Бурное развитие всех отраслей народного хозяйства вызывает необходимость все большего применения специальных сталей, алюминиевых сплавов и других цветных и активных металлов. Разделка этих металлов является одной из наиболее трудоемких и наименее производительных операций. Также затруднена и сварка некоторых из них.

Известно, что для эффективного применения кислородно-разделительной резки требуется, чтобы температура сгорания металла в кислороде была ниже температуры его плавления. Этими свойствами не обладают высоколегированные стали, чугуны, цветные металлы. Поэтому возникла необходимость разработки и применения такого способа резки указанных металлов, при котором наряду с высоким качеством реза обеспечивалась бы высокая производительность. Исследования и практика показали, что это может быть достигнуто при применении газоэлектрической (плазменной) резки, которая принципиально отличается от обычной кислородной резки.

Если кислородная резка является процессом местного выгорания металла вдоль линии реза, то плазменная — процессом местного выплавления металла вдоль линии реза. Столб сварочной дуги также называют плазмой по тому признаку, что сумма зарядов в любой части его объема равна нулю. В дальнейшем термин «столб дуги» и «плазма» будет иметь одинаковый смысл.

Нам известно, что при обычных условиях сварки температура столба дуги равна 810U₀, где U₀ — эффективный потенциал ионизации газа. Так, максимальная температура обычной сварочной дуги, горящей в чистом гелии (U_i = 24,59 в), составит 19845 ^oC. При наличии в дуге паров других элементов эффективный потенциал уменьшится и соответственно снизится температура столба дуги.

Возникает вопрос, почему же при сварке и резке плазменной струей в некоторых случаях получаем температуру 30 000 и даже 50 000^oC. Это как будто противоречит вышеуказанному. Но в действительности никакого противоречия нет. Температура столба дуги — плазмы зависит от многих факторов, в том числе от упругих соударений частиц в ней. Чем их больше, тем выше температура. Сейчас представим себе, что мы каким-то путем (подачей газа по бокам столба или размещением дуги в постороннем магнитном поле) заставим столб дуги сжаться, т. е. уменьшить свое сечение. Тогда, из-за того что сварочный ток не меняется, количество электронов, проходящих по сечению столба дуги, не изменится, а количество упругих и неупругих соударений увеличится. Температура столба дуги и степень ионизации возрастают. Плазма становится более высокотемпературной и в определенных условиях может достигать ранее указанных температур

Рис.1. Принципиальная схема плазменной резки:

а — независимая дуга; б — зависимая дуга

1 — вольфрамоный электрод; 2 — балластное сопротивление рабочей дуги; 3 — катушка токового реле; 4 — источник питания дуги; 5 — контакты токового реле; 6 — балластное сопротивление дежурной дуги; 7 — заготовка; 8 — наконечник; 9 — плазменный факел; 10 — факел дежурной дуги

В практике использования плазменной струи очень часто для повышения температуры применяется ее принудительное сжатие. Ведутся также работы по прямому преобразованию тепловой энергии в электрическую пропусканием с большой скоростью струи газа, нагретого до высокой температуры (3000^oC), через сильное магнитное поле.

Сварка и резка с использованием тепла сжатой дуги может производиться при различных способах принудительного ее сжатия; дуга при горении между неплавящимся вольфрамовым электродом и изделием в защитном газе имеет вид конуса, размеры которого зависят от тока и напряжения.

Плазменная дуга может быть независимой и зависимой (рис.1). В некоторых случаях используется независимая дуга (рис.1.а), возникающая между концом вольфрамового электрода 1 и наконечником 8. Под давлением газа, подаваемого в горелку, часть дуги выдувается наружу в виде факела 10, которым сваривается или разрезается тонколистовой металл и неэлектропроводные материалы.

Толстолистовой материал разрезают рабочей зависимой дугой 9 (рис.1.б).

Чтобы получить рабочую дугу, заготовка подключается к положительному полюсу машины и на нем замыкается независимая дуга. При этом возникает разность потенциалов между электродом и заготовкой 7, которая больше разности потенциалов между вольфрамовым электродом и мундштуком. Независимая (дежурная) дуга гаснет, возникает мощная дуга между электродом и заготовкой. Если по каким-либо причинам рабочая дуга гаснет, то дежурная опять возбудится. Зависимой дугой можно резать заготовки большой толщины, применяя дешевый газ азот, сжимающий дугу.

