XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение

В современном машиностроении технология термической резки металлов является одной из ключевых операций, определяющих эффективность и экономичность производственного процесса. Среди разнообразных способов резки, таких как кислородная (газовая), лазерная и гидроабразивная, плазменная резка занимает особое место благодаря своей универсальности и высокой производительности[1]. Физическая сущность процесса плазменно-дуговой резки заключается в использовании сжатой электрической дуги, горящей между электродом и обрабатываемым изделием, истекающей из сопла плазмотрона вместе с потоком плазмообразующего газа[2, с. 26]. Этот метод позволяет обрабатывать практически любые токопроводящие материалы, сочетая высокую скорость и качество реза[3].

Историческое развитие технологии плазменной резки в России было направлено на повышение мощности, стабильности плазменной дуги и точности обработки, что расширило её применение в ответственных отраслях промышленности[4, с. 185]. Особую значимость эта технология приобретает в таких высокотехнологичных сферах, как кораблестроение, где предъявляются жесткие требования к качеству кромки, геометрической точности деталей и усталостной прочности последующих сварных соединений[1].

Сравнительный анализ показывает, что по сравнению с традиционной кислородной резкой, плазменный метод обладает более высокой скоростью при резке тонких и средних листов, а также возможностью резать цветные металлы и нержавеющие стали[5, с. 215]. Развитие цифровых систем управления (ЧПУ), промышленной робототехники и CAD/CAM-систем привело к созданию роботизированных плазморежущих комплексов. Эти установки способны выполнять автоматическую резку сложных пространственных профилей с минимальным участием оператора, что кардинально повышает гибкость и точность производства[2, с. 27].

Целью настоящего исследования является всесторонний анализ технологии роботизированной плазменной резки, включая физические основы процесса, сравнительную оценку с альтернативными методами, эволюцию технологии, принцип работы роботизированного комплекса, а также специфику его применения в кораблестроении и смежных отраслях машиностроения.

Физико-технические основы плазменной резки

Плазменно-дуговая резка представляет собой высокоэффективный технологический процесс термической обработки металлов, основанный на использовании уникальных свойств низкотемпературной плазмы. Физическая сущность процесса заключается в термическом расплавлении материала в зоне реза высокотемпературным сжатым столбом электрической дуги с последующим интенсивным выдуванием расплава высокоскоростным потоком ионизированного газа[2, с. 26].

Плазма, рассматриваемая как четвертое агрегатное состояние вещества, формируется при ионизации рабочего газа в столбе электрической дуги, горящей между неплавящимся катодом и обрабатываемой заготовкой, выполняющей функцию анода. Характерной особенностью технологической плазмы является достижение температур в диапазоне 15 000–20 000 °C, что обеспечивает практически мгновенное расплавление любого токопроводящего материала. Высокая тепловая мощность плазменной дуги, достигающая 150-200 кВт в промышленных установках, позволяет эффективно обрабатывать материалы значительной толщины[4, с. 178].

Процесс плазменной резки реализуется через три последовательные технологические стадии. На этапе инициирования дуги подача высокочастотного импульса напряжением 5-10 кВ вызывает пробой газового зазора между катодом и анодом, создавая первичный канал для формирования устойчивого разряда. Далее происходит формирование плазменной струи, при котором через сужающийся канал сопла подается сжатый газ (воздух, азот, аргон, кислород или их смеси), подвергающийся интенсивной ионизации под действием дугового разряда. Завершающей стадией является выдувание расплава, когда концентрированный поток высокотемпературной плазмы не только расплавляет металл в локальной зоне, но и создает достаточное динамическое давление для полного удаления жидкой фазы из полости реза[5, с. 228].

Эффективность процесса определяется комплексом взаимосвязанных параметров. Температура плазменного потока, достигающая 20 000 °C, обеспечивает интенсивное тепловложение в материал. Скорость истечения плазмы из сопла плазмотрона, составляющая 800-1000 м/с, гарантирует эффективное удаление расплава даже при обработке толстостенных материалов. Геометрические характеристики реза демонстрируют высокую стабильность: при толщине листа 20 мм ширина реза обычно не превышает 1,5-2,5 мм, что свидетельствует о высокой концентрации тепловой энергии. Особого внимания заслуживает минимальная ширина зоны термического влияния (ЗТВ), обычно не превышающая 1 мм, что обуславливает незначительные изменения структуры и механических свойств основного материала в прикромочной области[3].

