Газы использующиеся для плазменной резки

Определение плазменных газов

• Плазменный газ
  

 Это название относится ко всем газам и газовым смесям, которые могут быть использованы для создания плазмы, а также для самого процесса резки. К плазменной дуге имеют отношение два основных этапа: этап зажигания и этап резки. Таким образом, плазменный газ делится на газ зажигания и газ резки, которые могут отличаться как по типу, так и по объёмному расходу.

• Газ зажигания
  

 Этот газ используется для зажигания плазменной дуги. От него зависит облегчение процесса зажигания и/или продление срока службы электрода.

• Газ резки
  

 Этот газ требуется для резки изделия плазменной дугой. От него зависит достижение оптимального качества реза при работе с различными материалами.

• Вторичный газ – газ, образующий завихрения – вспомогательный газ
  

 Этот газ охватывает плазменную струю, тем самым, охлаждая и обжимая её. Таким образом, он повышает качество кромок реза и защищает сопло при прожигании изделия и выполнении резки под водой.

1.1.Влияние плазменных газов на качество процесса плазменной резки

 От того, какой плазменный газ используется, в наибольшей степени зависит качество и экономическая эффективность процесса плазменной резки. Разные материалы и разные толщины материалов требуют различных сред для создания плазмы. Эти среды могут быть газами, газовыми смесями и водой. В следующем разделе определяются критерии выбора, основное внимание уделяется газам.

Чтобы исключить необходимость дальнейшей обработки после плазменной резки, для данного материала следует подбирать подходящий плазменный газ. При выборе газа должны рассматриваться физические и механические свойства газов. Для достижения высокой скорости резки и хорошего качества кромки реза, плазменная струя должна содержать большое количество энергии, а также обладать хорошей теплопроводностью, чтобы передавать тепло металлу, а также иметь высокую кинетическую энергию.

Химические свойства: восстановительная активность, нейтральность, окислительная активность, очень сильно влияют на форму кромок реза и, таким образом, на все последующие издержки, связанные с завершающими операциями. Поскольку плазменный газ взаимодействует с расплавленным металлом, он также может в значительной мере влиять на качество кромок реза.

 Влиянию подвержены следующие показатели качества:

 • неровность реза

• шероховатость поверхности

• закругление верхней кромки

• образование грата

• свариваемость (поры)

 При выборе плазменного газа всегда следует принимать во внимание следующие физические свойства:

 • энергия ионизации одноатомного газа

• энергия диссоциации многоатомного газа

• теплопроводность

• атомная масса и молекулярная масса

• удельный вес

• химическая активность

В табл. 1 представлено сопоставление основных физических свойств газов, которые обычно используются для плазменной резки.

 Таблица 1: Сопоставление основных физических свойств газов, использующихся для плазменной резки

1.2.Выбор плазменного газа, исходя из материала и используемого метода

Обычно инертные и активные газы, а также их смеси подходят для использования в качестве плазменных газов. Соответствие газов для плазменной резки в отношении их обозначения, точности смешивания и чистоты устанавливается стандартом DIN EN 439.

В качестве плазменных газов можно использовать аргон, водород, азот, кислород, смеси этих газов и воздух. Что касается их преимуществ или недостатков, ни один из описанных ниже плазменных газов не является оптимальной плазменной средой. По этой причине в большинстве случаев используется смесь этих газов. Перед тем как использовать определённую смесь газов, следует проконсультироваться у производителя, подходит ли такая смесь для данной системы. Если смеси не подходят, то это может привести к уменьшению срока службы расходных деталей или к повреждению, или поломке резака.

 Аргон

 Аргон является единственным инертным газом, который может производиться для коммерческих целей с использованием метода воздушной сепарации при объёмном проценте 0,9325. Будучи инертным газом, он химически нейтрален. Благодаря своей большой атомной массе (39,95), аргон способствует вытеснению расплавленного материала из зоны реза посредством высокой плотности импульсов создаваемой плазменной струи.

При низкой энергии ионизации, которая составляет 15,76 эВ, аргон достаточно легко можно ионизировать. По этой причине чистый аргон часто применяется для зажигания плазменной дуги. После того как плазменная дуга прямого действия зажигается, подаётся тот газ, который является собственно плазменным, и, таким образом, начинается процесс резки. Из-за своей относительно низкой теплопроводности и энтальпии, аргон не является совершенно идеальным газом для плазменной резки, так как он позволяет достичь только лишь относительно небольшой скорости резки, в результате чего получаются скругления, поверхности имеют чешуйчатый вид.

