ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

Плазменная резка

Плазменная резка металла - высокоэффективный, произ­водительный и перспективный способ обработки металлопроката. Процесс плазменной резки основан на локальном расплавле­нии металла и выдувании жидкого металла потоком плазмооб­разующего газа. Расплавление металла осуществляется совместным воздействием электрической дуги, горящей между плазмотроном и обрабатываемой деталью, и потоком плазменного газа. І Ілазменная резка позволяет обрабатывать прокат черных и цветных металлов и сплавов толщиной до 60 мм. Она находит все более широкое применение при обработке нержавеющих с талей и цветных сплавов на основе меди, алюминия, титана. В производстве металлоконструкций плазменная резка позволяет получать точные детали, не нуждающиеся в дальнейшей обра­ботке.

Преимуществом плазменной резки, по сравнению с лазер­ной, являются значительно меньшие капитальные затраты. Это выражается в расходах на метр длины резки. На рис. 3 представлены данные по расходам на метр длины резки при лазерной, плазменной и ацетил єно кислородной обработке, причем в каждом случае используется по одному режущему инструменту на установку. Данные относительно хорошо совпадают с обстоятельными расчетами.

В табл. 1 показано сравнение технологий термического раскроя.

Сущность процесса воздушно-плазменной раздели­тельной резки заключается в локальном интенсивном рас­плавлении разрезаемого металла в объеме полости реза теп­лотой, генерируемой сжатой дугой, и удалении жидкого ме­талла из полости высокоскоростным плазменным потоком, вытекающим из канала сопла плазмотрона.

В первом случае (рис. 4, а) используют дугу прямого действия, возбуждаемую на обрабатываемом металле, явля­ющемся одним из электродов разряда. При этом использует­ся энергия одного из приэлектродных пятен дуги и энергия
плазмы столба и вытекающего из него факела. Поэтому резку по такой схеме называют плазменно-дуговой.

Во второй схеме (рис. 4, б), соответствующей косвен­ной (независимой) дуге, объект обработки не включают в электрическую цепь. Вторым электродом сжатой дуги слу­жит формирующий наконечник плазмотрона. Поток плазмы, вытекая из сопла, образует свободную струю плазмы. Для резки используется только энергия плазменной струи (резка плазменной струей).

Энергетическая оценка обеих схем по­казывает, что плазмен­но-дуговую резку ха­рактеризует наиболее высокая эффектив­ность, поскольку по­лезная мощность сжа­той дуги реализуется в частях разряда, выне­сенных за пределы наконечника. Поэтому для резки металлов, как правило, исполь­зуют схему плазменно­дуговой резки.

Плазменную струю применяют относительно редко, преимущественно для резки неметаллических материалов.

Основными элементами плазмотрона, предназначенно­го для плазменной резки, являются электрод (катод), сопло и изолятор между ними (рис. 5). Корпус режущего плазмотро­на содержит цилиндрическую дуговую камеру малого диа­метра с выходным каналом, формирующим сжатую (плаз­менную) дугу. Для возбуждения плазмогенерирующей дуги служит электрод, располагаемый обычно в тыльной стороне дуговой камеры. Столб дуги ориентируется по оси форми­рующего канала и заполняет практически все его сечение.

В дуговую камеру подается рабочий газ (плазмообра­зующая среда). Газ, поступая в столб дуги, заполняющий формирующий канал, превращается в плазму. Вытекающий из сопла поток плазмы стабилизирует дуговой разряд. Газ и жесткие стенки формирующего канала ограничивают сече­ние столба дуги (сжимают его), что приводит к повышению температуры плазмы до 15000 - 20000 °С.

В качестве электрода при воздушно-плазменной резке могут быть использованы бериллий, торий, гафний и цирко­ний. На их поверхности при определенных условиях образу­ются тугоплавкие оксиды, препятствующие разрушению электрода. Поскольку оксид тория радиоактивен, а оксид бе­риллия токсичен, эти металлы не применяются.

Для того, чтобы катодное пятно фиксировалось строго по центру катода, в современных плазмотронах применяют вихревую (тангенциальную) подачу плазмообразующего га­за. При нарушении четкой вихревой подачи плазмообразую­щего газа катодное пятно вместе со столбом дуги будет сме­щаться от центра катодной вставки, что приводит к неста­бильному горению сжатой дуги, двойному дугообразованию и выходу плазмотрона из строя. При воздушно-плазменной резке наиболее эффективно используется энергия в режущей дуге постоянного тока прямой полярности (анод на металле).

