Cięcie plazmowe - Plasma cutting
Cięcie plazmowe to proces polegający na przecinaniu materiałów przewodzących prąd elektryczny za pomocą przyspieszonego strumienia gorącej plazmy . Typowe materiały cięte palnikiem plazmowym to stal , stal nierdzewna , aluminium , mosiądz i miedź , chociaż można również ciąć inne metale przewodzące. Cięcie plazmowe jest często stosowane w prefabrykacji sklepów, motoryzacyjnej naprawy i renowacji , przemysłowej konstrukcji i ratownictwa oraz złomowanie operacji. Ze względu na dużą prędkość i precyzję cięcia w połączeniu z niskimi kosztami, cięcie plazmowe znajduje szerokie zastosowanie, od wielkoskalowych przemysłowych zastosowań CNC po małe warsztaty hobbystyczne.
Podstawowy proces cięcia plazmowego polega na wytworzeniu kanału elektrycznego z przegrzanego, elektrycznie zjonizowanego gazu, czyli plazmy z samej przecinarki plazmowej, przez cięty przedmiot, tworząc w ten sposób kompletny obwód elektryczny z powrotem do przecinarki plazmowej poprzez zacisk uziemiający . Odbywa się to za pomocą sprężonego gazu (tlen, powietrze, obojętny i inne w zależności od ciętego materiału), który jest wydmuchiwany z dużą prędkością przez skupioną dyszę w kierunku przedmiotu obrabianego. Łuk elektryczny tworzy się następnie w gazie, między elektrodą pobliżu lub zintegrowane z dyszą gazową i obrabianego przedmiotu. Łuk elektryczny jonizuje część gazu, tworząc w ten sposób elektrycznie przewodzący kanał plazmy. Gdy prąd elektryczny z palnika tnącego przemieszcza się w dół tej plazmy, wytwarza wystarczającą ilość ciepła, aby przetopić obrabiany przedmiot. Jednocześnie duża część plazmy o wysokiej prędkości i sprężonego gazu wydmuchuje gorący stopiony metal, tym samym oddzielając, tj. przecinając obrabiany przedmiot.
Cięcie plazmowe to skuteczny sposób cięcia zarówno cienkich, jak i grubych materiałów. Palniki ręczne mogą zwykle ciąć blachę stalową o grubości do 38 mm (1,5 cala), a mocniejsze palniki sterowane komputerowo mogą ciąć stal o grubości do 150 mm (6 cali). Ponieważ przecinarki plazmowe wytwarzają bardzo gorący i bardzo zlokalizowany „stożek” do cięcia, są one niezwykle przydatne do cięcia blach w zakrzywionych lub kątowych kształtach.
Łuki są generowane w trzyetapowym procesie. Iskra wysokiego napięcia na krótko jonizuje powietrze w głowicy palnika. Dzięki temu powietrze przewodzi i tworzy się „łuk pilota”. Łuk pilota tworzy się w głowicy palnika, a prąd płynie z elektrody do dyszy wewnątrz głowicy palnika. W tej fazie łuk pilota przepala dyszę, która jest częścią eksploatacyjną. Powietrze następnie wydmuchuje plazmę z dyszy w kierunku pracy, zapewniając ścieżkę prądu od elektrody do pracy. Gdy system sterowania wykryje prąd płynący od elektrody do pracy, odcina połączenie elektryczne z dyszą. Prąd przepływa następnie z elektrody do pracy, a łuk tworzy się na zewnątrz dyszy. Można wtedy kontynuować cięcie bez spalania dyszy. Żywotność dyszy jest ograniczona liczbą zajarzeń łuku, a nie czasem cięcia.
Historia
Cięcie plazmowe wyrosło ze spawania plazmowego w latach 60-tych i stało się bardzo produktywnym sposobem cięcia blach i blach w latach 80-tych. Miała tę przewagę nad tradycyjnym cięciem „metal kontra metal”, że nie wytwarzała wiórów metalowych, zapewniała dokładne cięcie i zapewniała czystszą krawędź niż cięcie tlenem . Wczesne przecinarki plazmowe były duże, nieco powolne i drogie, a zatem były przeznaczone do powtarzania wzorów cięcia w trybie „masowej produkcji”.
