Плазменная резка - Ширшов И.Г., Котиков В.Н.

Author: Ширшов И.Г. Котиков В.Н.

Tags: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления энергетика технологические процессы издательство машиностроение техническая литература плазменная резка

Year: 1987

Similar

Плазменная наплавка

Ручная кислородная резка

Технология ручной дуговой и плазменной сварки и резки металлов

Кислородно-флюсовая резка

Text

weldworld.ru
ЬЬК и
111П-1
УДК «21 791
Реиенз e н т канд. техн, наук В. П. Доброленский
Ширшов И. Г., Котиков В. Н.
Ш64 Плазменная резка.— Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние,
1987,— 192 с.: ил.
(В обл.): 85 к.
В книге обобщен и систематизирован опыт различных отраслей промышленности по раз-
работке методов плазменной резкч. Даны классификация процессов плазменной резки и их
характеристики. Изложены режимы и приемы выполнения основных технологических опе-
раций. Описаны конструкции оборудования, аппаратуры и средств механизации. Приведены
сведения по организации рабочих мест и поточных линий.
Книга предназначена для инженерно-технических работников промышленных предприя-
тий. технологических и проектных институтов, занимающихся вопросами плазменной резки.
2704060000-274 ББК м 64
038(00-87 6П4.3
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
Игорь Георгиевич Ширшов, Виктор Николаевич Котиков
ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА
Редактор Л1. Г ОБолдуева
Художественный редактор С. С Венедиктов. Технический редактор П В. Шиканова
Корректор Н. Б. Старостина
Обложка художника /1. Л Власова
ИБ № 4214
Сдано в набор 29.08.86. Подписано в печать 31.08.87. М— 18467. Формат 70X100'/ig- Бумага
офсетная № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. печ л. 15,6. У ел. кр.-озт. 18,18.
Уч.-изд. л. 15.87. Тираж 13 000 зкз. Заказ № 292. Цена 85 коп.
Ленинградское отделение ордена Трудового Красного Знамени издательства «Машиностроение»
191065, Ленинград, ул. Дзержинского, 10.
Ленинградская типография <Ns 2 головное предприятие ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Е.вгснии Соколовой Союзполиграфпрома
при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торювчи.
198052, г. Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29.
'Р' Издательство «Машиностроение», 1987.
2
ПРЕДИСЛОВИЕ

