Схема плазмореза и ее работа
Как сделать плазморез хорошо показано на некоторых видео в сети. Там же можно найти и важные схемы, по которым собирается устройство. Чтобы прочитать обозначения, необходимы элементарные навыки электротехники и умение понимать условные обозначения.
Схема плазмореза обеспечивает в реальности возможность выполнения работы аппаратом. Происходит это следующим образом:
- Плазмотрон имеет кнопку пуска процесса. Нажатие кнопки включает реле (Р1), подающее ток на блок управления.
- Второе реле (Р2) пускает ток на инвертор, и одновременно подключает электроклапан, выполняющий продувку горелки. Поток воздуха высушивает камеру горелки и освобождает ее от возможных окалин и мусора.
- Через 3 секунды срабатывает третье реле (Р3), питающее электроды.
- Одновременно с третьим реле запускается осциллятор, ионизирующий воздух между катодом и анодом. Возбуждается дуга, называемая дежурной.
- Когда пламя подносят к изделию, подключенному к массе, зажигается дуга между плазмотроном и поверхностью, называемая рабочей.
- Реле геркона отсекает подачу тока, работающего на розжиг.
- Ведется резка или сварка материала. Если контакт с поверхностью был потерян (дуга попала на уже вырезанное место), то реле геркона снова срабатывает на розжиг дежурной дуги.
- После отключения кнопки на плазмотроне, любой вид дуги гаснет, а четвертое реле (Р4) запускает кратковременную подачу продувочного воздуха для удаления с сопла нагоревших элементов.
Что выбрать: трансформатор или инвертор?
За счет наличия особенностей и параметров аппаратов для проведения плазменной резки возможно разделить их на типы. Наибольшую популярность завоевали инверторы и трансформаторы. Стоимость аппарата каждой модели будет определяться заявленной мощностью и рабочими циклами.
Инверторы обладают малым весом, компактными габаритами и минимально потребляют электроэнергию. К недостаткам оборудования можно отнести повышенную чувствительность к перепадам напряжения. Не каждый инвертор способен функционировать в особенностях режима нашей электрической сети. Если выходит из строя система защиты аппарата, то необходимо обращаться в сервисный центр. Также инверторные плазморезы обладают ограничением по номинальной мощности – не более 70 ампер и малым периодом включения оборудования при большом токе.
Трансформатор, по традиции, считается более надежным, чем инвертор. Они даже при ощутимом падении напряжения теряют только часть мощности, но не ломаются. Это свойство определяет более высокую стоимость. Плазморезы на основе трансформатора могут работать и включаться в рабочий режим на больший срок. Подобное оборудование применяется в автоматических линиях с ЧПУ. Отрицательным моментом трансформаторного плазмореза будет значительная масса, высокое энергопотребление и размеры.
Наибольшее значение толщины металла, которое способен резать плазморез составляет от 50 до 55 миллиметров. Среднее значение мощности оборудования равняется 150 – 180 А.
Принцип действия плазмореза
При включении источника питания ток начинает поступать в рабочую зону во внутреннюю камеру плазмореза, где активируется электрическая дежурная дуга между наконечником сопла и электродом. Образующая дуга заполняет канал сопла, куда под большим давлением начинает подаваться воздушная смесь, которая за счет высокой температуры 6000-8000 °C сильно нагревается и увеличивается в объеме от 50 до 100 раз. За счет внутренней формы сужающегося сопла, которое имеет форму конуса поток воздуха, сжимается, разогреваясь до температуры на выходе равной 25000 — 30000 °C, с образованием плазменной струи производящей резку обрабатываемой болванки. Причем первоначально активированная дежурная дуга гаснет и активируется рабочая между электродом и изделием из металла. Образующиеся продукты от воздействия плазменного горения и плавки металла удаляются за счет силы струи.
Рис 1 Проведение операций по разделке металла, где необходим раскрой или сварка изделия, используя ручной самодельный изготовленный своими руками или профессиональный плазморез.
Оптимальными показателями для рабочего процесса являются:
- подача газа со скоростью до 800 м/сек;
- показатель тока может составлять до 250 — 400 А.
Схема 1. Чертеж процесса плазменной разделки обрабатываемого изделия.
