный и безопасный материал.

На конце находится сопло, формирующее струю плазмы, с легкостью разрезающую заготовку.

Производительность и мощность устройства, во многом, определяется именно диаметром сопла. Чем шире сопло, тем больше воздуха оно пропускает за единицу времени, а увеличение объемов воздуха непосредственно увеличивает производительность. Наиболее распространенный диаметр – 3 миллиметра.

Точность работы зависит от конфигурации сопла, для проведения наиболее тонкой работы следует подбирать удлиненный элемент.

3. Компрессор. Его главная задача – нагнетание воздуха, без которого плазменный резак по металлу просто не может функционировать. Процесс построен на использовании газа для формирования плазменной струи и защиты.

Если сила тока устройства ограничена 200А, то необходим просто сжатый воздух, его достаточно и для отвода лишнего тепла, и для формирования струи. Такая модель – оптимальное решение в случаях, когда режутся заготовки не толще 5 сантиметров.

Установки промышленного типа используют не обычный сжатый воздух, а концентрированные газовые смеси на основе гелия, водорода, азота.

4. Комплекс кабелей и шлангов соединяет все модули между собой. Шланги транспортируют сжатый воздух, кабеля передают электрический ток.

Смотрите полезное видео, устройство и как работает плазменная резка:

Рабочий принцип

Теперь изучим непосредственно принцип работы устройства.

Когда оператор нажимает на клавишу розжига, элемент питания подает ток на плазмотрон. Это приводит к формированию первичной дуги огромной температуры, которая составляет от 6 до 8 тысяч градусов.

Формирование дуги между наконечником электрода и сопла происходит из-за того, что крайне трудно добиться такого результата непосредственно между заготовкой и электродом. Более того, если работа ведется с материалом, характеризующимся изолирующими свойствами, это просто невозможно.

Когда сформирована первичная дуга, к ней подается воздушная смесь. Данный воздух контактирует с ней, его температура растет, а объем – увеличивается, причем увеличение может быть даже стократным. Вдобавок к этому, воздух теряет свои диэлектрические свойства, ионизируется.

За счет того, что сопло имеет сужение к своему окончанию, воздушный поток разгоняется до 2-3 метров в секунду и вырывается наружу, имея температуру почти в 30 тысяч градусов. Из-за высокой степени ионизации и огромной температуры воздух называется плазмой, показатель электрической проводимости которой равняется этому параметру у обрабатываемого металла.

В момент соприкосновения с обрабатываемой поверхностью первичная дуга угасает, а дальнейшая работа ведется уже за счет вновь образованной режущей дуги. Именно она плавит или прожигает материал. Рез получается ровным, так как мощный воздушный поток сдувает с поверхности все появляющиеся частички.

Такое описание того, как работает система, является наиболее простым и распространенным.

Области применения

Теперь рассмотрим, что им можно делать:

  • Оперативный рез больших объемов материалов.
  • Изготовление листовых деталей, характеризующихся сложностью геометрии, вплоть до ювелирной и приборостроительной отрасли, где требуется максимальное соответствие исходным чертежам.

Штамповка в такой ситуации не применяется, так как данная технология, хоть и дешево, не обеспечивает достаточной точности. Плазморез же, несмотря на огромную температуру струи, нагревает обрабатываемый элемент точечно, что полностью исключает вероятность температурной деформации.

Читайте также  Схемы водоснабжения частного дома

  • Монтаж металлических конструкций. Плазморез исключает нужду в применении баллонов со сжатым кислородом и ацетиленом, что повышает степень безопасности и удобства, в особенности, если дело касается осуществления операций на высоте.
  • Рез сталей высокой степени легирования. Механические способы в данном случае не подходят, так как прочность сталей огромна, инструмент, способный эффективно резать листы на их основе, будет стоить очень дорого, а изнашиваться – очень быстро.

Получается, что сферы использования разнообразны. Выполнение в металлических листах отверстий любой конфигурации, резка труб, уголков и заготовок другого сечения, обработка кромок кованых изделий с целью “спаивания” металла и закрытия его структуры – для всего этого плазморез подходит оптимально.

Основные инструкции

Несколько правил, позволяющие понять, как резать плазморезом эффективно и безопасно:

  1. Необходимо контролировать расположение катодного пятна, оно должно соответствовать центру электрода. Достигается такая точность вихревой подачей воздуха. Отклонения в подаче приводят к тому, что происходит смещение плазменной дуги, она теряет стабильность горения. В некоторых случаях формируется вторая дуга, а в самой сложной ситуации устройство просто ломается.
  2. Контроль над воздушным расходом дает возможность корректировать скорость потока плазмы, варьировать производительность.
  3. Скорость реза напрямую влияет на толщину. Чем выше скорость, тем тоньше рез, ее уменьшение увеличивает ширину. Аналогичных результатов, большей ширины, можно достичь и увеличением силы тока.

Смотрите видео-урок работы плазморезом:

Заключение

Итак, мы разобрались, что такое плазморез.

