книги / Плазменная обработка материалов

ется числом включений (не превышает 60–120), а также рядом других факторов. К ним относятся: чистота меди обоймы, плотность контакта вставки и обоймы, особенности конструктивного исполнения катода, ток дуги, чистота воздуха и его расход, температура и расход воды или воздуха, охлаждающих катод. Кроме того, материал катодных вставок (цирконий, гафний) является дефицитным и дорогим.

Внастоящее время ведутся работы по исследованию и практическому использованию ВПР с применением плазмотронов с «холодным» электродом. Плазмотрон имеет полый внутренний медный электрод

исопловой электрод (см. рис. 33). Дуга в рабочем режиме горит между внутренним электродом и разрезаемым металлом. Плазмообразующий воздух подается в разрядную камеру через тангенциальные отверстия в завихрителе. Вихревая подача плазмообразующего воздуха обусловливает создание в камере газового циклона, который интенсивно перемещает опорное пятно дуги по внутренней поверхности электрода, не допуская локального нагрева и расплавления. Этой же цели служит соленоид, который охватывает медный полый электрод. При работе плазмотрона на обратной полярности скорость эрозии электрода снижается. Использование плазмотронов с полым медным электродом позволяет повысить мощность режущей дуги, увеличить количество включений дуги без разрушения электрода.

Внастоящее время ограниченное применение находит плазменная резка металлов плазмотронами с вольфрамовым катодом и комбинированной подачей газов (рис. 35). Известен способ плазменно-дуговой резки металлов в активных окислительных средах (например, в воздухе) плазмотронами с использованием вольфрамового электрода, защищенного в зоне активного пятна дуги инертным газом. Для этого цилиндрический, заостренный вольфрамовый электрод располагают в специальном внутреннем сопле плазмотрона, в которое подается инертный газ, например аргон или азот.

Окислительный газ, например воздух, подается во внешнее стабилизирующее сопло (наконечник). Резка производится на прямой полярности. Такой способ резки металлов обеспечивает высокую стойкость катода в работе при большом количестве включений сжатой дуги. Напряжение холостого хода источника питания не превышает

Ux.x ≈ 250…300 В, а рабочее напряжение на дуге Uд ≈ 110…140 В. Однако у этого способа резки есть недостаток: для надежной работы плазмотрона (для качественной защиты вольфрамового катода) требу-

71

и источника (ВАХи) на рис. 36, б. Семейство кривых ВАХд (кривые 1–3) можно условно разделить на три характерных участка: падающий (ток дуги до 50 А), независимый (ток 50–400 А) и возрастающий (ток более 500 А).

Рис. 36. Схема замещения электрической цепи системы источник – дуга (а) и семейство статических ВАХд (кривые 1–3) и ВАХи (кривые 4–9) (б)

Наклон ВАХд зависит от степени сжатия столба дуги, а напряжение на дуге определяется размерами камеры плазмотрона и параметра режима (состав и расход плазмообразующей среды, скорость резки, длина открытого и режущего участков столба дуги). В зависимости от схемных решений неуправляемого выпрямителя естественная ВАХи может быть (см. рис. 36, б) крутопадающей (кривая 4) и пологопадающей (кривые 5, 6), а при введении обратных связей в управляемый выпрямитель ступенчатой (кривые 7–9). Ключевой проблемой системы источник – дуга является ее устойчивость. При рассмотрении устойчивости дуги возмущающим параметром будет изменение напряжения дуги, возникающее при изменении определяющих его величин: длины дуги, расхода газа и др. Реакцией на это возмущение является изменение тока, определяемое переходом на другую ВАХд. Скорость переходного процесса определяется скоростью изменения напряжения и инерционностью системы источник – дуга. Критические условия статической и динамической устойчивости системы особенно проявляются на падающем участке ВАХд, например при запуске дежурной дуги, ток которой ограничен допустимой нагрузкой на сопло, а возможность повышения напряжения холостого хода ограничена условиями электробезопасности. Кроме того, в случае чрезмерной пологости ВАХи (см. рис. 36, б,

73

кривая 6) в неуправляемых выпрямителях при ограничении напряжения холостого хода не более 300 В технологическая устойчивость дуги становится критической и существенно ухудшаются режущие свойства дуги. При этом при ручной резке вследствие колебания длины дуги наблюдаются значительные изменения тока дуги, приводящие к резкому ухудшению качества поверхности кромок реза (образованию рисок). При ручной и машинной резке металла большой толщины с погружением дуги в глубь металла происходит уменьшение тока дуги и ее прорезающей способности.

