ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

Резка листового проката

Листовой прокат из стали всех марок, алюминия и его сплавов мо­жет разрезаться методом плазменной резки с использованием ручных резаков, переносных машин, а также на стационарных машинах с цифро­вым, фотоэлектронным и линейным управлением. Резка производится ду­гой прямого действия при прямой полярности.

Перед началом плазменной машинной резки необходимо проверить состояние оборудования и убедиться в его исправности. Установить рас­ход плазмообразующей среды по таблице режимов. Проверить действие системы охлаждения плазменного резака. Задать необходимую скорость резки по таблице режимов и программу резки. Прежде чем приступить к вырезке деталей, следует проверить режимы резки на пробной планке из того же металла и той же толщины, что и разрезаемый металл.

При использовании в качестве плазмообразующей среды воздуха, азота, воздуха с водой, кислорода и кислорода с водой следует применять

плазменные резаки с вихревой стабилизацией дуги, а при использовании аргона с водородом — плазменные резаки с осевой стабилизацией.

Во всех случаях процесс резки листа может начинаться или с кромки, или с середины листа.

Резка с середины листа, в свою очередь, может производиться, начи­ная с кромки предварительно просверленного отверстия, диаметр которого не должен быть менее 6 мм, или после пробивки металла непосредственно плазменной дугой. Предварительное сверление отверстий применяется лишь при резке металла большой толщины, когда невозможно пробить металл плазменной дугой, так как сверление отверстий связано с потерями времени и с неудобством выполнения работы, особенно при резке на ста­ционарных машинах. При ручной резке стали, меди и сплавов на медной основе сверление отверстий обычно применяют при толщине более 40 мм, а при резке алюминиевых сплавов — более 50 мм. При резке переносными машинами и на стационарных машинах предварительное сверление отвер­стий производится при толщине разрезаемого металла более 28 мм для всех металлов.

Пробивка металла плазменной дугой является наиболее сложной опе­рацией плазменной резки.

Капли расплавленного металла в момент пробивки выдуваются ре­жущей струей из кратера, образующегося в листе, и загрязняют наруж­ную поверхность сопла и кожуха резака. В некоторых случаях они могут создать сплошной мостик между соплом и разрезаемым листом, что при­водит к образованию двойной дуги. Для предотвращения этого явления резак в момент пробивки должен быть поднят над листом на 20—25 мм, т. е. значительно выше, чем при резке. С другой стороны, для надеж­ного соприкосновения с разрезаемым листом факела вспомогательной дуги, обеспечивающего возбуждение режущей дуги, резак дол­жен быть удален от листа перед началом резки на 10—12 мм. В связи с этим приходится возбуждать дугу при опущенном резаке, а затем приподнимать его после возникновения прямой дуги и вновь опускать в рабочее положе­ние после того, как металл будет пробит струей плазмы насквозь.

При ручной резке и резке переносными машинами приподнимание ре­зака для пробивки производится вручную, а момент окончания пробивки и начала опускания резака определяется визуально по появлению сквоз­ного отверстия. При резке на стационарных машинах приподнимание и опускание резака на время пробивки металла может также производить­ся оператором машины вручную путем нажатия кнопок на пульте управ­ления машины, а момент окончания пробивки определяется визуально. Однако современные стационарные машины имеют несложные реле време­ни, при помощи которых резак автоматически приподнимается для осу­ществления процесса пробивки и опускается в рабочее положение для начала перемещения по траектории резания.

При автоматической пробивке ее осуществление контролируется не визуально, а по времени, затрачиваемом на пробивку металла определен­ной толщины. При этом под временем пробивки понимается промежуток времени от начала возбуждения режущей дуги до начала движения ре­зака по заданной траектории.

В этом промежутке с помощью автоматики машина осуществляет возбуждение режущей дуги, приподнимание резака в начале пробивки отверстия и опускание его после окончания пробивки. Продолжитель­ность остановки резака при пробивке металла задается в зависимости от толщины разрезаемого металла.

В случае выполнения пробивки непосредственно на линии контура де­тали при машинной резке требуется очень точная регулировка времени пробивки. При недостаточной выдержке металл не пробивается на всю тол­щину и прорезается уже в процессе движения резака. В результате этого в начале реза у нижней кромки остается участок непрорезанного металла. При чрезмерно продолжительной остановке резака диаметр пробитого отверстия превышает ширину реза. На кромке детали остается выхват, ухудшающий внешний вид и затрудняющий последующую сварку.

