книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

Лучшие характеристики достигаются при использовании ряда газовых смесей (например: водородсодержащие, кислоро­ досодержащие).

Воздух. Экономично использовать плазмотроны, работаю­ щие на воздухе (смесь H2-O2-N2). Проникающая способность воздушной плазмы более высокая, чем у азота, так как содержа­ щийся в составе воздуха кислород обладает высоким теплосо­ держанием и, кроме того, он окисляет металл с выделением зна­ чительной тепловой энергии. При этом происходит заметное со­ кращение ширины реза и уменьшение скоса кромок.

Вода может быть использована в качестве плазмообра­ зующей среды. Вода при высокой температуре столба дуги час­ тично превращается в пар, а частично диссоциирует на водород и кислород. Энергетические параметры дуги позволяют отнести воду к водородсодержащим смесям, а качество резки указывает на то, что кислород активно взаимодействует с выплавляемым металлом. При использовании воды наблюдается повышенный расход электрода (чаще используется угольный), что требует применения механизма подачи электрода. Воду используют и как добавку к основному плазмообразующему газу в неболь­ ших количествах; ее вводят в столб плазменной дуги в канале сопла или на его нижнем срезе.

4.3. Плазмотроны для плазменной резки

Установка для плазменной резки состоит из источника пи­ тания с аппаратурой управления процессом резки и плазмотро­ на, основными элементами которого являются электрод и сопло.

По назначению режущие плазмотроны подразделяются на машинные и ручные.) Машинные плазмотроны работают от источников питания с напряжением холостого хода до 300 В при величине рабочего тока 2S0-500 А и выше.

Ручные плазмотроны для обеспечения безопасности рабо­ тают 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 исполь­ зовании в качестве плазмообразующей среды сжатого воздуха. Применяются ручные плазмотроны на монтажных работах, при утилизации металлических конструкций, при обработке от­ ливок и при резке листового проката в малых объемах.

61

Наиболее широко применяются плазмотроны с дугой прямо­ го действия.

По роду используемого тока наиболее распространены режущие плазмотроны постоянного тока, отличающиеся лучшей стабильностью горения дуги. Проведены исследования режу­ щих 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 каче­ стве плазмообразующей среды. Из газов, нейтральных по отно­ шению к рабочему электроду, получили наибольшее применение аргон, азот, водород и их смеси. Экономично использовать плаз­ мотроны, работающие на воздухе. Интерес представляют плаз­ мотроны, рабочей средой которых является вода.

Электроды плазмотрона по типу и конструкции зависят от состава плазмообразующей среды, используемой при резке. Для работы в нейтральных плазмообразующих средах ис­ пользуются термокатоды - это катоды, имеющие высокую эмиссионную способность при нагреве до температуры ниже температуры плавления. Типичным примером такого катода является вольфрам и вольфрам с добавками, повышающими плотность тока термоэлектронной эмиссии (лантан, иттрий, торий).

Конструктивно электроды из вольфрама выполняются двумя способами: в виде прутка, который фиксируется цанго­ вым зажимом, закрепленным в электродном узле плазмотрона (рис. 30, я), и в виде медной державки с заделанным в нее стержнем вольфрама, закрепленным в электродном узле (рис. 30, б).

Последняя конструкция предпочтительней, так как позволя­ ет получать более высокие плотности тока на катоде благо­ даря лучшим условиям теплоотвода. Она также более эконо­ мична с точки зрения расхода вольфрама, так как при эксплуа­ тации вольфрамового прутка его часть, находящаяся в цанго­ вом зажиме, не используется.

62

В качестве материала для электродов, работающих в ки­ слородсодержащих средах, используется гафний и цирконий, так как его соединения обладают высокими эмиссионными свойствами, устойчивы термически к колебаниям токового и га­ зового режимов, а также к условиям охлаждения (табл. 4).

Таблица 4 Свойства материалов, применяемых для изготовления катодов

Теплофизические константы гафния и циркония и его со­ единений существенно ниже соответствующих теплофизических констант вольфрама - теплопроводность в 3-4 раза, а температу­ ра плавления - в 2 раза. В связи с этим для улучшения теплоот­ вода от активной катодной вставки из гафния ее помещают за­ подлицо в медную державку. Исходя из необходимости обеспе­ чения максимального ресурса работы таких катодов, создается и конструкция медной державки: в частности, диаметр ее торцо­

63

вой части не может быть меньше определенной величины для заданного тока дуги. Объясняется это тем, что величина допус­ тимого теплового потока, проходящего через материал актив­ ной вставки, зависит от радиуса медной державки. Стабилиза­ ция дуги - вихревая (тангенциальная). При нарушении четкой вихревой подачи плазмообразующего газа катодное пятно вме­ сте со столбом дуги будет смещаться от центра катодной встав­ ки, что приводит к нестабильному горению сжатой дуги, двой­ ному дугообразованию и выходу плазмотрона из строя.

