ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ

Общие положения

и некоторые технологические закономерности

Целью реализации любого технологического процесса, включая и плазменную резку, является получение изделия требуемого качества при заданной производительности и максимальной экономичности. Под ка­чеством изделия понимается совокупность его свойств, получаемая в ре­зультате изготовления, которая позволяет использовать изделие по его назначению в процессе эксплуатации или при осуществлении других тех­нологических процессов. Качество характеризуется значениями ряда ко­личественных показателей; оно снижается по мере увеличения отклоне­ний их фактических значений, полученных в результате изготовления, от заданных номинальных величин. Степень приближения фактических значений показателей качества изделия к их номинальным значениям называется точностью изготовления. Точность характеризуется абсолют­ными или относительными величинами отклонений от номинальных зна­чений показателей качества.

Показателями качества детали, вырезанной плазменной и другими способами тепловой резки, являются значения линейных угловых разме­ров, характеризующих ее габариты и форму, а также параметры, характе­ризующие свойства металла, из которого изготовлена деталь. Отклоне­ния от номинальных значений размеров приводят к появлению дополни­тельных трудозатрат при сборке и сварке конструкции, а изменения свойств металла в зоне термического влияния могут вызвать порообразование при сварке под флюсом, трещинообразование и другие дефекты в сварном шве, а также снижение прочности детали при наличии свободных, т. е. несва - риваемых кромок. Отклонения от номинальных значений показателей ка­чества возникают вследствие воздействия погрешностей, которые можно подразделять на три основные группы: погрешности программы и програм­моносителя; погрешности работы машины; отклонения, возникающие при выполнении технологического процесса.

Производительность процесса плазменной резки предопределяется ско­ростью резки, а экономичность — затратами на электроэнергию, плазмо­образующие газы, электроды и другие технологические материалы и за­пасные части, а также затратами на оборудование и величину аморти­зационных отчислений.

Все параметры технологического процесса плазменной резки, т. е. точ­ность, производительность и экономичность, связаны также со свойства­ми и толщиной разрезаемого металла. Оптимальные значения перечислен­ных параметров определяются режимами резки, которые обусловливаются выполнением серии исследований по резке металла каждой марки и тол­щины. Значительное влияние на режимы и технологию плазменной резки и на качество реза оказывает плазмообразующая среда.

Виды плазмообразующих газов и их смесей, их влияние на свойства дуги и металла кромки подробно рассмотрены в предыдущей главе. Сле­дует отметить, что выбор плазмообразующей среды должен производиться в зависимости от свойств и толщины обрабатываемого металла, исходя.

с одной стороны, из условия обеспечения нужной производительности резки, а с другой,— минимального отрицательного воздействия процесса резки на форму поверхности реза, свойства и структуру металла в ЗТВ.

Важнейшим параметром, определяющим производительность процесса плазменной резки, является скорость резки.

К. В. Васильевым предложено уравнение для расчетной оценки ско­рости плазменной резки, основанное на учете составляющих энергетичес­кого баланса и на допущении, что жидкий металл, находящийся при тем­пературе плавления, сдувается потоком плазмы с кромок разрезаемого металла. В таком случае скорость резки v металла толщиной s и плот­ностью у при образовании полости реза шириной h, при тепловом воздейс­твии дуги напряжением U и силе тока / определяется выражением

у hsQ ’

где г) — эффективный КПД дуги; AQ — приращение теплосодержания ме­талла; qT — интенсивность теплопередачи в металл.

Анализ выражения (4.1) позволяет выявить некоторые общие техноло­гические закономерности процесса плазменной резки [3].

Первая закономерность — скорость плазменной резки — предопреде­ляется мощностью дуги. В этом коренное отличие и преимущество плаз­менной резки по производительности по отношению к кислородной резке, скорость которой связана прежде всего с кинетикой химических превра­щений. Однако преимущество плазменной резки по скорости не является безусловным, так как скорость плазменной резки падает значительно быстрее по мере увеличения толщины разрезаемого металла, чем скорость кислородной резки.

