книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

ком участке (от конца электрода до выходного среза канала сопла плазмотрона) контактируют со столбом дуги, а затем существуют независимо от него. При такой резке нагрев изделия в зоне обра­ ботки осуществляется только воздействием тепла плазменной струи. Вследствие этого температура и скорость истечения струи плазмы по мере удаления от среза сопла резко уменьшаются. КПД нагрева изделия не превышает 30-40 %. Плазменную струю используют при обработке не проводящих электрический ток ма­ териалов и для резки металлов небольшой толщины.

При резке сжатой дугой прямого действия имеется три ис­ точника тепла: пятно дуги, столб дуги и струя плазмы.

Каждый из них вносит свою долю тепла либо по всей высоте реза, либо на отдельных ее участках. При этом изменение формы фронтальной поверхности реза по высоте отражает распределе­ ние количества вводимого тепла по высоте полости реза. При резке только плазменной струей форма фронтальной по­ верхности по высоте полости реза изменяется по экспонен­ циальному закону.

по фронтальной поверхности реза (а) и изменение яркости дуги (б): о-о Аг + 10 % Н2; 0-0 Аг; A-AN2

При резке дугой прямого действия в верхней части фрон­ тальной поверхности обычно имеется углубление (рис. 27, а), что свидетельствует о вводе тепла в данном месте за счет до­

51

полнительного действия анодного пятна. Измерения яркости дуги по высоте реза показывают, что частота расположения

верхней кромкой полости реза, а нижнее - непрерывно меняется в пределах толщины листа. Поэтому среднестатистическое положение пятна смещено к верхней части полости реза и про­ плавление здесь больше, чем в нижней части.

Вся полость реза может быть разбита на три участка по вы­ соте (см. рис. 27, а). Верхний участок 1 характеризуется тем, что плавление основного металла осуществляется в основном за счет теплоты, поступающей из столба дуги. Участок 2, расположен­ ный в средней части толщины листа, является основной областью распространения пятна. На этом участке основной металл пла­ вится за счет энергии столба дуги и энергии пятна. Добавлением энергии пятна объясняется некоторое выдвижение вперед этого участка по сравнению с первым. При прямой полярности пятно существует в основном в центральной части фронтальной по­ верхности и может занимать довольно широкую область, состав­ ляющую от 0,3 до 0,6 толщины разрезаемого листа. На нижнем участке 3 плавление металла по фронтальной поверхности осу­ ществляется в основном за счет тепла, которое несет высокотем­ пературная плазменная струя. По мере уменьшения количества тепла, поступающего из высокотемпературной плазмы, форма фронтальной поверхности реза становится все более покатой.

На рис. 27, б видно, что на ширину области распростране­ ния пятна по толщине листа оказывает влияние и вид плаз­ мообразующей среды. При использовании азота область распространения пятна наиболее широкая.

Установлено, что характер перемещений анодного пятна внутри полости реза влияет не только на форму фронтальной поверхности, но и боковых стенок полости реза, т.е. на форму кромок вырезаемых деталей. Характер перемещения анодного пятна влияет и на поведение расплавленного металла в полости реза. Несмотря на высокую скорость плазменного потока, в верхней части реза, т.е. в месте пятна, имеют место перемеще­ ния расплавленного металла, направленные из центральной об­ ласти фронтальной поверхности в сторону линии затвердева­

52

ния (рис. 28, а). Перемещение расплавленного металла по бо­ ковой поверхности в верхней части полости реза, на участ­ ках / и 2 (показано стрелками), объясняется действием сил по­ верхностного натяжения, появляющихся вследствие большой разности температур в центральной части фронтальной поверх­ ности и на участке затвердевания, где объем металла умень­ шается (см. рис. 28, а).

Плазмотрон Плазмотрон

Рис. 28. Схема полости реза и перемещения расплава под воздействием сил поверхностного натяжения:

а - продольное, б - поперечное сечение

При этом, чем выше локальная плотность вводимого теп­ ла, тем больше составляющая потока расплавленного металла, направленная к боковым стенкам реза. В связи с этим на участке ВС (см. рис. 28, а, б), являющемся областью существования пят­ на, скорость расплавленного металла в направлении поверхно­ сти затвердевания больше, чем на участке АВ. По мере переме­ щения к нижней части полости реза уменьшаются время пребы­ вания анодного пятна и плотность тепла, вводимого из потока плазмы (участок CD). Поэтому снижается разность температур между центральной частью фронтальной поверхности и уча­ стком затвердевания на боковой поверхности. Это приводит к ослаблению сил поверхностного натяжения, в результате чего на данном участке расплавленный металл большей частью сте­ кает вниз. На участке ниже точки D происходит дальнейшее снижение плотности вводимого тепла и изменение угла наклона центральной части фронтальной поверхности полости реза в ре­ зультате изменения направления потока газа, снова увеличива-

53

ется составляющая потока расплавленного металла к боко­ вым стенкам реза. В результате этого образуется поток рас­ плавленного металла, направленный к линии затвердевания (см. рис. 28, а).

