ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ДУГИ НА МЕТАЛЛ, ПРИЛЕГАЮЩИЙ К ПОВЕРХНОСТИ РЕЗА

Зона термического влияния

Процессы тепловой резки сопровождаются выплавлением металла из полости реза. В связи с быстрым перемещением точечного источника нагрева относительно поверхности разрезаемого металла наблюдается большой перепад температур (от температуры плавления до исходной) на сравнительно узком участке, прилегающем к поверхности реза. В резуль­тате в кромках металла происходят металлургические процессы, сопровож­дающиеся изменением химического состава, структурных составляющих и механических свойств металла. Скорости нагрева и охлаждения металла на глубине до 0,1 мм от кромки реза могут достигать весьма высоких значе­ний — 1000—2000 °С [67].

Наряду с качественным характером изменений металла в зоне терми­ческого влияния (ЗТВ) имеют существенное значение общая протяжен­ность ЗТВ, глубина отдельных переходных зон: литого участка, укрупнен­ного зерна, полной и неполной перекристаллизации.

Характер и размеры ЗТВ зависят от состава и толщины разрезаемого металла, рабочего тока и скорости резки. Перекристаллизация в кромках металла с изменением фазового состава структуры вызывает напряжения, которые могут в отдельных случаях привести к образованию трещин в по­верхностных слоях ЗТВ.

На изменения химического состава металла существенное влияние оказывает плазмообразующая среда. Процентное соотношение элементов, входящих в состав того или иного металла, может изменяться, т. е. увели­чиваться или уменьшаться. Кроме того, поверхностный слой подвержен насыщению газами, изменяет свои свойства, оказывает отрицательное влияние на свариваемость металла. Наибольшие изменения такого харак­тера имеют место в литом слое. При взаимодействии высокоскоростного газового потока с кромками реза происходит перемещение металла литого слоя на поверхности кромки, в результате чего глубина его по толщине лис­та становится неравномерной. Кроме того, на поверхности реза образует­ся своеобразный макрорельеф в виде вертикальных или наклонных к по­верхности листа бороздок (рисок).

Следовательно, общим для плазменной резки металлов является обра­зование у кромки реза ЗТВ с участками оплавления и структурных изме­нений в твердом металле.

В ЗТВ сталей с низким содержанием углерода изменения металла по­хожи на изменения, происходящие при кислородной резке с использова­нием горючих газов.

От продолжительности влияния высокой температуры на кромку реза зависят протяженность ЗТВ, а также возможность структурных измене­ний, таких, например, как выпадение карбидов по границам зерен аустени - та в хромоникелевых нержавеющих сталях, вызывающее снижение их кор­розионной стойкости. Величина ЗТВ зависит также от состава и состояния поставки металла. Если у кромки плазменного реза нержавеющей стали

X18Н ЮТ толщиной 50 мм общая глубина ЗТВ по большей части не превы­шает 1,5—2 мм, то для аналогичной стали толщиной 20 мм протяженность ЗТВ, как правило, не более 0,2 мм, а для стали толщиной 10 мм глубина зоны еще меньше. С уменьшением толщины стали за счет увеличения ско­рости резки уменьшилось тепловложение в кромки реза, а следовательно, уменьшилась и глубина ЗТВ. На алюминиевых сплавах в зависимости от толщины листа, состава и предшествующей термообработки глубина ЗТВ изменяется от 0,2 до 3 мм и более.

Доля литого участка в низкоуглеродистых сталях и алюминиевых спла­вах составляет обычно 20—30 % и более от общей протяженности ЗТВ. Далее в низкоуглеродистых сталях следуют участок укрупненного зерна, затем участки полной и неполной перекристаллизации и исходная струк­тура металла. Участок укрупненного зерна наблюдается также в алюми­ниевых сплавах и нержавеющих сталях. Однако в аустенитных нержавею­щих сталях его протяженность ограниченна и составляет всего 5—30 %, остальная часть ЗТВ — литой слой.

Глубина ЗТВ и соответственно отдельных ее участков при резке стали выбранной марки и толщины не сохраняется постоянной при изменении условий резки.

С уменьшением скорости резки при сохранении неизменными других параметров ЗТВ увеличивается. С увеличением расхода газа, а также с уменьшением силы тока зона уменьшается. Заметную роль играет состав рабочей среды, стабилизирующий режущую дугу. При резке сталей воз­душно - и кислородно-плазменной дугой ЗТВ обычно меньше, чем при резке неактивными газами. Резка в водородосодержащих газовых смесях, наоборот, характеризуется увеличенной глубиной ЗТВ.

При плазменной резке меди поверхность реза получается достаточно чистой со свисающим гратом (натеками) с нижнего ребра кромки в виде тонкой металлической пленки. Этот грат легко удаляется. Однако в зависи­мости от режимов плазменной резки на поверхности реза (особенно в ниж­ней его части) медь может насыщаться кислородом, иметь мелкую порис­тость и шлаковые включения. При исследовании качества кромки в сплаве меди Ml толщиной 20 мм, полученной после плазменной резки в аргоно­водородной смеси при силе тока 300 А и скорости резки 0,9 мм/с, макси­мальная глубина измененного поверхностного слоя достигала 1,2 мм в нижней части реза. На нетравленом шлифе хорошо были видны кислород­ная эвтектика и шлаковые включения округлой формы. По мере подъема в верхней части реза глубина слоя с содержанием эвтектики снижается до 0,016 мм, а в верхней части эта зона отсутствует. После травления установ­лено, что к этой зоне примыкает участок с крупным зерном глубиной 1,8 мм внизу и 0,9 мм вверху. В этой зоне закиси меди не обнаружено.

