ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

СРЕДСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ

Установки, источники питания, плазмотроны, электроды и сопла

Установка для плазменной резки состоит из источника питания с аппаратурой управления процессом резки и плазмотрона, основными элементами которого являются электрод и сопло.

Основным изготовителем серийного оборудования для воздушно-плаз­менной резки является Степанаванский завод высокочастотного электро­оборудования, выпускающий установки УПР-201, АПР-401, АПР-402 и АПР-403. Их основные параметры приведены в табл. 5.1.

Установка УПР-201 предназначена для ручной воздушно-плазменной резки низкоуглеродистых, низколегированных, коррозионно-стойких, вы­соколегированных сталей толщиной до 40 мм, а также цветных метал­лов и их сплавов при температуре окружающей среды от +40 до —40 °С. В комплект установки входят источник питания с встроенной аппаратурой управления процессом резки и плазмотрон ПРВ-202УЗ.

Для работы установки требуются только электроэнергия и воздух от заводской магистрали. Резку можно производить в любом пространствен­ном положении.

Установки АПР-401 и АПР-403 по своим электрическим характеристи­кам и принципу построения электрической схемы аналогичны. Основное отличие установки АПР-403 состоит в размещении элементов схемы управ­ления установкой в корпусе источника питания.

Установки предназначены для полуавтоматической и автоматической механизированной воздушно-плазменной резки черных и цветных метал­лов и их сплавов. Максимальная разрезаемая толщина стали 80 мм при полуавтоматической резке и 100 мм — при автоматической.

В комплекты установок входят: источники питания и плазмотроны ПРВ-401У4 — для полуавтоматической резки и ПВР-402У4 — для авто­матической. Плазмотрон для автоматической резки можно устанавливать на машинах для тепловой резки, трубообрезных станках и на любом ме­ханизме, обеспечивающем равномерное перемещение плазмотрона с задан­ной скоростью.

При работе в полуавтоматическом режиме можно осуществлять раз­делительную резку, обрезку прибылей и выборку дефектов в сварных швах.

Установки комплектуются выпрямителями типа ВПР-402М для плаз­менной резки, которые состоят из трехфазного трансформатора, управляе­мого трехфазного дросселя насыщения, выпрямительного блока и пускоре­гулирующей аппаратуры. Дроссель насыщения служит для получения кру­то падающих внешних характеристик. Обмотки переменного тока дросселя включены встречно-последовательно в линейную цепь трансформатора. Управляющая обмотка (подмагничиваемая) охватывает все шесть сердеч­ников трех фаз дросселя и питается выпрямленным током.

Установка АПР-402 предназначена для механизированной воздушно­плазменной резки черных металлов толщиной до 130 мм, меди и ее спла­вов— до 100 мм и алюминия и его сплавов — до 130 мм.

В комплект установки входят источник питания с встроенной ап­паратурой управления и плазмотрон ПВР-402У4. Так же как и установки АПР-402, плазмотрон можно устанавливать на машинах для тепловой резки, трубообрезных станках и на любом другом механизме, обеспечи­вающем равномерное перемещение плазмотрона с заданной скоростью.

Схемы управления автоматически осуществляют: возбуждение режу­щей дуги, плавное нарастание рабочего тока, снятие напряжения с плаз­мотрона при нарушениях работы его системы охлаждения, выключение установки при выходе из строя вентиляции.

Установлено, что при использовании источников питания с крутопадаю­щими статическими характеристиками обеспечиваются не только высокая стабильность дуги, но и хорошее качество резки, так как чем более пологой будет внешняя статическая характеристика, тем рез получается более уз­ким книзу. Это объясняется тем, что углубление дуги в металл сопровож­дается увеличением напряжения и уменьшением тока, вследствие чего в нижних участках реза выделяется меньше тепла. В связи с этим оплав­ление будет идти с меньшей скоростью и рез книзу сузится.

На рис. 5.1 показаны две статические характеристики: пологопадающая (а) и крутопадающая (б). Допустим, что процесс резки характеризуется следующими средними параметрами: рабочий ток 400 А, напряжение на дуге 120 В (точки А). Если при резке напряжение увеличится или умень­шится на 20 В (точки А' и А”), то при работе с источником питания, имею­щим пологопадающую характеристику, ток изменится от 250 до 550 А, т. е. в 2,2 раза, а при работе с иточником питания с крутопадающей характеристикой ток будет изменяться в пределах от 380 до 410 А, т. е. всего в 1,08 раза.

