ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

Воздушно-плазменная и кислородно-плазменная резка

Работы по совершенствованию плазменной резки с использованием сжатого воздуха проводились в начале 60-х годов в СССР, США. Японий, ГДР и Франции. Решалась задача благодаря применению воздуха умень­шить производственные затраты, связанные с высокой стоимостью арго­на. водорода, гелия. При этом в случае использования воздуха большое

значение придавалось отсутствию или незначительному появлению грата. С учетом высоких рабочих скоростей плазменной резки, низких энерго­затрат и незначительной ширины реза созданы необходимые предпосылки для ее широкого распространения. При этом особенно важна возможность механизации и автоматизации процесса.

Разработки и исследования резки сталей кислородосодержащими плазмообразующими средами, проведенные отечественными и зарубежны­ми исследователями, показали высокую эффективность применения этих газов для плазменной резки. Возможность широкого применения воздуха и кислорода в чистом виде (а также в смеси с другими газами) появилась после разработки катодов из циркония и гафния, на поверхности которых в процессе резки в кислородосодержащих средах образуется окисная плен­ка. Температура плавления этой пленки выше, чем основного металла. Она предохраняет катод от быстрого разрушения.

Проникающая способность воздушной плазмы более высокая, чем у азота, так как содержащийся в составе воздуха кислород обладает высо­ким теплосодержанием и, кроме того, он (вследствие взаимодействия с расплавленным металлом и протекания термохимических реакций) окис­ляет металл с выделением значительной тепловой энергии. Продукты окисления и часть неокисленного металла выносятся из полости реза. Ха­рактерными при этом являются заметное сокращение ширины реза и уменьшение скоса кромок, что является высоким критерием оценки ка­чества процесса резки.

Важнейшей технико-экономической характеристикой процесса воздуш­но-плазменной резки является производительность, которая определяется интенсивностью выплавления металла и зависит от совершенства при­меняемого оборудования, условий организации труда.

Если в ранние периоды развития плазменной резки технологические процессы приспосабливались к характеристикам электрических дуг, то в период широкого развития — технические параметры плазменной резки приспосабливают к технологическим процессам, т. е. создаются специали­зированные источники питания с заранее заданными характеристиками. Электрическая дуга превратилась в новый источник тепла с широким диапазоном изменения основных параметров.

Применение источников питания, обеспечивающих повышенное напря­жение дуги, а также плазмотронов с вихревой стабилизацией газа поз­волило увеличить расход плазмообразующего газа и повысить мощ­ность дугового разряда. Поскольку сжатый воздух — дешевый и исполь­зуется прямо из магистрали цеха, то его расход ничем не лимитируется. За счет увеличения расхода воздуха рабочее напряжение столба плазмен­ной дуги значительно возросло.

В ранние периоды развития плазменной резки мощность дуги при низ­ких напряжениях источника тока обеспечивалась только за счет увеличе­ния силы тока при относительно низких расходах плазмообразующего га­за. При этом, чтобы получить необходимую мощность дуги за счет увели­чения тока, требовалось увеличение диаметра канала сопла. Ширина реза увеличивалась пропорционально величине силы тока. Объем выплавлен­ного металла составлял значительную величину, а необходимая скорость резки при этом не обеспечивалась.

Повышение расхода газа с 0,67 до 1,3-- 2,0 л/с позволило резко увели­чить рабочее напряжение дуги с 60 —100 В до 140—250 В. Повышение мощ­ности дуги при этом обеспечивается за счет возрастания напряжения. Это привело к уменьшению диаметров сопл и повысило концентрацию столба

Рис. 2.15. Зависимость скорости плазменной резки от силы тока (толщина разрезаемой стали 65 мм):

1,2 — воздушно-плазменная резка при размерах сопла: диаметр 3,5 мм, /к = 2,5 мм и диаметр 3,5 мм, <« = = 6,5 мм соответственно; 3, 4 — азотно-плазменная резка при раз­мерах сопла; диаметр 3,5 мм. /к = = 2,5 мм и диаметр 3.5 мм, /„ = = 6,5 мм соответственно