Можно сделать вывод, что в ситуации, когда вам регулярно приходится работать с металлическими элементами, резать арматуру, трубы или другие детали, его помощь окажется полезной. Так что расходы на его покупку будут полностью компенсированы удобством и эффективностью дальнейшей работы.

Как работает самодельный плазмотрон

В принципе, самодельный плазмотрон работает точно так же, как и заводской. Правда, у него свой собственный ресурс, зависящий в основном от материала, из которого изготовлено сопло.

  • Сначала включается осциллятор и инвертор, через которые ток подается на электрод. Происходит его поджиг. Управление поджигом производится кнопкой, расположенной на рукоятке горелки.
  • Секунд 10-15, за это время дежурная дуга заполнит собой все пространство между электродом и соплом. Теперь можно подавать сжатый воздух, потому что за это время температура внутри сопла достигнет 7000С.
  • Как только из сопла вырвется плазма, можно переходить к процессу резки металла.
  • Очень важно правильно вести горелку вдоль намеченного контура резки. К примеру, если скорость продвижения резака не очень большая, то это гарантия, что ширина реза будет большой, плюс края будут точно неровными с наплывами и корявыми. Если скорость движения резака, наоборот, будет большой, то расплавленный металл будет плохо выдуваться из зоны резки, что приведет к образованию рваного реза, потеряется его непрерывность. Поэтому опытным путем необходимо подобрать скорость резки.

Плазменная дуга возникает между катодом и свариваемым токопроводящим материалом. Основными его узлами служат:

  • катодный узел, состоящий из вольфрамового электрода и устройства подачи газа;
  • корпус плазмотрона;
  • сопло (формирующий наконечник);
  • изолятор;
  • система охлаждения (в устройствах с водяным охлаждением);
  • ручка с пусковой кнопкой.

Корпус плазмотрона с соплом изолированы от катодного узла. Электрод катода изготовляется из тугоплавкого материала, преимущественно вольфрама с добавками оксидов лантана, тория, иттрия или других металлов, повышающих устойчивость вольфрама при высоких температурах и снижающих потенциал его воздействия с ионизированными газами.

Дуга возбуждается между катодом и положительно заряженной поверхностью свариваемого или разрезаемого металла. К ней подключен положительный кабель от сварочного аппарата. Возникшая электродуга вызывает ионизацию газа, который подается в камеру плазмотрона под небольшим давлением от баллона или компрессора. При ионизации газ разогревается и стремительно увеличивается в объеме, что приводит к выбросу плазменной струи из камеры с высокой скоростью.

Формирование плазменно-дуговой струи производится с помощью тугоплавкого сопла, охлаждаемого водой или струей газа. Для облегчения розжига дуги в камере плазмотрона вмонтирован дежурный электрод — анод. При запуске плазмотрона он включается в сеть, и дуга возникает внутри камеры между ним и катодом. Образовавшаяся струя плазмы нагревает свариваемый металл и вызывает возникновение более мощной дуги между ним и катодом плазмотрона. После этого дежурная дуга угасает, и сварочный аппарат работает на основной.

Элементы прибора

Устройство плазмотрона представлено таким образом, чтобы обеспечивать резку металлов, относящихся к классу тугоплавких. Электрод (катод) имеет специальную циркониевую или гафниевую вставку. Использование указанных металлов при высоких температурах позволяет добиться эффекта выбивания электронов с их поверхности (термоэлектронная эмиссия).

Сопло – еще один расходный элемент плазмотрона, который всегда изолируется от катода. Прибор также оснащен механизмом для закручивания газа, образующего плазму.



Расходники способны функционировать в течение одной 8-часовой рабочей смены, если речь идет об обработке металла толщиной до 1 см. Далее они подлежат замене, причем последнюю желательно проводить одновременно для катода и сопла.

При несоблюдении сроков замены качество получаемого реза значительно ухудшается, могут появиться волны или дать о себе знать эффект реза под углом. Если гафниевая или циркониевая вставка выгорят более чем на 2 мм, то электрод пригорит. Следствием станет значительный перегрев устройства.

Чтобы расплавленный обрабатываемый материал не повредил элементы плазмотрона, его оснащают защитным кожухом. Регулярный демонтаж и чистка кожуха – залог долгой и качественной работы всего прибора. При несоблюдении элементарных условий эксплуатации можно в скором времени добиться серьезной поломки плазмореза. Не менее важно чистить и другие элементы.

Как переделать сварочный инвертор в плазморез своими руками

Переделка сварочного инвертора в плазморез заключается в подготовке нескольких принципиально важных частей аппарата. Их собирают и приобретают по отдельности, после чего соединяют в конечное устройство согласно существующей схеме. Сам инвертор, в отличие от сварочного трансформатора, в усовершенствовании не нуждается, при подключении осциллятора он сможет работать в неизменном виде.