Определенное влияние на стабильность процесса резки оказывает ин­дуктивность. Если она будет недостаточной, то при резких скачках напря­жения на дуге ток может уменьшиться до величины, при которой дуга и резка окажутся нестабильными даже при наличии крутопадающей стати-

О 100 200 300 т 500 600 7001,А

Рис. S. I. Различные формы внешних статических характеристик:

о — пологопадающая; б — крутопадающая

ческой характеристики. При достаточно большой индуктивности резка стабильна даже при сравнительно пологих характеристиках. Но от формы статической характеристики зависит и качество резки, поэтому она имеет первостепенное значение.

Крутопадающие внешние статические характеристики могут быть обес­печены следующими типами источников питания: выпрямителями, управ­ляемыми дросселями насыщения, тиристорными выпрямителями с обрат­ной связью по току, источниками питания на базе индуктивно-емкостных преобразователей и транзисторными источниками питания. В отдельных случаях могут использоваться сварочные генераторы, трансформаторы с рассеянием, балластные реостаты [63].

Выпрямители с дросселями насыщения широко применяются для плаз­менной обработки. Они обладают хорошими регулировочными характе­ристиками, просты в обслуживании и надежны в работе. Их недостатками являются низкий cos <р, значительные габаритные размеры и масса. Не вполне удовлетворительны и динамические характеристики дросселей на­сыщения, поэтому появляются броски тока при возбуждении дуги в источ­нике питания для плазменной резки. Используемое в этих источниках питания начальное ограничение тока подмагничивания дросселя насыще­ния все же не позволяет полностью избавиться от бросков тока. Источ­ники питания с дросселями насыщения постепенно вытесняются более экономичными, компактными и легкими тиристорными выпрямителями.

Тиристорные выпрямители (табл. 5.2), в которых для получения круто­падающих внешних статических характеристик используется обратная связь по току нагрузки, в настоящее время наиболее соответствуют требованиям, предъявляемым к источникам питания для плазменной

обработки. Высокие технико-экономические показатели, возможность получения любой желаемой формы внешней статической характеристики, широкий диапазон регулирования позволяют использовать тиристорные выпрямители для всех видов плазменной обработки. В источниках пита­ния этого типа достаточно просто реализуются режимы плавного увели­чения и уменьшения тока, импульсные режимы, что значительно расши­ряет и улучшает технологические возможности выпрямителей.

К числу их недостатков можно отнести большую величину пульсаций при глубоком регулировании. Уменьшение пульсаций за счет увеличения индуктивности сглаживающего дросселя приводит к ухудшению условий зажигания дуги.

В момент возбуждения дуги, когда сигнал обратной связи отсутству­ет, тиристорный выпрямитель фактически является нерегулируемым выпрямителем с жесткими характеристиками. При плазменной резке это приводит к появлению бросков тока величиной в 60—360 электриче­ских градусов (в зависимости от динамических свойств. схемы управле­ния) и амплитудой, в три — восемь раз превышающей номинальное значение рабочего тока. Бороться с этим явлением довольно сложно. Увеличение угла открывания тиристоров при возбуждении дуги приводит к снижению напряжения холостого хода и уменьшению вероятности воз­буждения дуги.

Источники питания на базе индуктивно-емкостных преобразователей можно отнести к сравнительно новым типам. В индуктивно-емкостных пре­образователях используются резонансные свойства LC контура, позво­ляющие получить источник питания с характеристиками, близкими к идеальным. Несмотря на то что индуктивно-емкостные преобразователи имеют вертикальные характеристики, соответствующие требованиям плаз­менной технологии, они не получили широкого распространения из-за сложности регулирования тока. Практически ток в индуктивно-емкостном преобразователе может регулироваться только изменением питающего напряжения. Область применения индуктивно-емкостных преобразовате­лей ограничивается плазменной резкой, которая может производиться при двух-трех фиксированных значениях токов.

Несмотря на указанный недостаток, а также на необходимость приме­нения в индуктивно-емкостных преобразователях силовых конденсаторов и дросселей, эти источники питания весьма перспективны.

Транзисторные источники питания имеют высокие технические харак­теристики. Поскольку транзистор является полностью управляемым полу­проводниковым прибором и к тому же имеет высокие частотные параметры, транзисторные источники питания позволяют получить любую форму ста­тической характеристики, идеально сглаженный ток и прекрасные дина­мические свойства.