В управляемых тиристорных выпрямителях введением отрицательной обратной связи по току достигается ВАХи, изображенная кривой 7 (см. рис. 36, б), т.е. обеспечивается стабильность тока дуги при колебаниях ее длины, расхода рабочего газа и напряжения питающей сети. Еще более высокие технологические свойства режущей дуги наблюдаются при введении дополнительной обратной связи положительной по напряжению дуги. В этом случае ВАХи (кривая 8) отличается возрастанием тока дуги при увеличении длины режущего участка, что обеспечивает высокое качество кромок реза и повышение прорезающей способности дуги.

Идеальной ВАХи с учетом требований всех факторов устойчивости системы и высокого КПД источника является кривая 9 (см. рис. 36, б), Такая характеристика обеспечивается комбинацией двух выпрямителей – с рабочим участком ВАХи, описываемым кривой 8, и маломощного вольтодобавочного с участком ВАХи, соответствующим кривой 4.

Представленные в сжатом виде закономерности послужили основой дляразработки современных источников питания для плазменной резки.

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 индуктивноемкостных преобразователей и транзисторными источниками питания. В отдельных случаях могут использоваться сварочные генераторы.

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 соsφ, значительные габаритные размеры и масса. Не вполне удовлетворительны и динамические характеристики дросселей насыщения, поэтому появляются броски тока при

74

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.

Надежным серийным оборудованием для воздушно-плазменной резки являются установки УПР-201, АПР-401, АПР-402 и АПР-403.

Источники питания с дросселями насыщения постепенно вытесняются более экономичными, компактными и легкими тиристорными выпрямителями. Тиристорные выпрямители, например, установок «Киев-5» и «Киев-6», в которых для получения крутопадающих внешних статических характеристик используется обратная связь по току нагрузки, в настоящее время в наибольшей степени соответствуют требованиям, предъявляемым к источникам питания для 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

кухудшению условий зажигания дуги.

Вмомент возбуждения дуги, когда сигнал обратной связи отсутствует, тиристорный выпрямитель фактически является нерегулируемым выпрямителем с жесткими характеристиками. 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. 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 2–3 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.

75

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.

4.6. ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ

Для того чтобы осуществить плазменную разделительную резку металла, необходимо расплавить определенный объем материала вдоль предполагаемой линии реза и удалить его из полости реза скоростным потоком плазмы.

Для выплавления зоны металла вдоль линии реза нужно подвести определенное количество теплоты. Это количество поступает в металл из столба сжатой дуги и носит название эффективной тепловой мощности дуги qи. Требуемая величина qи, Вт, зависит от многих параметров и определяется по формуле

qи = vрFρc((Tпл −T0 ) + q)4,19

где vp – скорость резки, см/с; F – площадь поперечного сечения зоны выплавляемого металла, см2; ρ – плотность разрезаемого металла, г/см3; с – теплоемкость металла, Дж/ (г·°С); Тпл – температура плавления металла, °С; Т0 – температура металла до начала реза, °С; q – скрытая теплота плавления металла, °С.

Здесь произведение vp·Fρ определяет массу выплавляемого металла за единицу времени и имеет размерность г/с.

Эффективная тепловая мощность qи для заданной толщины металла имеет определенное числовое значение, ниже которого процесс резки невозможен.

Расплавленный металл, образующийся на лобовой поверхности реза, удаляется скоростным потоком плазмы сжатой дуги. Скорость потока плазмы возрастает с увеличением расхода плазмообразующего газа и тока и быстро уменьшается с увеличением диаметра сопла. Она может достигать примерно 800 м/с при токе 250 А.

76

Скорость течения расплава зависит от скорости потока плазмы на границе раздела фаз, т.е. на границе жидкий металл – поток плазмы. Так, например, при резке металла толщиной 5–20 мм со скоростью 0,75–6 м/мин и ширине реза 3–6 мм скорость течения расплавленного металла 20–40 м/с.

Плазменная резка позволяет производить раскрой любых металлов с высокой скоростью толщиной до 50–60 мм (рис. 37). С дальнейшим ростом толщины разрезаемых металлов скорость резко снижается.

Рис. 37. Скорость ВПР малоуглеродистых и низколегированных сталей: а – плазмотронами с воздушным охлаждением при использовании установок

«Киев-5» (dc = 2,2 мм; 1 – Iд = 100…120 А; 2 – Iд = 120…140 А; 3 – Iд = 140…160

А); б – плазмотронами с водяным охлаждением, качественная резка при Iд = 200 А,

dc = 2 мм (4); Iд = 300 А, dc = 3 мм (5); Iд = 400 А, dc = 4 мм (6); кислородная резка (7)

При плазменной резке поверхность реза претерпевает структурные изменения, которые наблюдаются в основном в литом участке зоны термического влияния у кромок реза. Для уменьшения толщины литого участки необходимо повышать напряжение на дуге и скорость потока плазмы.