Жидкий металл, образующийся на кромках при плазменной резке ста­лей, смывается потоком плазмы более интенсивно вследствие повышенной жидкотекучести, но не полностью. Оставшаяся часть его кристаллизуется в виде литого участка ЗТВ, который на микрошлифах из углеродистых и низколегированных сталей характеризуется слабой травимостью. Этот участок от верхней грани кромки к нижней увеличивается по глубине, т. е. имеет в поперечном сечении клиновидную форму (18]. При этом чем выше скорость резки, тем больше глубина литого участка. Это отчетливо видно на микрошлифах, вырезанных поперек реза. При резке со скоростью кр = 58,5 мм/с размер литого участка колеблется в пределах 0,03—0,07 мм. При ур = 28,4 мм/с литой участок уменьшается и его размеры составляют 0,025—0,05 мм, при t>p= 11,7 мм/с —0,007—0,013 мм. В этом случае общая

протяженность ЗТВ, наоборот, с увеличением скорости уменьшается.

В работе [24] исследовалось влияние расхода воздуха, скорости резки, длины открытого столба дуги при воздушно-плазменной резке стали ВСтЗсп толщиной 8 мм на глубину литого слоя.

С увеличением длины открытого столба дуги теряется способность ре­жущей дуги «смывать» с кромки жидкий металл, что приводит к увели­чению литого слоя. Оптимальный расход воздуха, при котором толщина ли­того слоя минимальная, составляет Q, = 1,0-г-1,3 л/с. С увеличением рас­хода воздуха толщина литого участка вначале уменьшается, что, по-види - мому, вызвано усилением механического воздействия на жидкий металл высокотемпературного потока газа. Затем (при больших значениях Q„) толщина литого участка вновь увеличивается, что можно объяснить по­вышением вязкости жидкого металла на кромках вследствие охлаждения его увеличиващимся потоком газа.

Заметное влияние на ЗТВ и ее переходные зоны оказывает состав плаз­мообразующей среды. В табл. 3.1 приведены данные о величине литой зоны и общей ЗТВ в зависимости от режимов резки и состава плазмообразую­щей среды.

Исследование микроструктуры кромок реза выполнялось на попереч­ных и продольных микрошлифах из стали марки ВСтЗсп толщиной 9 мм. При изготовлении продольных шлифов обрабатывались поверхности вы­резанных заготовок со стороны резака и противоположной с удалением металла на глубину до 1 мм. На кромке определялись изменение характера структуры, величина литой зоны, наличие дефектов.

При исследовании установлено, что после плазменной резки на поверх­ности реза наблюдается видоизмененная структура в виде светлой поло­
сы. В соответствии с ее размерами отождествляют размеры литого слоя, ко­торый может отличаться в зависимости от способа резки. Например, при резке воздухом ширина литого слоя составляет 0,03 мм, при резке кисло­родом—0,014 мм. Причем при исследовании продольных шлифов уста­новлено, что в верхней части образца (верхняя кромка реза) этот слой, как правило, незначителен по ширине или вовсе отсутствует, что под­тверждают данные работ (18, 24(. Изменение скорости резки с примене­нием кислорода (образцы 4, 5, 6) с 25 до 41,7 мм/с оказало влияние на увеличение литого слоя, в то время как общая ЗТВ уменьшилась.

Увеличение расхода кислорода примерно в два раза (при увеличении скорости резки до 45 мм/с) привело к отсутствию литого слоя на поверх­ности реза.

Образцы 8 и 9 вырезались соответственно кислородом с добавлением небольшого количества воды в плазму, с использованием в качестве рабо­чего газа СО-2 и защитной зоны резки тем же газом с применением спе­циального устройства (рис. 3.1). В обоих случаях на кромках образцов микрошлифов отсутствовала светлая полоса — слабо травящийся слой ЗТВ. Если отождествлять наличие светлой полосы с литой зоной, то ее отсутствие в данном случае указывает на отсутствие литого слоя. Фак­тически это ие так. Применение для плазменной резки С02 с защитой СО? приводит к резкому снижению скорости резки, образованию трудноотдели­мого грата и увеличению ЗТВ. На образце 9 ЗТВ составляет 0,5—0,9 мм, т. е. в 1,5 раза больше, чем при резке воздухом. Следовательно, литая зона также должна иметь место. Причем, учитывая характер процесса плазменной резки в СОз, размеры ее должны быть увеличены.

Сравнивая образцы 1, 2, 3 (табл. 3.1), вырезанные плазменным спосо­бом при одинаковых режимах воздухом, воздухом с защитой полости ре­за кислородом, воздухом в сочетании с водой, можно заметить, что в пер­вом случае величина литой зоны (светлой полосы) составляла 0,03 мм, во втором случае зона умень­шилась за счет окислитель­ного действия кислорода до 0,02 мм, а в третьем случае при использовании воздуха с водой она совсем отсутство­вала (рис. 3.2). Наличие це­почки пор (образец 2 на рис. 3.2, 6) свидетельствует о том, что светлая полоса находится в пределах литого слоя.

Максимальная глубина общей ЗТВ изменилась не­значительно и составляла соответственно для указан­ных вариантов 0,54; 0,45;

0,5 мм. По этим данным трудно объяснить (как и при

Рнс. 3.1. Устройство, обеспечивающее защиту полости плазменного реза и столба дуги от доступа атмосферного воздуха
резке в СОг) отсутствие литой зоны для третьего варианта. Надо полагать, что литая зона на по­верхности кромки осталась, изме­нился фазовый состав ее струк­туры за счет частичной или полной десорбции азота из литого слоя (о газонасыщении кромок см. п. 3.3). В связи с этим травимость этой структуры также изменилась. Следовательно, отсутствие харак­терной слаботравящейся струк­туры на поверхности реза не яв­ляется признаком отсутствия ли­того слоя (как это имеет место при кислородной резке или плазменной резке с использованием кислорода, когда литого слоя может и не быть.