Podobnie jak w przypadku innych obrabiarek, technologia CNC (komputerowe sterowanie numeryczne) została zastosowana w maszynach do cięcia plazmowego od końca lat 80. do lat 90., dając maszynom do cięcia plazmowego większą elastyczność w wycinaniu różnorodnych kształtów „na żądanie” w oparciu o zestaw zaprogramowanych instrukcji do sterowania numerycznego maszyny. Te maszyny do cięcia plazmowego CNC były jednak ogólnie ograniczone do wycinania szablonów i części w płaskich arkuszach stali, przy użyciu tylko dwóch osi ruchu (nazywanych cięciem XY).
Bezpieczeństwo
Właściwa ochrona oczu i osłony twarzy są potrzebne, aby zapobiec uszkodzeniom oczu zwanym łukiem oka, a także uszkodzeniom spowodowanym przez zanieczyszczenia. Zaleca się stosowanie zielonego odcienia soczewek #5. OSHA zaleca stopień zaciemnienia 8 dla prądu łuku mniejszego niż 300 A, ale zauważa, że „te wartości mają zastosowanie tam, gdzie rzeczywisty łuk jest wyraźnie widoczny. Doświadczenie pokazuje, że lżejsze filtry mogą być używane, gdy łuk jest ukryty za elementem obrabianym”. Lincoln Electric, producent sprzętu do cięcia plazmowego, mówi: „Zazwyczaj dopuszczalny jest odcień ciemności od 7 do 9”. Inny producent, Longevity Global, Inc., oferuje ten bardziej specyficzny stół do ochrony oczu podczas cięcia łukiem plazmowym przy niższych natężeniach prądu:
| Aktualny | Minimalny odcień
(ANSI Z87.1+) |
|---|---|
| 0–20 A | #4 |
| 20-40 lat | # 5 |
| 40-60 A | #6 |
| 60–80 A | # 8 |
Zaleca się również skórzane rękawiczki, fartuch i kurtkę, aby zapobiec poparzeniom od iskier i gorącego metalu.
Bardzo ważna jest praca w czystym miejscu wolnym od łatwopalnych cieczy, materiałów i gazów. Iskry i gorący metal z przecinarki plazmowej mogą szybko spowodować pożar, jeśli nie zostaną odizolowane od łatwopalnych obiektów. Przecinarki plazmowe mogą w pewnych sytuacjach wysyłać gorące iskry wzlatujące na odległość do 5 stóp. Operator maszyny jest zazwyczaj niewidomy na wszelki pożar, który wybuchł, ponieważ znajduje się za osłoną twarzy. Podejmij środki ostrożności, aby upewnić się, że miejsce pracy jest wolne od zagrożeń pożarowych.
Metody startowe
Przecinarki plazmowe wykorzystują szereg metod uruchamiania łuku. W niektórych jednostkach łuk jest tworzony poprzez kontakt palnika z obrabianym przedmiotem. Niektóre przecinarki do zajarzenia łuku wykorzystują obwód wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości. Ta metoda ma szereg wad, w tym ryzyko porażenia prądem, trudności w naprawie, konserwację iskiernika oraz dużą emisję o częstotliwości radiowej . Przecinarki plazmowe pracujące w pobliżu wrażliwej elektroniki, takiej jak sprzęt CNC lub komputery, uruchamiają łuk pilotujący w inny sposób. Dysza i elektroda stykają się. Dysza jest katodą , a elektroda jest anodą . Kiedy gaz plazmowy zaczyna płynąć, dysza jest wydmuchiwana do przodu. Trzecią, mniej popularną metodą jest wyładowanie pojemnościowe do obwodu pierwotnego za pośrednictwem prostownika sterowanego krzemem .
