Специалисты в металлообработке, использующие до настоящего времени оборудованием для плазменной резки, которому 10 лет или больше, могут быть очень удивлены, когда вдруг узнают, как далеко вперед ушла технология плазменной резки. Технология развилась до такой степени, что кромки реза стали гладкими, чем когда-либо, и точность вырезаемых отверстий стала такой, что теперь в них можно разместить крепеж.
Плазменная резка прошла долгий путь, с того момента, когда была изобретена в конце 1950-х годов инженерами компании Union Carbide Corp. Сегодня плазменная резка является одним из наиболее широко используемых процессов резки металла для большого разнообразия отраслей промышленности.
Ранние системы плазменной резки (рисунок 1) использовались в основном для резки листов из нержавеющей стали и алюминия от 1 до 15 мм толщиной. Эти системы, примитивные в дизайне по сегодняшним меркам, были наиболее практичным методом для резки листов из немагнитных материалов.
Инженеры постоянно работали над процессом плазменной резки на протяжении 1960-х годов с целью улучшения качества реза и увеличения срока службы расходных материалов резака, таких как сопла и электроды. Плазменные технологии начали набирать обороты в течение этого периода, поскольку процесс улучшался и, стало возможным резать сложные формы из листов цветных металлов на очень высоких скоростях.
В 1968 был внедрен процесс радиального впрыска воды в сопло. Эта запатентованная технология для сопла, где чистая вода впрыскивается радиально вокруг плазменной струи, чтобы сжать дугу, увеличивая его плотность энергии при одновременном повышении охлаждения сопла. Таким образом повышаются скорости резки, получаются врезы более высокого качества, а также появляется возможность резать углеродистые стали на скоростях от четырех до шести раз быстрее, чем процесс газовой резки.
Примерно в это же время, технологии привода XY координатной системы также совершенствуются. Микропроцессорная технология начинает становиться основой машин с управлением XY, что позволяет большую точность, более высокие скорости резания (необходимые для плазменных систем новой технологии), и более высокие уровни автоматизации и производительности в цехе.
К 1970 году плазменная технология резки в основном заменила кислородную резку стали листов от 5 до 25 мм. толщиной, все еще уступая газовой резке при обработке нержавеющих и алюминиевых металлов. В то время как плазма уже может разрезать стали толще, чем 25 мм, процесс кислородной резки все еще оставался более дешевой альтернативой для толстого стального листа.
Хронология технологических достижений в процессе плазменной резки
С начала истории плазменных технологий, давайте взглянем на некоторые из основных инженерных прорывов в этой сфере:
1957 Процесс плазменной резки был разработан и запатентован Union Carbide в качестве расширения дугового процесса сварки вольфрамом в среде инертного газа (аргонодуговой сварки TIG).
1962-1967 Несколько новых разработок были завершены в направлении изменения дизайна расходных материалов, и разработка резака с двойным потоком, чтобы увеличить срок службы расходных материалов и качество резки цветных металлов.
1968 Процесс впрыска воды был запатентован. Этот процесс позволил производить резку с чистыми, прямоугольными краями и на более высоких скоростях, а также резку углеродистых сталей с приемлемым качеством среза.
1970-1979 Появляется водоналивные столы и столы с заслонками, предназначенные для поглощения дыма и контроля за дымоотводом. Появляется автоматизированное управление высотой дуги основанное на контроле напряжения дуги для более стабильного качества резки и более длительного срока службы расходных деталей.
1980-1984 Появились системы плазменной резки на основе резки кислородом, которые помогли улучшить прямоугольность и металлургию кромок реза (мягче, лучше свариваемость) и дают возможность резки углеродистых сталей при низких уровнях мощности и высоких скоростях резания (рисунок).
1984-1990 Многие разработки в эти годы в области воздушно плазменной резки позволили увеличить мобильность установок и более низкие уровни мощности для ручной и механизированной резки тонколистового металла.
1990 Улучшение конструкции источников питания на основе управляемой импульсной модуляцией и током на выходе. При производстве некоторых систем начали использовать облегченные, инверторные технологии источников питания, наиболее подходящие для портативных ручных плазменных систем.
1992 Появление технологии плазменно-кислородной резки с увеличенным сроком службы расходных материалов (Long-Life). Это было по существу микропроцессорным способом управления давлением плазмы, а также выходной силы тока. Это позволило увеличить долговечность расходных частей в 4-6 раз и помогло снизить стоимость плазменной резки.
1993 Разработан процесс High-definition (высокой четкости), который реализует предыдущую технологию плазменно-кислородной резки Long-Life. Этот процесс позволил новый дизайн сопла, что привело к увеличению плотности энергии кислородной плазменной дуги и улучшить чистоту реза для всех диапазонов толщин металлов.
