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].

Таблица 4.18. Глубина ЗТВ в зависи­мости от режима воздушно-дуговой строжки

Марка

стали

Глубина ЗТВ (мм) при режимах

1

II

III

IV

ЗОЛ

2,0

і,4

1,3

0,8

35Л

4,0

2,3

1,35

1,3

35ХМЛ

3,0

1,25

1.2

1,2

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-

Та блица 4.19. Результаты металлографических исследований

Марка

стали

Структуре основного металла (микротвердость, HV)

Зона термического влияния

Ширина.

мм

Структура поверхностного участка зоны (микротвердость. HV)

СтЗ

Феррит, перлит (130—(48)

1,0

Измельченный феррит и перлит

(185—220)

14Г2

Феррит, перлит

1.2

Сорбит

15ХСНД

Феррит, перлит

2.0

Сорбит

12ХНЗА

Феррит, перлит

1,0—1,3

Сорбит (410—470)

20ХМФ

Феррит, перлит (145—200)

1,2

Сорбит-f-троостит (300—432)

40Х

Феррит, перлит (180—220)

0,9— 1,5

Троостит, мартенсит (500—800)

У7

Перлит (210—320)

0,8-1,2

Троостит, мартенсит (500 970)

ШХ15

Перлит, сорбит (380 -400)

1,0—1,5

Троостит, мартенсит (520—600)

1Х17Н2

Мартенсит, феррит (440—480)

1,5— 1,9

Мартенсит, феррит (450—600)

4X13

Мартенсит (760—810)

1,5—2,1

Мартенсит (760—950)

Р18М

Мартенсит, аустенит, карбиды

1,0-1,2

Мартенсит, аустенит, карбиды

(580—650)

(520—620)

Х17Н13М2Т

Аустенит, карбиды (220—280)

Аустенит, карбиды (200- 280)

08Х20Н10Г6

Аустенит (230—300)

Аустенит (230- 280)

Т а <5 л и ц а 4.20. Режимы воздушно-дуговой поверхностной резки

Назначение резки

Род тока

Диаметр или раз­мер элек­трода, мм

Сила тока. А

Напря­жение. В,

Скорость,

мм/с

Ширина ка­навки, мм

Глуби­на ка­навки, мм

Расход

элект­

родов,

мм/м

6

250—280

35-45

9,5—12,8

6,5—8,5

3-4

100—110

8

340— 380

33-45

10,7—15,0

8,5—10,5

4-5

85—90

Удаление дефектных участков свар­

Постоянный, обрат­

10

430—480

11,7-16,6

10,5—12,5

5—6

55—60

ных швов, электроприхваток

ной полярности

12

520—580

11.7-16,6

12,5-14,5

6-8

50-55

5X18

300-350

35-45

13.3-15.0

55-60

5X18

400-500

15.0-16,0

85-90

6X24

700-750

10,0-12,5

50-55

5X12

300-350

16,0—18,4

14

2

85—90

5X18

450-540

30—45

15,0—16,0

20

2

55-60

6X24

700—800

10,5—11,3

26

2

50—55

Удаление поверхностных приливов,

заусенцев, поверхностная строжка от­

Переменный

10X40

1000—1200

40—45

9,6—11.0

42

2

25—30

ливок и поковок

5X24

700—750

10,6-12,5

26

2

45—50

10X40

1000—1200

45-50

9,7-11,0

42

2

30-35

15X25

1100—1500

11,0-12,0

28

3

35-40

Примечания: 1. Наклон электрода к обрабатываемой поверхности 50—70°. 2. Давление воздуха 0,4—0,5 МПа.

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-

Таблица 4.21. Технические данные установок УПОМ

Показатель установки

УПОМ-3

УПОМ-4

УПОМ-5

Номинальный ток, А Расход аргона, л/с

300

300

220

0,25

» азота, л/с

0,33

0,42

» воздуха, л/с

1,4

1,4

2,2

Мощность, потребляемая установкой, кВт

60

60

50

Маса переходного коллектора, кг

22

15

15

Масса плазмотрона, г

600

600

650

Примечания: 1. Напряжение питающей сети 380 В, холостого хода источников — 180 В. 2. КПД 85%. 3. Максимальное удаление плазмотрона от источника питания 23 м. 4. Габаритные размеры источников питания 1200 X 600X1200 мм. 5. Масса источника питания 0.97 т

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.

Угол

наклона

плазмо­

трона

Скорость.

мм/с

Размеры канавки, мм

Глубина

Ширина

16—17

3—4

10—11

30-40

15—15,5

5-6

10— 11

13—14

7-8

11 — 12

40—45

8—9

9—10

13—14

Примечания: 1.

2. Напряжение 150-

Сила тока ' 230 А. 160 В 3. Давление

воздуха 4.5 мм.

0.35- 0,4 МПа. 4. Диаметр сопла

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.

ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

СУЩНОСТЬ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ И ЕЁ КЛАССИФИКАЦИЯ

Резка металлов - отделение частей или заготовок от сортового или листового металла режущими инструмента­ми, а также термическими способами. Рассмотрим виды термической резки. Дуговая резка электродами Дуговая резка металлов выполняется металлическим …

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 …

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ АППАРАТА СЕРИИ CUT

Аппараты серии CUT, предназначенные для резки, произведены на базе современной инверторной техноло­гии. Благодаря использованию мощных транзисторов MOSFET и применению принципа широтно-импульсной модуляции (PWM), выпрямленное напряжение сети (100 Гц) преобразуется в …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов оборудования:

Внимание! На этом сайте большинство материалов - техническая литература в помощь предпринимателю. Так же большинство производственного оборудования сегодня не актуально. Уточнить можно по почте: Эл. почта: msd@msd.com.ua

+38 050 512 1194 Александр
- телефон для консультаций и заказов спец.оборудования, дробилок, уловителей, дражираторов, гереторных насосов и инженерных решений.