 Водород

 По сравнению с аргоном, водород имеет очень маленькую атомную массу (1) и характеризуется относительно большой теплопроводностью. Водород имеет чрезвычайно высокую максимальную теплопроводность в температурном диапазоне диссоциации, что обусловливается процессами диссоциации и рекомбинации. Диссоциация водорода начинается при температуре 2 000 К и прекращается полностью при 6 000 К. Полная ионизация водорода имеет место при температурах около 25 000 К. Первоначально при рекомбинации и ионизации двухатомного водорода из дуги высвобождается большое количество энергии. Это приводит к обжатию вытекающей дуги. Когда дуга достигает поверхности материала, происходит рекомбинация заряженных частиц, которые отдают энергию в виде тепла рекомбинации, повышая температуру расплавленного материала. Вязкие оксиды хрома и алюминия при добавлении водорода восстанавливаются, что делает расплав более текучим. Из приведенного описания физических свойств следует, что водород, сам по себе, настолько же не подходит в качестве плазменной среды, насколько и аргон. Однако, если положительные свойства водорода, касающиеся тепловых показателей (большое содержание энергии и энтальпия) совместить с большой атомной массой аргона, то получаемая в результате газовая смесь даёт возможность быстро передавать кинетическую энергию (атомная масса), а также достаточное количество тепловой энергии разрезаемому материалу.

 Смеси аргона и водорода

 Смеси аргона и водорода часто применяются для резки высоколегированных сталей и алюминия. Добавив всего несколько процентов водорода к аргону, можно добиться значительного улучшения в отношении скорости резания и качества кромки реза. Кроме того, восстанавливающий эффект водорода обеспечивает гладкость и отсутствие окисленного металла на поверхностях реза. Такие смеси часто применяют для резки листов, имеющих толщину до 150 мм.

Часть водорода доходит до 35% по объёму и зависит от толщины материала. Дальнейшее повышение процентного содержания водорода не даёт значительного увеличения скорости резки. Содержание водорода, превышающее 40% по объёму, может стать причиной неровностей на поверхностях реза и увеличения образования грата на нижней кромке изделия.

 Азот

 В отношении физических свойств азот занимает приблизительно промежуточное положение между аргоном и водородом. Имея атомную массу 14, азот значительно превосходит водород, однако ощутимо уступает аргону. Теплопроводность и энтальпия у азота выше, чем у аргона, однако меньше, чем у водорода. Азот и водород ведут себя сходным образом в смысле возможности обжатия дуги, а также в отношении тепла рекомбинации, создающего текучий расплав. Таким образом, азот может использоваться сам по себе как плазменный газ. Азот, используемый в качестве плазменного газа, обеспечивает быструю резку изделий с тонкими стенками без образования оксидов. Недостатком является относительно большое количество бороздок. Практически невозможно добиться реза с полностью параллельными сторонами. Угол получаемого скоса в большой степени зависит от установленного настройкой объёма газа и скорости резки. Насыщение поверхности реза азотом отрицательно сказывается на свариваемости. Повышенное содержание азота при поверхностях реза является причиной пористости свариваемого металла.

 Смеси азота и водорода

 Смеси азота и водорода часто используются для резки высоколегированных сталей и алюминия. Они позволяют выполнять резы с параллельными кромками при значительно более высоких скоростях резки, чем в случае аргона. Окисление на поверхностях реза также меньше, чем когда применяется чистый азот. Такие смеси, имеющие название «формирующие газы», содержат до 20% водорода.

 Смеси аргона с водородом и азотом

 Смеси аргона с водородом и азотом используются для резки высоколегированных сталей и алюминия. Они обеспечивают хорошее качество кромок реза и в меньшей степени формируют грат по сравнению со смесями аргона и водорода. Большинство смесей, которые обычно используются, состоят на 50 – 60% из аргона, и на 40 – 50% из азота и водорода. Процентное содержание азота обычно составляет 30%. Количество водорода зависит от толщины изделия: чем толще материал, тем больше следует использовать водорода. Добавляя азот в смесь аргона и водорода при резке высоколегированных и конструкционных сталей, можно получить кромки без грата, а также добиться большой скорости резки.

