ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

Плазменная резка с использованием воды

Плазменная резка с использованием воды находит все большее при­менение. Вода имеет следующие преимущества: во-первых, улучшает гигиенические условия труда рабочих, во-вторых, обеспечивает повышение качества кромок вырезаемых деталей, в-третьих, при плазменной резке с

использованием воды уменьшаются тепловые деформации деталей. Кроме того, при определенных условиях применение воды для плазменной резки обеспечивает высокую концентрацию энергии и увеличение скорости резки.

В зависимости от поставленной цели плазменную резку с использова­нием воды можно разделить на три основных способа: 1) резка металла, погруженного или полупогруженного в водяную ванну; 2) использование воды в качестве плазмообразующей среды (водоэлектрическая резка); 3) подача небольшого количества воды в столб плазмы.

Способ резки с погружением разрезаемого листа в воду позволяет уменьшить до минимума вредные газы (озон, окислы азота), исключить полностью обильно выделяющийся дым и аэрозоли. Металл и шлак, вы­плавляемые из полости реза, попадают в воду и в виде мелких частичек и капель оседают на дно ванны. Разновидность этого способа заключается в создании дополнительного водяного экрана вокруг плазменной дуги. В этом случае разрезаемый лист обычно полупогружен в водяную ванну. Плотный водяной экран вокруг плазмы создается за счет специальной насадки, закрепленной на плазмотроне. При резке коррозионно-стойкой стали толщиной 12,7 мм дугой мощностью 65 кВт на расстоянии 1,83 м от плазмотрона при обычных условиях величина шума достигала 108 Дб. В случае экранизации защитными средствами (металлическим кожухом) шум уменьшился до 101 Дб. При экранизации за счет мощного водяного потока (расход воды до 1,2 л/с) шум уменьшился до 15 Дб, т. е стал значи­тельно ниже установленных норм. При снижении расхода воды до 0, 6 л/с интенсивность шума значительно повысилась (до 93 Дб). С помощью сис­темы «Вота Тейбл» (Water Table) (стол, заполненный водой) удается отвести 99,5 % выделяющихся газов (96]. Грат и расплавленный металл при этом собирают в резервуар, наполненный проточной водой.

При исследовании плазменной резки сталей толщиной 30—60 мм и более была проведена экспериментальная проверка их резки в воде, а также с водяной завесой, создаваемой вокруг столба плазменной дуги. Резка выполнялась плазмотроном ПМР-74 (см. рис. 2.13). Для создания водяного экрана было изготовлено спе­циальное устройство, которое устанав­ливалось на плазмотрон. Устройство для создания водяного экрана и схема резки показаны на рис. 2.23.

После возбуждения режущей дуги и начала резки включалась вода, пода-ваемая в насадку, которая созда­вала экран вокруг плазменной дуги.

Прорезая стальной лист, столб плазмы уходил в воду. При выключенной венти­ляции дым, пыль, аэрозоль не выде­лялись. Все поглощалось водой. При этом высокочастотный шум от плазмен­ной резки несколько уменьшался. Пре­обладал шум от булькания воды.

Согласно работе [95] для эффек­тивного снижения шума требуется

Рнс. 2.23. Устройство, предназначенное для созданяя водяного экрана, и схема резкн

расход воды 1,2 л/с. На самом деле был обеспечен расход только 0,2 л/с, так как магистраль не была рассчитана на большую подачу воды. Излишки воды сливались через патрубок, находящийся в верхней части бака, а за­тем в канализацию. Поверхность разрезаемого листа находилась на уров­не поверхности зеркала воды или выступала из воды на 5—6 мм. Режимы резки приведены в табл. 2.5.

Резка производилась на предельных скоростях. Из таблицы следует, что напряжение режущей дуги по сравнению с обычной резкой несколько понизилось. Соответственно на 15—30 % уменьшились скорости резки. Сказалось охлаждающее действие воды. При резке в воду с защитным водяным экраном скорость снизилась значительнее. При обоих способах резки получено хорошее качество кромок. Рез на всю глубину ровный и без оплавления кромок, но имеет некоторое расширение книзу при толщине металла более 40 мм. В случае, когда толщина металла составила 65 мм, ширина реза уменьшилась по верхней кромке на 1,0—1,5 мм и составила