плазменной дуги. Если на существовавшем ранее оборудовании для силы тока 500 А и рабочего напряжения дуги 80 В (мощность 40 кВ-А) необ­ходимо было использовать сопло с диаметром канала 5 мм, то в новых условиях при напряжении 200 В и силе тока 300—350 А (мощность 60—70 кВ-А) оптимальный диаметр сопла составляет 3 мм, т. е. мощность дуги возросла более чем в 1,5 раза при уменьшении сечения канала сопла примерно в 2,5 раза. Проникающая способность дуги возросла, анодное пятно переместилось в глубь полости реза, увеличилась возможность резки металла больших толщин на повышенных скоростях.

При этих условиях особенно эффективным стал процесс резки в кисло­родосодержащих смесях с использованием воздуха (рис. 2.15).

При использовании технического воздуха появился и отрицательно влияющий на процесс плазменной резки фактор — это наличие влаги в составе воздуха. Присутствие влаги в катодном пространстве (в полости сопла) вызывает возникновение серии мелких замыканий электрод — соп­ло — разрезаемый металл, появление мелких дуговых разрядов, которые происходят чаще всего в момент возбуждения дуги при выходе на рабо­чий режим резки. При наличии влажного воздуха не всегда удается воз­будить рабочую дугу с одного раза. При этом на наиболее близко располо­женных друг к другу участках электрода и сопла происходит выплавле­ние меди в виде эрозии и образование отдельных наплывов расплавлен­ного металла, которые могут вызвать уменьшение гарантированного зазора между электродом и соплом и привести к полному разрушению последних, вследствие возникновения при уменьшенном зазоре между электродом и соплом мощной двойной дуги.

Если даже не произойдет полного разрушения электрода и сопла, то возникающая серия мелких электродуговых разрядов приводит к оплавле­нию нижнего торца сопла, изменению формы его канала, что безусловно отрицательно сказывается на качестве реза, возникновении грата на кром­ках и на снижении скорости плазменной резки.

Учитывая изложенное, сжатый воздух, поступающий на резку из ма­гистрали цеха, должен быть осушен от влаги, не должен содержать масла и твердых частиц.

При обеспечении необходимого качества воздуха и надежной аппарату­ры для плазменной резки возбуждение дуги и рабочий процесс резки при использовании воздуха не вызывают каких-либо трудностей. При силе тока до 300 А и напряжении 150—200 В гарантирована достаточно высокая ■бойкость электродов и сопл. Расход их при хорошем качестве изготовле­ния составляет примерно 2 шт. в смену.

В отличие от воздуха кислород в качестве плазмообразующего газа делает процесс резки менее стабильным, особенно при возбуждении дуги и в момент переходного режима на рабочие параметры резки. Двойная дуга возникает значительно чаше, чем при использовании сухого воздуха. Возникновение двойной дуги приводит к оплавлениям сопла, а иногда и к выгоранию всего катодно-соплового узла.

Стойкость электродов при использовании кислорода более низкая (в те­чение смены расходуется от трех до пяти электродов). Сгорание электрода очень чаето приводит одновременно к повреждению и замене сопла. Для предупреждения полного разрушения электрода необходимо своевремен­но заменять его на новый.

Если в случае применения азота допустимо использование плазмотро­нов с аксиальной подачей газа, то при применении воздуха, и особенно кислорода, процесс плазменной резки указанными плазмотронами не­возможен вследствие его нестабильности и неустойчивости. Для получения сконцентрированного столба дуги для воздушно - и кислородно-плазменной резки применяются плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги. Завих­ренный плазмообразующий газ обеспечивает надежность работы плазмо­трона, повышает стабильность процесса резки, стойкость электрода и сопла, а также улучшает качество кромок реза (безгратовая резка). Резка с использованием воздуха и кислорода осуществляется при давле ниях 0,3—0,5 МПа. Давление газа зависит от сечений каналов завихри теля плазмотрона. Например, чтобы обеспечить оптимальный расход газа на плазмотроне ПВР-1, требуется давление не более 0,3 МПа, а на плазмо­троне ПМР-74—0,45—0,5 МПа.