Однако они сравнительно дороги, имеют низкий КПД и ограниченную мощность из-за небольшой мощности рассеяния транзисторов.

Плазмотрон для резки металлов является устройством, генерирующим стабилизированный в пространстве поток дуговой плазмы с температурой до нескольких десятков тысяч градусов Кельвина и скоростью истечения до нескольких тысяч метров в секунду. При всем разнообразии плазмо­тронов ниже приводится их классификация по ряду признаков [63].

При всем разнообразии плазмотронов ниже приводится их классифи­кация по ряду признаков [63].

По назначению режущие плазмотроны подразделяются на машинные и ручные. Машинные плазмотроны работают от источников питания с плазмотрона: это высота канала сопла Нс, радиус сопряжения капала

153

напряжением холостого хода до 300 В при величине рабочего тока 250— 500 А и выше. Толщина разрезаемого металла до 50—80 мм.

Ручные плазмотроны для обеспечения безопасности работают при нап­ряжении холостого хода источника не более 180 В, величине рабочего тока до 250 А и мощности дуги до 30 кВт. Толщина разрезаемого металла не превышает 40 мм при использовании в качестве плазмообразующей среды сжатого воздуха. Применяются ручные плазмотроны на монтажных рабо­тах, при обработке отливок и при резке листового проката в малых объемах.

По принципу работы режущие плазмотроны могут быть с дугой пря­мого и косвенного действия. Наиболее широко применяются плазмотроны с дугой прямого действия.

По роду используемого тока наиболее распространены режущие плаз­мотроны постоянного тока, отличающиеся лучшей стабильностью горения дуги. Проведены исследования режущих плазмотронов на пульсирующем токе; исследуются также возможности применения переменного тока про­мышленной частоты.

По роду применяемой рабочей среды можно выделить три основных типа плазмотронов: с окислительным рабочим газом, с нейтральным ра­бочим газом и с использованием воды в качестве плазмообразующей сре­ды. Из газов, нейтральных по отношению к рабочему электроду, получили наибольшее применение аргон, азот, водород и их смеси. Экономично ис­пользовать плазмотроны, работающие на воздухе. Несомненный интерес представляют плазмотроны, рабочей средой которых является вода. Их разработкой занимается в нашей стране ряд организаций, однако про­мышленного применения они еще не получили.

По способу стабилизации дуги плазмотроны могут быть с вихревой, осевой и комбинированной системами стабилизации. Осевая стабилиза­ция применяется при использовании катодов в виде заостренного стержня диаметром 2—6 мм, длиной до 150 мм; их изготовляют из вольфрама, леги­рованного окислами лантана и иттрия. При вихревой стабилизации осу­ществляются более интенсивное обжатие дуги и более четкая ее фиксация по оси плазмотрона.

При всем разнообразии конструкций все плазмотроны имеют три основ­ных элемента: электрод (при прямой полярности катод), сопло и изолятор. Последний разделяет электрод и сопло, находящиеся под разными элект­рическими потенциалами. Конструкция и материал этих элементов опреде­ляют основные эксплуатационные характеристики плазмотрона: стойкость изнашивающихся деталей, стабильность работы и проплавляющую способность режущей дуги, т. е. в конечном итоге призводительность процесса резки и качество кромок вырезаемых деталей. Сказанное спра­ведливо лишь в случае, если параметры перечисленных элементов взаимо­связаны, образуя систему, называемую дуговой камерой. Для каждой конструкции плазмотрона существует вполне определенная геометрия дуговой камеры, позволяющая получить наилучшие показатели, т. е. наибольшую скорость при высоком качестве поверхности резки. Схема­тичное изображение дуговой камеры и ее параметры, которые учитыва­ются при оптимизации, приведены на рис. 5.2. Различают технологические и конструктивные параметры плазмотронов [42]. К первым относятся: ток дуги /л, расход Q или давление р воздуха, а также других плазмо­образующих газов. К конструктивным параметрам, в первую очередь, относятся параметры, характеризующие геометрию дуговой камеры плазмотрона: это высота канала сопла Нс, радиус сопряжения канала

Рис. 5.2. Конструктивные параметры дуговой камеры плазмотрона

сопла Rc, расстояние от среза до рабочей поверхности электрода //, с, радиус элек­трода /?„ угол раскрытия а, диаметр ка­нала сопла Dc, расстояние от рабочей поверхности электрода до завихрителя h.