4.2.Плазмообразующие среды для резки

Втехнике плазменной резки применяются две системы стабилизации и обжатия столба дуги - осевая и вихревая.

При осевой (или аксиальной) системе газ подается вдоль продольной оси электрода, охлаждает его и выходит через ка­

нал сопла, обжимая в нем и за его пределами столб дуги. В плазмотроне с осевой системой стабилизации электрод уча­ ствует в формировании дуги и поэтому имеет форму стержня

сзаострением на конце, чтобы обеспечить точное совпадение оси столба дуги с осью канала сопла, а также равномерность толщины газовой оболочки, обжимающей столб дуги в канале сопла. В связи с этим требования к соосности электрода и ка­ нала сопла очень высокие. Это является недостатком осевой системы стабилизации.

При вихревой (тангенциальной) системе стабилизации газ по­ ступает в дуговую камеру по каналам, продольные оси которых расположены по касательным к окружности поперечного сечения дуговой камеры, или по каналам винтообразной формы. Вследст­ вие этого газ в камере движется по спирали, охватывая столб дуги вихревым потоком. При этом катодное пятно и столб дуги автома­ тически и точно фиксируются в точке пересечения оси канала со­ пла с поверхностью катода, что позволяет применять электроды

сплоской или другой формой рабочей поверхности. Возрастет стойкость сопла за счет обеспечения равномерности толщины газо­ вой оболочки, обжимающей столб дуги в камере и в канале сопла.

vКачественный состав плазмообразующей среды существенно влияет на основные технологические показатели процесса и в пер­ вую очередь скорость и качество резки.

Состав среды определяет при заданной геометрии сопла и дан­ ном токе напряженность поля столба дуги как внутри, так и вне со­ пла и, следовательно, за счет изменения состава среды можно в ши­ роких пределах регулировать количество тепловой энергии, выде­ ляющейся вдуге.

54

Состав плазмообразующей среды сильно влияет на макси­ мально допустимое значение I/d, что позволяет регулировать плотность тока в дуге, величину теплового потока в полости реза и, в конечном итоге, ширину реза и скорость резки.

Теплопроводность плазмообразующей среды определяет эффективность передачи разрезаемому листу выделенной в дуге тепловой энергии.

Плазмообразующая среда, взаимодействуя с выплавляемым металлом, дает возможность изменять его вязкость, величину поверхностного натяжения, химический состав. В результате изменения состава среды можно создавать наиболее благопри­ ятные условия удаления расплавленного металла из полости ре­ за, предотвращая образование наплывов на нижних кромках разрезаемого листа или делая их легко удаляемыми.

Следует также учитывать в некоторых случаях добавку теп­ ловой энергии за счет химического взаимодействия плазмообра­ зующей среды с разрезаемым металлом. Дополнительный вклад химической реакции в общий тепловой баланс может достигать величины, соизмеримой с электрической мощностью дуги.

Состав плазмообразующей среды сильно влияет на физико­ химические процессы на стенках реза; от состава среды зависит насыщение стенок реза различными газами, а также глубина га­ зонасыщенного слоя.

Выбор плазмообразующей среды определяется природой разрезаемых металлов и толщиной листов. Чем выше теплопро­ водность материала и чем больше толщина листа, тем более же­ сткие требования предъявляются к составу плазмообразующей среды и тем более сужается диапазон смесей, которые могут использоваться.

При выборе плазмообразующей среды необходимо также учитывать себестоимость процесса и дефицитность применяе­ мых материалов.

Выбор плазмообразующей среды влияет на характеристики оборудования. В первую очередь состав плазмообразующей среды определяет конструкцию плазмотрона. В прямой зависи­ мости от состава среды находится материал катода. В инертных или нейтральных смесях применяется нерасходуемый катод.