На процесс плазменной резки оказывает влияние большое количество различных технологических факторов, втом числе: расход плазмообразую­щей среды, скорость ее истечения из сопла, диаметр и длина канала сопла, сила тока и напряжение режущей дуги и другие. Большинство из них влияет на качественные показатели плазменной резки: ширину реза; величину скоса кромок; шероховатость кромок и наличие грата; величину тепловых деформаций, связанных с напряжениями в кромках реза; струк­турные и химические изменения металла; изменения механических свойств металла кромок. Ниже рассматривается влияние расхода плазмообразую­щего газа и скорости его истечения на качество плазменной резки.

Для плазменной резки использовались воздух и кислород, толщина раз резаемой стали 7 мм. Повышение расхода газа достигалось за счет уве личения давления. Увеличение скорости истечения газа при заданном рас ходе обеспечивалось за счет уменьшения канавок завичрителя газа при одновременном увеличении давления. Завихритель газа в плазмотроне использовался с шестью спирально расположенными каналами с правой нарезкой. Конструктивные размеры завихрителей, применявшихся при исследованиях, приведены в табл. 2.2. Завихрители № 1—№ 5 были рассчитаны для использования с диаметром канала сопла не более 3 мм (сечение 7,065 мм2); завихрители № 6—№ 9 были предназначены для сопла с диаметром канала не меиее 3,5 мм (сечение 9,6 мм2). Общее сече­ние всех шести канавок завихрителя меньше сечения канала сопла. Такое условие обеспечивает хорошее завихрение газа, так как исключает подпор газа в полости сопла. Плазмотроны типа ПВР-402 имеют завихритель, общее сечение каналов которого больше, чем сечение канала сопла. Вследствие подпора газа, образующегося в полости сопла, происходит некоторое ослабление вихря. В связи с этим при резке стали таким плазмо­троном вероятность образования грата на кромках возрастает.

Чтобы обеспечить процесс резки при высоких давлениях газа, при по­вышенных скоростях истечения и стабильном возбуждении дуги, были ис­пользованы завихрители с малым сечением каналов (например, завихри - тель № 5, который позволяет возбудить дугу на стандартном оборудова­нии при использовании сопла с диаметром канала 1 мм).

При сборке плазмотрона стремились создать надежное уплотнение между завихрителем и корпусом для того, чтобы газ в полость сопла посту­пал только по завихряющим каналам. Из табл. 2.3 следует, что при увели­чении расхода плазмообразующего газа напряжение на дуге и проплав­ляющая способность столба дуги увеличиваются и, следовательно, умень­шается средний скос кромок.

При использовании кислорода ширина реза и скос кромок при тех же расходах, что и при применении воздуха, увеличиваются (рис. 2.16). Верхняя иромка (вследствие интенсивного окисления металла) скруглена, поэтому кажется, что величина скоса больше, чем есть на самом деле.

При использовании завихрителей с различными сечениями завихряю - щнх каналов установлено, что при одном и том же расходе газа с умень­шением сечения каналов (что приводит к увеличению скорости истечения газа) напряжение на дуге понижается, столб дуги увеличивается в объеме, ширина реза и скос кромок увеличиваются (рис. 2.17). Исследования показали, что при большой скорости вихря (завихрители № 4, № 5) при достаточном расходе газа 1,0—1,3 л/с грат на кромках никогда не наблю­дался. Для уменьшения ширины реза повышалась концентрация энергии за счет обжатия столба дуги. При одном расходе газа использовались соп­ла разных диаметров. Оптимальная величина расхода газа определялась пропускной способностью наименьшего сопла. Из табл. 2.3 следует, что уменьшение диаметра сопла сказалось не только на снижении ширины ре­за, но также и скоса кромок. При диаметре канала 3 мм и расходе воздуха 0,67 л/с ширина реза по верхней кромке 5,8 мм, а по нижней — 2 мм, сред­няя величина скоса на кромку составила 1,9 мм. В этом случае явно недос­таточен расход воздуха. В том же режиме при расходе воздуха 1,33 л/с средняя величина скоса 1,35 мм. При диаметре канала сопла 1 мм и макси­мальном расходе воздуха для данных условий 0,66 л/с ширина реза умень­шилась до 2,5 мм по верхней плоскости листа, а средняя величина скоса — до 0,55 мм.

