ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

Поверхностная резка

Поверхностная резка является разновидностью термической обра­ботки металлов. Источник нагрева — электрическая или плазменная ду­га — воздействует на обрабатываемую поверхность металла, в результате чего металл расплавляется и направленным потоком газа удаляется. На поверхности обрабатываемой детали образуется канавка. С поверхности детали могут быть сняты выступы, усиления сварных швов или какие-либо другие неровности.

Существуют различные способы поверхностной резки (строжки), нап­ример: кислородная, газофлюсовая, плазменная, воздушно-дуговая. Эти способы поверхностной резки основаны на тех же принципах нагрева и ведения процесса, что и аналогичные способы разделительной резки.

Применение поверхностной строжки позволяет значительно облегчить условия труда рабочих. Этот процесс должен заменить пневморубку и наж­дачную обработку ручными пневмомашинками на предприятиях по произ­водству сварных конструкций, на участках литейных цехов. Известно, что одной из наиболее трудоемких и вредных для здоровья является пневмо - рубка, на долю которой приходится около 50—60 % зачистных работ на об­рубочных участках литейных цехов [34]. Одиако наряду с положитель­ными характеристиками указанные процессы поверхностной строжки обладают существенными недостатками. Они загрязняют атмосферу цеха. В большом количестве при поверхностной строжке выделяются дым, окислы азота, озон, аэрозоли. Для безопасности труда рабочих требуется вентиляция. Там, где это возможно, создаются специализированные ка­бины с приточно-вытяжной вентиляцией или используются переносные вентиляционные установки.

Наибольшее применение в промышленности получили способы воз­душно-дуговой и плазменно-дуговой резки. В первом случае расплавление металла осуществляется угольным (графитовым) электродом, а удаление его — концентрированным потоком воздуха. Иногда для воздушно-дуго­вой строжки используются специальные стальные электроды с обмазкой.

Воздушно-дуговая резка является наиболее простым и общедоступным способом поверхностной обработки. Выборку дефектов под сварку удается выполнять в угловых соединениях и труднодоступных для других способов обработки местах. В зависимости от условий и назначения поверхностной обработки для воздушно-дуговой резки применяются круглые или плоские угольные электроды. Процесс воздушно-дуговой резки трудно поддается механизации, так как расходуемые угольные электроды часто приходится заменять, причем стоимость этих электродов весьма значительная и сос­тавляет 50—80 % всей стоимости процесса [8].

Первоначально воздушно-дуговой процесс резки выполнялся на пос­тоянном токе обратной полярности. На переменном токе трудно было обес­печить устойчивость процесса. Исследования электрических и тепловых параметров процесса показали, что на переменном токе при постоянном че­редовании контактов и мощных дуговых разрядов тепловое выделение в дуге в шесть — восемь раз превышает джоулеву теплоту в контакте (51]. Это и определяет дуговой характер плавления металла. В связи с этим не­
обходимо было найти рациональные пути повышения устойчивости дуго­вого разряда.

Проведенные исследования (51] показали, что при малых токах вольт - амперная характеристика дуги С — Ге в воздухе падающая, а для мощных дуг — возрастающая. При увеличении сечения электрода при больших значениях силы тока вольт-амперная характеристика также падающая. Это объясняется тем, что электрод нагревается при повышенном значении тока больше. Размер активного пятна увеличивается, а размер попереч - ного сечения электрода ограничивает дальнейшее увеличение активного пятна. В связи с этим напряжение при ограниченном сечении электрода и при увеличении силы тока возрастает. При этом электрод нагревается до температуры, превышающей допустимую.

Процесс воздушно-дуговой резки протекает в условиях, когда иони­зированный промежуток дугового разряда непрерывно нарушается струей сжатого воздуха. Для него характерно чередование коротких замыканий н дуговых разрядов.

Установлено, что повышение холостого хода трансформатора с 32 до 50—70 В уменьшает продолжительность процесса контакта (период короткого замыкания электрода). Удлинение промежутка времени между контактами, выбросами расплавленного металла и теплообмена с основ­ным металлом способствует образованию твердых прослоек в зоне реза и концентрации напряжения в зоне распространения теплоты. Температура нагрева электрода и основного металла снижается. При этом расплавлен­ный металл ванны подвержен колебательным движениям, которые резко повышают подвижность металла. В связи с этим переменный ток увеличи­вает шероховатость поверхности реза, которая все же не очень велика и соизмерима с чистотой поверхности отливок.