Inwerterowe przecinarki plazmowe
Analogowe przecinarki plazmowe, zwykle wymagające więcej niż 2 kilowatów, wykorzystują ciężki transformator o częstotliwości sieciowej. Inwerterowe przecinarki plazmowe prostują zasilanie sieciowe do DC, które jest podawane do inwertera tranzystorowego wysokiej częstotliwości od 10 kHz do około 200 kHz. Wyższe częstotliwości przełączania pozwalają na zastosowanie mniejszego transformatora, co skutkuje zmniejszeniem ogólnego rozmiaru i wagi.
Użyte tranzystory były początkowo tranzystorami MOSFET , ale obecnie coraz częściej stosuje się tranzystory IGBT . W przypadku równoległych tranzystorów MOSFET, jeśli jeden z tranzystorów aktywuje się przedwcześnie, może to doprowadzić do kaskadowej awarii jednej czwartej falownika. Późniejszy wynalazek, IGBT, nie jest tak podatny na ten tryb awarii. Tranzystory IGBT można na ogół znaleźć w maszynach wysokoprądowych, w których nie jest możliwe równoległe połączenie tranzystorów MOSFET.
Impulsowy topologia jest określany jako podwójny tranzystor off-line konwertera do przodu. Chociaż lżejsze i mocniejsze, niektóre przecinarki plazmowe inwerterowe, zwłaszcza te bez korekcji współczynnika mocy , nie mogą być uruchamiane z generatora (oznacza to, że producent inwertera zabrania tego; dotyczy to tylko małych, lekkich przenośnych generatorów). Jednak nowsze modele mają wewnętrzne obwody, które pozwalają jednostkom bez korekcji współczynnika mocy na pracę z lekkimi generatorami mocy.
Metody cięcia CNC
Niektórzy producenci przecinarek plazmowych budują stoły do cięcia CNC , a niektórzy mają przecinarkę wbudowaną w stół. Stoły CNC pozwalają komputerowi sterować głowicą palnika wykonując czyste, ostre cięcia. Nowoczesne urządzenia plazmowe CNC są zdolne do wieloosiowego cięcia grubego materiału, co daje możliwości wykonywania skomplikowanych szwów spawalniczych, które nie są możliwe w inny sposób. W przypadku cieńszych materiałów cięcie plazmowe jest stopniowo zastępowane cięciem laserowym , głównie ze względu na doskonałe możliwości wycinania otworów w wycinarkach laserowych.
Specjalistyczne zastosowanie przecinarek plazmowych CNC jest w branży HVAC . Oprogramowanie przetwarza informacje o przewodach i tworzy płaskie wzory do wycięcia na stole cięcia przy pomocy palnika plazmowego. Technologia ta ogromnie zwiększyła produktywność w branży od czasu jej wprowadzenia na początku lat 80-tych.
Przecinarki plazmowe CNC są również wykorzystywane w wielu warsztatach do tworzenia ozdobnej metaloplastyki. Na przykład oznakowanie komercyjne i mieszkaniowe, grafika ścienna, tablice adresowe i sztuka ogrodowa na świeżym powietrzu.
W ostatnich latach nastąpił jeszcze większy rozwój. Tradycyjnie stoły do cięcia maszyn były poziome, ale teraz dostępne są pionowe przecinarki plazmowe CNC, co zapewnia mniejszą powierzchnię, większą elastyczność, optymalne bezpieczeństwo i szybszą pracę.
Konfiguracje cięcia plazmowego CNC
Istnieją trzy główne konfiguracje cięcia plazmowego CNC, różniące się w dużym stopniu formami materiałów przed obróbką oraz elastycznością głowicy tnącej.
Cięcie plazmowe 2-wymiarowe / 2-osiowe
Jest to najbardziej powszechna i konwencjonalna forma cięcia plazmowego CNC. Produkcja profili płaskich, w których krawędzie cięcia znajdują się pod kątem 90 stopni do powierzchni materiału. W ten sposób skonfigurowane są łoża do cięcia plazmowego cnc o dużej mocy, które są w stanie ciąć profile z blachy o grubości do 150 mm.