Технология изготовления электрода должна обеспечивать гарантированный тепловой и электрический контакт между ме­ дью и гафнием по всей поверхности активной вставки в течение всего времени ее работы. Наиболее полно этим требованиям от­ вечает метод совместной холодной штамповки активной встав­ ки и медной державки (рис. 31, а).

Для предотвращения расплавления стенок медной державки под воздействием теплового потока столба дуги и для повыше­ ния ресурса работы электрода между активной гафниевой вставкой и медной державкой делается алюминиевая про­ кладка толщиной 0,05-0,15 мм.

и кратер на катодной вставке (б)

Катод работает следующим образом. При подаче напряже­ ния на электрод и возбуждении сжатой дуги на поверхности торца катодной вставки (в зоне привязки катодного пятна) мате­ риал катода расплавляется. Вследствие взаимодействия рас­ плавленного металла с кислородом и азотом воздуха образуются тугоплавкие оксиды и нитриды в виде пленки золотистого цве-

64

та, эта пленка защищает материал катодной вставки от даль­ нейшего разрушения. Эта особенность циркония и гафния обра­ зовывать пленки оксидов при высоких температурах позволила назвать такие катоды «пленочными».

Материал катодной вставки под действием дуги испаряется, а поверхность вставки в зоне действия катодного пятна имеет тем­ пературу, не превышающую точку кипения расплава (для двуоксида циркония 4583 К). В интервале температур от точки плав­ ления до точки кипения дуговой разряд может существовать беспрепятственно, так как электропроводность оксидной пленки высокая. Однако неравномерное распределение тепловой на­ грузки в зоне действия катодного пятна приводит к неравномер­ ному испарению металла на рабочей поверхности вставки. По­ верхность катода в этой зоне приобретает вид кратера (рис. 31,6). Кроме естественного износа путем испарения унос металла вставки из кратера происходит во время последующих возбуждений сжатой дуги. При возбуждении дуги пленка час­ тично отслаивается, расплавляется и испаряется. При этом про­ исходит разбрызгивание материала пленки и циркония. По мере роста числа включений износ вставки увеличивается и она, по­ сле определенного числа включений, становится непригодной для дальнейшего использования. Продолжительность работы катодной вставки задается количеством включений сжатой дуги. Ресурс электрода при силе тока 200-300 А и диаметре сопла 3 мм составляет 1,5-3 ч суммарного времени горения дуги.

С целью повышения стойкости электрода и расширения технологических возможностей плазменной резки были разра­ ботаны плазмотроны с полым медным электродом. Режущие плазмотроны с полым медным электродом могут быть прямого и косвенного действия (рис. 32). Они состоят из полого внутрен­ него электрода, завихрителя и соплового электрода. Завихритель расположен между электродом и соплом и изготовляется из изо­ лирующего материала или из меди с изолирующими прокладка­ ми. У плазмотронов для дуги косвенного действия сопловый электрод удлинен.

Отличительной особенностью полых электродов является ин­ тенсивное перемещение опорного пятна дуги по сильно охлаждае­ мой поверхности электрода, которое осуществляется под действи­

65

ем газового циклона, создаваемого тангенциальными отвер­ стиями в завихрителе и наличием соленоида на внешней по­ верхности плазмотрона. При этом обеспечивается стабильное положение столба дуги по оси полости электрода и не допуска­ ется локальный нагрев электрода и сопла. Интенсивное наружное охлаждение обеспечивает длительный срок службы электродов.

Полые электроды имеет невысокую температуру нагрева (420-470 К), и в качестве рабочего газа может быть использо­ ван сжатый воздух. В отличие от плазмотронов с гафниевым или циркониевым катодом плазмотрон имеет увеличенный ре­ сурс работы (примерно 40 ч) и обладает более высокими мощностью и производительностью.

ными полыми электродами: а - с дугой прямого дей­ ствия; б - с дугой косвенного действия: I - полый внутренний электрод; 2 - завихритель; 3 - сопловая часть; 4 - дуга; 5 - металл; 6 - струя плазмы; 7 - бал­ ластное сопротивление; 8 -контактор; 9 - подача ох­

лаждающей воды; 10- подача воздуха

К недостаткам плазмотронов с полым электродом можно от­ нести необходимость использования источников питания свароч­ ного тока с напряжением холостого хода U%x « 500 В. Рабочее напряжение при резке составляет порядка ил ~ 300 В. Плазмо-

66

троны с полым электродом, из-за наличия соленоида, имеют большие габариты и массу. Это усложняет оборудование, сни­ жает условия электробезопасности работ, при этом исключается возможность использования этого способа для ручной резки металлов.

Сопло наряду с катодом является основным элементом плазмотрона. К главным характеристикам сопла относятся: диа­ метр отверстия, его высота, геометрия теплоотводящей поверх­ ности. Диаметр и высота отверстия полностью определяют тех­ нологические возможности плазмотрона (толщину разрезаемых листов, скорость и качество резки), эффективность использова­ ния электрической мощности дуги, надежность работы плазмо­ трона (рис. 33). Геометрия сопла связана с остальными парамет­ рами: током, составом и расходом плазмообразующей среды, природой разрезаемого металла, толщиной листов, скоростью резки и т.д. Оптимизация конструктивного оформления сопла позволяет достичь максимальной концентрации режущего уча­ стка столба сжатой дуги при высоком ресурсе работы катода и сопла (см. рис. 33).