77

Это может быть достигнуто при увеличении расхода плазмообразующего газа, использовании сопел малого диаметра с повышенной длиной канала, применении рабочего газа с повышенным содержанием кислорода. Толщина литого участка ниже у верхней кромки, чем в нижней части реза.

При плазменной резке кроме насыщения поверхности реза газами и изменения твердости металла наблюдаются и дефекты формы кромок.

Плазменная резка алюминия и его сплавов выполняется с использованием в качестве плазмообразующего газа сжатого воздуха или кислорода. Скорость резки алюминиевых сплавов в среде кислорода уменьшается на 10–12 %.

При осуществлении плазменной резки титана и его сплавов необходимо обеспечивать специальные технологические мероприятия с целью получения поверхности реза, не требующей последующей механической обработки, которая предполагает высокую трудоемкость. Трудности механической обработки возникают вследствие интенсивного окисления и газонасыщения поверхностных слоев металла. В результате такие элементы, как азот, кислород и водород, проникая в металл, образуют твердые растворы внедрения, обладающие повышенной твердостью, низкой пластичностью и ударной вязкостью. Эти особенности титана и его сплавов обусловливают ведение процесса резки с возможно большой скоростью для обеспечения его минимальной длительности. Если по каким-либо причинам это невозможно обеспечить, следует место реза защищать дополнительно инертным газом или осуществлять резку в среде инертного газа.

Титан толщиной 5 мм можно резать на следующих режимах: диаметр канала сопла 1,4 мм, ток 100 А, расход воздуха 13,5 л/мин, напряжение 95 В и скорость резки 2,6 м/мин. При этих параметрах режима средняя ширина реза 1,6 мм.

Скорость резки различных металлов и качество кромок могут быть повышены при использовании водоинъекционной плазменной резки.

При водоинъекционной резке плазмообразующий газ тангенциально подается в пространство между электродом и соплом (рис. 38). Вода в дугу вводится радиально с помощью дополнительного сопла. Она охлаждает сопло и способствует идеальному сжатию плазмы. Температура плазмы может достигать 50 000 К. Несмотря на такую высокую темпе-

78

ратуру, испаряется не более 10 % воды. Оставшиеся 90 % выходят из сопла в виде струи конической формы. Эта струя при надводной эксплуатации охлаждает поверхность детали и препятствует образованию оксидов на поверхности реза.

Рис. 38. Принципиальная схема водоинъекционной плазменной горелки

В качестве режущего газа обычно используется азот. Дополнительный расход воды для инъекции в луч плазмы составляет около 1,8 л/мин. Вода должна быть умягченной, чтобы не снижалось время эксплуатации сопел. На листах толщиной до 20 мм можно получать безгратовые резы.

Узкоструйной плазменной резкой был закрыт значительный с технологической и экономической точек зрения пробел между двумя известными способами резки тонких листов – лазерной и воздушноплазменной. Прецизионная плазменная резка (как еще ее называют, узкоструйная) характеризуется малым диаметром сопла в интервале от 0,4 до 0,7 мм. Прецизионная плазменная резка совмещает в себе высокую производительность, исключительное качество реза и высокую

79

точность размеров при наименьшей стоимости. Толщина реза достигает: для углеродистых сталей 30 мм, для алюминия и нержавеющих сталей до 16 мм. Скорость резки для малых толщин может достигать 30 м/мин. В качестве плазмообразующей среды используется кислород (оптимальный газ при резке нелегированных сталей), азот и смеси. Прецизионная резка используется для резки листового металла в автоматическом режиме. Малое число расходных материалов и их долгий срок службы уменьшает стоимость работ. При установке второй горелки производительность удваивается.

Преимущества данного способа плазменной резки (рис. 39): узкий рез, небольшая шероховатость (сравнимая с лазерной резкой конструкционной стали), параллельность кромок реза (сравнима с лазером), хорошее выдерживание контуров с небольшими радиусами и острыми углами, малое образование или полное отсутствие грата при резке конструкционных сталей, небольшие деформации и узкие зоны термического влияния.

Рис. 39. Примеры деталей, полученных узкоструйной плазменной резкой

Современные машины для резки имеют программное управление. Специальные программы создают план раскроя деталей с большой скоростью и минимальными отходами (рис. 40).

Конкретным примером такой машины является EAGLE, которая производится в Германии фирмой ESAB Cuttinq Sistem – машина для прецизионной резки металла толщиной от 0,75 до 30 мм (рис. 41).

80