Для функционирования плазмотрона без изменения рабочих характеристик не­обходимо, чтобы параметр Н3.с оставался неизменным. Естественно, что диаметр Dc и высота Нс ограничивающего канала (сопла) также должны оставаться посто­янными во времени. Следует иметь в виду, что такой технологический параметр, как ток дуги, является определяющим факто­ром лишь в совокупности с диаметром сопла, т. е. в виде плотности тока, которая представляет собой отноше­ние тока дуги к площади поперечного сечения канала сопла. В связи с этим увеличение или уменьшение скорости резки при заданных токе дуги и толщине разрезаемого металла может происходить за счет умень­шения или увеличения диаметра сопла, т. е. при условии увеличения или уменьшения плотности тока. При этом, как правило, уменьшается или увеличивается ширина реза.

Серийно выпускаются плазмотроны и запасные части к ним, т. е. катоды для воздушно-плазменной и кислородно-плазменной резки, сопла, электроды. Степанаванский завод высокочастотного электрооборудования изготовляет плазмотроны типов ПРВ-101У4, ПРВ-202УЗ и ПРВ-401У4 для ручной резки и типов ПВР-101У4, ПВР-402У4 для механизированной резки. Кроме того, в комплекте с машинами «Кристалл» поставляется плазмотрон типа ПМР-74 для воздушно-плазменной резки, допускающий использование резки с добавлением воды, а также применение в качестве плазмообразующих газов кислорода, азота, углекислого и других газов.

Основные характеристики серийных плазмотронов, предназначенных для воздушно-плазменной резки, приведены в табл. 5.3.

Плазмотрон ПРВ-202УЗ (рис. 5.3) с воздушным охлаждением предназ­начен для ручной резки только в монтажных условиях и в тех случаях, когда водяное охлаждение плазмотрона обеспечить технически сложно.

Плазмотрон ПРВ-401У4 большой мощности используется при ручной резке и спроектирован с учетом новых требований безопасности в соот­ветствии с ГОСТ 12.2.007.8—75*. Он применяется в тех случаях, когда невозможно механизировать процесс резки, например при обрезке литни­ков и прибылей. Отличительный признак плазмотрона — отсутствие регу­лировки при сборке. Плазмотрон входит в комплект установки АПР-403.

Плазмотрон типа ПВР-402У4 (рис. 5.4) предназначен для механизиро­ванной воздушно-плазменной и кислородно-плазменной резки.

Плазмотроны ПРВ-101У4 и ПВР-І01У4 имеют максимально унифи­цированные сменные и быстроизнашивающиеся детали, т. е. электроды и сопла. Плазмотроны для ручной и механизированной резки имеют одина­ковую конструкцию рабочей части [63].

Технологические возможности плазмотрона ПВР-101У4 для механизи­рованной резки позволяют получать при силе тока 150—160 А некоторый выигрыш по скорости, ширине и качеству реза, уровню шума и дымовы-

Рис. 5.4. Плазмотрон ПВР-402У4

допустимого теплового потока, проходящего через материал активной вставки, зависит от радиуса медной державки. Стабилизация дуги — вихревая.

Технология изготовления электрода должна обеспечивать гарантиро­ванный тепловой и электрический контакт между медью и гафнием по всей поверхности активной вставки в течение всего времени ее работы. Наи­более полно этим требованиям отвечает метод совместной холодной штам­повки активной вставки и медной державки.

Для предотвращения расплавления стенок медной державки под воз­действием теплового потока столба дуги и для повышения ресурса работы электрода между активной гафниевой вставкой и медной державкой делается алюминиевая прокладка толщиной 0,05—0,15 мм.

Необходимость введения прокладки определена в результате исследо­ваний механизма функционирования электрода. Они показали, что окислы, образующиеся на рабочей поверхности гафниевой вставки, плохо смачи­вают стенки эрозионного кратера и не защищают их от воздействия теп­лового потока столба дуги. В результате наступает момент, когда пада­ющий на стенки кратера тепловой поток от столба дуги вызывает расплав­ление части медного держателя. Образующаяся при этом жидкая медь окисляется и может попасть в эмитирующий материал в виде окислов. Тем­пературы кипения окислов меди значительно ниже, чем гафния, вследствие чего они интенсивно кипят, унося окислы гафния и разрушая защитную пленку на его поверхности. Вследствие этого ресурс работы электрода исчерпывается после использования гафниевой вставки по высоте всего на 25 %. Чтобы повысить ресурс электрода, осуществлено коронирование стенок кратера тугоплавким материалом, обладающим плохой смачива­емостью и низкими эмиссионными свойствами (в частности, алюминие­вой фольгой, которая наиболее полно отвечает указанным требованиям).