Исходным размерным параметром является диаметр канала сопла dc, который выбирается из оптимальной плотности тока. Последняя равна 40-70 А/мм2 для /д = 100...300 А в плазмотро­ нах с водяным охлаждением и соответственно 40-45 А/мм2 для /д до 150 А в плазмотронах с воздушным охлаждением.

Экспериментальное исследование влияния высоты канала сопла на технологические характеристики резки (скорость и каче­ ство) и надежность работы плазмотрона показало, что чем длин­ нее канал, тем больше скорость и выше качество резки, но тем ниже надежность работы плазмотрона.

Теплофизический анализ работы различных материалов и практика резки свидетельствуют о том, что наилучшим материа­ лом для сопла является медь. Исследования показали, что допус­ тимое значение теплового потока на внутреннюю поверхность ка­ нала сопла можно увеличил» почти в полтора раза, если покрыть эту поверхность вольфрамом. Однако при этом высоту канала со­ пла приходится уменьшать в сравнении с высотой медного сопла в связи с увеличением вероятности двойного дугообразования.

67

Вероятность двойного дугообразования в этом случае уве­ личивается вследствие повышения температуры на внутренней поверхности сопла, что приводит к уменьшению потенциала пробоя слоя между столбом дуги и стенками канала. Кроме то­ го, увеличение температуры приводит к уменьшению анодного падения напряжения. И, наконец, величина катодного падения напряжения на вольфраме существенно ниже, чем на меди.

68

4.4.Разновидности плазменной резки

Внастоящее время известны и находят промышленное применение несколько разновидностей плазменной резки ме­

таллов. Среди них: резка с использованием инертных газов в качестве плазмообразующей среды, воздушно-плазменная рез­ ка плазмотронами с термохимическими (пленочными) катодами, воздушно-плазменная резка плазмотронами с полым электро­ дом, резка плазмотронами с комбинированной подачей инертно­ го (для защиты вольфрамового электрода) и окислительного (режущего) газов. Известны способы резки плазмой, стабилизи­ рованной водой, воздушно-водяной плазмой, узкоструйной плазмой. Для резки неэлектропроводных материалов применя­ ется резка косвенной сжатой дугой (плазменной струей).

Наибольший объем применения приходится на воздушно­ плазменную резку на прямой полярности с использованием пле­ ночных (термохимических) катодов. Воздушно-плазменная рез­ ка (ВПР) явилась следствием развития способа резки металлов инертной азотной плазмой и резки азотно-кислородной смесью. Было установлено, что добавки кислорода к азолу до 25 % позво­ ляют повысить скорость резки (более чем на 50 %) за счет экзотер­ мических реакций. Дальнейшее повышение содержания кислорода (до 100 %) повышает скорость резки всего на 10-15 %. Воздух, как плазмообразующий режущий газ, представляет собой природную смесь 78 % азота и 21 % кислорода и, наряду с очевидными эконо­ мическими преимуществами (в сравнении с инертными к вольф­ раму газами), обладает высокими теплофизическими показателя­ ми. Поэтому применение воздуха в качестве плазмообразующей среды стало очевидным. Воздушно-плазменная резка характери­ зуется сложными явлениями преобразования электрической энер­ гии источника тока в тепловую энергию сжатой дуги (рис. 34).

Столб дуги интенсивно сжимается в формирующей камере плазмотрона, обеспечивает сквозное проплавление разрезаемого металла и выдувает расплав из полости реза. Наличие кислорода в воздухе при резке сталей дает дополнительный тепловой эф­ фект за счет экзотермической реакции окисления железа.

Возможность применения ВПР была предопределена разра­ боткой термохимических (пленочных) катодов, стойких в агрес-

69

Рис. 34. Схема воздушно-плазменной резки: / - катодный узел плазмотрона; 2 - изоля­ ционный корпус плазмотрона; 3 - сопловой узел; 4 - катод с накидной гайкой-завихри- телем; 5- разрезаемое изделие

сивной окислительной среде. Механизм работы термохимиче­ ских катодов обусловлен возникновением при взаимодействии циркония (гафния) с воздухом в процессе горения дуги туго­ плавкой пленки из нитрида и диоксида циркония (гафния) на торце активной вставки, запрессованной в медную обойму. Образующаяся на торце вставки пленка приобретает высокие эмиссионные свойства и, благодаря этому, а также высоким зна­ чениям температуры плавления и кипения, обеспечивает устой­ чивое существование воздушно-плазменной дуги на катодном опорном пятне.

ВПР имеет высокую тепловую эффективность, обеспечива­ ет высокую скорость резки углеродистых сталей, цветных ме­ таллов и сплавов при экономичности процесса.

Однако ВПР имеет существенный недостаток. При обрыве дуги пленка быстро остывает, дает усадку и растрескивается, а при последующих включениях дуги из-за термоудара частично

70