4,5— 6 мм, по нижней кромке — 7,3 мм. В полости реза видны прилипшие капли металла и шероховатость поверхности кромок увеличилась. На пер­вый взгляд можно предположить, что была недостаточной скорость резки, поэтому в нижней части рез оказался более широким. Однако это не так, так как имелось отставание реза по нижней плоскости листа относительно поверхности на 15 мм. Увеличение ширины реза в нижней части толщины металла можно объяснить только влиянием и взаимодействием воды при ее диссоциации на кислород и водород, а также плотностью среды (воды), препятствующей выходу столба дуги вниз (под лист) из полости реза. Внешний вид поверхности реза серебристый, не окисленный. Однако на нижних кромках листд толщиной 65 мм большой металлический грат сви­сает в виде гирлянды до 50,0 мм, на меньших толщинах он соответственно значительно меньше. Грат сравнительно легко удаляется ударом молотка. Другим недостатком является некоторое увеличение шероховатости. Штрихи расположены ближе к верхней и нижней кромкам, глубина их достигает 0,2 мм. Процесс резки полупогруженного металла проходил устойчиво и может быть использован для вырезки деталей на машинах, индивидуально оснащенных водяным столом.

При резке заготовки, погруженной от поверхности воды даже на глу­бину 20—30 мм, возбудить дугу не удалось. В этом случае возбуждение рабочей дуги производилось вне воды, затем разрезался наклонный лист, уходящий одним краем в воду. В процессе резки плазмотрон заглублял - <±я на 30—40 мм. Процесс проходил устойчиво, но имели место при этом сильное разбрызгивание и испарение воды.

Для того чтобы осуществить резку листа, полностью погруженного в воду, необходима аппаратура, обеспечивающая поддержание дежурной малоамперной дуги, т. е. необходим аргон. При погружении плазмотрона в воду до разрезаемого металла дежурная дуга вызывает возбуждение ос­новной дуги, при этом включается рабочий газ, а аргон отключается. Рез­ка металла, полностью погруженного в воду, способствует устранению вредных выделений от плазменной резки, уменьшается шум, не требуется защитных средств от яркого излучения дуги, обеспечивается защита окру­жающей среды. Недостатком указанного способа резки является сниже­ние производительности резки или (при повышении мощности плазменной дуги) дополнительный расход электроэнергии. Другой недостаток — труд­ность осуществления контроля за ведением процесса резки.

Плазменная резка со стабилизацией плазменной дуги водой (водо­электрическая) применяется для резки различных металлов и сплавов. В плазмотроне с водяной стабилизацией дуги обеспечивается завихрение воды с помощью канала, ограниченного двумя соплами. При этом исполь­зуется только вода, газ в плазмотрон не подается. Кромки сопла защи­щены от теплового воздействия дуги с помощью тонкой водяной пленки. Вода является наилучшей средой для резки цветных металлов и высоко­легированных сталей больших толщин. Вода в дуге диссоциирует на кислород и водород, а затем на атомарный кислород и водород [75]. Кон­центрация водорода и кислорода в столбе дуги оптимальная, т. е. такая, при которой получается наилучшее качество реза при высокой произво­дительности резки.

Теплоизоляционные свойства воды более высокие, чем у газов, так как между столбом дуги и слоем воды, непосредственно прилегающим к внут­ренним стенкам сопла, образуется постоянно обновляемая паровая про­слойка, на образование которой расходуется большая часть тепла дуги, отходящего в радиальных направлениях от столба дуги. В связи с этим, подобрав соответствующий расход воды, можно создать на внутренней стенке сопла водяную прослойку. Стабилизация столба дуги и его изоляция от стенок сопла осуществляются водой. Поэтому допустимые нагрузки для одного и того же диаметра сопла, ограничивающего столб плазменной ду­ги, в несколько раз выше, что можно проиллюстрировать следующими дан­ными:

Диаметр сопла, мм................................................... 3 4 5 6

Допустимый ток, А:

при газоэлектрической резке.... 360 400—480 600 750

при водоэлектрической » . . . . 900 1200 — —

Применение сопла менее 3 мм невозможно ввиду того, что для зажига­ния водоэлектрической дуги используется алюминиевая проволока диамет­ром 1,5 мм и при меньших диаметрах сопла истечение воды нарушается в момент зажигания дуги.