На ширину реза и величину скоса влияют не только диаметр канала сопла, но также конструкция плазмотрона, плазменная установка, способ­ные обеспечить самые благоприятные условия для возбуждения и под-

•________ — плазмообразующий газ воз­дух; _0 — плазмообразующий газ

кислород

держания стабильного процесса плазменной резки. Во ВНИИавтогенмаше і акая установка разработана и позволяет производить воздушно-плазмен­ную резку листового металла толщиной от 1 до 6 мм при силе тока 5—50 А 191]. При минимальном диаметре канала сопла 0,4 мм на алюминии тол­щиной 1 мм при силе тока 5 А получена ширина реза по верхней плос­кости листа 0,9 мм, по нижней — 0,5 мм, т. е. скос на кромку составляет 0,2 мм. На низкоуглеродистой стали толщиной 1 мм, при силе тока 20 А, скорости резки 100 мм/с ширина реза составила соответственно 1,3 и 0,5 мм, скос кромок — 0,4 мм. Для той же марки стали толщиной 6 мм при силе тока 80 А, скорости резки 66,0 мм/с, расходе воздуха 0,2—0,25 л/с ши­рина реза составила 2,5 и 0,8 мм, а скос кромок — 0,85 мм.

Скос кромок реза на алюминии в зависимости от толщины листа может быть в пределах от 0 до 0,6 мм. При резке на максимальных скоростях грат на кромках отсутствует.

Эффективность резки при малых токах с использованием воздуха ока­залась очень высокой. Стойкость электрода возросла до 20 ч. Недостатком в использовании малоамперной дуги является то, что при этом процессе повышаются требования к соблюдению заданных значений тока, расстоя­нию между плазмотроном и разрезаемым листом. Незначительные откло­нения от установленных параметров приводят к нарушению устойчивости процесса резки, изменению ширины реза и размеров деталей.

Величина скоса кромок не является стабильной при одних и тех же ре­жимах. Она зависит от многих факторов. Из-за нарушения формы канала сопла, а также недостаточно качественного электрода и нарушения соос­ности между соплом и электродом плазменная дуга может иметь непра­вильную форму, отличающуюся от формы цилиндра. В связи с этим рез будет различным по ширине, а кромки иметь неодинаковый скос.

Рис. 2.19. Зависимость напряжения на дуге (Д, скорости резки у,,, средней ширины реза Ьр от длины канала сопла /» (диаметр канала сопла 3,5 мм, толщина стали 65 мм, сила тока 380 А, плазмообразующий газ — воздух)

этом минимальной, равной 4 мм.

При увеличении длины ка нала до 6,5 мм эффективность столба плазменной дуги возра­стает, ширина реза по верхней и нижней плоскостям листа примерно одинаковая и состав­ляет 6—6,5 мм. Длина канала сопла не должна превышать определенных пределов. Чрез­мерное увеличение длины ка нала при заданном оптималь ном его диаметре приведет к значительным потерям энергии

На формирование плазменного реза и скорость резки оказывает существенное влияние также рас­стояние между соплом и Электродом. Для того чтобы приблизить сопло и электрод на минимальное расстояние, нижняя часть электрода обраба­тывалась на конус по форме внутренней поверхности сопла.

Минимальное расстояние между торцом электрода и началом канала сопла (с учетом величины зазора 1,5 мм между соплом и электродом) было равно 4,8 мм, напряжение на дуге при этом составляло 158 В. Поскольку электрод приближен к каналу сопла, плазменная дуга выходила из сопла не узким сконцентрированным пучком, а имела заметное расширение. Использовалось сопло диаметром 3,5 мм, с длиной канала 2,5 мм. В резуль­тате ширина реза составила 9,5 мм, а скорость резки была равна 2,6 мм/с (рис. 2.20). При увеличении расстояния между торцом электрода и нача­лом канала сопла до 8,2 мм, т. е примерно на 40 %, напряжение на дуге за счет повышения катодного напряжения увеличилось до 180 В, скорость резки — до 3,6 мм/с, ширина реза уменьшилась до 7,5 мм, расход газа при этом автоматически сократился с 1,6 до 1,3 л/с. При увеличении расстоя­ния между электродом и соплом до 9 мм дугу возбудить не удалось.