В Основных направлениях экономического и социального развития
СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года указывается на необ-
ходимость широкого развития комплексной механизации и автомати-
зации производства, использования плазменных, лазерных и других
высокоэффективных методов обработки металлов и материалов.
Плазменная резка находит все более широкое применение в различ-
ных отраслях промышленности, что обусловливается возможностью ее
использования для резки как черных, так и цветных металлов и их спла-
вов, высокими производительностью и точностью, отсутствием грата на
кромках деталей, а также необходимости использования дефицитного
карбида кальция.
В настоящее время накоплен определенный опыт использования как
различных видов плазменной резки, так и средств ее технологического
оснащения в виде стационарных машин с числовым программным управ-
лением (ЧПУ), переносных машин, поточных линий и различных средств
механизации вспомогательных и транспортных операций. На заводах
успешно эксплуатируются комплексно-механизированные поточные линии,
компоновка которых очень разнообразна. Много различных технических
решений использовано и при создании средств механизации. Имеются
оригинальные разработки по организации производства плазменной рез-
ки. Создаются гибкие автоматизированные производственные системы
на базе плазморежущих машин с ЧПУ.
Вместе с тем в имеющейся технической литературе по плазменной резке
отсутствуют работы, обобщающие накопленный опыт комплексного ре-
шения технологических, технических и организационных вопросов, воз-
никающих при использовании плазменной резки в качестве основного тех-
нологического процесса.
В книге делается попытка проанализировать и обобщить накопленный
производственный опыт по плазменной резке таким образом, чтобы при-
водимые сведения были полезны в первую очередь инженерно-техническим
>аботникам, занятым на производстве и в проектно-технологических
шститутах.
Предисловие, гл.
И. Г. Ширшовым; параграфы 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, гл. 3, параграф 4.4 напи-
саны В. Н. Котиковым; гл. 6 написана Б. И. Серповым.
1, параграфы 2.1, 4.1, 4.2, 4.3, гл. 5 написаны
1*
з
Глава 1
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
О СПОСОБАХ ТЕПЛОВОЙ РЕЗКИ
1.1. Классификация способов тепловой резки
и области их применения
Тепловая резка металлов — это технологический процесс, при кото-
ром отделение частей разрезаемой заготовки (листа, профиля, поковки,
отливки) производится посредством использования концентрированного
нагрева, создаваемого различными источниками теплоты. В машиностро-
ении применяются кислородная, кислородно-флюсовая, плазменная,
электродуговая и лазерная тепловая резка.
По признаку используемых природных явлений способы тепловой резки
подразделяются на две основные группы.^
К первой группе относятся все виды кислородной резки. В их основе
лежит использование химического процесса сгорания металла в кислороде
и физического процесса выдувания жидких окислов из полости реза. Кон-
центрированный нагрев используется для доведения металла до темпера-
туры воспламенения в кислороде.
Ко второй группе относятся плазменная, электродуговая и лазерная
резка. Все эти способы основаны на использовании только физических
процессов расплавления металла и последующего удаления расплава из
полости реза струей газа. Концентрированный нагрев применяется для
нагревания металла до температуры выше точки его плавления.
В зависимости от вида формоизменения обрабатываемой заготовки
различают разделительную и поверхностную тепловую резку. При раз-
делительной резке результатом обработки является относительно узкий
сквозной прорез на всю толщину металла, а при поверхностной резке, ко-
торая иначе называется тепловой строжкой, производится сжигание или
расплавление металла лишь на поверхности заготовки на относительно
небольшую глубину с одновременным удалением жидкого окисла или рас-
плава посредством сдувания струей газа.
В зависимости.от вида применяемых средств технологического осна-
щения для осуществления того или иного способа тепловой резки разли-
чают ручную, полуавтоматическую и автоматическую тепловую резку. При
ручной резке используется ручной резак, перемещение которого по тре-
буемой траектории с необходимой скоростью, а также регулирование ре-
жимов горения пламени или дуги и подачи кислорода осуществляются
вручную. При полуавтоматической резке перемещение резака произво-
дится машиной переносного типа, а регулирование горения пламени или
дуги и подачи кислорода — вручную. Автоматическая тепловая резка вы-
полняется только на стационарных машинах, оснащенных необходимыми
системами управления их перемещения и процессом резки.
В табл. 1.1 приведена укрупненная классификация способов тепловой
резки. Четких границ между областями применения различных способов
тепловой резки не существует, и поэтому при их определении должны
учитываться не только технологические возможности того или другого
способа, но и их экономическая целесообразность. В табл. 1.2 приведены
