Плазменная обработка материалов

Внедрение плазменной обработки в промышленность ознаменовало технологический прорыв и переход на качественно новый уровень производства. Область применения полезных свойств плазмы очень обширна. Прежде всего это производство приборов электроники и полупроводниковых приборов. Без плазмохимического травления свет вряд ли увидели бы современные производительные персональные компьютеры. Но это далеко не все.

Ионно-плазменная обработка применяется также в оптике и машиностроении для полировки изделий, нанесения защитных покрытий, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов, а также для сварки и раскроя листовой стали. В данной работе основное внимание уделяется именно технологиям сварки и резки с использованием плазмы.

Общие положения

Из школьных уроков по физике каждый знает, что вещество может существовать в четырех состояниях: твердое, жидкое, газ, а также плазма. Больше всего вопросов возникает при попытке представить последнее состояние. А на самом деле все не так сложно. Плазма – это тоже газ, только его молекулы, что называется, ионизированы (то есть оторваны от электронов). Такое состояние может быть достигнуто разными способами: в результате воздействия высоких температур, а также как результат бомбардировки электронами атомов газа в вакууме.

Такую плазму принято называть низкотемпературной. Такая физика процесса используется при осуществлении плазменного напыления (травления, насыщения) в вакууме. Помещая частицы плазмы в магнитное поле, им можно придавать направленное движение. Как показала практика, такая обработка более эффективна по ряду параметров классических операций в технологии машиностроения (насыщение в порошковых средах, газопламенная резка, поливание при помощи пасты на основе оксида хрома и так далее).

Виды плазменной обработки

В настоящее время плазма активно используется практически во всех отраслях промышленности и народного хозяйства: медицина, машиностроение, приборостроение, строительство, наука и так далее.

Первопроходцем в применении плазменных технологий было приборостроение. Промышленное применение плазменной обработки началось с использования свойств ионизированного газа для распыления всевозможных материалов и нанесения их на подкладки, а также для травления каналов с целью получения микросхем. В зависимости от некоторых особенностей устройства технологических установок различают плазмохимическое травление, ионно-химическое, а также ионно-лучевое.

Освоение плазмы – это невероятно ценный вклад в развитие технологий и улучшение, без преувеличения, качества жизни всего человечества. С течением времени область применения ионов газа расширялась. И сегодня плазменная обработка (в том или ином виде) применяется для создания материалов с особыми свойствами (жаростойкость, твердость поверхности, коррозионная стойкость и так далее), для эффективной резки по металлу, для сваривания, для полирования поверхностей и устранения микронеровностей.

Этим списком не ограничивается применение технологий, основанных на воздействии плазмы на обрабатываемую поверхность. В настоящее время активно развиваются средства и методы плазменного напыления с использованием различных материалов и режимов обработки с целью достижения максимальных показателей механических и физических свойств.

Принцип работы

Для плазменной резки металла применяется воздействие струёй плазмы на заготовку. Плазма — это поток ионизированного газа, разогретого до температуры в тысячи градусов, который обладает электропроводностью и движется с большой скоростью. Формирование плазменной дуги из электрической производится аппаратом плазморез. Принцип работы плазмореза и этапы технологического процесса резки:

Формируется дежурная электрическая дуга, которая зажигается между электродом плазмореза и его соплом или обрабатываемым металлом.
После формирования дежурной дуги в камеру подаётся сжатый газ. Он расширяется в объёме и разогревается до температуры 20000 °C.
Электрическая дуга ионизирует газ, он становится проводником электричества и превращается в струю плазмы. Эта струя разогревает металл в зоне обработки, расплавляет его и производит резку.

Для металлов и неметаллических материалов применяются разные принципы газоплазменной резки. Имеются два способа обработки материалов:

Дуга горит между плазмотроном и изделием. Так работает резак прямого действия. Изделие при этом должно быть токопроводящим. Если требуется разрезать неметаллические изделия, применяется косвенный метод.
Дуга зажигается в самом плазмотроне между электродом и соплом. Электрод является катодом, а на сопло подаётся положительный потенциал.

Сущность плазменной сварки

В отличие от установок ионно-плазменного насыщения и напыления, в данном случае плазменная обработка осуществляется с применением высокотемпературной плазмы. Эффективность данного метода более высокая, чем при применении традиционных методов сварки (газопламенная, электродуговая, сварка под флюсом и так далее). В качестве рабочей газовой смеси используется, как правило, обычный атмосферный воздух под давлением. Таким образом, данная методика характеризуется отсутствием затрат на расходные газы.