55

В химически активных средах катод рассчитан либо на относи­ тельно частую замену, либо на непрерывную подачу. От состава плазмообразующей среды зависит не только материал катода, но и способ его крепления в плазмотроне, а также интенсив­ ность его охлаждения, что, в свою очередь, определяет конст­ рукцию катодного узла.

В зависимости от состава среды изменяется величина теп­ ловых потоков в сопла плазмотрона при прочих равных услови­ ях и, следовательно, конструкция системы охлаждения сопел.

Как показали исследования, от состава плазмообразующей среды зависит величина частоты и амплитуда колебаний в кри­ вой напряжения на дуге, от которых зависит устойчивость сис­ темы дуга - источник питания.

Состав и расход плазмообразующего газа полностью опре­ деляют циклограмму формирования рабочей дуги и, следова­ тельно, схему управления установкой.

Таким образом, технологические возможности процесса и характеристики основных узлов оборудования во многом оп­ ределяются плазмообразующей средой.

Исследования показали, что однокомпонентные плазмооб­ разующие среды нецелесообразно использовать при плазменной резке. Справедливость этого положения подтверждается при рассмотрении основных газов с точки зрения возможности ис­ пользования их при плазменной резке.

Аргон. Нецелесообразность применения аргона как само­ стоятельного плазмообразующего газа объясняется его плохими энергетическими характеристиками. В данном случае под энер­ гетическими характеристиками понимается способность среды преобразовывать электрическую энергию в тепловую и переда­ вать ее разрезаемому металлу.

Аргон также имеет наиболее низкую теплопроводность по сравнению со всеми плазмообразующими средами, вследст­ вие чего тепло, выделяющееся в аргоновой дуге, используется плохо (рис. 29, а).

Проникающая способность дуги наиболее низкая из всех га­ зовых сред, что снижает скорость и прорезающую способность дуги при заданных параметрах тока и геометрии плазмотрона.

56

Рис. 29. Зависимость теплопроводности газов от температуры (а), и зависимость напряжения на дуге от тока в различных газах (б)

Аргоновая дуга характеризуется наиболее низкой напря­ женностью поля (рис. 29, б), в результате чего при одном и том же токе в дуге выделяется наименьшее количество тепла.

Максимально допустимое значение J/d в аргоне намного меньше, чем в других средах.

В какой-то степени можно было компенсировать плохие электрические и теплофизические характеристики аргона значи­ тельным повышением его расхода. Увеличение расхода позво­ лило бы повысить максимально допустимый ток для заданного диаметра сопла, а, кроме того, с увеличением расхода газа по­ высилась бы проникающая способность дуги. Но аргон - один из наиболее дефицитных и дорогих газов, вследствие чего рабо­ та при высоком расходе экономически не целесообразна.

Азот. Азот - единственный газ, который можно применять самостоятельно в качестве плазмообразующей среды при резке. Это объясняется следующим. Теплопроводность и теплоемкость азота при больших температурах довольно высоки. Благодаря этому, в азотной дуге можно обеспечить достаточно эффектив­ ное преобразование электрической энергии в тепловую и пере­ дачу последней разрезаемому металлу. В результате скорость резки при использовании азота в несколько раз выше, чем арго­ на. Как и при использовании других плазмообразующих смесей,

57

содержащих двухатомные газы, проникающая способность азотной дуги значительно выше, чем аргоновой дуги, что обес­ печивает возможность резки листов больших толщин.

Технологические исследования показали, что в азоте обес­ печивается достаточно высокое качество резки нержавеющих сталей, особенно малых толщин. Качество резки алюминиевых сплавов и сплавов на медной основе хуже, чем при резке в водо­ родсодержащих смесях, но лучше, чем в аргоне.

Широкое применение азота в качестве плазмообразующего газа при плазменной резке ограничивается тем, что даже чистый азот взаимодействует с вольфрамом при высоких температурах, образуя нитриды. Еще более сложно использование технического азота, содержащего 1-2 % кислорода. При температурах около 600 °С кислород начинает взаимодействовать с вольфрамом, об­ разуя ряд более или менее летучих окислов (W 03, W20 3, W20 5). В результате, особенно в техническом азоте, вольфрамовый катод быстро сгорает, если величина тока превышает 500 А (табл. 3).

Таблица 3 Изменение длины и веса вольфрамового электрода за 1 ч работы

Используя очень чистый азот, например спектрально чис­ тый, можно несколько поднять допустимые значения тока, нс спектрально чистый азот не намного дешевле аргона. Таким образом, азот в отличие от аргона можно применять в качестве самостоятельного плазмообразующего газа при резке.