Вторая — скорость плазменной резки — прямо пропорциональна мощ­ности дуги и обратно пропорциональна толщине и плотности разрезае­мого металла.

Третья — мощность режущей дуги 0,24/£/т| — должна быть больше или равна некоторой критической величине, при которой обеспечивается проплавление металла определенной толщины с учетом потерь qm от теп­лоотвода в разрезаемый лист. При прочих равных условиях с увеличением скорости резки в определенный момент времени может прекратиться сквоз­ное прорезание металла.

Четвертая — обе составляющих мощности режущей дуги (сила тока и напряжение) — не равноценны по интенсивности влияния на скорость резки. Установленно на основании экспериментальных исследований, что увеличение напряжения более эффективно влияет на скорость резки, чем увеличение силы тока. Величина напряжения на дуге предопределяет глубину ее погружения в разрезаемый металл. Увеличение напряже­ния с увеличением толщины разрезаемого металла позволяет резать металлы так называемой «жесткой» режущей дугой (большой расход газа через узкое сопло), что способствует повышению скорости и качества резки.

Взаимосвязь между основными теплофизическими константами разре­заемого металла: теплопроводностью а, теплоемкостью С, скрытой тепло­той плавления q, плотностью у, температурой плавления Т„„ и скоростью резки v для двух различных металлов характеризуется выражением [7]

WiYi [Сі (7’плі — То) +<?i] +^1^1 = V2y2[C2(T„„2 — Го) -+- 92] + где То — начальная температура листа перед резкой.

•< — g|V' І*?! I —То) + <?l] +^|7’i m

V2 [Ca (Тпл 2 — Го) - f 92J + ^гГг

Зная значения теплофизических констант обоих металлов и скорость резки одного из них при определенной толщине листа, установленную экспериментальным или расчетным путем, можно по выражению (4.2) рассчитать скорость резки любого металла той же толщины. Этот метод называется методом относительных скоростей.

Вверху ширина реза определяется суммарным воздействием ряда фак­торов: диаметра сопла, величинами тока и скорости резки, составом и расходом плазмообразующего газа, расстоянием от нижнего среза сопла до поверхности разрезаемого металла. Наибольшее влияние оказы­вает диаметр сопла, определяющий сечение столба режущей дуги. В пер­вом приближении ширину реза по верхней кромке можно принимать рав­ной двум диаметрам сопла. Так как при увеличении скорости ширина реза внизу уменьшается, то конусность реза при этом возрастает. При весьма малых скоростях, равных для стали примерно 10 % от максимальной, рез получается расширяющимся книзу, так как анодное пятно нахо­дится у нижней кромки. Некоторое увеличение скорости (для стали от 15 до 25 % от максимальной) позволяет получить рез с параллельными стенками.

Однако резка на малых скоростях не применяется, так как при этом снижается производительность процесса и на нижней кромке разрезаемо­го листа образуются наплывы грата, прочно сцепленного с металлом.

Применение кислородосодержащих смесей приводит к заметному уве­личению скорости при резке малоуглеродистых и низколегированных ста­лей и почти не сказывается при резке алюминиевых сплавов и нержавею­щих сталей.

Расход плазмообразующей смеси устанавливается таким образом, чтобы обеспечить надежную изоляцию стенок сопла от столба дуги. Чем больше расход, тем надежнее должна быть эта изоляция. Однако чрез­мерный расход смеси нецелесообразен, так как на ее нагрев затрачивает­ся энергия и при большом ее расходе скорость резки понижается. Кроме того, очень большой расход может привести к переохлаждению электро­да и к прекращению процесса резки. В связи с этим при разработке режима резки обычно экспериментально определяют минимальное коли­чество плазмообразующей смеси, при котором процесс резки протекает без двойного дугообразования.

При двойном дугообразовании вместо нормальной дуги, горящей меж­ду электродом и разрезаемым металлом, возникает дуга, состоящая из двух участков: электрод — сопло и сопло — разрезаемый металл. Такая дуга образуется в случае нарушения газовой защиты между столбом плазмы и стенкой сопла.