Плазменная технология

Плазменная технология основана на обработке исходных материалов концентрированными потоками энергии. Плазмохимия изучает процессы, протекающие при температуре 8000–10 000 °С, когда вещество находится в виде плазмы. Плазма – частично или полностью ионизированный газ, обладающий практически одинаковой плотностью положительных или отрицательных зарядов. Плазма может быть низкотемпературной (порядка + 105 °С) и высокотемпературной (+106..108 °С).

Установки, позволяющие осуществлять непрерывный регулируемый нагрев газа до высоких температур, называются генераторами низкотемпературной плазмы (дуговыми или высокочастотными плазмотронами).

Основными сферами применения плазменных технологий является химия, металлургия, машиностроение.

При плазменной обработке изменяются форма, размеры, структура обрабатываемого материала или состояние его поверхности. Плазменная обработка включает: разделительную и поверхностную резку, нанесение покрытий, наплавку, сварку, разрушение горных пород (плазменное бурение).

Низкотемпературная плазма получила более широкое применение в технологических процессах промышленных производств. Созданы плазмотроны и устройства для напыления порошковых металлов и их соединений, использование которых дает значительный эффект.

Неэлектропроводные материалы (бетоны, гранит, тонколистовые органические материалы) обрабатывают плазменной струей (дуга горит в сопле плазменной горелки между ее электродами). Нанесение покрытий (напыление) производится для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах или подверженных интенсивному механическому воздействию.

Материал покрытия (тугоплавкие металлы, окислы, карбиды, силициды, бориды и др.) вводят в виде порошка или проволоки в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется, приобретает скорость -100-200 м/с и в виде мелких частиц (20-100 мкм) наносится на поверхность изделия. Плазменные покрытия отличаются пониженной теплопроводностью и хорошо противостоят термическим ударам. Мощность установок для напыления 5-30 кВт, максимальная производительность 5-10 кг напыленного материала в час.

Для получения порошков со сферической формой частиц, применяемых в порошковой металлургии, в плазменную струю вводят материал, частицы которого, расплавляясь, приобретают под действием сил поверхностного натяжения сферическую форму. Размер частиц может регулироваться в пределах от нескольких мкм до 1 мм. Более мелкие (ультрадисперсные) порошки с размерами частиц 10 нм и выше получают испарением исходного материала в плазме и последующей его конденсацией.

Разработана технология плазменного напыления износостойкого порошка на поверхности лопастей, изготовленных из недорогой стали. Винты, полученные таким образом, относительно дешевы и служат в несколько раз дольше, чем выполненные из легированной стали.

Резка металлов осуществляется сжатой плазменной дугой, которая горит между анодом (разрезаемым металлом) и катодом плазменной горелки. Стабилизация и сжатие канала дуги, повышающие ее температуру, осуществляются соплом горелки и обдуванием дуги потоком плазмообразующего газа (Ar, N2, Н2, NH4 и их смеси).

Для интенсификации резки металлов используется химически активная плазма. Например, при резке воздушной плазмой кислород, окисляя металл, дает дополнительный энергетический вклад в процесс резки. Плазменной дугой режут нержавеющие и хромоникелевые стали, Сu, Al и другие металлы и сплавы, не поддающиеся кислородной резке. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять ее в поточных непрерывных производственных процессах. Мощность установок достигает 150 кВт.

Свойство плазменной дуги глубоко проникать в металл используется для сварки металлов. Можно производить сварку металла толщиной 10-15 мм без специальной разделки кромок. Сварка плазменной дугой отличается высокой производительностью и вследствие большой стабильности горения дуги хорошим качеством. Маломощная плазменная дуга на токах 0,1–40 А удобна для сварки тонких листов (0,05 мм) при изготовлении мембран, сильфонов, теплообменников из Та, Ti, Mo, W, Al.

В промышленных организациях применяют плазменно-механическую обработку металлов, суть которой состоит в разупрочнении поверхности заготовок перед резанием. Это дает возможность повысить скорость обработки и увеличить толщину снимаемой стружки. Установлено, что внедрение плазменно-механического метода обработки марганцовистых сталей способствует повышению производительности труда в 4–10 раз, а титановых сплавов – в 15 раз.

Плазменная технология связывается с появлением металлобетонов, где в качестве связующего вещества используют сталь, чугун, алюминий, свинец и т.д. Раньше это было невозможно сделать из-за слабого контактного сцепления между металлом и минеральным наполнителем.