Следует отметить, что при использовании постоянного тока увеличение времени контакта расплава с основным металлом, обогащенного углеро­дом за счет материала электрода, приводит к науглероживанию поверх­ности реза, что в ряде случаев недопустимо (например, при выборке де­фектов (трещин) в процессе восстановления штампов из высокопрочных термообработанных сталей, при выборке дефектов и последующей их заварке, при низких температурах и т. д.). Кроме того, на постоянном токе больше глубина ЗТВ и производительность процесса более низкая, чем на переменном. При этом не обеспечивается необходимое качество реза, так как электрод сильнее заглубляется и не весь расплавленный металл удается удалить из полости реза; поверхность получается бугристой и тре­буется дополнительная обработка — зачистка [33].

В качестве источников питания для воздушно-дуговой резки на посто­янном и переменном токе используются обычное электросварочное обору­дование и резаки типа РДВ-1. Для выполнения воздушно-дуговой резки в условиях литейного производства разработано специальное оборудова­ние. Например, созданы трансформатор ТДР-1601, резаки РВДл-1000 и «Раздан-1200», пластинчатые графитированные электроды Э-УПК-1, ЭГ и ГМЗ [34], что позволило внедрить процесс на ряде предприятий.

Практическое применение воздушно-дуговой резки на переменном токе (1100—1500 А) литейными и станкостроительными предприятиями под­твердило стабильность процесса и его высокую эффективность при обра­ботке отливок [33, 34, 74].

Поскольку обрабатываемый металл подвержен значительному нагреву под воздействием электродугового процесса, то вблизи поверхности реза образуется ЗТВ. Анализ выполненных исследований [54] показывает, что
глубина этой зоны не является величиной постоянной и уменьшается с уве­личением силы тока и скорости резки, так как время контакта расплава с основным металлом при этом уменьшается. Исследования проводили на ряде сталей ферритно-перлитного класса (ЗОЛ, 35Л, 35ХМЛ). Воздушно - дуговую строжку этих сталей выполняли постоянным током обратной полярности пластинчатым графитированным электродом сечением 15Х Х25 мм; режимы строжки приведены в табл. 4.17. Толщина снимаемого слоя 3—5 мм, ширина канавки 25—28 мм. Зависимость глубины ЗТВ от режима резки дана в табл. 4.18.

Результаты исследований показали, что существенных отличий струк­турного состава ЗТВ на всех четырех режимах не наблюдалось.

Физико-химические процессы, сопровождающие резку, оказывают как тепловое, так и химическое воздействие на металл вблизи реза. Химическое воздействие заключается в основном в науглероживании. Содержание уг­лерода на поверхности реза стали СтЗ увеличилось с 0,19 до 0,40 %, глу­бина науглероженного слоя составила 0,06—0,08 мм.

Характер воздействия резки зависит также от химического состава и исходной структуры обрабатываемого металла, поэтому исследовали нес­колько марок сталей, имеющих различную исходную структуру.

Воздушно-дуговую резку этих сталей выполняли на постоянном токе обратной полярности пластинчатым графитовым электродом сечением 25X8 мм при силе тока 700—740 А, глубина канавки 4—6 мм, расход воз­духа 20 м:з/ч. Результаты исследований приведены в табл. 4.19.

Из таблицы следует, что в сталях с ферритно-перлитной структурой основного металла (СтЗ, 14Г2, 15ХСНД, 12ХНЗА, 20ХМФ, и 40Х) ЗТВ имеет ширину 0,9—2 мм. При этом в стали СтЗ у самой поверхности канав­ки отмечены только измельчение структуры перлита и незначительное повышение микротвердости в слое глубиной до 0,3 мм, далее термическое влияние проявляется только размытыми границами между перлитными и ферритными зернами. По мере повышения содержания углерода и леги­рующих элементов увеличиваются ширина ЗТВ и микротвердость. Так, в стали 40Х на поверхности реза (канавки) наблюдаются мартенсит и тростит с максимальной мякротвердостыо 800 HV, далее в глубь металла твердость постепенно снижается.

Изменения наблюдаются в основном в бывших перлитных зернах; они приобретают структуру сорбита, тростита или мартенсита. Ферритное же зерно, перейдя при нагреве в аустенитное состояние, находится при высо­ких температурах недолго и не успевает «насытиться» углеродом из быв­ших перлитных зерен, поэтому при охлаждении оно возвращается в исход­ное состояние, имея несколько размытые границы.

