플라즈마 절단기: 심층적인 개요

I. 개요

1. 플라즈마 커팅의 원리

플라즈마 절단은 플라즈마 아크의 높은 에너지 밀도와 고속 플라즈마 흐름을 사용하여 10000~14000℃의 고온에서 절단 지점에서 금속을 녹여 기화시키고 녹은 금속을 절단에서 날려 보냅니다.

플라즈마 아크는 그림 1과 같이 플라즈마 건을 사용하여 음극(예: 텅스텐 전극)과 양극 사이의 자유 아크를 고온, 고이온화, 고에너지 밀도, 고화염 속도 아크로 압축합니다.

1-전극
2-노즐(구리)
3-Water
4-노즐(세라믹)
5- 워터 제트
6-워크피스
7-작업용 가스

전극을 음극에 연결하고 공작물을 양극에 연결하고 적절한 전압을 가하면 음극에 연결된 전극이 양극에 연결된 공작물에 전자를 방출하고 동시에 노즐을 통해 작동 가스가 유입됩니다. 고속 전자 흐름의 영향을 받아 중성 가스의 분자와 원자는 많은 양의 에너지를 얻고 이온화되어 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 이온을 생성합니다.

형성된 전자, 이온, 아직 이온화되지 않은 중성 기체 분자 및 원자는 서로 충돌하고 이온화된 원자가 생성한 열과 빛이 기체를 추가로 이온화합니다. 이 사이클이 반복되면서 눈사태 이온화가 일어나고 플라즈마 아크가 형성됩니다.

노즐의 수축 효과로 인해 아크 칼럼에 "기계적 압축 효과"가 형성되어 아크 칼럼의 에너지 밀도가 증가하고 아크 칼럼 자체의 자기장에 의해 생성되는 "자기 핀치 효과"로 인해 고온 플라즈마 아크의 직경이 더 미세 해지고 에너지 밀도가 증가하며 가스 이온화가 충분 해집니다.

또한 고온 전기 아크는 수반되는 고속 워터 제트를 빠르게 기화시키기 때문에 플라즈마 아크 주변에 온도 구배가 큰 "증기층"을 형성하여 "열 수축 효과"를 더욱 강화하고 전기 아크의 에너지 밀도를 크게 증가시켜 매우 높은 온도, 우수한 강성 및 높은 유속을 가진 플라즈마 아크를 형성합니다.

일부 물은 고온에서 H2와 O2로 분해되어 작동 가스와 함께 절단 가스를 형성하여 플라즈마 아크에 더 높은 에너지를 부여합니다. 사용되는 작동 가스는 주로 산소, 질소, 공기입니다.

주입된 물은 아크 컬럼을 압축하여 더 얇게 만드는 역할을 할 뿐만 아니라 노즐과 공작물을 냉각시키고 질소 산화물 발생을 줄이며 노즐의 수명을 개선하고 공작물의 열 영향 영역을 줄입니다. 주입된 물은 부드러워져야 합니다.

2. 플라즈마 절단의 특성

(1) 플라즈마는 모든 철 및 비철을 절단할 수 있습니다. 금속및 일부 비금속 재료에 사용할 수 있습니다.

(2) 두께가 크지 않은 금속을 절단할 때는 절단 속도 는 빠릅니다. 예를 들어 6mm 강판을 절단할 때 절단 속도는 1kW의 6배인 6m/min에 달할 수 있습니다. 레이저 커팅 가스 절단 속도가 10배 빨라졌습니다.

(3) 플라즈마 아크의 고온 및 높은 에너지 밀도로 인해 아크 컬럼이 직선적이고 안정적이므로 플라즈마 절단은 비교적 좁고 깨끗하며 깔끔하고 버가없고 거의 수직 절단을 달성 할 수 있습니다. 그러나 절단 품질은 여전히 레이저 절단보다 떨어지며 절단에 경사가 있습니다. 절단부 근처의 열 영향 영역이 작습니다.

(4) 절단 비용은 6mm 강판 절단시 가스 절단 및 레이저 절단의 약 1/5로 상대적으로 낮습니다.

(5) 주요 단점은 높은 소음과 연기, 먼지, 아크 방사능입니다.