Плазменная технология позволяет производить быстрое поверхностное оплавление частиц горной породы, что обеспечивает хорошую совместную работу металла и минерального наполнителя. Полученный металлобетон прочнее обычного бетона при сжатии в 10 раз, при растяжении – в 100 раз.

При обработке плазмой поверхности кирпичных, бетонных стен или стен, поверхность которых облицована керамической плиткой, образуется стекловидный расплав, который надежно защищает здание от влаги и атмосферных воздействий. Если же на стены здания предварительно нанести растворы солей различных металлов, то их поверхности приобретут соответствующую окраску. С помощью плазмотронов можно перерабатывать хлорорганические отходы, которые до сих пор выбрасывались. Из них можно получать новые вещества, необходимые для различных отраслей. Это путь к безотходным экологически чистым технологиям.

В технологических процессах создания сверхбольших и сверхскоростных ионных источников широко используются ионные, ионно-плазменные и плазмохимические процессы взаимодействия ионных потоков и низкотемпературной плазмы с поверхностью твердого тела. В универсальных технологических системах, оборудованных ионными источниками можно проводить многие операции очистки, ионно-пучкового травления и распыления.

В полупроводниковой микроэлектронике широко применяют технологии ионной имплантации и реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ).

Применение совокупности электронно-ионных процессов – элионная технология – позволяет повысить точность изготовления микроструктур, создать высокопроизводительное автоматизированное промышленное оборудование.

Преимущества плазменной сварки

По сравнению с традиционными видами сварки использование плазменного сварочного аппарата более безопасно. Причина вполне ясна – применение в качестве рабочего газа атмосферного кислорода под давлением. В настоящее время безопасности на производстве уделяется очень пристальное внимание со стороны владельцев бизнеса, руководителей и надзорных органов.

Еще одно очень важное преимущество – высокое качество сварного шва (минимум наплывов, непроваров и других дефектов). Хотя для того чтобы научиться умело пользоваться плазменным сварочным аппаратом, необходимы долгие месяцы практики. Только в таком случае сварной шов и соединения в целом будут соответствовать высоким стандартам.

Данная технология имеет целый ряд и других преимуществ. Среди них: высокая скорость процесса сваривания (производительность возрастает), небольшой расход энергоресурсов (электроэнергия), высокая точность соединения, отсутствие деформаций и короблений.

Что представляет собой процесс плазменной резки металла?

Плазма – токопроводящий ионизированный газ высокой температуры. Образуется струя в специальном устройстве – плазмотроне. Он состоит из таких основных элементов:

Электрод (катод) – оснащен вставкой из материала с высокой термоэлектронной эмиссией (гафний, цирконий), которая выгорает в процессе эксплуатации и при выработке более 2 мм требует замены.
Механизм закрутки газового потока.
Сопло – как правило, изолированное от катода специальной втулкой.
Кожух – защищает внутренние компоненты от брызг расплавленного металла и металлической пыли.

Источник питания воздушно-плазменной резки имеет 2 провода – анод (с положительным зарядом) и катод (с отрицательным зарядом). «Плюсовой» провод подсоединяется к разрезаемому металлопрокату, «минусовой» – к электроду.

В начале процесса плазменной резки металла поджигается дежурная дуга между катодом и наконечником, которая выдувается из сопла, а при касании к обрабатываемому изделию образует уже режущую дугу.

При заполнении формирующего канала в плазмотроне столбом дуги в дуговую камеру под давлением в несколько атмосфер начинает подаваться плазмообразующий газ, который подвергается нагреву и ионизации, что способствует его увеличению в объеме. Это ведет к его истеканию из сопла с большой скоростью (до 3 км/сек.), а температура дуги в этот момент может достигать от 5000 до 30000 °C.

Небольшое отверстие в сопле сужает дугу, что способствует ее направленному воздействию в определенную точку на металле, который практически мгновенно нагревается до температуры плавления и выдувается из зоны реза.

После прохождения плазмотроном по заданному контуру получается заготовка необходимых размеров и формы с ровными кромками и минимальным количеством окалины на них.

Оборудование для плазменной резки

Сам процесс очень чувствителен к используемым источникам тока. Поэтому допускается применять лишь очень качественные и надежные трансформаторы, демонстрирующие постоянство выдаваемого напряжения. Используются понижающие трансформаторы, которые преобразовывают высокое напряжение на входе в низкое на выходе. Стоимость подобного оборудования в разы меньше стоимости традиционных преобразователей для электродуговой сварки. К тому же они более экономичны.