1996 Появляются автоматизированные системы управления потоком газа. Они сопряжены с цифровыми системами с ЧПУ. Эти элементы управления газовым потоком исключили некоторые потенциальные для операторов ошибок, связанные с определением параметров процесса резки.
1996-2006 Произошли многие изменения в связи с улучшением качества резки, производительностью и автоматизацией многих параметров процесса резки. Они включали интеграцию процесса плазменной резки в систему ЧПУ, источник тока, контроль расхода газа, необходимое соответствующее программное обеспечение и системы регулирования высоты для автоматизации процесса. С этими знаниями, встроенными в систему, работа оператора станка стала значительно проще, а сам процесс перестал зависеть от опыта оператора.
Последние технологические разработки
За последние восемь лет, события в усовершенствовании технологии плазменной резки происходили в очень быстром темпе. Последней версией установок высокой четкости high-definition является их полная интеграция со станками с ЧПУ. Новые станки с ЧПУ оснащены сенсорным экраном, минимизируя количество кнопок, участвующих в эксплуатации плазменной резки и делают операцию настолько просто, насколько это делает любое программное обеспечение Windows®. Обучение оператора значительно упрощено даже на самых крупных и сложных станках плазменной резки с ЧПУ.
Работа оператора также стала легче с улучшением функциональности автоматической калибровки регулировкой высоты. Оператору также не нужно вносить коррективы на износ расходных материалов в плазмотроне.
Резка отверстий была улучшена благодаря большой базе данных информации в программном обеспечении CAM, который автоматически распознает возможности САПР и реализует наилучший путь и параметры плазменной резки, в том числе изменения защитного газа, что почти исключает конусность отверстий при резке стали (пример на рисунке). Этот процесс является понятным для оператора станка и системного программиста, устраняя необходимость им быть экспертами.
Рисунок: Резка отверстий улучшилась с первых дней использования плазменной резки (верхняя часть рисунка). Современные технологии плазменной резки позволяют вырезать отверстия, которые соответствуют очень жестким требованиям (нижняя часть рисунка).
Сокращение продолжительности цикла «от реза до реза» было включено в CAM программное обеспечение. Программное обеспечение автоматически распознает шаги резки и изменяет время передвижения резака, оптимизирует время определения исходной высоты и предварительной подачи газа, чтобы уменьшить время процесса резки и увеличить производительность продукта.
Программное обеспечение верстки теперь применяется наиболее эффективным способом, чтобы избежать прохождения плазмотрона через районы, подверженные столкновениям с ранее вырезанными частями.
Улучшение программного обеспечения для вырезки фасок упростило интеграцию и работу конической головкой в составе XY станков с ЧПУ. Это усовершенствование связано с программным обеспечением системы CAM, экономит большую часть времени программиста и оператора на тестирования проб и ошибок, которые всегда были необходимы при выявлении лучших допусков на фаски для подготовки кромок к последующей сварке.
Самая новая технология применения вентилируемых сопел и смешивания газов помогла улучшить качество резки нержавеющей стали. Края реза прямые, кромка гладкая, и отлично сваривается в последствии. Установки для воздушно-плазменной резки от крупнейших производителей также значительно улучшились с точки зрения качества резки, жизни расходуемых материалов и рабочего цикла. Эти системы, в первую очередь предназначенные для переносного использования и использования в небольших цехах, теперь доступны в исполнениях с быстрой установкой механизированного резака и интерфейсом, легко интегрируемым с бюджетными станками с ЧПУ. Такие системы доступны мощностью от 30 Ампер, размером с кейс от шуруповерта, работают от бытовой сети питания 220В, и способны резать металл до 12 мм толщиной, до промышленных систем мощностью в 125 Ампер, со 100% рабочим циклом, которые могут резать толстый металл толщиной до 60 мм. Обе эти портативные системы могут быть использованы как с ручной горелкой, так и с механизированным плазмотроном для различных автоматизированных решений.
Промышленные механизированные системы обычно имеют 100% рабочий цикл, доступны с автоматическими плазмотронами, и разработаны для использования с различными сжатыми газами настаивая качество резки для различных материалов. Эти системы доступны в различных размерах и в диапазонах мощности от 130 до 800 Ампер.
С момента создания первой системы плазменной резки было много проделано работы для повышения надежности, производительности, срока службы расходных материалов, качества резки и простоты использования. Сейчас часть рынка процесса плазменной резки разделяет лазерная резка, гидроабразивная и кислородная резка, каждая из которых имеет свою точность, производительность и долгосрочную экономическую эффективность при использовании для различных задач.