способы тепловой резки и основные области их применения.
4
Т й б н и ц л > i мяовфишишя спо пОпв rvu vOHOfi ре*» и
Сио.иб pvtKii Используемый Т'Жнилигнчн кий м. »чринл
Назначение Наименование
Кислородная Горючее для подогревающего пламени Ацетилен, пропан-бутан, при- родный газ, коксовый газ
Керосин, бензин, газойль
Кислородно-флюсовая Горючее для подогревающего пламени Ацетилен
Флюс Железный порошок и др.
Плазменная Плазмообразуюшие газы и смеси Аргон, азот, кислород, воз- дух, воздух с водой
Электродуговая Газы и их смеси для выдува- ния расплава Воздух, кислород
Лазерная Газы и их смеси для выдува- ния расплава Аргон, азот, кислород, воздух и др.
Способ резки Вид резки и способ ее исполнения
Ра з ле л и те л ъ н а я Поверхностная
Кислородная Ручная, переносными машина- ми, на стационарных машинах Ручная, на станках (обточка)
Ручная • Ручная
Кислородно-флюсовая Плазменная Ручная, переносными машина- ми, на стационарных машинах
Ручная •?
Электродуговая
Лазерная На стационарных машинах Невозможна
Г a б л и ц а 1.2. Области применения различных способов тепловой резки
Способ резки Материал Диапазон толщин, мм
Кислородная Углеродистые и низколегированные стали Титан и его сплавы 3—1000 4—100
. • . «14 / *
- - . Способ резки Материал HHI толщин, .мм
Кислородно-флюсовая Высоколегированные хромоникеле- вые (коррозионно-стойкие) и хроми- стые стали, чугун, медь, латунь, брон- за и др. 4-1000
Плазменная Конструкниоиные стали всех марок Коррозион но-стойкие стал и Алюминий Медь, латунь о а о о СО {". ОС 1111 со гО СС см
Лазерная Конструкционные стали всех марок, коррозионно-стойкие стали, титан, медь, латунь и др. До 4
Электродуговая С ВОЗДУХОМ Разделительная и поверхностная рез- ка всех сталей, поддающихся кисло- родной резке —
С кислородом Поверхности*!я резка всех марок ста- ли, включая высоколегированные, хромистые и хромоникелевые —
Общей для всех способов тепловой резки является возможность обра-
батывать металлопрокат или другие виды заготовок в широком диапа-
зоне по толщине и по видам материалов без смены инструмента. Это
обстоятельство создает предпосылки для создания па базе технологии
и оборудования для тепловой резки гибких производственных систем (ГПС).
1.2. Кислородная резка
Кислородная резка представляет собой способ резки посредством
интенсивного и сосредоточенного на узком участке сжигания металла
струей кислорода после предварительного подогрева его до температуры
воспламенения, а затем быстрого удаления продуктов сгорания из полости
реза той же струей кислорода.
Осуществление кислородной резки возможно при условии, если металл
обладает следующими свойствами [29|:
температура плавления металла выше температуры его воспламенения
(иначе металл будет плавиться и переходить в жидкое состояние раньше,
чем начнется его сгорание в кислороде);
температура плавления окислов должна быть ниже температуры плав-
ления самого металла (иначе окислы не расплавятся, их невозможно
будет удалить из полости реза и процесс резки прекратится);
окислы металлов должны быть достаточно жидкотекучи (в противном
случае они не будут выдуваться струей кислорода из полости реза);
теплопроводность металла на должна быть велика, чтобы не препят-
ствовать концентрации теплоты, необходимой для нормального протека-
ния процесса;
количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислоро-
де, должно быть достаточно велико, чтобы обеспечить поддержание непре-
рывного процесса резки.
Основными параметрами кислородной резки, сочетание которых пре-
6
•копределяе I нозмож ног 1 ь достижения i рисуемого качегим ре ,ia при
наибольшей яройтодигелыюсги процесса, являются: мощность подо! ре
вающего пламени, давление и чистота режущего кислорода и скорость
резки. Мощность подогревающего пламени характеризуется расходом
горючего газа в единицу времени и зависит от толщины разрезаемого
металла. При правильно выбранной мощности обеспечивается быстрый
нагрев металла до температуры воспламенения и в дальнейшем поддер-
живается непрерывный процесс без оплавления кромок. При излишней
мощности пламени кромки оплавляются, а образующиеся в полости реза
шлаки содержат большое количество расплавленного металла. Такие
шлаки прочно привариваются к нижним границам кромок, образуя трудно-
отделимый грат. Мощность подогревающего пламени зависит не только
от толщины разрезаемого металла, но также и от состояния его поверх-
ности и характера расположения кромки реза (вертикальная или на-
клонная). Повышение мощности пламени требуется при резке литья, про-
ката, покрытого окалиной или ржавчиной, при подготовке листов под
сварку со скосом кромок.
На тепловую эффективность нагрева металла подогревающим пламе-
нем оказывают влияние также форма и расположение подогревающих
сопел, расстояние между языком пламени и поверхностью разрезаемо-
го листа. Из всех применяемых горючих газов наибольшей температурой
пламени обладает ацетилен. Зависимость расхода ацетилена от толщины
разрезаемой стали приведена на рис. 1.1. Для обеспечения одинако-
вого теплового эффекта подогревающего пламени при использовании