Ручной плазморез собранный с использованием инвертора в основном применяется для обработки заготовок и отличается небольшим весом и экономным расходом электроэнергии.
Как изготовить плазменный резак
Рабочим инструментом установки плазменной резки является резак, или плазмотрон. Он создает поток воздуха, превращенный в плазму, разогретую до 30000°С, которая разрезает металл.
Изготовить его можно самостоятельно. Желательно в качестве образца использовать готовую конструкцию. Состоит плазмотрон из нескольких основных элементов:
- Центральный держатель со сменным электродом. При токе реза до 100А и толщине металла до 50 мм держатель изготавливается из медного прута, в более мощных аппаратах внутри есть каналы для водяного охлаждения. Для поджига дуги расстояние между электродом и соплом должно быть 2 мм, поэтому для регулировки плазмотрона центральный стержень делается подвижным.
- Изолятор между центральным электродом и наружным корпусом. Часть изолятора, ближняя к соплу, изнашивается и изготавливается сменной из фторопласта.
- Наружный корпус со сменным соплом. Плазма образуется в камере между электродом и соплом. При изготовлении устройства с водяным охлаждением внутри стенок находятся каналы для охлаждающей жидкости.
- Сменные насадки, кабеля – силовой и для вспомогательной дуги, шланги.
Один из способов изготовить такое устройство – это сделать его из горелки для аргонно-дуговой сварки. В ней есть большинство необходимых элементов:
- вольфрамовый электрод Ø4мм с возможностью регулировки положения;
- клемма и кабель для подачи к нему тока для сварки;
- направляющие каналы и шланг для подвода газа к соплу.
Для доработки необходимо:
- снять тонкостенное латунное сопло;
- накрутить вместо него изолирующую прокладку из фторопласта цилиндрической формы с резьбой снаружи и внутри цилиндра;
- сверху на прокладку накрутить латунный корпус с креплением для медного сопла;
- к корпусу припаять или прижать хомутом кабель для вспомогательной дуги;
- в рукоятке установить микровыключатель, включающий режим реза.
Сменные насадки
Сменными элементами, которые изнашиваются во время работы, являются электроды и сопла:
- Электрод изготавливается из меди со вставкой из тугоплавкого металла – бериллия, тория, циркония и гафния. Вставка находится в центре, напротив отверстия сопла. Вспомогательная кратковременная дуга появляется между краем электрода и соплом, рабочая постоянная между вставкой и деталью, поэтому вставка, является самым изнашивающимся элементом и заменяется вместе с электродом.
- Сопло формирует плазменную струю, образованную электродом. Оптимальный размер сопла 30мм, в центре находится отверстие Ø2мм. Во время работы плазма, проходящая через него, увеличивает диаметр канала, что делает поток газа шире, а рез менее аккуратным. Поэтому сопло, как и электрод, следует периодически менять.
Выбор газа
Несмотря на то, что любой металл можно разрезать потоком воздуха, создаваемым компрессором, для каждого из металлов есть оптимальный состав газа:
- медь, латунь и титана – азот;
- алюминий – смесь азота с водородом;
- высоколегированная сталь – аргон.
Самостоятельное изготовление насадок
К сменным насадкам относятся сопло и электрод.
При их изготовлении учитывают следующие моменты:
- Для плазменной сварки и резки подойдут электроды из тугоплавких металлов. При нагревании на их поверхностях образуются жаропрочные оксидные пленки. Однако при выборе металла учитывают, что некоторые вещества выделяют токсичные пары или образуют радиоактивные соединения. Гафний – оптимальный вариант для изготовления электрода к самодельному резаку.
- От параметров сопла зависят качество среза и скорость работы. Делать деталь слишком длинной нельзя: она быстро износится. Рекомендованный диаметр сопла – 3 мм.
Как изготовить сварочный трансформатор
Источником питания плазмы является сварочный трансформатор. Как и некоторые другие элементы его можно изготовить самостоятельно.
Необходимые параметры
Трансформатор для плазменной резки отличается от обычного сварочника напряжением холостого хода и составляет 220-250В. Это необходимо для создания и поддержания дуги между электродом и разрезаемой деталью. Мощность и ток вторичной обмотки зависят от предполагаемой толщины металла:
- 20А, 2,5кВт – 6 мм;
- 50А, 6кВт – 12 мм;
- 80А, 10кВт – 18-25 мм.