На основании проведенных экспериментов следует считать, что на интенсивность процесса плазменной резки, а следовательно, и на форму кромок в значительной степени оказывают влияние конструктивные раз­меры канала сопла, а также расстояние между соплом и электродом. Анализируя полученные данные, можно заметить сходство процессов, происходящих в рассмотренных в п. 2.3 вариантах плазменной резки. Во-первых, в том и другом случае (при увеличении длины канала сопла и удалении сопла от электрода) обеспечивается лучшая фокусировка столба дуги. Во-вторых, высокая кинетическая энергия в дуге в том и другом слу­чае достигается не за счет прохождения большого объема газа, а вслед­ствие увеличения скорости истечения плазмы при повышении давления га­за в полости сопла. В случае использования сопла с удлиненным ка­налом происходит задержка газа в канале сопла и в межэлектродном пространстве. Дуга оказывает более интенсивное воздействие на его иони­зацию, т. е. полнее используются теплофизические свойства газа. В случае увеличения расстояния между электродом и соплом увеличенный отрезок столба дуги, находящийся в полости сопла, создает более интенсивный тепловой обмен с находящимся в прикатодном пространстве газом. Проис­ходит предварительный подогрев газа. Положительное влияние предвари­тельного подогрева газа было отмечено исследователями в работах [10, 88]. Попадая в канал сопла, газ уже имеет начальную температуру, поэтому он легче и полнее ионизируется, обеспечивая высокие тепловые

параметры столба плазменной дуги. В практических условиях использо­вание сопл с удлиненными каналами или увеличение расстояния между электродам и соплом вызывает определенные трудности, связанные с воз­буждением дуги в начальный момент плазменной резки. Для нормальной работы сопел с удлиненным каналом необходимы источники тока, обес­печивающие рабочее напряжение на дуге до 300 В и выше.

При использовании кислородосодержащих смесей (втом числе воздуха или кислорода) не обеспечивается стойкость катодов при больших токах 500—600 А, которые необходимы для резки металла толщиной 80—100 мм. Целесообразность использования в прикатодной зоне азота, по-видимому, в данном случае должна быть более предпочтительна, так как стойкость вольфрамового электрода при указанных токах значительно выше. С этой целью проводились эксперименты при раздельной подаче азота в прикатод - ную зону, а кислорода в канал сопла. Толщина разрезаемой стали была равна 65 мм, использовалось двойное сопло (см. рис. 2.14).

Полученные результаты показали, что при раздельной подаче газа, азо­та и кислорода скорость резки оказалась ниже, чем при использовании азота (табл. 2.4). Теплоэнергетические свойства кислорода не проявились, наоборот, он явился балластом и охладил дугу. Окислительная способ­ность кислорода сказалась лишь на изменении ширины реза, которая увеличилась с 9 до 12 мм. При использовании воздуха, в состав которого входят азот и кислород, при том же значении силы тока скорость резки оказалась в 2,4 раза выше, чем с раздельной подачей этих газов.

В работе [ 16] приводятся другие данные, указывающие на то, что если кислород не смешивать с азотом и подавать его раздельно в канал сопла, то скорость резки увеличивается с увеличением доли кислорода до 20 %, а затем рост ее практически прекращается. По-видимому, результат использования кислорода (как добавки к азоту) при раздельной подаче во многом зависит от конструктивных особенностей сопла, а также от общей величины расходов азота и кислорода.

При совместной подаче кислорода и азота непосредственно в катодную лону эффективность использования кислородно-азотной смеси возрастает. При этом скорость резки находится в прямой зависимости от увеличения доли кислорода в этой смеси. В данном случае значительно улучшается качество кромок, уменьшается величина скоса, натеки и грат на кромках отсутствуют.