В сталях с перлитной исходной структурой закаленный поверхностный участок ЗГВ имеет однородную структуру мартенсита или тростита.

В сталях с мартенситной исходной структурой у поверхности канавки отмечен тонкий слой мартенсита толщиной 0,2 мм, далее следует участок отпущеного мартенсита с характерным провалом твердости. Именно на этом участке, зажатом между двумя слоями мартенсита и испытывающем с их стороны напряжения сжатия, при резке иногда возникают трещины.

Величина структурных изменений и глубина ЗТВ зависят от режимов воздушно-дуговой резки. Режим необходимо подбирать в зависимости от обрабатываемых марок сталей, характера выбираемых дефектов в сварных швах или на отливках (табл. 4.20). Процесс выборки дефектных участков необходимо производить равномерно, с установленной скоростью, нельзя допускать перегрева основного металла и затеков расплавленного металла в канавку.

При плазменно-дуговой поверхностной резке выплавление металла производится высокотемпературной плазменной дугой, а удаление его, так же как и при воздушно-дуговой, направленным потоком воздуха. Процесс выполняют плазмотроном, в котором используют вольфрамовые, цирконие­вые или гафниевые электроды в зависимости от состава применяемой плаз­мообразующей среды. В отличие от разделительной плазменной резки дан­ный процесс выполняют соплом с большим диаметром канала, т. е. с мень­шими обжатием и концентрацией дуги. Охлаждение плазмотрона, как правило, воздушное. Охлаждающий воздух используют одновременно для удаления расплавленного металла и шлака, образующихся при поверх­ностной резке. Поток воздуха направляют концентрично плазменной дуге.

Процесс плазменной резки в отличие от воздушно-дуговой легко меха­низировать и приспособить для удаления сварных швов значительной про­тяженности, а также для подготовки кромок деталей под сварку и т. п. Не­достатком является то, что плазмотрон имеет относительно большие по сравнению с резаком для воздушно-дуговой строжки габаритные размеры и ограничивает доступ в зауженнные места для обработки. Высокое нап-

ряжение на дуге (порядка 150 В) требует повышенного внимания в работе.

При плазменном процессе по сравнению с воздушно-дуговым происхо­дит значительное выделение аэрозолей, поэтому требуется создание спе­циально оборудованных постов, снабженных мощной приточно-вытяжной вентиляцией.

В качестве источников питания применяют источники, предназначенные для разделительной плазменной резки; причем для ручного процесса по­верхностной обработки с напряжением холостого хода не более 180 В ис­пользуют установку УПР-201 с резаком ПРВ-202, и у стандартного сопла рекомендуется стачивать бурт, чтобы обеспечить направление охлаж­дающего воздуха параллельно столбу дуги [35].

Применяются также установки для ручной плазменной резки КДП-1 и КДП-2 с резаком РДП-2.

В целях расширения объемов применения поверхностной плазменной резки и облегчения труда рабочих-обрубщиков в литейных цехах, в штам - повом производстве созданы установки УПОМ [63], которые используют как для ручной резки, так и для поверхностной строжки.

Электрическая схема УПОМ незначительно отличается от серийных установок для ручной плазменной резки металлов и позволяет осуществ­лять выплавку дефектов, удаление литниковых систем, облоя, заливов, строжку без предварительного снятия металлизированного пригара. Осо­бенностью установок типа УПОМ является использование малогабарит­ного (массой 600 г) плазмотрона, который при операциях зачистки опи­рается на обрабатываемую поверхность. Это значительно облегчает труд рабочего-резчика и повышает качество обрабатываемой поверхности. Ус­тановки спроектированы в трех модификациях: для работы на аргоне с азотом (УПОМ-3), азоте (УПОМ-4) и воздухе (УПОМ-5). Технические данные этих установок приведены в табл. 4.21.

Установка УПОМ состоит из источника питания, переходного, кол­лектора и плазмотрона. Источник питания представляет собой тирис­торный преобразователь с отрицательной обратной связью по току нагрузки.

Блок управления обеспечивает плавное нарастание рабочего тока, по­дачу газа, зажигание дежурной основной дуги, контроль длины вылета электрода и давление газа в плазмотроне.

Установка спроектирована с учетом работы в условиях повышенной запыленности в закрытых помещениях при температуре окружающей сре-

ды от +5 до +35 °С и относительной влажности до 90 %. Источник пи­тания имеет принудительную вентиляцию, которая обеспечивает избы­точное внутреннее давление.