Источник питания необходим с “мягкой” характеристикой, напряжение при работе составляет 70В. Для работы вспомогательной дуги достаточен ток 5А. Он ограничивается сопротивлением 30-50Ом, изготовленным из толстой нихромовой проволоки.
Как рассчитать
Расчет питающего трансформатора сводится к определению необходимых сечений магнитопровода, первичной и вторичной обмотки и числа витков.
Для аппарата, предназначенного для разрезания металла до 12 мм при токе 50А, напряжении холостого хода 200В и напряжении сети 220В эти параметры составляют:
- сечение магнитопровода – 107 мм²
- первичная обмотка – 225 витков медным проводом Ø4,7 мм;
- вторичная обмотка – 205 витков медной проводом Ø5,04 мм².
Изготовление трансформатора
В связи с тем, что трансформатор должен иметь “мягкую” характеристику, катушки располагаются отдельно друг от друга. При использовании О-образного сердечника они находятся на разных стержнях, на Ш-образном магнитопроводе обмотки располагаются вдоль средней части.
Намотка катушек производится по расчетным параметрам на каркасах их электротехнического картона. Готовые обмотки обматываются стеклолентой или киперной лентой и покрываются краской.
После намотки обмоток и сборки магнитопровода на трансформатор крепится и подключается диодный мост из 4 диодов с радиаторами, собранный на текстолитовой площадке. Собранный трансформатор помещается в корпус, а вывода обмоток и диодного моста подключаются к клеммам на передней панели. Подключение выполняется согласно принципиальной схеме, учитывая наличие амперметров, вольтметров, пускателей и других деталей.
Осциллятор, подключенный последовательно со сварочником, имеет высокое выходное напряжение высокой частоты. Поэтому диоды в выпрямителе необходимо использовать высокочастотные или установить отдельный диодный мост, специально для вспомогательной дуги.
Как изготовить сварочный трансформатор
Источником питания плазмы является сварочный трансформатор. Как и некоторые другие элементы его можно изготовить самостоятельно.
Необходимые параметры
Трансформатор для плазменной резки отличается от обычного сварочника напряжением холостого хода и составляет 220-250В. Это необходимо для создания и поддержания дуги между электродом и разрезаемой деталью. Мощность и ток вторичной обмотки зависят от предполагаемой толщины металла:
- 20А, 2,5кВт – 6 мм;
- 50А, 6кВт – 12 мм;
- 80А, 10кВт – 18-25 мм.
Источник питания необходим с “мягкой” характеристикой, напряжение при работе составляет 70В. Для работы вспомогательной дуги достаточен ток 5А. Он ограничивается сопротивлением 30-50Ом, изготовленным из толстой нихромовой проволоки.
https://youtube.com/watch?v=Gp3jWi_4MP4
Как рассчитать
Расчет питающего трансформатора сводится к определению необходимых сечений магнитопровода, первичной и вторичной обмотки и числа витков.
Для аппарата, предназначенного для разрезания металла до 12 мм при токе 50А, напряжении холостого хода 200В и напряжении сети 220В эти параметры составляют:
- сечение магнитопровода – 107 мм²
- первичная обмотка – 225 витков медным проводом Ø4,7 мм;
- вторичная обмотка – 205 витков медной проводом Ø5,04 мм².
Изготовление трансформатора
В связи с тем, что трансформатор должен иметь “мягкую” характеристику, катушки располагаются отдельно друг от друга. При использовании О-образного сердечника они находятся на разных стержнях, на Ш-образном магнитопроводе обмотки располагаются вдоль средней части.
Намотка катушек производится по расчетным параметрам на каркасах их электротехнического картона. Готовые обмотки обматываются стеклолентой или киперной лентой и покрываются краской.
После намотки обмоток и сборки магнитопровода на трансформатор крепится и подключается диодный мост из 4 диодов с радиаторами, собранный на текстолитовой площадке. Собранный трансформатор помещается в корпус, а вывода обмоток и диодного моста подключаются к клеммам на передней панели. Подключение выполняется согласно принципиальной схеме, учитывая наличие амперметров, вольтметров, пускателей и других деталей.