. Резы, выполненные плазменной резкой с использованием воды, отли­чаются высоким качеством кромок, которые имеют незначительный скос, металлический блеск, т. е. выгорания с поверхности кромок наиболее ак­тивных элементов разрезаемого металла не происходит. Металл сохра­няет естественный, свойственный ему цвет. На кромках несколько увели­чены бороздки, но они имеют плавные переходы от гребешка к впадине.

Недостатком водоэлектрической резки является сложность возбужде­ния дуги и начала процесса. Применяется графитовый электрод, который быстро расходуется. В связи с этим необходимо для вертикального пере­мещения графитового электрода в направлении сопла в процессе резки дополнительное устройство. Все это делает процесс недостаточно техно­логичным и надежным. Его нельзя пока использовать на машинах с программным управлением. Процесс водоэлектрической резки при соот­ветствующем усовершенствовании аппаратуры может найти более широ­кое применение.

Плазменная резка с подачей небольшого количества воды в плазму, чаще всего в азотную и воздушную, находит более широкое применение.

Зарубежными фирмами при этом способе резки в качестве основного газа чаще всего используется азот, в нашей стране — азот и воздух. Подвод воды в столб дуги осуществляют различными способами. Вода мо­жет направляться радиально в столб плазменной дуги ниже среза сопла. При этом расход, скоростной напор водяных струй, а также угол атаки радиально направленных струй воды могут быть разными. В этих услови­ях вода охлаждает и ограничивает столб плазмы, который при выходе из сопла стремится расшириться. Вода под действием высокой темпера­туры не может продиссоциировать так полно и проявить свои свойства в том объеме, как при водоэлектрическом способе резки, при котором она подвергается термическому влиянию высокотемпературной дуги в замкну­том объеме полости и канала сопла.

В СССР и некоторыми зарубежными фирмами разработаны специаль­ные конструкции плазмотронов, которые позволяют более полно исполь­зовать ценные свойства воды. Поскольку воду нельзя подать вместе с плаз­мообразующим газом в катодное пространство, так как это приводит к разрушению электрода и сопла, то ее подают отдельно: газ в полость сопла, а воду в канал сопла. В канале сопла под воздействием высоких темпера­тур происходит ее интенсивное испарение, т. е. диссоциация на водород и кислород. При испарении 1 см3 воды образуется около 1700 cmj водяного пара. Плазменная дуга уплотняется, удлиняется и стабилизируется. Кроме того, увеличивается движущая масса, которая обеспечивает лучший пере­нос энергии и служит для удаления расплавленного металла и шлака из полости реза.

Из многочисленных литературных данных, опубликованных в работах [31, 75, 78, 79, 95, 96, 104], известно, что применение воды для плазменной резки или добавка ее в небольших количествах к плазмообразующему газу в значительной степени улучшает качество кромок, уменьшает их скос, снижает тепловые деформации металла.

Для обеспечения плазменной резки с использованием воды был усовер­шенствован ранее разработанный в НПО «Ритм» плазмотрон типа ПМР-74 (рис. 2. 24). Без каких-либо существенных переделок в плазмотрон введено дополнительное наружное сопло (насадка), которое сопряжено внутренней конусной поверхностью с основным соплом. На внутренней и наружной поверхности сопла имеются пазы для прохода воды в зону дуги (рис. 2. 25). Использование такого сопла позволяет подавать воду внутрь общего кана­ла, образованного совмещением двух сопел, и концентрично столбу дуги, создавая вокруг нее водяную завесу.

Внутрь канала вода подается с завихрением по часовой стрелке, т. е. в том же направлении, что и завихрение газа. Попытки изменить завихре­ние на противоположное или направить воду по радиально расположенным каналам приводили к ослаблению вихревого потока воздуха, вследствие

а — для обычной плазменной резки; 6 — для воздушно-водяной плазменной резки

Рис. 2.26. Дополнительное наружное сопло- насадка

чего на кромках деталей увеличивал­ся грат. В целях уменьшения влия­ния кольцевого потока воды, созда­ваемого вокруг столба плазмы, на завихрение газа сопло-насадка на нижнем срезе выполнено в виде ци­линдра. Такая конструкция сопла ис­ключает пересечение струй воды кольцевого потока со столбом плаз­менной дуги. Струи воды направлены параллельно столбу дуги или не­сколько расходятся под давлением

выходящего из сопла газа, образуя перевернутый конус. Попытки на­править воду непосредственно в столб дуги ниже среза сопла (в этом слу­чае сопло-насадка не имело цилиндрической части) привели при резке сталей к образованию на кромках трудно удаляемого грата.