3. 플라즈마 절단의 분류

사용되는 다양한 작업 가스에 따라 산소 플라즈마 절단, 공기 플라즈마 절단, 질소 플라즈마 절단 및 아르곤-수소 플라즈마 절단의 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 이 중 공기와 산소는 같은 범주에 속하지만 산소는 공기보다 비용이 높지만 효율이 높고 절단 품질이 더 좋습니다.

표 1과 같이 다양한 플라즈마 절단 방법을 비교합니다.

표 1 다양한 플라즈마 절단 방법의 비교

탄소강 및 저합금강의 일반적인 절단에는 워터젯을 사용한 산소 플라즈마 아크가 사용되며 스테인리스강 및 알루미늄 합금 절단에는 워터젯을 사용한 암모니아 플라즈마 아크가 사용됩니다. 산소 및 공기 플라즈마 아크로 절단할 때는 전극의 강한 산화 부식으로 인해 일반적으로 순수 텅스텐 또는 텅스텐 산화물 전극 대신 내장된 순수 지르코늄 또는 순수 하프늄 전극을 사용해야 합니다.

II. 품질 및 프로세스 영향 요인 줄이기

1. 절단 폭

플라즈마 아크 절단의 절단 폭은 옥시 아세틸렌 절단보다 1.5 ~ 2 배 더 넓으며 절단 폭은 판의 두께에 따라 증가합니다. 플라즈마 아크 절단 시 절단 상부가 하부보다 더 많은 금속을 제거하여 절단 끝면이 약간 기울어지는 경우가 많습니다. 그러나 8mm 미만의 강판, 특히 얇은 강판을 절단하는 경우 매우 우수한 절단을 얻을 수 있습니다.

2. 절단 거칠기

(1) 탄소강 및 저합금강을 산소 및 워터젯 플라즈마 아크로 절단할 때 절단 표면은 매우 매끄럽고 거칠기 값은 일반적으로 20μm 미만입니다.

(2) 아르곤-수소 플라즈마 아크로 절단 한 스테인리스 스틸은 매끄러운 절단 표면을 얻을 수 있고 질소 플라즈마 아크로 절단하면 거칠기가 더 커지고 산소 플라즈마 아크로 절단하면 약간 거칠지 만 일반적으로 110μm보다 낮습니다.

(3) 알루미늄 및 알루미늄 합금의 경우 질소 플라즈마 아크로 절단 할 때의 거칠기는 아르곤-수소 혼합 가스를 사용할 때보 다 훨씬 크고 산소 플라즈마 아크로 절단 할 때 절단 표면이 더 거칠다. 그러나 워터젯 플라즈마 아크 절단으로 매끄러운 절단 표면을 얻을 수 있습니다.

3. 열 영향 구역

워터젯 플라즈마 아크로 중간 두께의 스테인리스 강판을 절단할 때 열 영향 영역의 폭은 0.02mm에 불과합니다.

4. 두꺼운 절단

생산 과정에서 플라즈마 아크 절단은 이제 다음과 같은 용도로 사용할 수 있습니다. 스테인리스 스틸 컷 두께가 100~200mm인 소재를 절단할 때는 일반적으로 50~100kW의 출력이 필요하지만, 두께가 80mm 이상인 소재를 절단할 때는 상대적으로 큰 출력을 사용해야 합니다. 절단 시작 전 예열이 필요한데, 예를 들어 스테인리스 스틸의 경우 공작물 두께가 200mm인 경우 8~20초, 50mm인 경우 2.5~3.5초 동안 예열해야 합니다.

5. 노즐 거리 및 절단 속도

노즐과 공작물 표면 사이의 최적 거리는 표 2를 참조하고 적절한 절삭 속도는 표 3을 참조할 수 있습니다.

표 2 노즐과 공작물 표면 사이의 최적 거리(트럼프프)

표 3 연강(트럼프프) 플라즈마 절단을 위한 기술 파라미터

III. 플라즈마 커터의 구성

플라즈마 절단기는 주로 전원 공급 장치, 고주파 발생기, 가스 공급 시스템, 냉각수 시스템, 절단 토치, 공작물 상대 이동 시스템, 슬래그 제거 및 먼지 제거 시스템, 제어 시스템 등으로 구성됩니다.

다음과 같이 설명합니다:

1. 전원 공급 장치

전원 공급 차단에 필요한 작동 전압 및 전류입니다.