Структура ЗТВ вблизи кромки реза там, где отсутствует слаботравя - щийся слой или непосредственно за ним, состоит из темных участков по­вышенной травимости — тростита и тростосорбита и небольшого коли­чества феррита (рис. 3.2). Микротвердость вблизи кромки составляет 668—783 Нго - По мере удаления от кромки количество феррита увеличи­вается и появляются участки бесструктурного мартенсита с микротвер­достью 600—760 Нго - Далее твердость структуры постепенно снижается до твердости основного металла. Таким образом, наиболее неблагоприятные изменения происходят в литом слое ЗТВ. Например, у кромки плазменного реза стали СТЗ толщиной 8 мм микротвердость существенно повышается (550 HV), на некотором удалении от кромки она снижается до показателя основного металла (150 HV). Протяженность участка с увеличенной мик­ротвердостью соответствует глубине литого слоя. В его микроструктуре выявлен дендритообразный мартенсит. Это свидетельствует о некотором науглероживании металла кромки, которое подтверждается спектральным
анализом. Содержание углерода у кромки реза СтЗ повышается до 0,4— 0,5 % при 0,2 % в основном металле [18].

Вследствие завихрения плазмообразующего газа плазменный столб дуги оказывает разное термическое влияние на правую и левую кромки реза. При правом завихрении газа больше тепла должно выделяться на правой кромке, так как анодное пятно смещается вправо. Исходя из этих условий были проведены исследования ЗТВ на правой и левой кромках.

Образцы вырезались из стали 10ХСНД толщиной 8 мм и из стали ВСтЗсп толщиной 16 мм. Скорость резки для стали толщиной 8 мм — 40 мм/с, для стали толщиной 16 мм —20,5 мм/с. Плазмообразующая сре­да — воздух и воздух в сочетании с водой (табл. 3.2).

Микрошлифы вырезались поперек реза, вблизи его окончания и имели правую и левую кромки, что обеспечило возможность сравнивать измене­ния ЗТВ одновременно в обеих кромках реза.

Из табл. 3.2 следует, что глубина ЗТВ действительно несколько увели­чена на правой кромке, но не является стабильной.

В образце толщиной 8 мм при воздушно-плазменной резке на правой кромке ЗТВ в верхней части образца примерно на 15 % больше, чем на левой, а на нижних кромках она одинакова. Зато слой со слабой трави - мостью значительно больше на правой кромке вверху —0,027 мм, внизу — 0,12 мм, а на левой кромке он практически отсутствует. В образце толщи­ной 16 мм для воздушной плазмы наблюдается такая же закономерность, но она выражена слабее. На образцах толщиной 8 и 16 мм при воздушно­водяной плазменной резке по глубине ЗТВ на правой и левой кромках отличается меньше, а в некоторых случаях (образец толщиной 16 мм) она

одинакова. Слой на поверхности реза слабой травимости отсутствует на правой и левой кромках. Зона термического влияния характеризуется наличием различных структурных составляющих. На поверхности кромок образцов, вырезанных воздушно-плазменным способом, наблюдается слаботравящаяся зона в виде светлой полосы (рис. 3.3). Она представ­ляет собой, по-видимому, у-фазу, состоящую из азотистого мартенсита (5,9 % N2) [60]. Твердость слаботравящей зоны неодинакова. На образ­цах из стали 10ХСНД толщиной 8 мм ее микротвердость составляет 840—860 Нго, на стали ВСтЗсп толщиной 16 мм наибольшая микро­твердость слаботравящейся зоны — 710—785 Нго, ближе к поверхности кромки микротвердость снижается до 357—530 Нго (рис. 3.3, б). На тех образцах, где отсутствует ярко выраженная бесструктурная зона, металл, прилегающий непосредственно к кромке реза, имеет мартенситную или тростомартенситную структуру, микротвердость которой 688—825 Н20. Далее на глубине свыше 0,05—0,1 мм на всех образцах микроструктура примерно идентична и состоит из сорбита и тростосорбита с мелкими участ­ками свободного феррита. Микротвердость ее снижается до 400—350 Нго-

На глубине 0,4—0,7 мм твердость ЗТВ постепенно понижается до исходной.

В ЗТВ в сталях с низким содержанием углерода изменения структуры металла напоминают по характеру изменения, происходящие при кисло­родной резке [60]. Так, при резке стали 15ХСНД толщиной 16 мм по самой кромке металл имеет крупнозернистую структуру перлита, затем участок с нормализованной мелкозернистой структурой и участок, структура ко­торого характерна для металла, нагретого выше точки ACl, переходящей в основной металл с исходной ферритно-перлитной структурой.

В работе [67] указывается на образование в ЗТВ при плазменной и кислородной резке низкоуглеродистых и низколегированных сталей (СтЗ, 15ХСНД и др.) с исходной феррито-перлитной структурой необыч­ного вида. Перлитные зерна в этой структуре характеризуются сильной разветвленностью контура и при небольшом увеличении выглядят как бы окаймленными бахромой. При резке низколегированной стали с незначи­тельным количеством феррита не наблюдается появления аномальной структуры.

Исследуемый слой находится приблизительно посередине между основ­ным (не претерпевающим видимых структурных изменений) и полностью перекристаллизовавшимся металлом, т. е. образование аномальной струк­туры происходит в объемах, подвергнутых нагреву до температур, лежа­щих в середине температурного интервала ACl — ACl (800—850 °С).