Резка при использовании дополнительной среды яв­ляется дальнейшим усовершенствованием в том отноше­нии, что с помощью этой среды ограничивается длина плазменной дуги. При толщине листа порядка 3 мм парал­лельность обработанных поверхностей при использовании кислорода в качестве режущего газа сопоставима с этим показателем при лазерной резке (с кислородом). Более то­го, возможно получение параллельных поверхностей при резке листов толщиной до 8 мм. Если в качестве режущего газа используется азот, обработанные поверхности полу­чаются очень гладкими, но несколько выпуклыми.

Плазменная резка при использовании дополнитель­ной среды может применяться не только в атмосфере (су­хая резка), но и под водой. Если в качестве дополнитель­ной среды используется газ, осуществляется обычная сухая резка. Такой подход широко применяется в настоящее время, особенно на тех предприятиях, где получают про­фильные поверхности почти любых размеров (без ограни­чений, которые налагает ванна с водой). Кроме того, вода, которая попадает между плазмой и экранирующим соплом, может использоваться как дополнительная среда. В случае резки высоколегированных сталей и алюминия предпочи­тают использовать в качестве дополнительной среды воду.

Плазменная резка при инжекции воды применяется также при обработке мягких и низколегированных сталей. Тангенциальная инжекция воды образует водяной колокол, и давление пара служит дополнительным ограничением плазменной дуги, так же как при использовании дополни­тельного газа. Процесс плазменной резки при инжекции воды часто применяется при резке под водой.

Увеличенные плотности тока получаются при ис­пользовании специальных резаков, когда вращение газа

еще больше ограничивает плазменную дугу. Это рассмат­ривается как плазменная резка с увеличенным ограничени­ем. Принцип вращения газа и применение многоступенча­тых резаков при парциальном нагнетании газа оказались эффективными при резке листов примерно до 30 мм. В этом случае одна обработанная поверхность почти отвеча­ет требованиям перпендикулярности относительно другой (как при лазерной резке) без необходимости поворота ре­жущей головки.

При плазменной резке, когда обрабатываются мягкие и низколегированные стали, предпочтительным режущим газом является кислород. При этом расплавленное железо имеет пониженную вязкость, благодаря чему разжиженный материал легче удаляется из прорези. В результате обра­зуются кромки почти без заусенцев. Более того, преиму­ществом использования кислорода является исключение повышенного содержания азота в обработанных кромках.

Азот также используется как режущий газ. При этом, с одной стороны, при равной толщине листа резка выпол­няется при меньшей силе электрического тока и благодаря этому при меньших термических нагрузках па электрод, срок службы которого увеличивается. С другой стороны, листы большей толщины могут разрезаться и в том случае, когда нагрузка не уменьшается. Однако следует иметь в виду, что в этом случае возможно увеличение содержания азота в обработанной кромке, что может отрицательно ска­заться при выполнении последующей обработки.

Как дешевый плазменный газ используется воздух, но по сравнению с использованием кислорода он имеет ряд недостатков, в том числе уменьшение сроков службы элек­тродов и сопел и повышение содержания азота на обрабо­танных кромках.

При выборе режима ручной резки руководствуются характеристикой плазмотрона. Например, при работе плазмотроном КДП-2 величина тока может быть не бо­лее 250 А, а при работе на установке УПР-201 - не более 200 А и т. д. Давление (расход) газа устанавливают так­же в соответствии с паспортной характеристикой плаз­мотрона. Эффективность резки во многом зависит от напряжения, которое в свою очередь растет с увеличени­ем расхода газа и уменьшением диаметра канала сопла. Однако этот рост ограничен источником, у которого напряжение холостого хода не может быть больше 180 В. Особенностью режима плазменной резки является неизменность режима для металла различной толщины; в пределах толщин установленных для данного плазмот­рона, меняется только скорость резки. Например, при чрезмерном увеличении давления плазмообразующего газа происходит уменьшение скорости резки.

Перед резкой необходимо проверить правильность подсоединения аппаратуры (источника тока, газа, воды) к коллектору и плазмотрону и отрегулировать ток, рас­ход газа и воды. После этого произвести пробное зажи­гание дуги зажигалкой, с помощью осциллятора или де­журной дуги.

Износ сопел и электродов не очень зависит от ре­жимов резки, а определяется в основном числом резов и потребляемой мощностью. При нормальной работе до того, как качество резов изменяется настолько, что необ­ходимо заменять сопло, выполняют примерно 400...600 резов. Как правило, срок службы электродов, используе­мых в настоящее время, вдвое превышает срок службы сопел.