2. 고주파 발생기

고주파 발생기는 플라즈마 아크를 점화하는 데 사용되며, 일반적으로 3~6kV 고전압과 2~3MHz 고주파 전류를 생성할 수 있습니다. 주 아크가 형성되면 고주파 발생기는 자동으로 차단됩니다. 고주파 발생기가 필요 없는 접촉 아크 점화 방식도 있습니다.

3. 토치 절단

절단 토치는 플라즈마 절단의 주요 구성 요소입니다. 주로 토치 본체, 전극, 노즐, 공기 및 물 유입 채널, 씰로 구성됩니다. 전극은 일반적으로 구리 전극 홀더로 만들어지며 전극 재료(텅스텐 또는 하프늄)가 끝 부분에 내장되거나 용접됩니다. 노즐은 고온에 강한 세라믹 또는 순수 구리로 만들어집니다. 노즐의 형태는 절단의 재료, 두께 및 사용 가스에 따라 다릅니다.

4. 가스 공급 시스템

작동 가스(O ₂ 또는 N ₂ )는 플라즈마 절단에 필요한 엄격한 순도를 요구합니다. 워터젯 플라즈마 아크 절단 시 산소의 순도 요구 사항은 99.95%이고 질소의 경우 99.995%입니다. 일반적으로 가스 실린더, 가스 공급 파이프 라인 및 가스 밸브로 구성됩니다.

5. 냉각수 시스템

절단 토치에 들어가는 물은 플라즈마 아크를 압축하는 데 사용되는 제트수와 전극과 노즐을 냉각하는 데 사용되는 냉각수의 두 가지 경로로 나뉩니다. 물은 부드러워져야 하며 냉각수는 재활용할 수 있습니다.

6. 슬래그 및 먼지 제거 시스템

플라즈마 절단 공정에서는 인체에 유해한 질소 산화물, 일산화탄소 또는 악취와 같은 약간 유독한 연기와 먼지가 발생합니다. 연기와 먼지를 효과적으로 제거하려면 진공 먼지 추출 방법을 사용해야 합니다. 절단 중에 발생하는 슬래그가 공작물 표면에 부착되는 것을 방지하기 위해 워터젯 흡입 방식을 사용하여 슬래그를 제거할 수 있습니다. 슬래그와 혼합된 물은 여과 후 재활용할 수 있습니다.

7. 공작물 상대 이동 시스템

절단 토치에 대한 공작물의 이동 시스템은 절단된 공작물의 모양과 크기를 보장하는 핵심 요소입니다. 공작물은 일반적으로 유압 집게로 고정되고 AC 서보 모터로 구동되며 최대 ±0.1mm의 위치 정확도와 약 0.03mm의 반복 위치 정확도를 갖습니다.

IV. 플라즈마 절단기의 기술 파라미터

중국 하얼빈 용접 및 절단 완제품 장비 회사와 심천 볼리창 CNC 절단 장비 회사는 모두 CNC를 생산합니다. 플라즈마 절단기. 탄소강 절단 표면의 평균 거칠기는 40um 미만이며 부품의 치수 정확도는 레이저 절단의 하한에 가깝지만 비용은 약 1/5에 불과하여 두꺼운 판재 절단에 매우 매력적입니다.

독일 회사 Trumpf는 한때 미국 회사 Hypertherm의 HT400 모델을 사용하여 왼쪽에 펀칭 및 스텝 펀칭용 슬라이더가 있고 오른쪽에 워터젯 플라즈마 커터가 있는 TrumaticPK 타입 플라즈마 절단 및 다이 펀칭 복합 프레스를 생산한 적이 있습니다. Trumatic300P 시리즈 복합기의 기술 파라미터는 표 4에 나와 있습니다.

표 4 트루매틱 300P 플라즈마 펀칭 복합기의 기술 파라미터

표 5는 플라즈마 절단의 정밀도를 향상시키기 위해 새로운 노즐 시스템을 채택한 미국 휘트니 사에서 생산한 플라즈마 절단 및 유압 펀칭 복합기의 기술 파라미터입니다.

표 5 휘트니 플라즈마 콤비네이션 프레스 기술 파라미터

표 6은 국내 인버터 에어 플라즈마 절단기의 기술 파라미터입니다.

표 6 가정용 인버터 에어 플라즈마 절단기의 기술 파라미터