ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

Плазменная резка с использованием аргона, азота и их смеси с водородом

Чистый аргон применяют довольно редко, т. е. в основном для рез­ки тонколистового металла.

Аргоно-плазменная резка приводит к появлению повышенной литой зоны и зоны термического влияния (ЗТВ) на кромках вырезанных дета­лей (14{. Форма реза характеризуется большим скосом кромок и наличием на их нижней грани трудноотделимого грата. Это обусловлено тем, что тепло плазменной дуги реализуется в основном в верхней части полости реза, вследствие чего стекающие по стенкам продукты резки в нижней час­ти реза почти не раскисляются: они недостаточно жидкотекучи и поэтому плохо удаляются газовой струей. Характерной особенностью резки с при­менением аргона является то, что эта плазмообразующая среда не тре­бует высокого напряжения для возбуждения дуги и обеспечивает надеж­ный устойчивый процесс. При этом применяется наиболее простой по конструкции плазмотрон с акисиальной подачей газа. Кроме того, аргоно­вая плазма по сравнению с другими средами заметно снижает образование вредных газов и аэрозолей. В связи с этим аргон чаще всего используется при ручной плазменной резке.

Азотно-плазменная резка находит большее применение. Скорость рез - ки на азоте значительно выше, чем на аргоне. Азотная дуга обладает хоро­шей проплавляющей способностью. Ширина реза и наличие грата на кромках при использовании азота меньше, чем при применении аргона. При резке металлов малых толщин грат отсутствует.

Проведенные исследования показали [15], что с применением азота обеспечивается достаточно высокое качество резки нержавеющих сталей (особенно малых толщин). Качество резки алюминиевых сплавов и спла­вов меди хуже, чем при использовании азотно-водородных смесей, но лучше, чем в аргоне. Азот по сравнению с аргоном сильнее взаимодейст­вует с вольфрамовым электродом с образованием нитридов и окислов вольфрама и тем самым снижает его работоспособность (особенно при больших значениях силы тока). Так, при силе тока 200 А длина электрода за 1 ч непрерывной работы уменьшается на 0,4 мм; при силе тока 400 А длина электрода уменьшается соответственно на 1,1 мм; при увеличении силы тока до 500 А и выше разрушение вольфрамового электрода проис­ходит еще быстрее.

Основная причина такого быстрого разрушения катода связана с тем, что применяемый технический азот не является достаточно чистым. Он мо­жет содержать до 1 % кислорода и более.

По сравнению с аргоном плазменная резка в азоте сопровождается интенсивным выделением бурого дыма и вредных газов — окислов азота, поэтому требуются интенсивная вентиляция или индивидуальные средства защиты газорезчика. С целью повышения эффективности использования азота для плазменной резки его предварительно подогревают (87[. Подо­грев газа до температуры 200—300 °С осуществляется в медной трубке, по которой его подают в камеру плазмотрона. С помощью термопары в зо­не застоя газа определяют его температуру в зависимости от степени его нагрева (до возбуждения режущей дуги и после ее возбуждения).

Установлено, что при подогреве азота, подаваемого в камеру плазмот­рона, обеспечиваются существенное увеличение производительности резки и улучшение качества кромок реза при ограниченных расходах азота.

Предварительный подогрев газа способствует повышению давления в ка­мере плазмотрона, что даже при сравнительно низких расходах его позво­ляет получить необходимую скорость истечения газа из канала сопла и обеспечить высокую кинетическую энергию столба плазменной дуги. Вы­полнение резки при малых расходах плазмообразующеге аза повышает эксплуатационную надежность вольфрамовых электрод'-р

Для повышения энергетических параметров плазменной дуги аргон и азот используют в смеси с водородом. Большая часть водорода в дуге диссоциирует с поглощением тепла при относительно низкой температуре с образованием атомарного газа. Например, водород диссоциирует на 90 % при температуре 4700 К, а азот — при 9000 К [/"].

При последующей рекомбинации атомов водорода на стенках полос­ти реза освобождается дополнительное тепло, заимствованное в нерабочих частях дуги (приблизительно 105 ккал).

В аргоноводородиой смеси, содержащей до 35 % водорода, оказалось возможным резать алюминий и его сплавы, получая інь: машинной резке качественный рез с чистыми и ровными кромками, свободными от натеков и грата.