Переходный коллектор содержит элементы пускорегулирующей и сиг­нальной аппаратуры дистанционного управления и позволяет произ­водить зачистку заготовок в радиусе 28 м от источника питания. В мало­габаритных плазмотронах, применяемых в установках УПОМ, исполь­зуются катоды из вольфрама для работы в среде аргона или азота, а также термохимические на основе циркония и гафния для работы в окислитель­ных средах.

Плазмотроны с катодом из циркония или гафния рационально приме­нять на операциях зачистки, в которых не требуется многократного вклю­чения основной дуги. Ресурс его работы достигает 2,5 ч суммарного вре­мени горения дуги при силе тока 200—250 А и при цикличности до 300 включений.

Разомкнутая система охлаждения защитного кожуха и сопла обеспе­чивает дополнительную стабилизацию дуги. Наличие водовоздушной смеси повышает интенсивность охлаждения плазмотрона, дополнительно стаби­лизирует дугу и за счет образования воздушной пылевой завесы в два раза снижает уровень выделяющихся аэрозолей [63].

Визуальные наблюдения и фотографирование дуги показали, что введение воды в охлаждающий воздух вызывает интенсивное шунтирова­ние дуги по всему фронту оплавления. Шунтирование приводит к равно­мерному распределению тепла анодного пятна дуги по всей поверхности фронта оплавления, что дает возможность повысить качество обработан­ной поверхности и производительность строжки, а также расширить техно­логические возможности плазменной дуги.

Плазменный способ поверхностной резки с успехом применяют ДЛЯ локального выплавления и разделки трещин при ремонте штампов. Де­фекты, проникающие на глубину до 15—20 мм, как правило, устраняли механической проточкой штампа, что приводило к значительному расходу дорогостоящих сталей.

В целях изыскания возможностей плазменной обработки при вос­становлении штампов проводили исследования по влиянию плазменной дуги на качество последующей сварки и стойкость восстановленного инст­румента [40]. Исследования выполняли на пластинах толщиной 40 мм из сталей марок 5ХНМ, 7X3, 4Х5МФС, ДИ-22. Процесс резки осуществлялся на установке УПОМ-3 при силе тока 200—220 А, напряжении 120—130 В, расходе воды 0,1 л/с, расходе аргона 0,055 л/с, расходе азота 0,3 л/с.

При изучении состава ЗТВ выплавка производилась с Предварительным подогревом пластин до 350—400 °С и без подогрева. Результаты макро - и микроструктурного анализа поперечного сечения шлифов показали, что без предварительного подогрева на некоторых разделках глубиной 15— 20 мм обнаружены дефекты в виде трещин и надрывов, распространяю­щихся на глубину до 1,0—1,5 мм, но не выходящие за пределы ЗТВ. Причем на всех исследуемых сталях имела место подкалка в ЗТВ, микро­твердость достигала 700—800 HV. При выплавке разделок с предвари­тельным подогревом заготовок трещин не обнаружено. Микротвердость в ЗТВ составила 350—430 HV и практически была одинакова с твердостью основного металла.

Исходя из полученных результатов, можно утверждать, что выплавку дефектов на заготовках из указанных марок сталей и других аналогичных сталей необходимо выполнять с предварительным подогревом заготовок и

последующим их охлаждением с печью. Чтобы избежать возможных перегревов металла в процессе строжки, необходимо разделку де­фекта производить за несколько про­ходов, каждый раз удаляя оптималь­но е количество металла при доста­точно высоких скоростях резки. При однопроходной ручной поверхност­ной резке, например углеродистых сталей, можно выполнить канавку глубиной до 15—17 мм. Это дости­гается за счет вертикальных перио­дических перемещений плазмотрона.

Однако при этом ЗТВ резко возра­стает. Оптимальные режимы воз - __________

душно-плазменной поверхностной

резки для выборки дефектов в сварных швах приведены в табл. 4.22.

Проведенные исследования и анализ технической литературы по этому вопросу показывают, что процесс поверхностной плазменной резки яв­ляется эффективным способом удаления дефектов в сварных швах, а также в деталях проката и отливках и может быть использован для той же но­менклатуры обрабатываемых металлов, что и процесс воздушно-дуговой строжки угольным электродом. Чтобы исключить науглероживание обра­батываемых поверхностей, необходимо применять плазменную поверх­ностную обработку.