Сейчас электроды с алюминиевой прокладкой выпускаются серийно Степанаванским заводом высокочастотного электрооборудования (типа электрода ЭП-01) и используются предприятиями при кислородно-плаз­менной резке деталей из листов малоуглеродистой стали на машинах с фотоэлектронной и цифровой системами управления.

Ресурс электрода при силе тока 200—300 А и диаметре сопла 3 мм со­ставляет 1,5—3 ч суммарного времени горения дуги. Для плазмотронов, предназначенных для использования инертных и нейтральных плазмо­образующих сред, применяются электроды из вольфрама.

В настоящее время промышленностью освоен выпуск вольфрама, леги­рованного окислами лантана и иттрия (вольфрам марок ВЛ и СВИ). Эти добавки существенно улучшают эмиссионные свойства вольфрама, повышая ресурс работы катода и надежность плазмотрона.

Конструктивно электроды из вольфрама выполняются двумя способа­ми: в виде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закрепленным в электродном узле плазмотрона (рис. 5.7, а), и в виде медной державки с заделанным в нее стержнем вольфрама, закрепленным в электродном узле (рис. 5.7,6). Последняя конструкция предпочтительней, так как позволяет получать более высокие плотности тока на катоде благодаря лучшим условиям теплоотвода; она также более экономична с точки зре­ния расхода вольфрама, так как при эксплуатации вольфрамового прутка его часть, находящаяся в цанговом зажиме, не используется.

Наряду с электродом сопло является основным элементом плазмотрона, определяющим его технические характеристики и ресурс работы. Назна­чение сопла — формирование геометрических и энергетических парамет­

ре

Рнс. 5.7. Принципиальная схема плазмотрона с вольфрамовым катодом: а — плазмотрон с цанговой фиксацией электрода; б — плазмотрон с фиксацией электрода в медной державке:

/ — электродный узел; 2 — цанговый зажим; 3 — вольфрамовый стержень; 4 — медная державка

ров дуги. Кроме того, сопло формирует и ста­билизирует прикатодную область дугового стол­ба. К основным параметрам сопла относятся диаметр и высота канала, геометрия дуговой камеры плазмотрона [63J.

Диаметр и высота канала сопла устанавли­ваются в зависимости от величины рабочего тока, состава и расхода плазмообразующего газа. При этом находят наиболее благоприят­ное сочетание таких показателей, как техноло­гические возможности и надежность работы плазмотрона, т. е. стойкость сопла и электрода. Предпочтение отдается показателю надеж­ности.

В плазмотронах для резки желательно уменьшать диаметр и увеличивать высоту канала сопла, что благоприятно сказывается на технологических возможностях плазмотрона, т. е. при этом увеличивается скорость резки, повышаются чистота и вертикальность кромок реза, уменьшается его ширина. Однако падает стойкость сопла и возникают трудности с за­жиганием дуги. Снижается ресурс работы электрода вследствие увеличения тепловых по­токов, проходящих через электрод из-за умень­шения диаметра прикатодной области. При определении оптимальных соотношений между диаметром канала сопла и его высотой учитываются перечисленные факторы. Обычно высота канала равна или немного больше диаметра.

Чтобы уменьшить вероятность выхода из строя сопел плазмотронов, необходимо предотвращать возникновение недопустимых тепловых наг­рузок на него и возникновения двойной дуги.

Наряду с обеспечением достаточного охлаждения сопла необходимо создавать благоприятные условия для подачи плазмообразующего газа в его канал, что зайисит от геометрии дуговой камеры.

Сопло выполняет также роль вспомогательного электрода, обеспечи­вающего зажигание вспомогательной, т. е. так называемой дежурной, дуги. С ее помощью осуществляется переход к возбуждению основной дуги, горящей между катодом (анодом) плазмотрона и обрабатываемым изделием.

Использование сопла в качестве промежуточного электрода для воз­буждения дежурной дуги вызывает необходимость его изоляции от основ­ного электрода плазмотрона.