При использовании водорода требуется поддерживать высокое напря­жение. Дежурную дугу возбуждают на аргоне, а при переходе на рабочий процесс включают водород. Во избежание расплавления сопла вспомога­тельной дугой силу тока ограничивают балластным сопротивлением в цепи электрод — сопло до 15—20 А. Максимальная скорость резки при арго­новодородной плазме достигается при оптимальном значении расстояния между соплом и разрезаемым листом, равном б—7 мм. Производитель­ность резки нержавеющей стали при силе тока 300 А (плазмообразующа? среда Аг 80 % + Н2 20 %) следующая:

Толщина металла, мм...................................... 6.............. 8 10 15 20 26

Скорость резки, мм/с....................................... %............ 30 26 17 12 8

При большей скорости резки происходит непрорезание металла. При скорости резки меньше оптимальных значений рез получается неровным, широким и с большими натеками. Это обусловлено тем, что вследствие несоответствия между скоростью резки и мощностью плазменной дуги избыточное количество тепла, выделяемое плазменной дугой, поглощается кромками реза и при перемещении дуги вокруг нее образуется область пе­регретого металла.

При применении аргоноводородной смеси уменьшается окисление и исключается прилипание частичек расплавленного алюминия и окислов к поверхности реза. Качество поверхности реза получается более высоким, чем при резке с использованием воздуха (рис. 2.12).

Добавка водорода в смесь тем эффективнее, чем больше толщина раз­резаемых листов [15]. Более того, толстые листы металлов с высокой теп­лопроводностью (медь, алюминий и их сплавы) вообще невозможно резать в аргоновых смесях, не содержащих водород, так как необходимые плот­ности тепловых потоков порядка 103 кВт/см для их резки возможно полу­чить только при использовании водородосодержащих сред. При силе тока до 400 А скорость резки не зависит от того, какой применен состав газа — аргон с водородом или азот с водородом. При силе тока более 700 А ско­рость резки в аргоноводородной среде при тех же мощностях выше

Смесь азота с водородом в настоящее время чаще всего применяется для резки алюминия, меди, их сплавов и высоколегированных сталей. По-

вышенное напряжение при резке обеспечивает более высокий уровень энергии при меньшем значении тока.

Качество кромок при резке малоуглеродистых и нержавеющих сталей в аргоно - и азотно-водородных смесях при соблюдении оптимальных режи­мов удовлетворительное [16]. В случае резки в азотно-водородной смеси можно использовать кромки под сварку без дополнительной механичес­кой обработки. Однако, как правило, на нижней кромке реза стальных лис­тов толщиной свыше 20 мм по всей длине возникает характерный валик (наплыв) округлой формы, который плохо поддается обработке. Примене­ние для резки 50 %-ной смеси азота с водородом позволило почти пол­ностью исключить появление наплывов на кромках листов толщиной 20—25 мм. Скос кромок, шероховатость поверхности, наличие грата на кромках зависят от состава плазмообразующей среды, а также от скорости резки, расстояния от плазмотрона до листа, величины тока.

Существенное влияние на процесс плазменной резки и качество кромок деталей оказывают конструктивные элементы плазмотрона, и в частности катодного и соплового узлов, а также способ подачи газа в полость сопла. При исследовании процесса резки алюминиевого сплава марки Д16 толщи­ной 25 и 60 мм подавался плазмообразующий газ аргон + водород [10]. Аргон подавался аксиально вдоль вольфрамового электрода, водород — тангенциально. При этом сила тока достигала 260—280 А, расход аргона составлял 0,13—0,23 л/с, водорода —0,08—0,15 л/с. При работе плаз­мотрона дежурную и основную дугу возбуждали на аргоне, а после этого одновременно автоматически повышали силу тока и расход водорода. При уменьшении размера каналов для подачи аргона в 1,4 раза и увеличении каналов для поступления водорода примерно в 1,3 раза (при тех же расхо­дах газов) скорость резки изменилась с 38,3 до 52,8 мм/с; качество по­верхности реза улучшилось, уменьшился грат на кромках.

При аксиально-тангенциальной подаче плазмообразующих газов в прикатодную зону дуги положительное влияние на повышение скорости резки оказывает увеличение расстояния между электродом и каналом соп­ла. Увеличение прикатодного участка столба дуги приводит к возрастанию

мощности дуги за счет повышения напряжения. При этом увеличивается объем газа в прикатодной камере вследствие подогрева, что приводит к снижению его расхода. Авторы работы [10] отмечают, что скорость резки и качество реза повышаются также при концентрации и увеличении кине­тической энергии потока плазмообразующего газа за счет приближения завихрителя к каналу сопла.