Подбор оптимальной продолжительности времени пробивки для каж­дой толщины листа значительно усложняет процесс регулирования систе­мы управления дугой перед резкой. Кроме того, незначительное изменение внешних условий, например изменение напряжения питающей сети, давле­ния сжатого воздуха, расстояния между резаком и металлом, приводит к тому, что ранее установленная выдержка оказывается для данных усло­вий неправильной и в точке пробивки образуется или непрорез, или слиш­ком большое отверстие. В связи с этим рекомендуется продолжительность пробивки устанавливать таким образом, чтобы обеспечить надежное про­плавление металла, а пробивку производить в стороне от контура выре­заемой детали (на отходе). Практически при резке стали толщиной 6—20 мм можно использовать одну выдержку времени, равную приблизительно 2 с; расстояние от места пробивки до контура вырезаемой детали при плаз­менной резке зависит от толщины детали следующим образом:

Толщина разрезаемого металла, мм.................................. 15 16—20 21—30 31—50[1]

Расстояние от места пробивки, мм................................. 5—6 6—7 7 8 20—25

Однако и в данных условиях продолжительность пробивки не следует делать слишком долгой, так как отверстие становится настолько большим, что для обеспечения контакта между металлом и столбом плазменной дуги последний должен сильно искривиться. Это приводит к соприкосновению столба дуги со стенкой сопла, в результате чего происходит либо сраба­тывание системы автоматической защиты сопла, либо оплавление его сте­нок, либо отрыв дуги.

Плазменную резку алюминия и его сплавов следует выполнять в среде аргона с водородом. Допускается резка в среде азота, воздуха, воздуха с водой и кислорода с водой.

Большим преимуществом аргона является способность устойчиво под­держивать плазменную дугу при небольших напряжениях и малом токе. В связи с этим аргон применяется, главным образом, при ручной резке лис­тов из алюминиевых сплавов сравнительно небольшой толщины (до 12— 20 мм). Недостатком аргона является относительно малая проплавляю­щая способность плазменной струи и, как следствие, наименьшая по срав­нению со всеми другими газами скорость резки. Однако при ручной рез­ке физиологические возможности резчика ограничивают скорость ведения процесса. В связи с этим при резке тонколистового алюминия малая проплавляющаяся способность аргоновой плазмы практически не оказы­вает влияния на производительность резки.

Добавка к аргону водорода резко повышает скорость резки. Однако во­дород, диссоциируя на атомы в приэлектродной области, отнимает у элек­трода значительное количество теплоты, т. е. оказывает на дугу гасящее

действие. Он может охладить катодное пятно настолько, что термоэлек­тронная эмиссия прекратится и дуга прервется. Зажечь плазменную дугу в атмосфере водорода при тех же напряжениях и токе вспомогательной дуги, которые применяются в существующих установках, не удается. В связи с этим возбуждение дуги производят в среде аргона и только после получения режущей дуги добавляют к аргону водород. Соотношение между аргоном и водородом зависит от вида резки и толщины разреза­емого металла. При ручной резке водорода подают меньше, чем при машинной (обычно 20—35 %). По мере увеличения толщины разрезаемого металла рекомендуется увеличивать содержание водорода в смеси, доводя ее при толщинах 80—100 мм до 60—80 %.

Ориентировочные режимы плазменной резки алюминиевых сплавов с применением аргона, азота и водорода приведены в табл. 4.7 [72]. Ре­жимы плазменной машинной резки с использованием воздуха с водой при­ведены в табл. 4.8.

Медь и медные сплавы характеризуются высокой теплопроводностью, поэтому при их резке мощность дуги должна быть больше, чем при резке сталей. В качестве плазмообразующего газа применяют аргоноводород­ную смесь, азот или атмосферный воздух. При воздушно-плазменной рез­ке меди на поверхности реза образуется легкоотделяемый крупный стек­ловидный грат. При резке меди малых и средних толщин предпочтитель-

нее воздушно-плазменная и воздушно-водяная плазменная резка.

При резке латуни используют те же рабочие газы, что и при резке ме­ди; скорость резки при этом увеличивается на 20—25 % по сравнению со скоростью резки меди. Ориентировочные режимы резки меди и латуни с использованием азота воздуха, аргоноводородных и азотно-водород­ных смесей даны в табл. 4.9 [78].

Режимы резки меди и ее сплавов с использованием плазмообразую­щей смеси из воздуха и воды приведены в табл. 4.10.