других горючих газов необходимо придерживаться соотношений расходов
в единицу времени газа-заменителя к ацетилену (коэффициенты за-
мены ацетилена), приведенных в табл. 1.3. Зависимость коэффициента
замены ацетилена от наименьшей теплотворной способности газа-замени-
теля для разделительной резки приведена на рис. 1.2.
Давление режущего кислорода (при прочих равных условиях) предо-
пределяет его расход, т. е. объем, поступающий в полость реза в единицу
времени. Расход кислорода должен быть достаточным, чтобы обес-
печивать интенсивное окисление металла по фронтальной поверхности по-
лости реза и удаление из нее продуктов сгорания. При недостатке кисло-
рода появляется (так же как и при избыточной мощности подогревающего
пламени) неотделимый грат на нижних кромках реза вследствие того, что
часть расплавленного металла в полости реза не окисляется и попадает
в шлак, который по этой причине прочно приваривается к кромкам при
вытекании. При избытке кислорода происходит охлаждение им металла,
тепло выносится из зоны горения и нарушается процесс резки. Величина
давления режущего кислорода назначается в зависимости от толщины
металла.
Повышение давления режущего кислорода приводит к увеличению
скорости его истечения из сопла мундштука, что способствует интенси-
фикации сдувания шлаков с фронтальной поверхности полости реза, а сле-
довательно, к улучшению условий для доступа к металлу новых порций
кислорода для его окисления. За счет повышения давления режущего кис-
лорода до 1,5 МПа скорость резки может быть повышена в 2—2,5 раза,
но для этого требуются аппаратура и трубопроводы трасс, рассчитанные
на это давление, и применение мундштуков только с коническими соплами
при очень высоком качестве обработки их внутренних поверхностей.
Скорость резки зависит, в первую очередь, от толщины разрезаемого
металла, но для определенной толщины металла она является параметром,
который получается в результате определения оптимального сочетания
7
Рис. 1.1. Зависимость расхода ацетилена or щ ицнны
разрезаемой стали при ацетиленокислородной реже
Таблица 1.3. Коэффициенты замены ацетилена
различными горючими газами и соотношения
кислорода и горючего газа’ при кислородной резке
Г орючее Коэффициент замены ацетилена Соотно- шение кисло* рода и горючего газа
Раздели- тельная резка Поверх- ностная резка
Ацетилен 1 1 1,15
Пропан-бут ановые 0,6 1Л 3,5
смеси Природный газ 1.6 3,5 1,5
Коксовый газ 3,2 0,8
Рис. 1.2. Зависимость коэффициента замены ацетилена
для разделительной резки от наименьшей тепло-
творной способности газа-заменителя
мощности подогревающего пламени, давления и чистоты кислорода» исхо-
дя из наличия или отсутствия требований к качеству резки (постоянству
ширины реза, допускаемой шероховатости поверхности и неперпендику-
лярности плоскости реза к поверхности детали, отсутствию грата). Пре-
дельная величина скорости резки (как отмечалось выше) ограничивается
скоростью окисления металла в кислороде, которая для железа не превы-
шает 15—17 мм/с.
Практикой установлено [29|, что использование кислорода чистотой
ниже 97 % недопустимо» так как нарушается нормальное протекание
процесса окисления и образования разреза происходит за счет расплав-
ления металла и выдувания нсокисленного железа струей кислорода.
Установлено, что наиболее целесообразно и экономически оправдано
применение при машинной кислородной резке кислорода чистотой не ме-
нее 99,2 %. При этом уменьшение чистоты кислорода на 1 % снижает ско-
рость резки в среднем на 20 %.
Помимо толщины разрезаемого металла и чистоты кислорода на ско-
рость резки оказывают влияние метод резки (ручной или машинный),
форма линии реза (прямолинейная, фигурная), вид резки (заготовитель-
ная или чистовая). В связи с этим требуемая скорость резки определяется
опытным путем для различных толщин металла, вида и метода резки.
При правильно выбранной скорости искры из разреза выбрасываются
почти под тем же углом, что и кислородная струя. Если скороегь речки
к
мала» то пучок искр отклоняется в сторону резки» а при повышенной ско-
рости — в сторону, противоположную направлению резки.
Большое разнообразие типов и марок сталей, а также факторов, влия-
ющих на режимы кислородной резки, делают невозможным подробное
изложение последних в кратком обзоре современного состояния развития
технологического процесса кислородной резки. В связи с этим ниже при-
веден ряд режимов и практических рекомендаций, используемых при резке
наиболее употребляемых сталей с содержанием углерода не более 0,25 %
и титановых сплавов.
При кислородной резке указанных материалов применяется техничес-
кий газообразный кислород чистотой не ниже 99,2 % (ГОСТ 5583—78 *)
и ацетилен, получаемый из карбида кальция. При резке малоуглеродис-
тых и низколегированных сталей в качестве горючего могут использо-
ваться также газы-заменители ацетилена (водород, метан, пропан-бута-
новые смеси), а также керосин и смесь керосина с бензином.
Пробивка отверстия перед началом резки производится вне контура
детали при следующих минимальных расстояниях (в миллиметрах) от мес-