К материалу изолятора плазмотрона предъявляются разнообразные и противоречивые требования. Он должен обладать: высокой электричес­кой прочностью, поскольку возбуждение дежурной дуги осуществляется с помощью высоковольтного высокочастотного разряда осциллятора; вы­сокой механической прочностью, так как изолятор часто выполняет функ­

ции несущей части конструкции, на которой крепятся остальные узлы плаз­мотрона; возможностью обработки режущим инструментом; термостой­костью, так как отдельные части изолятора подвержены действию тепло­вого и светового излучения дуги; герметичностью, поскольку через изоля­тор проходят коммуникации плазмообразующего газа и охлаждения.

Исходя из перечисленных требований, определены две группы мате­риалов. К первой группе относятся материалы, хорошо обрабатываемые на универсальном оборудовании из заготовок (прутки, листы), а ко второй — материалы, получаемые с использованием специальной технологической оснастки (пресс-форм, заливочных форм).

К первой группе относятся фторопласт Ф-4, капролон, а в отдельных случаях эбонит; ко второй — эпоксидная смола холодного отверждения ЭД-5 с кремнийорганическим наполнителем, стеклонаполненные пресс- материалы, а также высокоглиноземистые керамические материалы типа кристаллокорунда.

Является перспективным использование керамических материалов. В настоящее время их применение сдерживается в основном двумя причи­нами. Первая — большой разброс коэффициента усадки шликерной массы при спекании, что не позволяет получать детали выше 5-го класса точности. Вторая причина связана с тем, что для изготовления деталей из высокогли­ноземистых шликерых масс требуется специальное технологическое обо­рудование — шаровые мельницы для приготовления массы, машины шли - керного литья и водородные печи для спекания массы.

Несмотря на то, что для изготовления изолятора плазмотрона приме­няются материалы пяти-шести наименований, можно считать, что эта проб­лема сейчас решена. Выпускаемые плазмотроны имеют приемлемый ресурс работы и в целом отвечают требованиям надежности.

По мере развития техники и технологии возникает потребность в рас­ширении области применения плазменной резки, в первую очередь, за счет расширения диапазона разрезаемых толщин в сторону их увеличения и уменьшения. Возникает потребность в повышении производительности процесса и качества резки, особенно в применении к резке металла боль­ших толщин. Создание гибких автоматизированных производственных систем, в составе которых плазморежущие машины работают без опера­торов, вызвало необходимость резкого повышения стойкости электродов.

В связи с вышеизложенным привлекает внимание использование полых медных электродов, которые дают возможность увеличить мощность режу­щего плазмотрона и ресурс работы электродной системы, а также ис­пользовать переменный ток промышленной частоты [44].

Режущие плазмотроны с полым медным электродом бывают прямого и косвенного действия (рис. 5.8). Они состоят из полого внутреннего элект­рода, завихрители и соплового электрода. Завихритель расположен между внутренним и сопловым электродами и изготовляется из изолирующего материала или из меди с изолирующими прокладками между ним и обоими электродами. У плазмотронов для дуги косвенного действия сопловый электрод удлинен.

Отличительной особенностью таких электродов является интенсивное перемещение опорного пятна дуги по сильно охлаждаемой поверхности электрода, которое осуществляется под действием газового циклона, соз­даваемого тангенциальными отверстиями. в завихрителе. Образующийся газовый циклон обусловливает стабильное положение столба дуги по оси полости электрода в зоне наименьшего статического давления и способст­вует быстрому круговому вращению опорных пятен дуги по поверхности

Рис. 5.8. Принципиальные схемы плазмотрона с медными полыми электродами: а — с дугой прямого действия; б — с дугой косвен­ного действия:

I — полый внутренний электрод; 2 — завихритель; 3 — сопловая часть; 4— дуга; 5—металл; 6 — струя плазмы; 7 — балластное сопротивление; 8 — контактор; 9 — подача охлаждающей воды; 10 подача воздуха

внутренней полости электрода. При этом не до­пускается локальный нагрев последних и в соче­тании с интенсивным наружным охлаждением обе­спечивается длительный срок службы электродов. Кроме того, располагающийся вблизи стенок га­зовый циклон создает эффективную тепловую изоляцию дуги.

Электроды работают при невысокой темпера­туре нагрева (420—470 К), и в качестве рабочего газа может быть использован сЖатый воздух.