Важное влияние на характер структуры оказывает градиент скоростей охлаждения, который находится в прямой зависимости от скорости резки. Так, при рассмотренных ниже исследованиях, в первом случае скорость резки составляла 7—7,5 мм/с, во втором — 83,0 мм/с. Характер воз­действия дуги на металл несколько отличался, так как в одном случае выполнялась разделительная резка, а во втором — поверхностная обра - ботка (строжка). В первом случае плазменная резка выполнялась в среде, содержащей аргона 85 %, водорода 15 %, при общем расходе смеси 0,8 л/с, силе тока 350 А, скорости резки 7—7,5 мм/с [101]. Металлографи­ческие исследования проводили на образцах из низколегированной стали толщиной 25 мм с содержанием углерода 0,2 %, марганца 2,34 %, кремния 0,35 %.

Основной материал имел ферритную структуру с небольшим количест­вом перлита, его микротвердость составляла 180—200 HV.

Зона термического влияния имела глубину от 1,2 до 2,5 мм от кромки реза. Под искусственно выполненным дефектом глубина ЗТВ составляла от 1,5 до 3,1 мм. Наибольшая глубина ЗТВ находилась со стороны нижней плоскости листа, в то время как после газовой резки наибольшая глубина ЗТВ находится у поверхности листа, т. е. со стороны выполнения резки.

Зона термического влияния вдоль кромки реза имеет полосу шириной около 50 мкм из низкоуглеродистого мартенсита. Затем следует полоса с переходной структурой, которая представляет собой переход от низко­углеродистого мартенсита через бейннт и чрезвычайно тонкий феррит - перлит в нормальную феррит-лерлитную структуру основного металла. Микротвердость от кромки реза с 350—400 Нго сначала повышается до максимальной 450 Нго на глубине до 0,1 мм, а затем с увеличением расстоя­ния от кромки снижается до твердости основного металла. Высокоуглеро­дистый мартенсит белого цвета с твердостью 800—900 Нго, который появ­ляется после газовой резки, нигде не замечен.

Во втором случае [25] проводили исследования структуры металла ЗТВ в зависимости от воздействия плазменного нагрева при высоких

скоростях обработки. Образцы из сталей различных классов подвергали воздушно-плазменной обработке (поверхностной строжке) плазмотроном ПВР-402У4 (сила тока 360 А, напряжение 140 В, диаметр сопла 5 мм, угол наклона плазмотрона к обрабатываемой поверхности 75°, длина дуги 40 мм, скорость перемещения плазмотрона 83,0 мм/с). Исследования пока­зали, что фазовый состав стали марки СтЗ в ЗТВ характеризуется нали­чием a-железа, ^-железа и окислов FeO. Ближе к поверхности канавки на глубине до 0,04—0,08 мм появляется мартенсит — слаботравящаяся зона с соответствующей ему максимальной микротвердостью 900 Н2о - За ней следует более сильнотравящийся мартенситно-троститный и троститный слой, в котором микротвердость снижается примерно с 900 до 420 Нго - Далее на микрошлифах видно, что металл прогревался ниже точки АСз, так как четко виден слой со структурой неполной закалки — феррито-троститный или феррито-мартенситный, микротвердость снижа­ется до 420—380 Нго - На глубине более 0,6 мм, где температура ие под­нималась выше ACl, твердость снижается до исходной.

Напряжения, связанные со струтурными изменениями фазового соста­ва и изменением объема кристаллической решетки, т. е. напряжения вто­рого рода в ЗТВ довольно велики и составляют примерно 90 МПа.

На образцах из стали 30Х2Н2МА выявлено, что воздействие плазмен­ной дуги приводит к изменению фазового состава в металле ЗТВ. Наряду с a-железом обнаруживаются у-железо и окислы типа ИегОз и РезО.*. Напряжения второго рода возрастают в два раза (со 126 до 239 МПа). Присутствие в стали легирующих элементов приводит к значительному увеличению мартенситной зоны, а у края канавки наблюдается снижение микротвердости, аналогичное для стали марки СтЗ. Из-за более низкой теплопроводности перегретая зона здесь несколько шире, а видманштето - вой структуры нет. Аустенит и мартенсит в металле ЗТВ оказываются более дисперсными и твердыми.

Плазменная обработка стали 12Х18Н10Т приводит к появлению узкой расплавленной зоны, при последующей кристаллизации которой проис­ходят увеличение a-фазы и значительное измельчение зерна. Это приво­дит к некоторому увеличению твердости металла ЗТВ вблизи поверхности канавки.

В сталях с повышенным содержанием углерода при термической резке наблюдается рост напряжений второго рода в структуре металла, вызван­ный процессом закалки и азотированием. Указанные напряжения второго рода суммируются с напряжениями первого рода, вызванными темпера­турным градиентом, и их релаксация при достижении критических значе­ний приводит к возникновению более грубой структуры и, возможно, к об­разованию зародышевых субмикротрещин [100].

Высокопрочная сталь с мартенситной структурой с содержанием угле­рода 0,35—0,43 % была специально термообработана (закалка в воду с низкотемпературным отпуском и выдержкой в соляной ванне), после чего производилась кислородная и плазменная вырезка образцов в боль­шом количестве различной толщины (8—18 мм); при этом были найде­ны только отдельные трещины, перпендикулярные к поверхности реза. Структурные изменения, вызванные термической резкой, весьма незна­чительные.