Исследования показали, что при аксиально-тангенциальной подаче ар­гона и водорода с ростом толщины разрезаемого металла расход этих газов для получения оптимальных производительности и качества резки до определенных пределов следует уменьшать. Например, при резке металла толщиной 25 мм, силе тока 310 А и скорости резки 83,3 мм/с поток плазмы должен быть более «жестким», чем при резке металла толщиной 00 мм при силе тока 300 А и скорости резки 20,0 мм/с. Для толщины 60 мм более важ­ны тепловые характеристики плазменной дуги, так как скорость плавления металла и его выдувание по сечению реза при одинаковом токе значитель­но ниже, чем при резке листа толщиной 25 мм. При резке металла толщи­ной 60 мм скорость растет с увеличением суммарного расхода аргона и водорода с 0,18 до 0,25 л/с, а затем при большем увеличении расхода падает. Напряжение при этом увеличивается со 130 до 150 В, а сила тока снижается с 300 до 280 А, мощность дуги возрастает с 39 до 42,8 кВ-А.

Первоначальное повышение скорости при увеличении расхода газов объясняется возрастанием степени обжатия и концентрации дуги. При дальнейшем увеличении расхода газов падение скорости резки связано с охлаждающим действием столба дуги газом (особенно водородом), ко­торое происходит несмотря на повышение мощности дуги.

По влиянию состава плазмообразующих газов проводились исследова­ния на стали толщиной 65 мм. Резка выполнялась на установке АПР-402, (исп. 07), обеспечивающей напряжение холостого хода 400 В, с помощью плазмотрона ПМР-74 (рис. 2.13). В качестве плазмообразуюшего газа использовался азот, а также смеси азота с водородом и элегаз. Элегаз — шестифтористая сера (SFe); при смешивании его с аргоном для сварки была обеспечена большая проплавляющая способность дуги. С этой же целью элегаз был опробован для плазменной резки в качестве добавки к азоту.

Результаты проведенных исследований приведены в табл. 2.1.

Плазмообразующая среда, состоящая из двух газов, подавалась в плазмотрон двумя способами: 1) через смеситель как один однородный газ; 2) раздельно — азот через завихритель как основной газ, а вспомо­гательные газы — в канал составного сопла (рис. 2.14).

Однако использование смесей азота с водородом, подаваемых через за­вихритель и раздельно по указанным выше схемам, не дало положительных результатов. При совместной подаче элегаза до 5 % с азотом скорость резки возросла на 50—70 %. Но при этом в считанные секунды гафниевая вставка электрода была разрушена, электрод прогорел насквозь. При раздельной подаче этот газ существенного влияния на процесс резки не оказал.

На кромках реза при использовании элегаза образовывался бурый на­лет вследствие термохимической реакции. Выделяющийся обильный дым при резке был очень едким и вызвал кашель. В связи с этим дальнейшие работы в этом направлении были прекращены.

Особого внимания заслуживает поведение водорода в составе азотно­водородной смеси. При проведении экспериментов было обнаружено, что

Ряс. 2.13. Плазмотрон ПМР-74 для машинной резки, разработанный в НПО «Ритм»

Примечания: I. Во лсех случаях расход газа составлял 1,4—1,6 л/с. 2. При использовании азота с водородом эти газы смешивались и подавались через завихритель. 3. При использовании азота и элегаза применялась раздельная подача.

водород при увеличении его расхода сильно уменьшает яркость дуги. Пос­ледняя, как и скорость резки, особенно заметно снижалась при расходе водорода более 30 % в составе азотно-водородной смеси. При проведении экспериментов ставилась задача получить наиболее концентрированную дугу за счет повышения расхода плазмообразующей среды и обжатия дуги газом в канале сопла. Из табл. 2.1 следует, что расход газа был достаточно высокий — 1,4— 1,6 л/с, доля водорода в смеси составляла 20—40 % (0,3—0,6 л/с), т. е. она была значительно выше, чем при исследованиях по резке алюминиевого сплава [10], рассмотренных выше.

При больших расходах газа возросли напряжение и мощность элек - тродугового разряда, что, казалось, должно было способствовать увели­чению проплавляющей способности дуги, однако этого не произошло. Охлаждающее действие водорода оказало более сильное влияние на дугу, чем обжатие на повышение ее тепловой концентрации. Аналогичное дейст­вие водорода проявилось при использовании аргоноводородной смеси при резке алюминиевого сплава [10] и резке высоколегированной коррозион­но-стойкой стали типа Х18Н9 [97]. Следовательно, для того чтобы увели­чить кинетическую энергию столба дуги и его приникающую способность при оптимальных расходах газа, необходимо повышать его давление в полости сопла, но только не за счет увеличения общего расхода.

Увеличение давления может быть достигнуто или за счет предвари­тельного подогрева газа, или за счет увеличения расстояния между элек­тродом и соплом. Увеличение прикатодного пространства приводит к повы­шению катодного напряжения и увеличивает нагрев газа в полости сопла, а следовательно, и его давление.