Осциллятор, подключенный последовательно со сварочником, имеет высокое выходное напряжение высокой частоты. Поэтому диоды в выпрямителе необходимо использовать высокочастотные или установить отдельный диодный мост, специально для вспомогательной дуги.
Особенности конструкции и использования аппаратов
Плазморезы марки Hypertherm являются абсолютно безопасными, а так же они чрезвычайно надежны. Рабочие зоны аппарата качественно защищены корпусом источника питания, а безопасная работа резчика обеспечивается устройством кабель-шлангового пакета.
Аппараты Hypertherm не имеют специфических требований к своей работе, тут они абсолютно просты. Это позволяет работать на них людям, у которых нет специального образования и квалификации. Необходимыми для эксплуатации Hypertherm являются компрессор и электроэнергия. Таким образом, полностью исключена необходимость использования взрывоопасных газов. Благодаря этому метод воздушно-плазменной резки считается самым безопасным по сравнению с другими методиками термической резки металлов. При правильном выборе аппарата и режима его работы процесс плазменной резки будет очень экономичным.
Некоторые из моделей аппаратов Hypertherm, имеют 100% продолжительность включения. Эта особенность предоставляет отличную возможность работать полную рабочую смену без остановок и перегревов. Кабель-шланговый пакет имеет самым оптимальным образом подобранную длину – она составляет 3 м, но она может быть увеличена, если на то есть желание клиента.
Варианты прямого и косвенного действия
Конструкция горелки плазмореза довольно сложная, выполнить в домашних условиях даже при наличии различных станков и инструментов сложно без высокой квалификации работника. Поэтому изготовление деталей плазмотрона нужно поручить специалистам, а еще лучше приобрести в магазине. Выше была описана горелка плазмотрона прямого действия, она может резать только металлы.
Существуют плазморезы с головками косвенного действия. Они способны резать и неметаллические материалы. В них роль анода выполняет сопло, и электрическая дуга находится внутри горелки плазмореза, наружу под давлением выходит только плазменная струя.
При простоте конструкции устройство требует очень точных настроек, в самодеятельном изготовлении практически не применяется.
Переделка из инверторного аппарата
Правильно собрать плазморез из сварочного инвертора своими руками можно, тщательно изучив принципы изготовления, купив все нужные детали.
Чертеж плазмореза на основе инвертора
Самодельные устройства рекомендуется собирать по типовым схемам, например на основе аппарата АПР-91. Необходимо четко придерживаться готовых чертежей. Это поможет правильно установить все конструктивные элементы, сделать работоспособное устройство.
Схема и изготовление осциллятора
Блок используется для генерации высокочастотных токов. Он функционирует в импульсном или непрерывном режиме. Осциллятор помогает быстро подготовить резак к работе.
Электрическая схема этого узла включает в себя:
- преобразователь (выпрямитель);
- ряд конденсаторов;
- блок питания;
- управляющие элементы;
- импульсный модуль;
- датчик напряжения.
Рекомендуем к прочтению Как самому сделать индукционный нагреватель из сварочного инвертора
Необходимые детали и возможность их самостоятельного изготовления
Для изготовления плазмореза требуется мощный источник питания. Лучший вариант – сварочный инвертор, выдающий стабильное напряжение.
Также потребуются следующие компоненты:
- Блок питания. Для формирования этого узла используют сварочный инвертор, работающий с постоянным током. Переделывать его не нужно: устройство обладает всеми необходимыми для работы параметрами.
- Плазмотрон. Этот компонент рекомендуется покупать в готовом виде, создавать его самостоятельно сложно.
- Осциллятор. Устройство паяют по простой схеме. Однако людям, не разбирающимся в электротехнике, рекомендуется приобретать модуль в готовом виде.
- Компрессор. Для самодельного агрегата подойдет любая деталь, например от краскопульта.
- Кабель-шланг. Этот элемент можно сконструировать из кислородного шланга и стандартного провода. Однако желательно приобрести готовый набор, включающий все необходимые компоненты.
- Кабель массы. Снабжается зажимом для фиксации на разрезаемой детали.