Основной металл составляла смесь очень мелких игл мартенсита от­пуска и бейнита. Более крупные иглы в области термического влияния вблизи поверхности реза постепенно заменяются более мелкой смесью игл ретрансформированного и начального мартенсита (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Микроструктура кромки аргоноводородного плазменного реза на высокопрочной стали с мартеиситной структурой толщиной 25 мм: о—Х50; » — Х500

В ЗТВ в результате теплового влияния от резки снижается микротвер­дость вблизи поверхности реза с 550 HV примерно до 360—400 HV неза­висимо от того, применялась кислородная или плазменная резка. При ука­занных значениях твердости глубина ЗТВ при плазменной резке в три раза меньше, чем при кислородной.

Несмотря на высокое содержание углерода в термообработанной стали, появление трещин в ЗТВ после резки происходит лишь в единичных слу­чаях.

Протяженность ЗТВ с увеличением толщины металла возрастает, так как при пониженных скоростях резки тепловложение в кромки реза уве­личивается. На среднелегированной стали толщиной 40 мм с сорбито-фер - ритной структурой микротвердостью 300—350 Нго исследовалось влияние способов плазменной резки на характер изменения структуры и глубину ЗТВ.

Плазменная резка указанной стали выполнялась с использованием воздуха, азота и с применением этих газов в сочетании с водой. Для срав­нительных исследований влияния плазменной резки на кромки металла выполнена резка ацетиленокислород­ным способом. Режимы вырезки об­разцов приведены в табл. 3.3.

Замеры твердости структурных составляющих выполнялись на приборе ПМТ-3, а общей микро­твердости ЗТВ — на приборе Вик­керса. Схема вырезки микрошлифов показана на рис, 3.5, а общий вид ЗТВ — на рис. 3.6.

При исследовании установлено, что после плазменной и ацетилено­кислородной резки (за исключением варианта 4 в табл. 3.4) наблюдается характерный литой слой в виде свет­лой полосы на отдельных участках,

Рнс. 3.5. Схема вырезки макро - и иикрошлиф - тов м« металлографических исследований и их порядковые номера (стрелками на поверхности шлифов показаны исследуемые кромки)

примыкающих к поверхности реза. Он отличается от других структурных участков слабой травимостью и высокой твердостью, имеет (для варианта 0— кислородная резка) игольчатую структуру с высокой микротвердостью до 710 Нго (табл. 3.4), что характерно для мартенситной структуры (рис. 3.7). Кроме того, на отдельных участках по кромке образца встре­чается структура повышенной травимости, отличающаяся от ЗТВ. Эту структуру можно отнести к тростомартенситу. Наибольшая глубина литого слоя слабой травимости оказалась на образцах, вырезанных ацетиленокислородным способом (от 0,01 до 0,1 мм, т. е. на порядок выше, чем при плазменных способах резки), а твердость этого слоя в сред­нем на 10 % ниже. Видимо, более высокая твердость слаботравящегося литого слоя, имеющего место после плазменной резки, связана кроме на­углероживания с насыщением его азотом.

Аналогичная структура слабой травимости была получена на кромках образцов из сталей малых толщин (8—12 мм) [14, 18, 24, 60, 78, 80]; при этом скорости резки для указанных толщин были в четыре-пять раз более высокими. Наибольшая глубина зоны со слабой травимостью достигала 0,07 мм [18], причем она распространялась, как правило, на всю длину исследуемой кромки. В стали толщиной 40 мм глубина зоны со слабой тра­вимостью на кромке плазменного реза встречается только на отдельных участках незначительной длины. Причем этот слой обнаружен только на образцах после воздушно - и азотно-плазменной резки. В отличие от сталей малых толщин наибольшая глубина его 0,02 мм оказалась по верхней кром­ке (микрошлифы 1.1 и 3.1, табл. 3.4). После воздушно-водяной и азотно­водяной плазменной резки литой слой со слабой травимостью не обнару­жен. Однако структура металла вблизи поверхности реза характеризует­ся такой же высокой твердостью и представляет собой отдельные участки

тростомартенсита повышен­ной травимости, сходные со структурой, полученной пос­ле кислородной резки.

Из табл. 3.4 следует, что на поверхности реза боль­шинства образцов в литом слое имеются мелкие трещи­ны в виде надрывов, макси­мальная глубина которых не превышает 0,01 мм. Трещины не обнаружены только в об­разцах после ацетиленокис­лородной и азотно-водяной плазменной резки. По-види­мому, это объясняется мень­шими скоростями охлажде­ния кромок реза, так как скорости резки при этих спо­собах были более низкими (см. табл. 3.3).

Трещины хорошо про­сматриваются на микрошли - фах с литым слоем слабой травимости (рис. 3.7), кото­рый представляет собой структуру повышенной твер­дости и одновременно яв­ляется относительно хруп­ким. Трещины на поверх­ности плазменного реза ис­следуемой стали не сказа­лись на снижении механи­ческих свойств при растя­жении образцов, вырезанных плазменным способом, а также при испытании образ­цов на изгиб (поверхность плазменного реза подверга­лась растяжению). На ра­стянутых участках с высо­котвердым слоем произошел откол этого слоя (см. рис. 3.29), при этом образцы не разрушились при угле загиба 180°.

Кроме рассмотренных структурных изменений и твердости в литом участке ЗТВ происходит также изме­нение химического состава металла. Литой участок вли-

Рнс. 3.7. Структура вблизи кромки плазменного реза на среднелегнрованной стали толщиной 40 мм, X500: а — микрошлиф 0,5; 6—1,5; в — 2,5; г — 3,6; д — 4,5 (см. табл. 3.4)

яет на шероховатость поверхности реза. Снятые профилограммы пока­зывают, что высота микронеровностей не больше, чем глубина литого участка. Представляет интерес рассмотрение литого слоя для выяснения причин образования на поверхности реза макрорельефа, а также изме­нений химического состава металла при различных условиях плазменной резки. Проведенные авторами и другими специалистами исследования показали, что наибольшие изменения металл претерпевает в литом слое ЗТВ. Изучение макро - и микрошлифов дает возможность утверждать, что неровности поверхности в виде рисок и бороздок, характеризующие макрорельеф поверхности реза разрезаемого металла, также появляются в результате образования литого участка. Чем меньше глубина литого участка ЗТВ, тем меньше шероховатость поверхности резов [17].