В настоящее время использование водорода при плазменной резке ог­раничено, так как это связано с целым рядом трудностей. Водород взрыво­опасен и легко воспламеняется, его не легко обнаружить, так как он не имеет запаха, транспортировка водорода затруднена. Наиболее доступным химическим соединением, содержащим водород, является природный газ, состоящий в основном из метана. Однако (как показали исследования) уг­лерод, входящий в состав метана, оказывает отрицательное действие на электрод. Она образует с вольфрамовым электродом карбиды вольфрама, что приводит к довольно быстрому износу катода [75]. Опыт использо вания химически связанного водорода показал, что газ, содержащий водород, должен подаваться в катодную область дуги. Например, в качест­ве водородной добавки используют «смешанный газ», который состоиг из следующих компонентов: 19,8 % N2, 79,9 % Н2, 0,3 % CRt, или 24 % N2, 72-74 % Н2, 1,5 % СН4, 1 % С02, 0,03 % СО.

Смешанный газ содержит водород в несвязанном молекулярном виде, что особенно важно для выполнения основной функции плазмообразующе­го газа. Смешанный газ — основное сырье азотно-тукового предприятия. Он имеет низкую стоимость, транспортабелен, производится в большом количестве.

Исследования показали, что скорости и качество резки в аммиаке и при использовании смешанного газа получаются такие же, как и при при­менении азотно-водородных смесей в тех же соотношениях между азотом и водородом и при тех же расходах газа. При этом аммиак подается непос­редственно в дуговое пространство плазмотрона, где он диссоциирует на исходные элементы — азот и водород.

Систематических исследований с использованием гелия в качестве до­бавки в ппазмообразующую среду не проводилось. Однако на основе отдельных ОПЫТОВ | 15] МОЖНО иметь некоторое продет.)р. лечие о ('ВОЙС"8аХ дуги с использованием гелия. В аргоногелиевой дуге при силе тока 500 А была получена скорость резки медного листа толщиной 50 мм, равная 0,35 мм/с. При использовании чистого аргона такой лист разрезать не уда­лось. Это свидетельствует о том, что добавка гелия к аргону позволила повысить энергетические параметры дуги таким же образом, как и добавка водорода. Однако для ионизации гелия необходима высокая температура. А так как гелий имеет большую теплопроводность, то при высоких тем­пературах могут произойти перегрев и расплавление сопла. В связи с этим гелий может быть использован в качестве добавки к аргону или азо­ту. По-видимому, наиболее целесообразно гелий использовать в смеси с аргоном для плазменной резки такого металла, как титан, для которого взаимодействием с водородом, азотом, кислородом является нежела­тельным.

Основным требованием при плазменной резке является обеспечение вы­сокого качества кромок вырезаемых деталей при минимальных тепло­энергетических затратах. Одним из способов выполнения этих требова­ний является создание более совершенной аппаратуры для плазменной резки, надежной в работе, обладающей меньшей электрической мощностью источников питания режущей дуги и плазмотронов с. малыми диаметрами сопел. Для таких плазмотронов не требуются большие токи, поэтому ско­рость резки и толщина разрезаемого металла ограничены, хотя скорость значительно выше, чем при кислородной резке. Качество реза, получаемое при использовании аппаратов с такими плазмотронами, во многих слу­чаях такое же или даже лучше по сравнению с автоматической кисло­родной резкой.

Выбор плазмообразующей среды определяется разрезаемым мате­риалом, его толщиной, используемым оборудованием. В настоящее время зарубежными фирмами выпускаются самые различные аппараты для плазменной резки с токовыми параметрами от 50 до 750 А [83]. Аппараты последних лет характеризуются широким разнообразием для резки на малых, средних и больших токах.

Первые аппараты разрабатывались и предназначались на большой диапазон разрезаемых толщин и обладали, как правило, большой мощ­ностью. Резка металлов малых толщин с их использованием не обеспечи­вала необходимого качества. Новые аппараты предназначены для резки металла сравнительно небольшого диапазона толщин.

Рекомендуемыми плазмообразующими газами для плазменной резки сталей и цветных сплавов, по данным зарубежных фирм, являются в основном аргоно - и азотно-водородные смеси. Для резки сталей, по их мнению, следует применять для малых толщин аргоно-кислородную смесь, для средних и больших толщин — воздух, азот, азот-|-вода. Для рез­ки алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей рекомендуется примене­ние аргоно-, азотно-водородных, аргоно-азотных смесей, а также азот-|- +вода.