Увеличение доли кислорода в азотно-кислородной плазме приводит к значительному увеличению скорости резки при сохранении постоянной мощности дуги не только простых углеродистых сталей, но и сталей корро­зионностойких, т. е. типа 1Х18Н9 [16].

В проведенных исследованиях [66] Отмечается, что оптимальным содержанием кислорода в кислородно-азотной смеси следует считать зна­чение, равное 60—65 %. При таком содержании кислорода скорость резки по сравнению с воздушной плазмой возрастает в 1,5 раза, причем обеспечивается удовлетворительная стойкость катодов. При увеличении доли кислорода в смеси более 60—65 % резко возрастает износ цирконие­вых и гафниевых катодов.

Повышенная производительность плазменной резки при сохранении преимуществ, свойственных воздушно-плазменной резке, обеспечивается применением для стабилизации режущей дуги сжатого воздуха, обога­щенного кислородом в селективно-диффузионном устройстве. Последнее имеет две полости, разделенные полимерной мембраной. В качестве материала мембраны используют вещество с асимметричной газопрони­цаемостью (достаточно высокой по отношению к кислороду и меньшей — к азоту). В селективно-диффузионном устройстве, примененном в данном исследовании, использовали анизотропную мембрану из поливинилтри - метилсилана.

Установка для плазменной резки была снабжена узлом обогащения, размещенным перед режущим плазмотроном. Для ее работы не требо­валось применения сжатых газов в баллонах, а достаточно было исполь­зовать обычный сжатый воздух, получаемый в компрессорных устрой­ствах и распределяемый по заводским магистралям.

Для обеспечения длительного срока службы мембраны необходимо было, чтобы сжатый воздух не был загрязнен маслом и влагой.

В установку подавали чистый осушенный воздух под давлением 3,0 МПа, на выходе из установки получали обогащенную кислородом азотно-кислородную смесь, которая использовалась для плазменной резки.

С целью повышения эффективности процесса плазменной резки за счет термохимических реакций кислорода была опробована воздушно­плазменная резка сталей толщиной 50—80 мм с поддувом в полость реза кислорода, так как при повышенных скоростях резки при силе тока в пре­делах 300 А прорезание металла, например, толщиной 65 мм затруднено. Дуга проникает только на половину толщины листа, далее проплавление идет за счет разогретого газа, кинетическая энергия и температура кото­рого быстро уменьшаются. При этом рез в нижней части расширяется, получается отставание реза в нижней части листа относительно верхней на 50 мм и более.

При использовании устройства (рис. 2.21) струя кислорода направля­лась с помощью внутреннего газорезательного мундштука на наиболее нагретый участок в полости реза под углом 30—40°. Предполагалось, что расплавленная сталь будет сгорать в струе чистого кислорода, т. е. верхняя часть листа будет прорезаться за счет энергии столба дуги и энер­гии анодного пятна, а вторая нижняя часть толщины листа — за счет

Рис. 2.21. Схема устройства для дополнительной подачи кислорода а нижнюю часть полости реза при плазменной резке

кислорода. Однако этого не прои­зошло. Струя кислорода охлаждала разогретый плазменной дугой металл и, наоборот, затрудняла процесс резки плазмой. По-видимому, кис­

лород смешивался с плазмообразую­щим воздухом и загрязнялся, поэ­тому резки не получилось.

Тот же эксперимент был повто­рен при использовании в качестве плазмообразующего газа кислорода. Казалось бы, загрязнения подавае­мого кислорода в полость реза не

происходит. Тем не менее процесса

резки за счет сгорания металла

в кислороде не получилось. С по­

мощью указанного на рис. 2.21 устройства мундштук, через который подавался кислород, устанавливался вертикально, а резак — наклонно, под углом примерно в 45°. Использовался плазмообразующий газ — кислород. Предполагалось произвести прямолинейную резку подаваемым через мундштук кислородом, начиная с кромки листа, а кислородную плазму использовать в качестве источника нагрева поверхностных слоев стали. В связи с этим сила тока плазменной дуги не превышала 200 А. Как и в первом случае, разогретый металл охлаждался подаваемой струей кислорода. При остановке машины иногда происходило прорезание листа, но металл разбрызгивался и реза не получалось. Причиной, которая

не позволила выполнить процесс резки, являлось все то же загряз­

нение кислорода воздухом, который инжектировался струей кисло­рода и струен плазмы из воздуха в зону резки.