Двойная дуга может быть кратковременной, когда защитный газовый слой быстро восстанавливается и вновь изолирует стенки от столба и плаз­мы, и длительной, когда образовавшаяся дуга горит устойчиво. Оба вида двойной дуги недопустимы. В первом случае происходит постепенное разруше­ние стенок сопла, так как каждое кратковременное замыкание столба дуги на стенку сопла вызывает расплавление какого-то участка поверх­ности сопла и образование на ней небольшого кратера. Во втором случае за несколько секунд сопло оплавляется настолько, что дальнейшая эксплуа­тация его становится невозможной. При этом обычно повреждаются и другие детали резака.

При использовании оптимальных режимов плазменной резки с приме - нием рекомендуемых плазмообразующих сред получаются достаточно высокие качественные показатели резов. Они сопоставимы по точности и чистоте поверхности с кислородной резкой за исключением несколько боль­шей неперпендикулярности реза. В то же время глубина ЗТВ и деформа­ция вырезаемых деталей меньше, чем при других способах резки (кроме лазерной).

В Советском Союзе принята система оценки качества поверхности реза, предложенная К. В. Васильевым. В ее основу положены требования к пре­дельным значениям четырех основных показателей: допуску на размер, перпендикулярности реза, шероховатости поверхности и глубине ЗТВ. Первые два показателя характеризуют точность резки, а остальные — чистоту поверхности и структурные изменения в металле соответственно.

Для каждого показателя установлены три нормируемых класса точ­ности и качества в зависимости от назначения и условий использования резов: 1-й класс — соответствует высшим требованиям к показателям; 2-й класс — требованиям, реально достижимым в производственных условиях, и 3-й класс — минимальным требованиям к предельным вели­чинам показателей.

Данная система показателей точности резки и качества поверхности положена в основу ГОСТ 14792—80.

В заключение следует отметить, что систему приспособление — инстру­мент — деталь (СПИД) в применении к плазменной резке можно предста­вить следующим образом. Приспособление — это резак в целом, генери­рующий обжатую плазменную дугу. Его элементы и параметры: сопло определенных диаметра и длины; электрод с катодной вставкой, нижний срез которой должен находиться на определенном расстоянии от верхнего среза сопла; дуговая камера плазмотрона, геометрические параметры ко­торой, характеризующие ее размеры и форму, имеют существенное зна­чение для обеспечения качества плазменной резки. Инструмент — это обжатая плазменная дуга, на проникающую и режущую способность кото­рой оказывают влияние состав плазмообразующей среды, сила и напряже­ние тока, расстояние от нижнего среза сопла до поверхности разрезаемого металла и много других факторов. Деталь — это разрезаемый металл, при­рода которого и толщина влияют на качество и производительность плаз­менной резки.

При идеальном режиме резки все перечисленные параметры должны иметь сбалансированные номинальные значения, обеспечивающие макси­мальную скорость резки при получении детали требуемых размеров и при минимальном воздействии этих параметров на металл в области кромки.

В реальных условиях все перечисленные выше элементы и параметры имеют отклонения от номинальных значений, возникающих под воз­действием многочисленных случайных факторов. Диаметр и длина сопла изготовляются в определенных допусках; расстояние от нижнего среза электрода до верхнего среза сопла имеет отклонения и изменяется по мере горения дуги; расстояние от нижнего среза сопла до поверхности метал­ла изменяется в пределах, обеспечиваемых стабилизатором; состав плаз­мообразующей среды непостоянен, и ее характеристики изменяются под воздействием температуры; сила тока и напряжение постоянно колеб­лются и т. п.

Под воздействием перечисленных и других случайных факторов, кото­рые в совокупности влияют на все составляющие режима резки, реаль­ный режим имеет отклонения от идеального в значительных пределах.

Если в экспериментальных условиях удалось получить отклонения в пре­делах ±6 % [3], то в реальных они будут значительно больше. В связи с этим выявленные выше технологические закономерности, которые досто­верны для идеальных условий, могут иметь отклонения в реальных усло­виях реализации процесса плазменной резки на производстве.