К неоспоримым преимуществам плазменно-дуговой резки относится возможность обработки широкого спектра материалов - от углеродистых сталей до тугоплавких сплавов, включая медь, алюминий и титан. Технология демонстрирует высокую производительность при резке листовых материалов толщиной до 50 мм, превосходя по этому показателю кислородные методы. Однако при обработке особо толстых материалов (свыше 100 мм) наблюдается увеличение конусности реза и расширение зоны термического влияния, что требует оптимизации режимов и применения специализированных газовых смесей[1].

Преимущества плазменной резки по сравнению с другими методами

По сравнению с кислородной резкой

Плазменная резка позволяет обрабатывать нержавеющие стали, алюминиевые и титановые сплавы, которые не поддаются кислородной резке из-за образования оксидных плёнок с высокой температурой плавления.

По сравнению с лазерной резкой

Как отмечает Д. В. Горяинов [3], себестоимость плазменной резки в среднем в 4 раза ниже лазерной, что делает её экономически предпочтительной для массового производства.

Роботизация и цифровая интеграция

Современные роботизированные плазморежущие комплексы представляют собой высокоинтегрированные автоматизированные системы, сочетающие прецизионное механическое оборудование с передовыми программными решениями. Физическая сущность процесса плазменно-дуговой резки, основанная на использовании сжатой электрической дуги[2, с. 26], получает новое развитие в условиях комплексной автоматизации, что значительно расширяет технологические возможности метода.

Основу современных плазморежущих комплексов составляют промышленные роботы-манипуляторы с шестью степенями свободы (такие как KUKA, Fanuc, ABB), обеспечивающие возможность пространственного позиционирования плазмотрона с точностью до ±0,1 мм. Важнейшим компонентом является система автоматического регулирования высоты резака (THC - Torch Height Control), которая в реальном времени отслеживает расстояние между соплом и обрабатываемой деталью, компенсируя возможные неровности поверхности. Стабильность процесса резки обеспечивается специализированными источниками плазмы с цифровым управлением параметрами дуги, позволяющими динамически адаптировать режимы реза в зависимости от толщины и свойств материала[4, с. 185].

Глубокая интеграция с CAD/CAM-системами (SolidWorks, Tekla, AutoCAD) обеспечивает сквозной цифровой цикл от проектирования до изготовления деталей. Современное программное обеспечение позволяет автоматически генерировать оптимальные траектории движения резака на основе трехмерных моделей, учитывая технологические особенности процесса плазменной резки. Системы автоматизированного раскроя реализуют сложные алгоритмы компоновки деталей на листовом материале, что позволяет снизить процент отходов до 5-8% по сравнению с 15-20% при традиционной ручной разметке[1]. Особенностью современных систем является возможность симуляции всего технологического процесса для выявления и устранения потенциальных коллизий до начала реальной обработки.

Роботизированные комплексы демонстрируют исключительную эффективность при обработке сложнопрофильных деталей корпусных конструкций: переборок, решеток, кронштейнов, фланцев. Автоматизация обеспечивает стабильно высокое качество реза при серийном производстве, полностью исключая влияние человеческого фактора. Цифровое управление всеми параметрами процесса (силой тока, скоростью перемещения, расходом газа) гарантирует повторяемость результатов и соответствие жестким требованиям судостроительных стандартов[3]. Дополнительным преимуществом является возможность быстрой переналадки системы для обработки новых деталей, что особенно важно в условиях мелкосерийного производства.

Дальнейшее развитие роботизированной плазменной резки связано с интеграцией технологий искусственного интеллекта для адаптивного управления процессом, внедрением систем машинного зрения для автоматического контроля качества, а также созданием полностью безлюдных технологических участков. Особое внимание уделяется разработке специализированных алгоритмов для оптимизации процессов резки сложных пространственных конструкций, характерных для современного судостроения[2, с. 27].