Оборудование для плазменной резки характеризуется простотой использования. Поэтому при наличии хотя бы минимального опыта и навыков можно производить все сварочные работы самостоятельно.

Плазменная резка

Плазменной резкой называется процесс, при котором металл разрезается на составные части направленным потоком высокотемпературной плазмы. Данная технология обеспечивает идеально ровную линию разреза. После плазменного резака необходимость в дополнительной обработке контура изделий (будь то листовой материал или трубная продукция) отпадает.

Процесс может осуществляться как при помощи ручного резака, так и с использованием станка плазменной резки для раскроя листового стального проката. Плазма образуется при воздействии на поток рабочего газа электрической дуги. В результате значительного локального нагрева происходит ионизация (отрыв отрицательно заряженных электронов от положительно заряженных атомов).

Область применения плазменной резки

Струя высокотемпературной плазмы обладает очень большой энергией. Температура ее настолько велика, что она с легкостью буквально испаряет многие металлы и сплавы. В основном данная технология используется для нарезания стальных листов, листов из алюминия, бронзы, латуни и даже титана. Причем толщина листа может быть самой разной. На качестве линии среза это не отразится – она будет идеально гладкой и ровной, без потеков.

Однако следует учесть, что для получения качественного и ровного среза при работе с толстостенными материалом необходимо использовать станок плазменной резки. Мощности ручного резака будет недостаточно для раскроя металла толщиной от 5 до 30 миллиметров.

Оборудование для резки плазмой

Для резки металла плазмой выпускаются аппараты промышленного и бытового назначения. Все агрегаты для резки плазмой имеют в своём составе:

источник питания;
плазмотрон;
компрессор для нагнетания сжатого газа;
кабели и шланги, служащие для соединения элементов оборудования.

Источник питания может представлять собой инвертор или трансформатор. Инверторные агрегаты лёгкие, экономичные, обладают высоким коэффициентом полезного действия. Их часто применяют в небольших производствах. Имеют ограничение по силе тока — 70 А, способны резать материал только небольшой толщины до 30 мм.
Трансформаторные устройства более мощные, имеют больший вес и размеры. Они более устойчивы к перепадам напряжений, способны к долгой непрерывной работе и часто используются в станках с ЧПУ. Оборудование с системой водяного охлаждения способно резать металл толщиной до 100 мм. Источники питания для резки с применением кислорода имеют силу тока в диапазоне 100—400 А. При использовании азота, как плазмообразующего газа, этот диапазон увеличивается до 600 А.

Плазмотрон — это основной узел всех установок. В его состав входит:

внутренний электрод;
рабочее сопло;
изолирующий корпус с охлаждением;
устройство подачи плазмообразующего вещества.

В зависимости от условий обработки применяют разные газы для плазменной резки. Для сталей и сплавов применяют кислород и воздух. Воздушно-плазменная резка используется для обработки низколегированных сталей. При обработке цветных металлов плазмообразующими газами могут быть аргон, азот, водород. Это обусловлено тем, что в среде кислорода цветные металлы начинают окисляться. Смесь аргона с водородом чаще используется для резки нержавеющей стали и алюминия.

Газовая резка или плазменная?

Какому виду резки и раскроя металла отдать предпочтение? Что лучше: кислородно-газовая резка или же технология плазменной резки? Второй вариант, пожалуй, является более универсальным, так как подходит практически для любого материала (даже склонного к окислению при повышенных температурах). Кроме того, плазменная резка осуществляется с использованием обычного атмосферного воздуха, а значит, не требует приобретения дорогостоящих расходных материалов. Да и линия разреза получается идеально ровной и не требует доработки. Все это в комплексе значительно снижает себестоимость изделия и делает продукцию более конкурентоспособной.

Недостатки

Как и достоинства, недостатки лучше продемонстрировать в сравнении с газовой резкой. К минусам плазменной резки относятся:

Более сложное и громоздкое оборудование. Так называемый плазмотрон, даже в портативном (ручном) исполнении, представляет собой довольно большой блок, и он служит только промежуточным звеном между системой подачи газа и резаком с соплом.
Относительно небольшая толщина реза. Этот параметр напрямую зависит от величины рабочего тока. У портативных аппаратов максимальная толщина стальной детали в среднем равна 20-25 мм, у промышленных — 80-100 мм.
Ограниченная продолжительность непрерывной работы. У плазмотронов есть такая характеристика как «ПВ», которая измеряемая в процентах при максимальном токе. И если ПВ равен 80%, это означает, что при максимальном токе аппарат может работать 8 минут из 10, а остальное время остывать.