Природа образования шероховатости (бороздок) на поверхности тер­мического реза не вполне ясна.

В процессе резки металл на фронтальной поверхности полости реза рас­плавляется, окисляется и выносится из полости реза струей рабочего газа. Часть расплавленного металла с фронтальной поверхности перемещается на боковые кромки реза.

Можно предположить, что удаление металла из полости реза и пере­мещение на боковые кромки происходит не равномерно, а порциями, т. е. по мере его накопления на фронтальной поверхности полости реза. Удале­нию и перемещению каждой порции металла, по-видимому, соответствует образование одной бороздки. Величина объема порции удаляемого метал­ла прежде всего зависит от коэффициента поверхностного натяжения этого металла. Чем выше коэффициент, тем при всех равных условиях больше объем удаляемой порции металла и меньше периодичность удалений этих порций. Металл с меньшим коэффициентом поверхностного натяжения более жидкотекуч, поэтому объем удаляемой порции при этом будет мень­ше, а частота удалений порций металла увеличится. В первом случае ко­личество бороздок на 1 см длины поверхности реза должно быть меньше, но они должны быть глубже. Во втором случае, наоборот, их количество уве­личится, а глубина уменьшится.

На практике можно наблюдать повышенную шероховатость кромок при кислородной резке среднелегированных сталей, которые за счет легирую­щих элементов имеют более высокий коэффициент поверхностного натяже­ния по сравнению с мягкими сталями. Например, коэффициент поверх­ностного натяжения железа составляет 1,22 Н/м, титана — 1,51 Н/м, молибдена — 2,25 Н/м, вольфрама—2,68 Н/м [77]. Соприкосновение жидкого металла с газами и шлаками может изменить его поверх­ностное натяжение. Например, кислород заметно снижает поверхностное натяжение стали. Так, коэффициент поверхностного натяжения шлака равен 0,3—0,4 Н/м. Поверхностное натяжение снижается также при повы­шении температуры жидкого металла.

Авторы работы [5] на основании первоначальных исследований от­мечают, что количество бороздок при кислородной резке на 1 см длины реза (их частота) зависит от скорости резки. При увеличении последней количество бороздок уменьшается. Однако более поздние исследования не подтвердили такую зависимость. Кроме того, было установлено, что бороз­док у верхнего края значительно больше; они тоньше и расположены рав­номернее, чем внизу. Из более чем 800 замеров, проведенных на различном расстоянии от верхней кромки образцов при резке кислородом чистотой 99,5 % и 98,5 %, оценивалось качество поверхности выполненных резов. Установлено, что глубина бороздок практически не зависит от толщины разрезаемого металла и увеличивается по направлению к нижней кромке. Глубина бороздок находится в прямой зависимости от перпендикулярно­сти кромок, которая в свою очередь определяется чистотой кислорода, составом горючего газа, размерами и формой пламени.

В работе [УУ] отмечается, что на возникновение бороздок и на их величину оказывают влияние скорость резки, толщина металла, размер ка­нала внутреннего мундштука. Из всех принимавшихся во внимание фак­торов наиболее сильное влияние на образование бороздок оказывает не­равномерная скорость как при кислородном, так и при плазменном спосо­бах резки. С помощью датчиков было установлено, что в практических ус­ловиях неравномерность перемещения резака всегда имеет место. Даже при перемещении резака с помощью специального пневмогидравлического унифицированного устройства, снабженного центрирующим приспособ­лением, не удалось полностью устранить нежелательную неравномерность.

Сигналы датчика колебаний скорости регистрировались светолучевым осциллографом и записывались на пленку.

Механизм образования бороздок на поверхности термического реза может быть следующим. В момент максимальной скорости струя кислоро­да (или плазмы) находится на соответствующем участке минимальное время и может снять минимальное количество металла, вследствие чего образуется на поверхности реза выступ. Если же резак (плазмотрон) в какой-то момент движется с минимальной скоростью (при средней опре­деленной скорости резки), то на соответствующем участке реза он нахо­дится максимально длительное время. В этом случае на поверхности реза образуется впадина, т. е. частота бороздок соответствует частоте измене­ния скорости резки в продольном направлении.

Механизмы возникновения бороздок при кислородной и плазменной резке хотя и имеют сходство, однако при сравнении абсолютных изме­ряемых значений обнаруживаются различия. При одной и той же амплиту­де скорости и частоте глубина бороздок при плазменной резке значитель­но меньше, чем при кислородной. Изучение этих явлений производилось при кислородной и плазменной резке стали толщиной 20 мм. Скорости резки при обоих способах были одинаковыми и составляли пример­но 6 мм/с. С помощью специального устройства резаку сообщали заданные модулированные колебания в направлении реза, опре­деляемые амплитудой скорости и частотой, считая, что такие колебания возникают при практических условиях резки. Анализируя форму кривых (рис. 3.8), можно сделать вывод, что для обоих способов резки глубина бороздок увеличивается с возрастанием амплитуды скорости и с уменьше­нием ее частоты.