Плазменную резку коррозионно-стойких, жаростойких и плакиро­ванных сталей следует выполнять в среде технического азота, а также в средах воздуха, воз­

духа с водой, кисло­рода с водой. При этом листы из коррозионно - стойкой стали толщи­ной до 20 мм разре­зают с применением азота, а при толщине от 20 до 50 мм исполь­зуют смесь из 50 % азо­та и 50 % водорода.

Ориентировочные ре­жимы плазменной ма­шинной резки корро - зионно-стойких сталей с использованием азота, аргона и аргоноводо­родной смеси приведе­ны в табл. 4.11 [72], режимы плазменной машинной резки кор­розионно-стойких, жа­ростойких и плакиро­ванных сталей в среде воздуха с водой даны в табл. 4.12.

Плазменная резка низкоуглеродистых низ­колегированных и сред­нелегированных сталей выполняется с приме­нением в качестве плаз­мообразующих сред воздуха с водой, кисло­рода с водой, воздуха, кислорода.

Режимы резки этих сталей с использова­нием воздуха с водой приведены в табл. 4.13, а с использованием кис­лорода и кислорода с водой — в табл. 4.14.

Необходимо отме­тить, что резка в широком диапазоне толщин (от 6 до 30 мм) выполняется при постоянной регулировке аппаратуры. Изменяется только скорость движения резака в зависимости от толщины разрезаемого металла. На­пряжением дуги используется для контроля за правильным протека­нием процесса. Выход напряжения за заданные пределы свидетель­ствует об отклонении какого-нибудь исходного параметра, например об изменении расхода воздуха, расстояния от резака до листа и т. п.; это

является сигналом о

необходимости прове­сти проверку отдельных составляющих процесса резки. Постоянство ре­гулировки аппаратуры является большим пре­имуществом плазмен­ной резки углеродистых сталей по сравнению с кислородной резкой, так как при этом экс­плуатация оборудова­ния существенно упро­щается.

В процессе резки необходимо следить за состоянием сопел и электродов; для этого следует периодически удалять -<t внутренней поверхности сопла на­лет материала электро­да при помощи шлифо­вальной шкурки по ГОСТ 10054 — 82. При увеличении каналов сопл или изменении

формы этих каналов сопла необходимо за­менить на новые. Элек­трод следует заменить, когда его стержень уко­ротится на 2,5—3,0 мм.

Для уменьшения или полного устранения появления скоса кромки плазменная резка дета­лей должна произво­диться по часовой стрелке, т. е. таким об­разом, чтобы деталь по отношению к линии ре­за находилась с правой стороны. Вырезать от­верстия в деталях сле­дует против часовой стрелки.

При вычерчивании копирчертежей и со­ставлении программ для вырезки деталей необходимо выполнять приведенные ниже ус­ловия, обеспечивающие минимальные деформа­ции при тепловой резке.

В первую очередь следует вырезать отвер­стия. Вырезку деталей начинать от одной из кромок листа, последо­вательно переходя от одной детали к другой в направлении к проти­воположной кромке. При составлении карт раскроя деталей для тепловой резки реко­мендуется применять совмещенные резы.

Узкие и длинные де­тали (/^6£>, где / — длина, b — ширина де­тали) надо распола­гать вдоль продольной кромки листа, причем более длинные дета­ли — ближе к кромке, от которой начинается резка, а более корот-

кие — ближе к середине листа и к противоположной кромке. Вырезку еле дует начинать с узких и длинных деталей, расположенных у кромю-

Детали, имеющие одну кромку с вырезами, необходимо располагат этой кромкой в сторону кромки листа, от которой начинается вырезк; деталей.

Начало и направление реза каждой детали должны быть такими чтобы кромка, соединяющая деталь с основной массой листа, обрезалаа в последнюю очередь.

Вырезку на стационарных машинах листовых деталей длиной свыик 5 м, шириной свыше 0,8 м следует производить с угла, начиная с длинно! кромки. В программе или на копирчертеже необходимо откорректироваті контур детали; для этого надо предусмотреть плавное увеличение выпук лости или уменьшение выгнутости кромки первого и третьего резов с изме­нением стрелки прогиба кромки первого реза на 1,5 мм, третьего реза на 1,0 мм при кислородной резке и на 0,5 мм обеих кромок при плазменной резке.

Если одна деталь занимает большую часть листа, то вырезку необхо­димо начинать с этой детали.