Процесс сборки плазмореза
Для подготовки оборудования к использованию плазмотрон соединяют с компрессором и инвертором.
Для этого потребуются кабель-пакеты, с которыми работают так:
- Провод подачи электрического тока применяют для соединения электрода с инверторным сварочным аппаратом.
- Воздушный шланг подключают к плазменной горелке и компрессору. В результате из воздушного потока должна образовываться струя плазмы.
О дальнейшей эксплуатации
Разрезаемый металл расплавляется только в точках воздействия, поэтому важно следить за перемещением потока. При смещении воздушно-плазменной струи качество работы ухудшается
Для соблюдения важного требования применяют тангенциальный способ подачи газа в камеру сопла.
Во время резки контролируют следующие показатели:
- Скорость движения воздуха. Она не должна резко повышаться. Качественный срез получается, если параметр составляет 800 м/с.
- Силу тока, подаваемого инвертором. Она должна составлять не более 250 А.
Что представляет собой аппарат
Устройство аппарата
Плазморез достаточно сложный аппарат, состоящий из нескольких основных узлов:
Элементы плазмореза
Далее подробно рассмотрим устройство плазмореза.
Плазмотрон
Этот элемент представляет собой плазменный резак, по сути, основной элемент аппарата, который образует плазму. Плазмотрон соединяется с другими элементами аппарата при помощи кабеля и шланга, по которому подается воздух и электрический ток.
Надо сказать, что резаки бывают двух типов:
Прямого действия. Дуговой разряд появляется между металлической заготовкой и резаком. Именно такие плазмотроны применяются для работы с металлом;
Схема устройства плазмотрона прямого действия
- Косвенного. Дуговой разряд возникает внутри самого плазмотрона. Это позволяет использовать аппарат для резки неметаллических материалов. Плазмотрон содержит два основных элемента:
- Сопло. Эта деталь формирует плазменную струю. От ее диаметра и длины зависит скорость резки металла, размер реза и интенсивность охлаждения. Как правило, диаметр сопла не превышает 3 миллиметров, а длина составляет 9-12 миллиметров. Чем больше длина, тем качественнее рез, но меньше долговечность самого сопла. Поэтому оптимальный вариант, когда длина сопла в полтора раза больше его ширины;
Схема устройства сопла и электрода
Электрод. Металлический стержень, как правило, выполненный из гафния. Электрод обеспечивает возбуждение электрической дуги для воздушноплазменной резки.
Источник питания
Задача источника питания заключается в подаче тока на плазмотрон. Источники питания бывают двух типов:
Трансформатор. Увесистые и потребляют много энергии, но зато они менее чувствительные к перепадам температуры. Кроме того, толщина заготовки, которую способен перерезать аппарат, может достигать 40-50 мм;
Инвертор имеет компактные размеры
Инверторы. Более легкие, компактные и экономные в плане потребления энергии. Кроме того, инверторы обеспечивают более стабильную дугу. К минусам относится то, что их можно использовать для разрезки листов толщиной не более 30 миллиметров.
Компрессор обеспечивает устройство сжатым воздухом с постоянным давлением
Компрессор
Для работы плазмореза необходим газ, которые обеспечивает образование плазмы и отвечает за охлаждение плазмотрона. Поэтому для подачи газа на сопло используется компрессор.
В аппаратах с силой тока не превышающей 200 А, в качестве газа используется воздух. Такой аппарат может разрезать заготовки толщиной до 50 миллиметров.
Промышленный станок с работает другими газами, такими как аргон, гелий, азот, водород и т.д.
Кабель-шланговый пакет связывает отдельные узлы в единый аппарата
Кабель-шланговый пакет
Как я уже говорил выше, данный элемент объединяет отдельные узлы аппарата в плазморез, т.е. по шлангу подается газ на сопло, а кабель обеспечивает подачу тока на электрод.