Установлено, что при плазменной резке амплитуды скоростей ниже 10 мм/с не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на образование бороздок. Лишь при амплитудах скоростей, которые приблизительно на порядок выше указанной характеристики кислородной резки, при плазмен­ной резке появляются бороздки (рис. 3.8). В отличие от глубины бороздок неровность (волнистость) поверхности при плазменной резке значительно больше, чем при кислородной. Причина такого явления заключается в том, что плазменная струя теряет тепловую и кинетическую энергию по мере продвижения к нижней кромке и в результате этого она снимает лишь не­большое количество металла. Вследствие этого образующийся рез имеет V - образную форму.

Характер изменения рельефа поверхностей резов, выполненных различ­ными способами в практических условиях на углеродистой стали, показан

Глубина бороздок, мм Глубина бороздок, мм

Ряс. 3.8. Глубина бороздок при кислородной (а) и при плазменной (б) резке в зави­симости от амплитуды скорости и частоты:

1,5 Гц;------------------- 3 Гц;---------------- 5 Гц

на рис. 3.9. Замеры шероховатости поверхности кромок производились на длине трассы 15 мм.

Судя по характеру профилограмм, на стали толщиной 10 мм при воз­душно - и воздушно-водяном плазменных способах резки бороздки на по­верхности реза отсутствуют. Шероховатость поверхности резов прибли­жается к шероховатости поверхности металла, обработанного фрезе­рованием.

Резы на стали толщиной 16 мм при плазменном способе характеризуют­ся волнистостью и отсутствием бороздок, при ацетиленокислородной резке появляются бороздки, причем наблюдается постоянное и четкое чередова­ние выступов и впадин. Особенно указанный макрорельеф проявляется при ацетиленокислородной резке на стали толщиной 40 мм (/?,<70 мкм). При воздушно-плазменной резке стали такой толщины наличие бороздок слабо выражено, шероховатость поверхности реза /?г^30 мкм. Наличие волнистости резов при плазменной резке можно объяснить, по-види­мому, колебаниями плазменной струи. На образцах из алюминиево­магниевого сплава зернистая структура обусловливает увеличение глу­бины бороздок, которая может превышать 250 мкм. Зернистая структура возникает, по-видимому, в результате кристаллизации сдвинутых жид­ких частиц металла в процессе резки.

Профилограммы поверхностей резов, выполненных воздушно-плазмен­ным, воздушно-водяным плазменным способами, а также аргоноводород­ной плазмой, показаны на рис. 3.10.

Из рисунка следует, что при воздушно-плазменной резке алюминиево­го сплава толщиной 30 мм шероховатость поверхности весьма значительна и составляет /?, = 150-4-180 мкм. Такие значения шероховатости обуслов­лены прежде всего налипанием частичек алюминиевого сплава и его окислов. Четко выраженные бороздки отсутствуют. При аргоноводород­ной плазменной резке шероховатость снизилась более чем в два раза и стала равна Rt = 70-^80 мкм. На поверхности реза незначительное коли­чество налипших частичек металла, бороздки заметно выражены, но имеют плавный переход к выступам. При воздушно-водяной плазменной резке на поверхности реза шероховатость несколько увеличилась и со­ставила R, = 80-^90 мкм. По сравнению с воздушно-плазменной рез­кой налипание частичек металла почти отсутствует. По-видимому, сказа-

5=#0 мм, плазменный рез, плазмообразующий газ - воздух * И? О, ур—33 мм/с

Ь-=30 мм, плазменный рез, плазмообразующий газ - ввзйух, *р—15 мм/е

J**32 мм, плазменный рез, пмазмообразующий еаз~ Аг+Нг, vp=14 мм/с

Ь—30 мм, плазменный рез, плазмообразующий газ - бозвух+НгО, vp= 18,2 мм/с

лось охлаждающее действие воды на поверхность реза. С уменьшением разрезаемой толщины алюминиевого сплава шероховатость поверхности реза снижается. Так, при воздушно-водяной плазменной резке на толщине 30 мм она составляла /?г = 80-=-90 мкм, а на толщине 8 мм /?г = 40-^50 мкм.

Вследствие взаимодействия газовой составляющей дуги или режущей струи кислорода с расплавленным металлом, когда последний с фронта оплавления перемещается в направлении, противоположном направлению резки, происходит не только образование макрорельефа в виде бороздок и рисок, но и интенсивное его окисление. Характер изменений и их распро­странение в металле зависят от условий резки. Так, при резке кислородно­плазменной дугой (как и при кислородно-флюсовой резке) сохраняется общая тенденция к обеднению кромки хромом, титаном, марганцем, крем­нием и обогащению ее никелем, что можно объяснить различной степенью их сродства к кислороду.

В зависимости от состава плазмообразующей среды и марки разрезае­мого металла степень изменения химического состава металла кромки реза будет различной. В исследованиях, проведенных авторами работы [45], изучалось влияние плазмообразующей среды на изменение химического состава в кромке плазменного реза различных марок сталей. Хими­ческий состав определялся методом локально-спектрального анализа.

По результатам исследований построены графики (рис. 3.11), которые позволяют оценить характер изменений химического состава в ЗТВ сталей при воздушно-плазменной резке.

Анализ результатов исследований показал, что в сталях ВСтЗсп, 09Г2 происходит науглероживание кромки реза. Более резко процесс наугле­роживания проявляется в сталях, имеющих в исходном состоянии повы­шенное содержание углерода (ВСтЗсп). Очевидно, науглероживание кром­ки реза, как отмечается в работе [89], является следствием избирательного окисления железа. Установлено, что при малых концентрациях углерода (до 0,3 %) упругость диссоциации окиси железа ниже, чем окиси углерода. Следовательно, в этих условиях будут происходить преимущественное окисление железа и относительное обогащение металла углеродом.