При кислородной вырезке полос толщиной до 12 мм необходимо остав­лять перемычки через 800 мм для ширины до 100 мм, через 1200 мм для ши­рины 101—200 мм, через 1800 мм для ширины 201—300 мм, через 2500 мм для ширины свыше 300 мм. При плазменной резке расстояние между пере­мычками должно быть увеличено в 1,5 раза, длина перемычки должна быть не менее 15 мм. Перемычки следует оставлять на обеих продольных кром­ках таким образом, чтобы они лежали на одной прямой, перпендикулярной к длинным кромкам листа (детали). При вырезке деталей толщиной более 12 мм перемычки не оставляются.

При наличии соответствующего оборудования рекомендуется длин­ные и узкие полосы вырезать единовременно двумя или большим коли­чеством резаков..

При вырезке длинных и узких полос (/>66) одним резаком в програм­ме или на копирчертеже следует предусматривать обратный изгиб продоль­ных кромок деталей на величину, определяемую по формуле

f=A {1/Ь)

где / — стрелка изгиба кромки полосы на длине /, см; Ь — ширина реза, см.

Для низкоуглеродистых, низколегированных, среднелегированных и двухслойных сталей при кислородной резке Л=0,6-10_3 см, а при плаз­менной резке Л = 0,3*10~3 см.

Детали средних размеров (26 </<46) вырезаются во вторую очередь после вырезки длинных и узких полос; при этом оставляются перемычки и корректировка контура детали в целях компенсации деформаций на ребро не производится. На копирчертежах должны быть указаны маршрут вырез­ки деталей и места для перемычек, если последние технологически необ­ходимы.

Имеется производственный опыт [63] по использованию скосов кро­мок в качестве естественной фаски; установлению требований к точности вырезки деталей с учетом сокращения подгоночных работ при сборке; соз­данию технологии, обеспечивающей отсутствие порообразования при свар­ке под флюсом.

При разработке программ резки предусматривается такой раскрой листа, чтобы естественная фаска находилась со стороны будущего первого прохода сварного шва и чтобы обе стыкуемые кромки имели фаску с одной стороны. При сборке под сварку естественную фаску используют как за­данную в чертеже без дополнительной подготовки кромок, в частности, это осуществляется при подготовке листов толщиной до 16 мм под односто­роннюю автоматическую сварку.

Достаточно высокая точность работы стационарных машин, например типа «Кристалл», позволяет решить вопрос уменьшения подрубочных работ при сборочных операциях. Подрубка (или подрезка) соединяемых деталей обычно производится в тех случаях, когда они больше номиналь­ного размера. При составлении программ на вырезку деталей все поле до­пуска на размер размещается на самой детали. В этом случае получает­ся деталь либо номинального размера, либо с минусовыми отклонениями, что при сборке приводит к образованию зазора до 1 мм. При этом подруб­ка деталей полностью исключается. Этот метод получил название изготов­ление деталей в минусовых допусках.

При внедрении плазменной резки было обнаружено, что автомати­ческая сварка под флюсом по кромкам листов толщиной менее 12 мм после воздушно-плазменной резки невозможна из-за образования свищей в сварочных швах. Последующие исследования показали, что при резке в в кислороде или в воздухе с добавлением воды эта толщина может быть снижена до 8 мм. Однако дальнейшее снижение толщины оказалось не­возможным. Чтобы обеспечить возможность применения плазменной резки для вырезки деталей и листов толщиной 4—8 мм и их с варку без пред­варительной механической обработки кромок, была разработана следую­щая технология: детали толщиной 4—8 мм вырезались на машинах «Крис­талл», а при сварке первый проход стыкового соединения выполнялся полуавтоматической сваркой в среде углекислого газа. Последующие про­ходы осуществлялись автоматической сваркой под флюсом. В этом случае поры в сварных швах отсутствовали [63].

Детали нз толстолистовой стали толщиной 50—100 мм и более выре­заются в основном кислородной резкой. Плазменная резка применяется в качестве разделительной, к которой не предъявляется требований обес­печения необходимого для детали качества поверхности реза. Основными препятствиями к использованию плазменной резки для вырезки толсто­листовых деталей являются сложность пробивки металла большой тол­щины в любом месте поверхности листа и трудности обеспечения требуе­мого качества поверхности реза.