В процессе резки использование рассмотренной конструкции сопла соз­дает двойной эффект. Вода, поступающая внутрь канала сопла, частично испаряется, диссоциирует на водород и кислород, которые, смешиваясь с основным плазмообразующим газом, создают комбинированную высоко­эффективную газовую среду. Кроме того, вода обжимает и уплотняет дугу в канале сопла, обеспечивая более высокие энергетические характеристи­ки.

Проникающая способность дуги заметно возрастает, на что указывает уменьшение скосов кромок, полученных при этом способе резки.

Вода, поступающая концентрично столбу дуги, также частично испа­ряется. и создает вокруг дуги водопаровую завесу, ограничивая доступ атмосферного воздуха в зону дуги. Выделяющиеся в процессе резки вред­ные испарения металлов и газы частично осаждаются водой. Исследования показали, что их концентрация по сравнению с обычной воздушно-плаз - менной резкой уменьшилась в два раза. Шум при использовании данной конструкции сопла снизился примерно на 5—8 Дб.

Применение воздушно-водяной плазменной резки позволило также уменьшить газонасыщение кромок, создаваемое за счет взаимодействия высокотемпературного столба дуги с разрезаемой углеродистой и низколе­гированной сталью. Особенно это газонасыщение проявилось при исполь­зовании воздушной плазмы и привело к образованию пористости в свар­ных швах, выполненных по этим кромкам.

Расход воды при использовании двойного сопла может регулироваться за счет уменьшения или увеличения давления воды, подаваемой в полость сопла для охлаждения. Оптимальная величина расхода воды при исполь­зовании стандартных сопл в плазмотроне ПМР-74 составляет 0,004— 0,006 л/с, в том числе внутри канала сопла — 0,001—0,0016 л/с. Уменьше­ние или увеличение расхода воды приводит к снижению эффективности процесса резки и увеличению газонасыщения кромок.

На рис. 2.24 показана головка плазмотрона, с помощью которого мо­жет выполняться плазменная резка с водой и без воды.

В проведенных исследованиях с использованием плазмотрона ПМР-74 изучалось влияние составов плазмообразующей среды (газа и воды), ве­личины силы тока, скорости резки и других изменяемых параметров на ка­чество вырезаемых деталей.

При экспериментах в плазмотроне использовались: завихритель № 2 (см. табл. 2.2), сопло внутреннее с диаметром канала 2,8 мм и длиной 3 мм, сопло наружное (насадка) с диаметром канала 4 мм и длиной 5 мм, тол­щина разрезаемой углеродистой стали составляла 7 мм. В качестве плаз­мообразующей среды использовались воздух и кислород, вода подавалась в канал сопла и концентрично каналу. Данные выполненных эксперимен­тов приведены в табл. 2.6. Добавка небольшого количества воды позволила повысить качество кромок. Поверхность реза, полученная при применении воздуха в сочетании с водой, имеет металлический, серебристый цвет. По сравнению с обычной резкой на воздухе при использовании тех же режи­мов ширина реза и средняя величина скосов кромок уменьшились.

Увеличение скорости резки с 16,7 до 50,0 мм/с (вариант I) привело к увеличению средней величины скоса на кромку с 1,0 до 1,5 мм, для кислоро­да — с 0,9 до 1,55 мм.

Увеличение расхода плазмообразующего газа без изменения расхода воды (вариант //) приводит к уменьшению скоса кромок. Изменение расхода воды (вариант III) практически не сказалось на изменении вели­чины скоса кромок. При использовании кислорода ширина реза по сравне­нию с воздухом увеличилась как по верхней, так и по нижней кромкам, т. е. скосы кромок стали примерно одинаковыми.

Из табл. 2.6 следует,' что на кромках заготовок при добавке воды воз­никает незначительный грат. Разрезаемый металл был не загрунтован. Вследствие охлаждения водой кромок реза на незагрунтованном металле может появиться небольшой грат. Причем при увеличении толщины разре­заемой стали грат заметно увеличивается и располагается по всей длине кромки. Однако грат этот легко удаляется с кромки детали ударом мо­лотка.