Как сделать плазмотрон

Плазмотрон является одной из важнейших деталей агрегата. Проще всего купить готовый резак, обладающий всеми необходимыми характеристиками. Но также его можно сделать самостоятельно из горелки для аргонодуговой сварки. В этом устройстве присутствует большинство нужных компонентов, в том числе:

  • клеммы и кабель для подключения тока;
  • рукав и направляющие для подачи газа на сопло;
  • вольфрамовый электрод 4 мм с возможностью регулировки положения.

В резаке при включении под воздействием воздуха и электротока формируется струя ионизированного газ

При сборке плазмореза из инвертора резак требуется только немного доработать. Для этого нужно:

  • удалить тонкое латунное сопло и поставить прокладку из фторопласта для изоляции;
  • поверх нее установить латунный фиксатор для сопла из меди;
  • припаять или закрепить на корпусе хомутом кабель для вспомогательной электродуги.

Также на рукоять устанавливают выключатель, отвечающий за перевод самодельного плазмотрона в режим реза.

Как сделать осциллятор

Осциллятор в плазморезе из инвертора необходим для розжига дуги и поддержания ее в стабильном состоянии. Собрать компонент можно самостоятельно, к примеру, из трансформатора микроволновки. Сначала на нем заменяют первичную и вторичную обмотку и комплектуют сердечник кабелем нужного сечения, а затем размещают на плате разрядник для проведения искры и колебательный контур с высокочастотным конденсатором.

Читайте также  Новогодний украшения для дома своими руками

Подключение осциллятора в одной цепи с инвертором должно быть параллельным

Сделать деталь можно даже из старой катушки зажигания автомобиля. Но требуется учитывать, что сборка осциллятора может потребовать больших познаний в радиотехнике, чем создание самого плазмореза из инвертора. Поэтому проще всего купить готовый блок.

Как подобрать компрессор

Для формирования потока плазмы необходим не только ток, но и направленный поток сжатого воздуха. За него отвечает компрессор, этот элемент подбирают в соответствии с толщиной металла для реза. В частности, производительность 190 л в минуту позволит обрабатывать заготовки до 30 мм, 170 л в минуту — до 20 мм и так далее.

Компрессор лучше всего использовать заводской, но при желании можно взять деталь от холодильника

Важно обратить внимание также на параметры ресивера. Требуется объем больше 50 л, иначе работа плазмореза из инвертора будет неустойчивой.

Как выбрать или сделать кабель массы и кабель-шланг

Кабель массы отвечает за замыкание электродуги сварочного инвертора, выступающего в роли плазмореза, на детали. Его необходимо приобрести в специализированном магазине.

Кабель массы для инверторного плазмореза должен оканчиваться зажимом для металла

Важный элемент самодельного плазмореза — это шланг, объединяющий в себе несколько проводов и трубок. В его конструкцию входят:

  • электропроводка для соединения устройства с выключателем;
  • шланг компрессора с диаметром 10 мм;
  • два электрических кабеля — для массы и для электрода;
  • провод для вспомогательной дуги с сечением от 1,5 мм.

Особенное внимание нужно уделить параметрам электрокабеля. Сечение элемента подбирают в соответствии с производительностью инвертора и сделанного на его основе плазмореза. При токе 50 А и тонких металлических заготовках будет достаточно сечения 6 мм, если изоляция на кабеле не ПВХ, а жаростойкая, показатель можно взять еще меньше.

Широкий шланг позволяет компактно закрыть всю кабельную систему инверторного плазмореза

Кабель-шланг можно купить готовый, а можно сделать своими руками из шланга для подводки воды. Внутрь него помещают проводку, гибкую кислородную трубку и электрокабель.

Финальная сборка

После того, как все части плазмореза будут подготовлены, их останется только соединить. Делают это так:

  • воздушный шланг закрепляют на ресивере компрессора;
  • кабели для электродуги, резака и массы подключают к соответствующим клеммам на инверторе сварки;
  • соединяют электропроводкой выключатель на блоке управления и плазмотрон.

Перед первым включением аппарата рекомендуется проверить по схеме правильность подключения и убедиться в надежности креплений.

Проверка работоспособности

Полностью собранный плазморез из инвертора необходимо испытать, прежде чем пробовать выполнить с его помощью конкретные работы. Для этого:

  • на инвертор сварки подают питание на десять минут;
  • по истечении срока выключают и проверяют, нагрелся ли аппарат;
  • при положительном результате включают компрессор;
  • при заполненном ресивере открывают клапан подачи воздуха и посылают поток через плазмотрон;
  • нажимают на кнопку выключателя на ручке резака и возбуждают вспомогательную электродугу;
  • при подаче плазмы через сопло выполняют тестовый рез металлической заготовки.

В первый раз деталь для разрезания нужно брать тонкую и с минимальной плотностью. Но в целом видео о плазморезе своими руками из инвертора показывает, что правильно сконструированный аппарат сможет справляться с заготовками до 10 мм.

В первый раз нельзя использовать плазморез долго, после запуска его выключают и проверяют степень нагрева