В работах отечественных и зарубежных авторов отмечается, что для обеспечения хорошего качества кромок деталей, вырезаемых плазменной резкой из листов больших толщин (до 100 мм и более), требуются повыше­ние мощности дуги и увеличение расхода плазмообразующего газа в два - три раза. Использование больших потоков газа уменьшает образование грата и улучшает качество реза. Отмечается, что стабилизация дуги за счет завихрения газа более предпочтительна, так как она позволяет при­менять более высокие напряжение и силу тока по сравнению со стабили­зацией за счет аксиальной подачи газа. В работе [90] обращается внима­ние на положительное влияние на качество кромок и производительность резки высокого рабочего напряжения (до 300 В). Рез получается с верти­кальными кромками, чистота поверхности которых повышается по мере увеличения напряжения. Отмечается также хорошее влияние на качество и производительность плазменной резки (особенно для металла боль­шой толщины) использования обратной полярности, при которой плюс подводится к электроду, а минус — к металлу. Это объясняется более глу­боким проникновением катодного пятна в полость реза. При этом на положение катодного пятна в полости реза оказывает влияние состав плазмообразующего газа. Так, в случае использования двух­атомных газов или их'смесей, например азота или воздуха, область суще­ствования катодного пятна расширяется и смещается в нижнюю часть фронтальной поверхности реза.

В результате выполненных исследований разработана технология плаз­менной пробивки и вырезки деталей из листов толщиной свыше 30 и до 60 мм при прямой полярности.

Разработан универсальный тиристорный источник питания, который со­стоит из двух установок типа АПР-402 (исполнение 07 по ТУ 16-739.044— 76) с напряжением холостого хода в 400 В. При параллельном подклю­чении двух установок обеспечивается сила тока до 630 А. Установка имеет устойчивую систему зажигания дуги, плавные нарастания тока и подачу газа, что обеспечивает надежный выход на режим пробивки в любой точке поверхности листа.

Установлено, что для толщин 30—60 мм оптимальными являются: плазмообразующий газ — воздух, сила тока режущей дуги — 360—400 А, размеры канала сопла 3,5±0,1 мм при длине 6—8 мм, расход воздуха 1,7—2,0 л/с. При указанных силе тока и расходе воздуха стандартный гафниевый электрод работоспособен в течение 1,5—2 ч, что соответствует 60 м реза при толщине металла 50 мм. Режимы резки приведены в табл. 4.15.

Разработанная технология резки обеспечивает качество вырезаемых деталей, соответствующее требованиям второго класса по ГОСТ 14792—80.

Пробивка стальных листов толщиной свыше 30 мм при резке на стацио­нарных машинах должна производиться в движении машины, т. е. в про­цессе перемещения резака над поверхностью листа с одновременным его опусканием с высоты 20—25 мм до рабочей высоты 10—12 мм (рис. 4.2). Это улучшает условия пробивки, так как выплавляемая масса металла выбрасывается в сторону, противоположную направлению движения резака.

Таблица 4.15. Режимы плазменной машинной резки металлов больших толщин

Рис. 4.2. Схема пробивки отверстий при плазменной резке листа большой толщины

Для успешной пробивки метал­ла таким способом необходимо выполнить четыре основных усло­вия: мощность дуги должна обе­спечивать надежное прорезание металла данной толщины, должно осуществляться плавное нараста­ние тока дуги и подачи плазмо­образующего газа, перемещение резака нужно производить со скоростью в 1,5—2 раза меньше рабочей. Режимы пробивки при­ведены в табл. 4.16.

Плавное нарастание тока от 120 А до рабочего значения в те­чение 4—5 с обеспечено конструк­цией источника питания. Плавный рост расхода газа может быть достигнут путем удлинения до 10 м шлангов, идущих от клапана

включения плазмообразующего газа до резака. Для этого клапан монти­руется не на суппорте машины (как обычно), а в источнике питания. Тогда увеличение расхода газа до рабочего расхода осуществляется в течение 2—3 с с момента включения клапана. Процесс пробивки выглядит следую­щим образом. После поднятия резака до высоты в 20 мм над поверхностью листа скорость перемещения машины снижается в 1,5—2 раза и возбуж­дается дуга. Затем резак постепенно во время пробивки опускается вниз до рабочей высоты в 10—12 мм. После получения сквозного отверстия начи­нается процесс резки с заданной рабочей скоростью.

Описанный процесс перемещения резака должен быть предусмотрен в управляющей программе машины. Раскрой листа должен быть выполнен таким образом, чтобы пробивка производилась один раз. При пробивке металла большой толщины получается много расплавленного металла и шлака. В связи с этим необходимо принимать меры для обеспечения безопасности плазморезчика. Должны применяться отражательные щит-

ки, не позволяющие разлиться расплавленному металлу и шлаку.

Для дальнейшего совершенствования процесса плазменной резки ме­талла больших толщин необходимо повышать стойкость электродов.