Материалы, подвергаемые плазменной резке

Следует учитывать тот факт, что максимально допустимая толщина обрабатываемого металла или сплава зависит от самого материала или его марки. Опираясь на многолетний производственный опыт и опыт лабораторных исследований, специалисты дают следующие рекомендации по толщине обрабатываемых материалов: чугун – не более девяти сантиметров, сталь (вне зависимости от химического состава и наличия легирующих элементов) – не более пяти сантиметров, медь и сплавы на ее основе – не более восьми сантиметров, алюминий и его сплавы – не более 12 сантиметров.

Все перечисленные значения характерны для условий ручной обработки. Примером такого агрегата отечественного производства может служить плазменный аппарат «Горыныч». Он гораздо дешевле зарубежных аналогов, при этом ничуть не уступает, а возможно, даже и превосходит их по качеству. На рынке представлен широкий модельный ряд аппаратов данного производителя, которые предназначаются для выполнения различных работ (бытовые сварочные работы, резка и сварка металлов различной толщины включительно). Листы большей толщины могут обрабатываться исключительно на станочном оборудовании большой мощности.

Существующие способы плазменной резки

Все существующие способы плазменной резки можно разделить на струйные и дуговые. Причем совершенно не имеет значения, используется ли ручной резак или же станок плазменной резки и раскроя листового материала с ЧПУ. В первом случае все необходимые условия для ионизации газа реализованы в самом резаке. Такой аппарат может обрабатывать практически любые материалы (металлы и неметаллы). Во втором случае обрабатываемый материал должен обладать электропроводностью (в противном случае не будет возникать электрическая дуга и происходить ионизация газа).

Помимо различий в способе образования плазмы, плазменная обработка может также классифицироваться по технологическим особенностям резания на простую (без использования вспомогательных веществ), на обработку с водой и обработку в среде защитного газа. Последние два способа позволяют значительно увеличить скорость резания и при этом не опасаться окисления металла.

Основные преимущества

Резка металлов с помощью плазмы является одним из наиболее современных и технически совершенных способов работы с различными металлами.

Эта технология появилась относительно недавно, но получила широкое распространение, благодаря ряду преимуществ, которые она предлагает по сравнению классическими инструментальными методами работы с металлами.

Основные преимущества плазменной резки металла заключаются в:

скорости резки;
универсальности (можно работать с любыми металлами и славами);
нет ограничений по форме обрабатываемых деталей и сложности вырезаемых фигур;
срез, который образуется в процессе резки, обладает высокой чистотой и качеством поверхности.

Для того, чтобы максимально использовать все преимущества плазменной резки металлов — необходимо правильно и точно подбирать режимы работы установки под конкретный материал, при этом необходимо учитывать множество факторов, таких как:

свойства материала;
его толщина;
скорость и температура плазмы;
скорость выполнения разреза.

При правильном подборе этих, а так же некоторых других специфических параметров — плазменная резка будет осуществляться быстро и с высоким качеством.

Резка металла с помощью плазмы более безопасна, чем обычная газопламенная резка, так как в процессе резки не используются баллоны с кислородом, горючими газами.

Таблица скоростей плазменной резки

Аппараты для плазменной резки могут иметь различные габариты и назначение.

Производятся аппараты для ручной плазменной резки, но чаще всего используется автоматическая плазменная резка металла, по причине более высокой скорости и точности работы такого оборудования.

Аппараты для ручной плазменной резки могут производится с различными конструктивными особенностями сопла и охладительных систем.

Наиболее компактные и универсальные из них могут работать на открытом воздухе, в условиях открытых строительных либо монтажных площадок.

При этом, плазма может создаваться как на прямую – из воздуха, так и из подаваемых газов, таких как водород либо аргон.

Еще одним различием в таких аппаратах является система охлаждения плазмотрона, она может быть как жидкостной так и воздушной.

Воздушная система лучше подходит для работы на открытых площадках, но обладает меньшей эффективностью и не позволяет аппарату развивать действительно высокую мощность.

Если еще 20-30 лет назад резка металла плазмой была мало распространена и относилась к экзотическим методам работы с металлами, то в наше время можно легко найти компании, которые занимаются предоставлением таких услуг, либо же самостоятельно приобрести оборудование для осуществления ручной плазменной резки.