Самодельный плазморез
Бесспорно многие из нас видели видео на ютубе, где Виталий Богачев собрал плазменный резак из обычного сварочного аппарата дуговой сварки Постараюсь объяснить простыми словами без всякого фанатизма. Виталий, удалил вторичную обмотку на сварочном трансформаторе и вместо нее намотал новую вторичную обмотку кабелем меньшего сечения, что бы поднять выходное напряжение до 200В. Следом установил диодный мост на радиаторы и дроссель намотанный на железе, походу от большего сварочного трансформатора. Подключил это дело к резаку. Для продувки использовал обычный воздух накачиваемый компрессором Вот первое видео в котором Виталий описал конструкцию прибора
Во втором видео Виталий показал как работает его самопальный плазменный резак. Видно, что резак режет метал до 8мм, но Виталий не показывает сам аппарат во время резки, даже элементарно зайти в это помещение и показать куда тянется рукав от резака, этого нет
Честно, ну очень меня поманила эта идея и захотелось собрать подобное устройство, но вот что насторожило. Почему заводские аппараты для плазменной резки стоят приличных денег, если в них нет ничего такого сложного, может в видео есть подвох и на самом деле видео для пиара
Думал и решил в общем посчитать, что же мне надо для сборки плазменного резака
Во первых нужен сварочный аппарат для дуговой сварки переменного тока 200А, а точнее таких аппаратов нужно пара. Первый трансформатор будет силовой, второй трансформатор будет в качестве дросселя. На сварочном трансформаторе три обмотки, две первичные обмотки 0-220-400В, а так же вторичная обмотка 40В. Вот что я планирую делать с этими трансформаторами, разрезать оба трансформатора, снять вторичную обмотку с первого и на ее место поставить первичку второго трансформатора, вот и должно у меня получится на вторичной обмотке 200В. Теперь о дросселе. Остается у меня железо со второго трансформатора, а так же две вторичные обмотки, которые можно одеть на второй сердечник и последовательно соединить. Должен получиться великолепный дроссель с пока неизвестной индуктивностью. Посмотрел на эти сварочные трансформаторы в Яндекс маркете и нашел самый дешевый вариант по 2 376 ₽ за один. Значит за два с учетом доставки выйдет примерно 6,500Р. Вот такие сварочные аппараты
Иду далее, нужны 4 диода напряжением от 600В, но лучше 1000В. Ток для диодов лучше выбрать побольше скажем 150А будет в самый раз. За этим делом обращусь ка я на AliExpress. Нашел подходящий диодный мостик на 150А 1600В на обратный пробой, такой хороший запас по обратному напряжению не будет лишний.
Цена на такой диодный мостик 770,33 руб., вот ссылка для покупки. Так же нужен радиатор для охлаждения диодного моста, лучше чем радиатор с процессора ПК идей нет, такой радиатор можно на барахолке купить за 100-200Р. И того 1000Р за выпрямитель
Для работы плазменного резака нужен компрессор, ну это дело решенное, самодельный компрессор давно собран. Компрессор это хорошо, а вот воздух должен быть чистым, без масла и влаги. Значит надо перед резаком ставить осушитель, который опять же лучше заказать с Китая. Приглянулся мне фильтр AF2000-02 G1/4 за 442,20 руб.
Осушитель выдерживает давление в 1.5 МПа, что вполне устраивает. Так же нужен клапан для управления, клапан буду использовать типа такого, цена на него 480Р. Вот ссылка
Еще несколько компонентов надо для полного комплекта. Несколько релюшек для управления силовым трансформатором и клапанном газа.
Такие реле можно заказать из Китая по 100 рублей Нужен блок питания 12В для питания клапана и реле
Такой блок питания стоит в Китае 232 р, купить можно по этой ссылке. Разъем под кнопку управления на держаке. Этой кнопкой включается трансформатор, открывается клапан и включается осциллятор. С Китая такой стоит 66 рублей, комплект мама-папа. Так же для розжига дуги плазмы без контакта нужен высоковольтный осцилятор
Готовый модуль из Китая для питания от переменного напряжения 220В модуль стоит 1500 рублей, ссылка вот Вроде все рассчитал 6500+1000+440+480+270+2400+800+100+230+66+1500+1000=15000 рублей. Последняя тысяча на всякие мелочи которые могут понадобится в процессе сборки Эксперимент мог бы быть реализован, но такую сумму не могу выделить. Думал что сделать, ведь хочется проверить собрать плазморез самостоятельно, но пока денег нет!. С ув. Эдуард