Основные применения в кораблестроении:

1. Резка толстостенных стальных листов

Особенностью современного кораблестроения является использование высокопрочных низколегированных сталей толщиной от 10 до 50 мм, а в случае с ледоколами и специальными судами - до 100 мм и более. Плазменная резка демонстрирует исключительную эффективность при обработке таких материалов, позволяя выполнять точный и быстрый раскрой массивных листов по сложным пространственным контурам, включая криволинейные обводы корпуса. Исследования показывают, что по сравнению с традиционной кислородной резкой плазменный метод обеспечивает повышение скорости обработки на 30-50% при одновременном улучшении качества реза, что напрямую влияет на общую производительность судостроительного производства[5, с. 215]. Важным преимуществом является возможность обработки предварительно окрашенных металлов без необходимости полного удаления защитного покрытия.

2. Подготовка кромок под сварку

Качество подготовки кромок является определяющим фактором для обеспечения прочности сварных соединений корпусных конструкций. Современные плазморежущие комплексы с ЧПУ способны выполнять резку с формированием точной геометрии кромки сложного профиля - V-образной, U-образной или X-образной формы - без необходимости последующей механической обработки. Как отмечают специалисты, это позволяет сократить трудозатраты на 40-60% и обеспечить высочайшее качество подготовки соединений, что особенно важно при сборке ответственных узлов корпуса[4, с. 192]. Технология обеспечивает равномерность угла скоса кромки по всей длине реза, что является критически важным для автоматизированной сварки.

3. Изготовление деталей сложной формы

Современные корабли - это сложные конструкции с множеством элементов нестандартной геометрии: обводы носовой и кормовой частей, палубные надстройки, отверстия под трубы, люки, шахты, крепления оборудования. Плазморезы с ЧПУ позволяют вырезать эти детали по цифровым 3D-моделям с точностью до долей миллиметра, что критически важно для обеспечения герметичности, прочности и аэродинамических/гидродинамических характеристик судна.

4. Резка различных сплавов

Помимо стали, в кораблестроении применяются и другие материалы - морская бронза, титановые сплавы (в специализированных судах, например, подводных лодках или скоростных катерах), алюминиевые сплавы (для надстроек и малых судов). Современные плазменные установки с управляемыми газовыми смесями (аргон, азот, кислород, водород) способны эффективно резать и эти материалы, сохраняя их структуру и механические свойства.

5. Интеграция в автоматизированные производственные линии

На крупных верфях (например, в России - «Звезда», «Северная верфь»; в США - Huntington Ingalls; в Южной Корее - Hyundai Heavy Industries) плазморежущие станки интегрированы в полностью автоматизированные производственные цепочки. Они работают в связке с CAD/CAM-системами, роботизированными манипуляторами и системами контроля качества. Это позволяет сократить время от проектирования до изготовления детали, минимизировать человеческий фактор, обеспечить единообразие и повторяемость продукции - важнейшее требование при серийном строительстве кораблей.

6. Ремонт и модернизация судов

Плазморезы широко используются и в ремонтных цехах. При модернизации старых судов, замене повреждённых секций корпуса или установке нового оборудования (например, систем вооружения или динамической позиционирования) плазменная резка позволяет точно вырезать и подгонять новые элементы под существующую конструкцию, даже если исходные чертежи устарели.

Кораблестроение характеризуется использованием следующих материалов:

• высокопрочные стали: АБ-2, АК-25, 09Г2С (предел прочности до 800 МПа);

• коррозионностойкие сплавы: 12Х18Н10Т, 08Х18Н10;

• алюминиевые сплавы: АМг5, АМг6 (для надстроек);

• титановые сплавы: ВТ1-0, ВТ6 (в подводном кораблестроении).

Плазменная резка позволяет эффективно обрабатывать все эти материалы без смены оборудования. Кроме того, она применяется:

• при изготовлении корпусных секций, переборок, палубных настилов;

• в ремонтных и аварийных работах, включая подводную резку;

• при демонтаже устаревших конструкций с неровными, искривлёнными поверхностями.