Cięcie plazmowe 3-wymiarowe/3+ osie
Po raz kolejny jest to proces wytwarzania płaskich profili z blachy lub blachy, jednak dzięki wprowadzeniu dodatkowej osi obrotu głowica tnąca przecinarki plazmowej CNC może przechylać się podczas przechodzenia przez konwencjonalną dwuwymiarową ścieżkę cięcia. W rezultacie krawędzie są cięte pod kątem innym niż 90 stopni do powierzchni materiału, na przykład pod kątem 30-45 stopni. Ten kąt jest ciągły na całej grubości materiału. Jest to zwykle stosowane w sytuacjach, gdy cięty profil ma być używany jako część spawanego materiału, ponieważ zagięta krawędź stanowi część przygotowania do spawania. Gdy przygotowanie spoiny jest stosowane podczas procesu cięcia plazmowego CNC, można uniknąć dodatkowych operacji, takich jak szlifowanie lub obróbka skrawaniem, co zmniejsza koszty. Możliwość cięcia pod kątem 3D plazmowym może być również wykorzystana do tworzenia otworów z łbem stożkowym i fazowania krawędzi otworów profilowanych.
Cięcie plazmowe rur i profili
Stosowany w obróbce rur, rur lub dowolnej formy długiego odcinka. Głowica do cięcia plazmowego zwykle pozostaje nieruchoma podczas przesuwania przedmiotu obrabianego i obracania się wokół jego osi wzdłużnej. Istnieją pewne konfiguracje, w których, podobnie jak w przypadku trójwymiarowego cięcia plazmowego, głowica tnąca może się przechylać i obracać. Pozwala to na wykonanie pod kątem nacięć przez grubość rury lub odcinka, co jest powszechnie wykorzystywane przy wytwarzaniu rurociągów technologicznych, gdzie przyciętą rurę można wyposażyć w przygotowanie do spawania zamiast prostej krawędzi.
Nowa technologia
W ostatniej dekadzie producenci palników plazmowych opracowali nowe modele z mniejszą dyszą i cieńszym łukiem plazmowym. Pozwala to na precyzję zbliżoną do lasera na krawędziach cięcia plazmowego. Kilku producentów połączyło precyzyjne sterowanie CNC z tymi palnikami, aby umożliwić wytwórcom wytwarzanie części, które wymagają niewielkiej obróbki wykańczającej lub nie wymagają jej wcale.
Użyte tranzystory były początkowo tranzystorami MOSFET, ale obecnie coraz częściej stosuje się tranzystory IGBT. W przypadku równoległych tranzystorów MOSFET, jeśli jeden z tranzystorów aktywuje się przedwcześnie, może to doprowadzić do kaskadowej awarii jednej czwartej falownika. Późniejszy wynalazek, IGBT, nie jest tak podatny na ten tryb awaryjny. Tranzystory IGBT można ogólnie znaleźć w maszynach wysokoprądowych, w których nie jest możliwe równoległe połączenie wystarczającej liczby tranzystorów MOSFET.
Koszty
Latarki plazmowe były kiedyś dość drogie. Z tego powodu zwykle można je było znaleźć tylko w profesjonalnych spawalniach i bardzo dobrze zaopatrzonych prywatnych garażach i sklepach. Jednak nowoczesne palniki plazmowe stają się coraz tańsze i obecnie mieszczą się w przedziale cenowym wielu hobbystów, wynoszącym mniej niż 300 USD. Starsze jednostki mogą być bardzo ciężkie, ale nadal przenośne, podczas gdy niektóre nowsze z technologią inwerterową ważą niewiele, ale są równe lub przekraczają możliwości starszych.
Zobacz też
- Cięcie łukiem węglowym powietrznym
- Cięcie laserowe
- Lista artykułów dotyczących plazmy (fizyki)
- Spawanie łukiem plazmowym
- Przecinak strumieniem wody
- Spawalniczy