При дуге прямого действия один полюс источ­ника питания подключается к внутреннему элек­троду, а второй — к разрезаемому металлу и через балластное сопротивление и размыкающий кон­такт — к сопловому электроду (рис. 5.8, с).

Первоначально дуга возбуждается в мини­мальном зазоре между внутренним и сопло­вым электродами с помощью инициирующего устройства. Затем газовым вихрем она растяги­вается и стабилизируется по оси разрядной ка­меры. Как только образовавшийся поток плазмы касается разрезаемого металла, дуга переходит на металл, а контактор размыкает цепь прохож­дения тока через сопловый электрод.

В празмотронах с косвенной дугой (рис. 5.8, б) через сопловое отверстие истекает ионизированный поток плазмы рабочего воздуха. Электрическая дуга обжимается в радиальном на­правлении только газовым вихрем внутри разрядной камеры. В связи с этим плотность энергии и температура потока плазмы, истекающей через сопловое отверстие, значительно ниже.

Для машинной плазменно-воздушной резки углеродистых и легирован­ных сталей и их сплавов толщиной до 160 мм создан плазмотрон ПВ-47 с полным медным электродом. Этот плазмотрон можно использовать для раскроя листового материала, для разделительной резки труб и круглого проката, а также для резки сложного профиля.

Интенсивная направленность потока плазмы, истекающей из сопла, обеспечивает хорошее качество реза: узкую щель, образующуюся при рез­ке: гладкие чистые параллельные боковые поверхности реза.

Конструкция плазмотрона может быть установлена на любую плазмо­резательную машину, обеспечивающую его равномерное перемещение с заданной скоростью над разрезаемым металлом. Для его питания ис­пользуется выпрямитель с напряжением холостого хода 500 Вис крутопа­дающей внешней характеристикой.

В отличие от плазмотронов с гафниевым или циркониевым катодом плазмотрон ПВ-47 имеет увеличенный ресурс работы (примерно 40 ч), а также обладает более высокими мощностью и производительностью. Его технические характеристики следующие:

Электрическая мощность, кВт.............................................................................................. 50 250

Рабочий ток, А........................................................................................................ 200—600

Рабочее напряжение дуги, В............................................... 200—350

Напряжение холостого хода, В................................................................................................ 500

Плазмообразующий газ......................................................................................................... Воздух

Расход воздуха, л/с............................................................................................................. 1,1 2,8

Давление воздуха, МПа....................................................................................................... 0,3 0,5

Охлаждение плазмотрона...................................................................................................... Водяное

Расход охлаждающей воды, л/с............................................................................ 0,1—0,3

Давление охлаждающей воды, кПа. не менее............................................................................. 150

Габаритные размеры, мм:

диаметр.......................................................................................................................... 60

длина............................................................................................................................. 150

Масса, кг...................................................................................................................... 1,4

Кривые изменения скорости резки высоколегированной стали плазмо­троном ПВ-47 в зависимости от разрезаемой толщины металла при значе­ниях силы тока от 200 до 600 А приведены на рис. 5.9.

Кишиневским политехническим институтом совместно с ВНИИЭСО проведены сравнительные испытания плазмотронов I1B-47 и ПВР-402 при рабочем токе 315 А. В результате установлено, что скорость резки и потре­бляемая мощность у плазмотрона ПВ-47 на 20 —40 % выше, чем у плазмо­трона ПВР-402. Увеличение мощности достигается за счет повышения напряжения на дуге. Ширина реза заметно уменьшилась, особенно при резке металла толщиной свыше 80 мм. Ресурс работы медного полого электрода составил 2—10 тыс. включений продолжительностью 30—6 с, в то время как ресурс работы гафниевого катода плазмотрона ПВР-402 был в пределах от 360 до 596 включений (рис. 5.10).

В процессе сравнительных испытаний плазмотронов был выполнен расчет их КПД по формуле:

где Р„ — потери тепловой мощности в плазмотроне, кВт: U — рабочее напряжение режущей дуги, В / — рабочий ток дуги, А.

Рис. 5.11. Принципиальная схема полого электрода с гафниевыми катодами по внут­ренней поверхности:

/ — корпус электрода; 2 — гафнневые ка­тоды; 3 — сопло плазмотрона

Рис. 5.12. Электродуговая камера плазмо­трона:

I — катододержатель; 2 — сопло; А — кон - фузорная поверхность сопла; В — внешняя коническая поверхность катододержателя

В результате выяснилось, что у плазмотрона ПВ-47 КПД составляет 81—84 %, а у плазмотрона ПВР-402 КПД выше и достигает значений 91—94 %. Уменьшение КПД плазмотрона ПВ-47 обусловлено большими потерями тепла в полом медном электроде, в котором размещена часть режущей дуги, а также более высоким падением напряжения в дуговом пятне, обегающем внутреннюю поверхность медного электрода, по сравне­нию с дуговым пятном на термохимическом катоде.