Рис.2. Резка металла плазменной горелкой

1 — горелка; 2 — заготовка; 3 — деталь; 4 — плазменный факел

Сущность технологического процесса резки (рис.2) заключается в том, что под воздействием тепла электрической дуги металл обрабатываемого изделия плавится, а струя азота, вытекающая из мундштука, удаляет расплавленный металл из зоны реза. Аргон служит для ионизации воздушного промежутка между электродом и мундштуком в начальный момент. При прикосновении факела плазмы к заготовке и нажатии па кнопку включается газоэлектрический клапан и происходит дополнительная подача газа для удаления расплавленного металла.

Рис.3. Настройка горелки при резке

В качестве электрода применяется вольфрамовый пруток марки ВТ-15 с присадкой окиси тория, конец которого заточен под углом 60—70^o. Необходимым условием сохранения правильной формы плазменной струи является правильное центрирование электрода относительно выходного отверстия мундштука. Резак устанавливается с таким расчетом, чтобы расстояние между мундштуком горелки и изделием составляло 6—8 мм (рис.3).

Резка производится на прямой полярности. В процессе резки необходимо следить за постоянным охлаждением наконечника водой (расход воды не менее 3—4 л/мин).

В начале резки расстояние от мундштука до изделия должно быть 12—14 мм для уменьшения «броска» тока в момент возникновения режущей дуги. Включать режущую дугу следует не у начала реза, а отступив на 5—7 мм. Резку производить справа налево.

Производительность процесса плазменной сварки и резки зависит от эффективной тепловой мощности плазменной струи, которая определяется током, напряжением на дуге, составом и расходом газа, диаметром и длиной мундштука, расстоянием его до поверхности детали и скоростью перемещения горелки.

Исследованиями установлено, что чем больше ток, тем больше глубина и ширина проплавления. Увеличение диаметра мундштука приводит к уменьшению глубины провара и некоторому увеличению ширины проплавления.

Увеличение расстояния от мундштука до изделия уменьшает провар, но не влияет на ширину проплавления.

Увеличение скорости перемещения горелки уменьшает i лубину и ширину проплавления. Увеличение расхода газа увеличивает глубину и незначительно ширину проплавления.

Скорость резки увеличивается пропорционально повышению тока.

Для обеспечения наибольшей производительности плазменной резки целесообразно процесс вести при максимально допустимом для применяемого оборудования сварочном токе и напряжении, минимальном расстоянии мундштука от поверхности детали, наименьшей длине его канала. Должны быть также оптимальными для данных параметров режимы сварки и резки, расход газа и диаметр мундштука.

Рис.4. Горелка для плазменной сварки конструкции института электросварки им. Е. О. Патона

1 — корпус; 2—цанга; з—втулка; 4—накидная гайка; 5—втулка разрезная; 6 — мундштук внутренний; 7—мундштук внешний; 8 — мундштук газовой защиты; 9 — прокладка; 10 — втулка; 11 — упор

Скорость резки можно также повысить за счет применения газов с более высоким потенциалом ионизации. Это вызвано повышением эффективной мощности за счет возрастания напряжения на дуге. Так, при применении аргона напряжение составляет 35— 40 в, а применение смеси аргона с водородом или азотом, повышает напряжение и позволяет производить резку листов большей толщины. Например, при использовании чистого  аргона на токах 250—300 а удается резать листы из нержавеющей стали толщиной 20—25 мм, а при добавлении к аргону 25—30% азота можно резать листы толщиной 60 мм.

Для плазменной сварки, резки и напыления применяются головки различной конструкции. Но основные рабочие элементы у них одинаковы — это вольфрамовый электрод и мундштук.

Для того, чтобы плазменная головка могла нормально работать, требуется, чтобы конструкция наконечника и системы охлаждения обеспечивали интенсивный отвод тепла от его внутренних стенок, а конструкции узлов крепления — хорошее центрирование электрода относительно отверстия в мундштуке.

Рис.5. Горелка для ручной плазменной резки конструкции ВНИИЭСО

1 — наконечник; 2 — мундштук; 3 — кольцо; 4 — кожух; 5 — цанга; 6—гайка колпачковая; 7 — крышка; 8 — электрод; 9 — втулка; 10 — винт; 11 — токоподвод; 12 - ручка; 13 — рукав; 14 — провод ПЩ-6; 15 — провод ПЩ-4; 16 — эпоксидная смола; 17— гайка

В настоящее время в промышленности для обработки металлов плазменной струей применяют различные головки, обеспечивающие как сварку, так и резку деталей небольшой толщины. На рис.4. показана горелка конструкции Института электросварки им. Е. О. Патона, предназначенная преимущественно для плазменной сварки, однако она может быть использована и для резки деталей небольших толщин.

На рис.5. показана горелка для ручной резки плазменной струей конструкции ВНИИЭСО. Режимы плазменной сварки листов толщиной 0,6—0,8 мм  приведены в табл. 1.