То же самое происходило, когда для кислородно-плазменной резки был применен резак с двойным соплом (см. рис, 2.14).

Вспомогательный кислород подавался через радиально расположен­ные каналы в наружном сопле. Сечение каналов было увеличено, расход кислорода составлял 0,5—0,6 л/с. Плазма использовалась также в каче­стве источника нагрева, расход плазмообразующего кислорода был равен 1,16 л/с. Скорость резки при этом уменьшилась, а ширина реза увеличи­лась до 15 мм.

Уже отмечалось, что эффективность плазменной резки металлов в значительной мере определяется энергетическими параметрами потока плазмы, в первую очередь его тепловой мощностью, температурой, ско­ростью и плотностью, которые зависят от электрических параметров столба дуги. Мощность плазмотрона может быть повышена за счет'увеличения или рабочего тока, или рабочего напряжения дуги. Для получения макси­мальных удельного теплового потока и его скорости повышение мощности следует осуществлять за счет увеличения рабочего напряжения дуги. При этом условия работы электрода и сопла менее тяжелые, ресурс их работы больше, меньше ширина реза, лучше его качество.

Для работы с высокими рабочими напряжениями необходимы спе­циальные источники питания дуги. Такие источники мощностью до 100—

Ряс. 2.22. Изменение скорости резки коррозионно - стойкой стали в зависимости от толщины листа

200 кВт с рабочим током до 350— 400 А, напряжением на дуге до 300— 350 В были созданы в Кишиневском политехническом институте им. С. Лазо и в ПО «Молдавгидромаш» [44].

Разработанный в этих организациях плазмотрон имеет полый медный элек­трод. Опорное пятно дуги под действием газодинамических и электромагнитных сил интенсивно перемещается по внут­ренней поверхности полого электрода. Этим достигается высокая эрозионная стойкость, которая превышает в несколько раз стойкость обычных мед­ных электродов с циркониевой или гафниевой вставкой. Полый медный электрод может работать в «холодном» режиме как при прямой, так и при обратной полярности. Испытаниями установлено [44], что для плазмотронов с медными электродами при их работе на обратной поляр­ности случайное возникновение двойной дуги не является аварийным режимом. Плазмотрон не выходит из строя, и резка не прекращается, так как под действием аэродинамических сил внешняя дуга растяги­вается и гаснет. Важнейшей особенностью плазмотрона с полым медным электродом, работающего на воздухе, является более высокая электри­ческая мощность, получаемая за счет увеличения рабочего напряже­ния дуги. На рис. 2.22 приведена зависимость изменения скорости резки от толщины листа. Процесс резки осуществлялся при мощности дуги 60—100 кВт, поэтому график представлен в виде зоны, верхний предел которой соответствует максимальной мощности, а нижний — минималь­ной. При оптимальных параметрах режимов работы плазмотрона ка­чество резов получается хорошим. Поверхность реза обычно ровная и чистая, без грата и наплывов на нижней кромке. Величина скоса здесь меньше, чем при резке обычными плазмотронами. Снижение скоса кромок достигается за счет высокого рабочего напряжения, повышаю­щего проникающую способность столба дуги. Ширина реза при силе тока 200—250 А находится в пределах 4—6 мм и при силе тока 300— 350 А — 7—8 мм. Например, резку углеродистой стали толщиной 150 мм осуществляли при силе тока 300 А, рабочем напряжении 350 В, расходе воздуха около 2 л/с, диаметре сопла 4 мм. При этом скорость резки была 1,6—1,8 мм/с, ширина реза 7—8 мм и процесс резки осущест­влялся без каких-либо затруднений с полным прорезанием металла. При обычных существующих способах резки для выполнения реза на металле такой толщины требуется по меньшей мере увеличение мощности дуги в

1,5— 2 раза, причем трудно обеспечить надежное прорезание на всю тол­щину листа и ширина реза значительно возрастет.