Особенно важны:

• точность геометрии - критична при сборке корпусных конструкций;

• отсутствие микротрещин и закалённых зон — важно для усталостной долговечности;

• возможность резки под водой - актуально для ремонтных и аварийных работ.

Исторический контекст и отечественный опыт

Развитие технологии плазменной резки стало закономерным этапом в эволюции способов термической обработки металлов, берущей свое начало от газопламенных процессов. Пионером в данной области выступила американская компания Union Carbide, которая в 1957 году представила первую промышленную установку, что ознаменовало начало нового направления в машиностроении. Физическая сущность процесса, основанная на использовании сжатой электрической дуги и высокоскоростной плазменной струи, открыла принципиально новые возможности по сравнению с традиционными методами, позволив значительно повысить скорость и универсальность резки[2, с. 26].

В Советском Союзе активное внедрение и адаптация данной технологии пришлись на 1970–1980-е годы. Этот период характеризовался масштабной индустриализацией и ростом потребностей таких стратегических отраслей, как судостроение, аэрокосмическая и оборонная промышленность, где к качеству и точности раскроя металлов предъявлялись повышенные требования. Отечественная научно-промышленная база была ориентирована на создание конкурентоспособных аналогов зарубежных разработок, способных функционировать в условиях плановой экономики и специфических эксплуатационных реалий.

Особую роль в становлении отечественного парка оборудования для плазменной резки сыграл Минусинский завод строительно-технологического оборудования (СТО). Начиная с конца 1980-х годов, предприятие развернуло серийный выпуск автоматизированных плазморежущих комплексов, которые стали активно внедряться на ключевых промышленных объектах страны. Эти установки проектировались с учетом необходимости решения сложных технологических задач в таких сферах, как судостроение, где они использовались на верфях в Северодвинске, Нижнем Новгороде и Владивостоке для высокоточной резки корпусных сталей и создания сложнопрофильных деталей обшивки.

Значительный вклад технология внесла в укрепление обороноспособности страны. Роботизированные и портальные комплексы на основе плазменной резки были задействованы в программах строительства атомных подводных лодок проектов 971 «Щука-Б» и 885 «Ясень», где обеспечивали требуемую точность при изготовлении ответственных узлов и элементов конструкций. Не менее важным было их применение в энергетическом машиностроении, в частности, для обработки кромок и разделки труб большого диаметра, используемых в магистральных трубопроводах и энергоблоках.

Ключевыми конкурентными преимуществами отечественных установок, выпускавшихся Минусинским заводом СТО, стали их высокая надежность, ремонтопригодность в условиях ограниченного доступа к импортным компонентам, а также специальная адаптация для работы в суровых климатических условиях. Это делало их незаменимыми на предприятиях, расположенных в регионах Крайнего Севера и Дальнего Востока, где требовалась устойчивость оборудования к низким температурам, повышенной влажности и другим неблагоприятным факторам. Таким образом, отечественный опыт развития плазменной резки не только позволил освоить передовую технологию, но и адаптировать ее к уникальным потребностям национальной промышленности, создав задел для ее дальнейшего совершенствования в условиях современной цифровой трансформации производства.

.

Принцип работы роботизированной плазморежущей машины

Роботизированная плазморежущая машина представляет собой автоматизированный технологический комплекс, объединяющий источник плазменной дуги, манипуляционную систему (робот или портал с ЧПУ), систему подачи рабочего газа, систему охлаждения и управляющий контроллер, интегрированный с CAD/CAM-программным обеспечением.

Принцип работы основан на следующей последовательности операций:

1. Формирование плазменной дуги. В плазмотроне между катодом (обычно из гафния или циркония) и соплом-анодом возбуждается пилотная дуга при подаче высокочастотного импульса или контактным поджигом. Через сопло подаётся рабочий газ (воздух, азот, кислород или их смеси), который ионизируется в дуге, превращаясь в высокотемпературную плазму с температурой до 20 000 °C.