Однако из-за низкой производительности и невысокой про­ резающей способности области использования его весьма огра­ ничены: механизированная резка листов небольшой толщины (преимущественно нержавеющих сталей) и ручная резка.

Гелий. Использование гелия в качестве плазмообразующей среды значительно целесообразнее, чем аргона.

58

В гелиевой дуге более высокая напряженность поля, поэто­ му при одной и той же силе тока обеспечивается больший запас тепловой энергии в дуге. Анодное падение напряжения также более высокое, что способствует увеличению удельных тепло­ вых потоков в анодной области. Оба фактора приводят к тому, что скорость резки и прорезающая способность гелиевой дуги более высокие, чем аргоновой, и приближаются по параметрам к азотной дуге.

Хорошие результаты дает использование для резки аргон- но-гелиевых смесей. Однако необходимо помнить об очень вы­ сокой стоимости и дефицитности гелия.

Возможной областью применения гелия в качестве плазмо­ образующего газа (и смеси с аргоном) является резка таких сплавов, для которых с точки зрения металлургии наличие во­ дорода и азота в зоне реза недопустимо.

Кислород. При использовании кислорода нельзя пренебре­ гать химическим взаимодействием плазмообразующей среды с разрезаемым металлом. При горении металлов в кислороде выделяется довольно большое количество тепла, которое может складываться с тепловой мощностью дуги. При добавлении ки­ слорода в плазмообразующий газ азот и неизменном общем рас­ ходе газа скорость резки малоуглеродистых сталей постепенно увеличивается. Так как теплофизические параметры кислорода и азота весьма близки (теплоемкость и теплопроводность), то такое увеличение скорости может быть объяснено только хи­ мическим взаимодействием кислорода со сталью. Скорость рез­ ки линейно увеличивается с увеличением содержания кислорода в смеси. Это значит, что наличие азота в смеси фактически не влияет на процесс горения железа. В то же время при газовой кислородной резке наличие примесей в кислороде существенно снижает скорость резки, а при содержании примесей свыше 30% процесс резки невозможен. Такое различие во влиянии примесей при плазменной резке в кислороде и обычной кисло­ родной резке может быть объяснено тем, что необходимая для устойчивого горения температура на поверхности фронта горе­ ния поддерживается при плазменной резке за счет тепла элек­ трической дуги.

59

Применение кислорода при плазменной резке сталей, несо­ мненно, целесообразно, так как дает возможность получить вы­ сокие скорости резки на малых токах при небольшой ширине реза. Качество резки при этом не уступает качеству обычной кислородной резки. В то же время в качестве самостоятельной плазмообразующей среды кислород не может быть использован из-за крайне низкой стойкости катода. К тому же скорость резки в чистом кислороде ниже, чем в смеси азота с кислородом.

Водород. Наилучшим газом для плазменной резки как про­ цесса локального выплавления металла является водород. В во­ дороде по сравнению со всеми рассмотренными газами величи­ на анодного напряжения максимальна (в 3-4 раза выше, чем

варгоне), это значит, что только за счет увеличения анодного падения величина удельного теплового потока (определяющего

восновном режим резки) в анодной области может быть увели­ чена в несколько раз.

Напряженность поля в водородной дуге также в 2-3 раза

выше, чем в аргоновой. Благодаря более высокому значению напряженности поля при одном и том же токе в водородной ду­ ге выделяется значительно большее количество тепла. Следова­ тельно, в водородной дуге обеспечиваются наилучшие условия для преобразования электрической энергии в тепловую.

Теплопроводность водорода также значительно выше, чем у всех остальных газов (рис. 29), что обеспечивает максималь­ ное использование тепловой энергии, выделившейся в дуге.

К тому же водород не дорог и не дефицитен. Несмотря на это, водород не нашел промышленного применения в качест­ ве самостоятельного плазмообразующего газа. Стабильная ра­ бота обеспечивается только при больших значениях отношения величины диаметра сопла к величине тока, поэтому не удалось добиться высоких скоростей резки.

Кроме того, как и при резке в кислороде, оказалось, что скорость при прочих равных условиях в одном водороде ниже, чем в смесях аргона с водородом или азота с водородом. Но да­ же при столь низких значениях скорости резки стабильность горения водородной дуги значительно ниже, чем дуги, горящей в смесях на основе водорода.

60