Институтом теплофизики СО АН СССР и Новосибирским Государст­венным университетом создан плазмотрон РПТ-1, имеющий полый элект­род с гафниевыми вставками по окружности внутренней стенки, который работает на постоянном токе (рис. 5.11). Плазмотрон имеет газовихре­вую стабилизацию дуги и предназначен для резки металла больших тол­щин и плазменно-механической обработки крупногабаритных изделий. Технические данные плазмотрона следующие:

Напряжение источника, В............................................................................... • . . 300

Максимальный рабочий ток, А....................................................................................... 1000

Рабочий газ...................................................................................................................... Воздух

Расход газа, л/с.......................................................................................................... 1,4—3,3

Давление в газовой системе, МПа...................................................................................... 0,3

Охлаждение..................................................................................................................... Водяное

Расход воды, л/с.................................................................................................................. 0,3

Давление в водяной системе, МПа..................................................................................... 0,6

Ресурс непрерывной работы, ч...................................................................................... Более 50

Толщина разрезаемого металла, мм:

стали............................................................................................................................. До 150

меди........................................................................................................................... До 80

Габаритные размеры, мм:

диаметр..................................................................................................................... 52

длина.......................................................................................................................... 200

Масса, кг. ......................................................................................................... 1,2

Гафниевые вставки, расположенные на внутренней поверхности полого электрода, включаются в работу по мере повышения силы тока примерно

через каждые 200 А, поэтому при большой суммарной силе тока каждая вставка работает при токе относительно небольшой величины; за счет этого увеличивается стойкость электрода.

В заключение следует отме­тить, что доля производства тон­колистового проката толщиной от 1 до 6 мм составляет примерно 30 % по массе. При оценке по площади или по количеству листов разрезаемого металла она будет значительно больше. В то же вре­мя механические способы резки тонколистового металла, особенно по криволинейному контуру, очень трудоемки и низкопроизводитель­ны, а кислородная резка вызы­вает значительное коробление.

В связи с этим создание плазмен­ной установки для резки листов ма­лых толщин является весьма акту­альной задачей, решение которой дает значительный экономический эффект народному хозяйству.

Учитывая сказанное, во ВНИИАвтогенмаше на базе серийного свароч­ного выпрямителя ВД-ЗОІУЗ и осциллятора ОСПЗ-2М создана установка для воздушно-плазменной резки тонколистового проката различных ме­таллов при токе 5—50 А [92].

Плазмотрон, используемый в указанной установке (рис. 5.12), отли­чается от известных тем, что для обеспечения стабилизации дуги в канале его сопла имеется электродуговая камера, в которой внешняя коническая поверхность катододержателя эквидистантна конфузорной поверхности сопла, а отношение площадей проходного сечения канала сопла и канавки завихрителя равно 3—10. Угол подъема винтовой линии канавки завих - рителя составляет 3—10°. При этом все применяемые завихрители имеют одну канавку.

Устойчивое горение малоамперной дежурной дуги достигается пос­редством предельного сокращения ее реальной длины, т. е. сведением к ми­нимуму осевого зазора между катодом и соплом, а также расстояния между внешним торцом сопла и катода.

Испытания сопла и катода показали, что стойкость этих элементов плазмотрона более 20 ч.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что мощность источников питания плазморежущих установок для обра­ботки металлических листов толщиной до б мм должна составлять для ручной резки примерно б кВ-А, а для машинной (со скоростью резки до 6 м/мин) — 10 кВ-А. Рекомендуемые режимы ручной резки приведены в табл. 5.4, а машинной — в табл. 5.5. Неперпендикулярность кромки реза стали составляет 0,3—0,8 мм, а алюминия — 0—0,6 мм. Избежать этого можно снижением скорости резки, но при этом увеличивается ширина реза и появляется опасность возникновения значительных термических деформаций, особенно при обработке деталей небольших размеров. Кроме того, резка на максимальных скоростях, допускаемых данной фактической мощностью дуги, происходит без образования грата.