2. Переход на режущую дугу. При приближении плазмотрона к разрезаемому металлу пилотная дуга «перебрасывается» на заготовку, становясь основной режущей дугой. Металл в зоне реза мгновенно расплавляется.

3. Выдувание расплава. Кинетическая энергия сжатого газа выдувает расплав из зоны реза, формируя узкий и чистый рез без наплывов и значительной зоны термического влияния.

4. Управление траекторией. Перемещение плазмотрона осуществляется с помощью промышленного робота (6-осевого манипулятора) или портального станка с числовым программным управлением. Траектория движения задаётся автоматически на основе цифровой 3D-модели детали, импортированной из CAD-системы и обработанной в CAM-модуле.

5. Автоматическая регулировка параметров. Современные комплексы оснащаются системой автоматической регулировки высоты горелки (THC - Torch Height Control), которая в реальном времени поддерживает оптимальное расстояние между соплом и поверхностью металла, компенсируя неровности листа, термические деформации и уклон детали.

6. Охлаждение и защита. Для обеспечения стабильной работы и продления срока службы плазмотрона применяется принудительное жидкостное или воздушное охлаждение. В некоторых системах также используется вихревой поток газа для стабилизации дуги и защиты сопла от брызг расплава.

Такой подход обеспечивает высокую точность позиционирования (до ±0,1 мм), стабильное качество реза при серийном производстве и возможность обработки сложных трёхмерных контуров, включая наклонные кромки, отверстия и внутренние полости. Благодаря полной автоматизации процесса исключается влияние человеческого фактора, снижаются производственные издержки, а также обеспечивается повторяемость геометрии деталей - что особенно важно в кораблестроении, где требуется высокая степень взаимозаменяемости конструктивных элементов.

Применение в других отраслях машиностроения

Помимо кораблестроения, где требования к качеству кромок и геометрической точности деталей являются исключительно высокими, технология роботизированной плазменной резки находит широчайшее и успешное применение в самых разнообразных секторах современной промышленности. Универсальность метода, позволяющего обрабатывать практически все токопроводящие материалы, в сочетании с экономической эффективностью и возможностью полной автоматизации делает его незаменимым инструментом в условиях гибкого, серийного и мелкосерийного производства[1, 3].

В автомобильной промышленности и транспортном машиностроении в целом роботизированные комплексы используются не только для раскроя листового металла при изготовлении прототипов кузовных панелей или элементов рам и шасси. Их роль распространяется на высокоскоростное производство кронштейнов, усилительных элементов и других компонентов, где точность и чистота реза критически важны для последующей сборки и сварки. Способность роботизированных систем легко переключаться между различными программами резки позволяет быстро перенастраивать производственные линии для выпуска новых моделей, обеспечивая необходимую гибкость в условиях конкурентного рынка.

Значительную нишу технология занимает в нефтегазовом секторе, одном из наиболее металлоемких. Здесь с ее помощью изготавливаются многочисленные элементы технологического оборудования и инфраструктуры. Это включает резку толстолистового металла для производства фланцев различного диаметра и давления, опорных конструкций (консолей, базовых плит), а также подготовку кромок и продольный раскрой трубных заготовок, в том числе большого диаметра (до 1420 мм и более). Высокая скорость обработки даже значительных толщин (до 100-150 мм и более в зависимости от мощности установки) обеспечивает своевременное выполнение заказов для масштабных проектов[5, с. 215].

Энергетическая отрасль, как традиционная, так и возобновляемая, также активно использует возможности роботизированной плазменной резки. В турбино- и котлостроении она применяется для вырезки деталей сложной конфигурации из жаропрочных сталей и сплавов, изготовления элементов систем вентиляции и кожухов. При производстве опор линий электропередачи (ЛЭП) и порталов подстанций технология обеспечивает высокую производительность при раскрое сортового проката. Кроме того, в секторе ветроэнергетики роботизированные комплексы задействованы для изготовления массивных и ответственных компонентов башен ветрогенераторов и их фундаментов, где точность сопряжения элементов является критически важной.