 Кислород

 Кислород применяется в качестве плазменного газа для резки нелегированных и низколегированных сталей. Когда кислород смешивается с расплавом, понижается его вязкость, благодаря чему расплав приобретает большую текучесть. Это обычно даёт возможность получить кромки реза без грата и верхние края без скруглений. Появляется возможность достичь более высоких скоростей резки, чем в случае с азотом и воздухом. В отличие от азота или воздуха, при использовании кислорода поверхности реза не насыщаются азотом, а значит, риск возникновения пор при последующей сварке сводится к минимуму.

Благодаря высокой скорости резки ширина зоны, подверженной воздействию тепла очень мала, поэтому механические свойства разрезаемого металла не ухудшаются. Высокая скорость резки объясняется протеканием химической реакции кислорода с материалом изделия.

 Углекислый газ

 Углекислый газ обычно не используется в качестве плазменного газа для плазменной резки. В редких случаях его используют как вторичный или охлаждающий газ.

 Воздух

 Основными составляющими воздуха являются азот (объёмное содержание 78,18%) и кислород (объёмное содержание 20,8%). Сочетание этих двух газов представляет собой очень богатую энергией смесь. Воздух применяется в качестве плазменного газа для резки нелегированных, низколегированных, высоколегированных сталей и алюминия. Обычно воздух используется для ручной резки, а также для резки тонкого листа. Если резка нелегированной стали выполняется с применением в качестве плазменного газа воздуха, то кромки реза получаются прямыми и достаточно гладкими.

Однако, как газ для резки, воздух повышает содержание азота на поверхностях реза. Если такие кромки реза далее не подвергаются механической обработке, в сварном шве могут создаться поры. При резке алюминия кромки реза могут изменить свой цвет. Вода (пар)

При определённой температуре вода распадается на водород и кислород. Если добавляется большее количество энергии, вода подвергается диссоциации и ионизации. В случае плазменной резки с впрыскиванием воды и плазменной резки с водяным экраном, часть воды используется для передачи тепла, тогда как другая часть помогает выполнять обжатие плазменной дуги и охлаждать сопло.

Таблица 2: Рекомендуемые сочетания газов и их влияние на качество кромки реза

1.3.Подача газа для машин плазменной резки

Машины плазменной резки работают с одним из нескольких отличающихся друг от друга газов. Требуемое давление в линии нагнетания и расход зависят от типа используемого оборудования. Должны неукоснительно соблюдаться условия, определённые производителем. Газ может подаваться в разных формах, например, он может быть в баллоне, в группе баллонов, либо содержаться в баках в сжиженном состоянии.

Форма, в которой подаются нужные газы, газообразное или жидкое состояние, в первую очередь зависит от того, какое количество газов необходимо. Из тех же соображений подбирается размер и тип сосуда для хранения газа. Не следует упускать из виду и экономические факторы, касающиеся конструкции системы подачи газа для плазменной резки. Количество требующейся плазмы и вторичных газов зависит от различных факторов. Оно зависит от диаметра плазменного сопла, давления газа и тока резки, и может быть в пределах от 20 до 100 л/мин. При таких условиях, в зависимости от рассматриваемой работы (работ), для подачи достаточного количества газа может оказаться достаточно и одного газового баллона, а могут потребоваться и стационарные баки. Если потребление газа составляет 200 – 300 м³/неделя, газ подаётся в газообразной форме, если же потребное количество больше этой величины, то используется сжиженный газ.

Если расход газа в системе плазменной резки опускается ниже величины, определённой производителем, резак может получить серьёзные повреждения. Для исключения этого первостепенную важность имеет настройка давления на величину, определённую производителем. Необходимо иметь возможность устанавливать давление, по меньшей мере, на 12 бар.

В табл. 5 приведены минимальные требования по чистоте для газов, применяющихся для плазменной резки нелегированных, низколегированных и высоколегированных сталей и алюминия. Несоответствие этим величинам может отрицательно повлиять на качество и экономическую эффективность из-за снижения скорости резки. Примечание: В случаях, когда воздух подаётся от компрессора, а не от баллонов с техническим воздухом, наиболее важным является соблюдение требований, указанных в табл. 5, которые касаются максимального размера частиц, содержания остаточного масла и точки росы, так как повышение содержания масла и влаги может сократить срок службы расходных деталей, а также повысить вероятность поломки резака.

Таблица 3: Требования к чистоте газов, использующихся для плазменной резки.