Поскольку с повышением содержания углерода температура воспламе­нения стали повышается, можно ожидать, что процесс резки высоко­углеродистых сталей сдвигается в область более высоких температур, в которых замедляется окисление железа или происходит преимуществен­ное окисление углерода. Этим объясняется замедление процесса наугле­роживания в ЗТВ плазменного реза высокомарганцовистой стали. Одно­временно у исследуемых сталей наблюдается выгорание на кромках реза (глубина до 0,01—0,02 мм) кремния, марганца и хрома, что связано с большим, чем у железа, сродством этих элементов к кислороду.

Для исследования влияния плазмообразующего газа на химический состав в кромках реза производилась плазменная резка стали 10ХСНД в среде воздуха, кислорода и азота (рис. 3.12).

Характер изменений химического состава в кромках реза на стали 10ХСНД сохраняется; кроме того, отмечено обогащение кромок плазмен­ного реза при кислородосодержащей плазме никелем и медью, что объяс­няется меньшим сродством этих элементов к кислороду, чем железа, при данных условиях резки.

Необходимо отметить, что эти изменения при кислородно-плазменной резке выражены более резко, чем при воздушно-плазменной.

При азотно-плазменной резке выгорание кремния и марганца можно объяснить тем, что столб плазменной дуги инжектировался в воздух из
атмосферы, который привел к окисле­нию этих элементов. Одновременно возросла концентрация вблизи по­верхности реза меди и никеля, но значительно меньше, чем при резке с использованием воздуха и кисло­рода.

Представляет интерес распреде­ление элементов в кромках заготовок при пакетной плазменной резке стали СтЗсп [62]. Пакет собирался из шести листов, толщина одного листа 3 мм, общая толщина пакета — 18 мм. Резка производилась воздуш­ной плазмой. Для химического ана­лиза снимали с кромки реза каждого листа стружку на глубину 1 мм. Результаты химического анализа по­казали, что содержание элементов по толщине пакета (первый — шестой лист) практически не изменилось, наблюдаются незначительные увеличение среднего содержания углерода, уменьшение марганца и кремния в металле исследуемого слоя по сравне­нию с их содержанием в основном металле.

94

0,01 0,03 0,05 0,1 0,3 0,5 0,02 0,024 0,0* 0,056 0,074 U, l/b

Глубина распределения элементов от поверхности реза Вглубь ЗТВ, мм

Рис. 3.12. Изменение химического состава ЗТВ плаз­менного реза стали маркн ЮХСНД толщиной 8 мм в зависимости от плазмообраэующей среды; а —

воздух; б — кислород; в — азот

Более точное представление о распределении основных элементов в поверхностном слое кромки реза было получено в результате рентге- но-спектрального анализа. Основное изменение химического состава про­изошло в слое на глубине до 7—

10 мкм от поверхности, где резко возросло содержание углерода от 0,2 до 0,7 % и понизилось содержание марганца примерно с 0,3 до 0,2 % и ниже.

Для нержавеющий сталей, свой­ства которых значительно изменяют­ся даже при относительно небольших колебаниях химического состава, поведение легирующих элементов на поверхности реза после воздушно­плазменной резки металла имеет первоочередное значение.

Плазменная резка (как и другие способы тепловой резки) сопровож­дается процессами испарения и реакциями окисления металла и вызывает его химическую неоднородность на поверхности реза. Для уменьшения

потерь легирующих элементов необходимо уменьшение окислительного потенциала плазмообразующего газа. С этой целью проводились иссле­дования [84] влияния добавок к воздуху пропан-бутана на распределение углерода, марганца, кремния, хрома, никеля и титана на поверхности реза стали 12Х18Н10Т толщиной 12 мм. Полученные результаты сравнивались с данными обычной воздушно-плазменной резки; режимы резки: сила то­ка — 200 А; напряжение —130—150 В; расход воздуха — 60 л/мин, про­пан-бутана —1,8—2,0 л/мин; скорость резки 1,2 м/мин. Изменение химического состава от поверхности реза в глубь металла определяли на микроанализаторе «Камека» MS-46 (табл. 3.5). Изменение на поверх­ности реза содержания марганца, титана и хрома по сравнению с со­держанием этих элементов в основном металле можно объяснить окисле­нием. Увеличение содержания в прилегающей к резу зоне никеля, являю­щегося слабоокисляемым элементом, происходит вследствие выгорания других компонентов стали. Наибольшее обеднение химического состава стали в кромке реза происходит в верхней ее части, т. е. в зоне погруже­ния плазменной дуги, поэтому в табл. 3.5 приведены два числовых зна­чения, характеризующих эти изменения.

Полученные данные подтверждают зависимость химической неоднород­ности металла на поверхности реза в зависимости от состава плазмообра­зующей среды. Небольшие добавки газообразных углеводородов к воздуху способствуют значительному уменьшению потерь легирующих элементов за счет подавления реакции окисления.

Влияние плазменной дуги на кромки реза показывает, что в результате теплового нагрева вблизи кромки образуется ЗТВ, которая состоит из двух характерных участков: внешнего литого и примыкающего к нему внутрен­него участка, представляющего собой характерную структуру металла для зоны перегрева с различным ростом зерна по мере уменьшения температу­ры нагрева в направлении основного металла.

Вследствие больших скоростей нагрева и охлаждения при плазменной резке сталей, достигающих вблизи кромки реза 2000 °С/с, науглеро­живания поверхности кромки на этом участке образуется неравновесная напряженная мартенситная структура с микротвердостью до 900 Н2о и более, возникновение которой может привести к образованию микронадры­вов и трещин в поверхностном литом слое.

В литом слое ЗТВ под воздействием плазмы происходит изменение хи­мического состава элементов, входящих в основной металл; кроме того, происходит насыщение металла кромки реза газами, например азотом, что отрицательно сказывается на свариваемости этих кромок.