В строительстве и архитектуре область применения простирается от сугубо утилитарных задач до высокохудожественных решений. С одной стороны, это серийное производство стандартных металлоконструкций: балок, колонн, связей, элементов ферм, лестничных маршей и ограждений. С другой — возможность робота с плазменной резкой свободно перемещаться в трехмерном пространстве открывает возможности для создания уникальных архитектурных форм, декоративных фасадных панелей, ажурных ограждений и других малых архитектурных форм с высокой детализацией. Это напрямую пересекается с областью художественной резки и серийного производства в металлообработке, где технология ценится за способность с высокой точностью и минимальными затратами воспроизводить сложнейшие двухмерные и трехмерные контуры, востребованные в дизайне, интерьере и создании сувенирной продукции[2, с. 27].

Таким образом, отраслевой спектр применения роботизированной плазменной резки является чрезвычайно широким. Ее ключевые преимущества - скорость, универсальность, автоматизация и рентабельность - делают ее одним из ключевых факторов повышения конкурентоспособности машиностроительных предприятий, позволяя эффективно решать задачи как в условиях массового выпуска стандартизированной продукции, так и при изготовлении уникальных, сложных изделий.

Заключение

Проведенный всесторонний анализ технологии роботизированной плазменной резки позволяет сделать ряд ключевых выводов, подтверждающих ее высокую значимость для современного машиностроения.

Установлено, что физические основы плазменно-дуговой резки, базирующиеся на использовании высокотемпературной сжатой дуги, обеспечивают ей существенные преимущества перед традиционными методами, такими как кислородная резка. К ним относятся возможность обработки широкого спектра токопроводящих материалов, высокая скорость обработки тонких и средних листов, а также получение реза с удовлетворительным качеством кромки.

Сравнительная оценка технологии демонстрирует ее конкурентные позиции. В то время как лазерная резка превосходит ее в точности при работе с тонкими материалами, а гидроабразивная - в отсутствии термического воздействия, воздушно-плазменная резка остается одним из наиболее экономически эффективных и универсальных способов термической раздеки металлов, особенно в условиях крупносерийного и мелкосерийного производства.

Историческое развитие и интеграция с цифровыми системами управления (ЧПУ), CAD/CAM-технологиями и промышленной робототехникой стали катализатором качественного скачка. Современные роботизированные плазморежущие комплексы превратились в высокоавтоматизированные гибкие производственные ячейки, способные выполнять сложные пространственные резы с минимальным вмешательством человека, что обеспечивает высочайшую повторяемость и геометрическую точность.

Особенно ярко эти преимущества реализуются в такой высокотехнологичной отрасли, как кораблестроение. Применение роботизированной плазменной резки для раскроя корпусных сталей и сплавов позволяет строго соблюдать жесткие требования к качеству кромок, что напрямую влияет на прочность и усталостную долговечность последующих сварных соединений, являющихся основой конструкции судна.

Таким образом, технология роботизированной плазменной резки представляет собой зрелое, экономически оправданное и технически эффективное решение. Ее дальнейшее развитие связано с повышением мощности и стабильности плазменной дуги, увеличением точности позиционирования роботов и углублением интеграции в системы сквозного цифрового проектирования и управления производством (CALS-технологии), что гарантирует ее востребованность в обозримом будущем.

Список использованных источников:

1. Васильев К. В. Современные задачи и перспективы развития плазменно-дуговой резки // Труды Международной конференции «ЭЛТЕХ-2001». — СПб., 2001. — С. 27–29.

2. Васильев К. В. Плазменно-дуговая резка - перспективный способ термической резки // Сварочное производство. — 2002. — № 9. — С. 26–28.

3. Горяинов Д. В. Достоинства плазменной резки металла // Территория Нефтегаз. — 2011. — № 5. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/dostoinstva-plazmennoy-rezki-metalla

4. Овчинников В. В. Технология ручной дуговой и плазменной сварки и резки металлов: учебник. — 5-е изд. — М.: Академия, 2016. — 240 с.

5. Полевой Г. В., Сухипин Г. К. Газопламенная обработка металлов. — М.: Академия, 2005. — 336 с.

Код для цитирования: Скопировать