та пробивки отверстия до контура детали:
Толщина разрезаемого металла,
мм. , . .............До 10 11—20 21—30 31- 40 41 -50 51—70 71 —
90 91 — 100
Резка кислородная:
ручная . . 8—10 10 12 12—15 18—20 22—25 25—30 35—
40 40—45
машинная . . 6—8 8—10 10 12 12—15 15—18 —-
При ручной резке пробивка отверстий струей кислорода произво-
дится в листах толщиной до 50 мм. При резке листов большей толщины в
точке начала реза просверливается отверстие диаметром не менее 6 мм.
Современные автоматизированные стационарные машины для кислород-
ной резки имеют специальные устройства, обеспечивающие при пробивке
отверстий плавное увеличение расхода режущего кислорода при медлен-
ном перемещении резака от точки пробивки к контуру вырезаемой детали.
Для предотвращения засорения резака брызгами шлака при пробивке
отверстия в момент пуска режущего кислорода и соприкосновения его
с перегретым металлом резак необходимо поднимать над листом на вьь
соту 15—25 мм, а при ручной резке наклонять его в сторону, обратную
направлению резки, на 15—20° от вертикали.
При этом время нагрева металла ацетиленокислородным подогрева-
ющим пламенем при пробивке отверстий перед началом резки, в зависи-
мости от толщины разрезаемого металла, составляет:
Толщина металла, мм . . 5—15 16—30 31—60 61—100
Время нагрева, с . . . 5—10 10—15 15—25 25—35
Расстояние от сопла резака до поверхности металла при установившем-
ся процессе резки определяется по формуле
Л = /+(1,5-г2),
где h — расстояние от сопла до поверхности металла, мм; I — длина ядра
пламени, мм.
Режимы резки малоуглеродистой и низколегированной стали, обеспе-
чивающие удовлетворительное качество кромок деталей, приведены
в табл. Г 4 (29].
9
Приведенные режимы рекомендуются для резки вертикальным резаком
деталей с прямолинейными кромками или с кромками, имеющими малую
кривизну. При радиусе кривизны кромок менее 100 мм скорость резки сле-
дует уменьшить на 10 %. При этом расход кислорода и горючего газа уве-
личивается.
При кислородной резке на нижних частях кромок образуются подтеки
грата, состоящего из окислов и шлака, прочно сцепленных с металлом.
Грат удаляют вручную, и до сих пор не найдено эффективных способов
механизации этой операции. Поэтому для сокращения ручного труда при
изготовлении деталей из листового проката целесообразно применять без-
гратовую кислородную резку. Для этого необходимо уменьшить до мини-
мума количество расплавленного металла путем использования подогре-
вающего пламени минимальной мощности, применять кислород как можно
большей чистоты и снижать скорость резки на 15—20 %. Кроме того, сле-
дует поддерживать постоянным расстояние между резаком и поверхностью
разрезаемого металла, а также поддерживать неизменными давление
газов и скорость резки.
При применении кислорода чистотой 99,7—99,9 % можно осуществ-
лять безгратовую резку, не уменьшая скорость резки, используемую при
чистоте кислорода 99,2 %.
В металлургической промышленности и на предприятиях тяжелого
машиностроения осуществляют резку стали больших толщин. Основные
затруднения при этом вызываются необходимостью прогрева нижних слоев
металла, применения больших давлений кислорода и удаления шлака на
большом расстоянии от резака.
При толщине разрезаемого металла до 300 мм используются обычные
универсальные резаки.
При резке стали толщиной свыше 300 мм применяются специальные
резаки, имеющие мундштуки с увеличенными (по сравнению с универсаль-
ными) проходными сечениями для режущего кислорода. Применяется
науглероживающее подогревающее пламя, так как оно более длинное
Расстояние от торца мундштука до поверхности разрезаемого металла бе-
рется больше, чем при обычной резке, для предотвращения засорения
каналов мундштука брызгами металла. В момент врезания струи кисло-
рода в металл мундштук резака наклоняют под углом 2—3° к вертикали
в сторону резки. В табл. 1.5 приведены режимы, рекомендуемые [72] для
резки стали толщиной от 300 до 1000 мм. При этом для резки стали толщи-
ной до 800 мм используется резак РЗР-2.
Титан имеет температуру плавления 1727 °C, а при температуре 610 °C
начинает гореть в кислороде. Процесс резки титана протекает интенсивно
и устойчиво при чистоте кислорода от 98,2 % и выше при хорошем качестве
реза. Чтобы избежать оплавления и сгорания верхней кромки на ширину,
превышающую в 2—3 раза ширину реза, необходимо резак к кромке под-
водить с горящим подогревающим пламенем и включенной подачей режу-
щего кислорода. В табл. 1.6 приведены режимы резки титановых сплавов.
К средствам технологического оснащения кислородной резки отно-
сятся: машины стационарные и переносные; резаки ручные, вставные
и машинные с мундштуками различных назначений и конструкций; уста-
новки и генераторы для получения ацетилена; аппаратура регулирующая
и коммуникационная, предохранительные устройства и вспомогательное
оборудование.
Машины стационарные подразделяются по назначению — для фигур-
ной и прямолинейной резки; по конструктивному оформлению н.1 пор-
10
I а блица 1.1 Режимы машинной ацетиленокислиродиой резки малоу» лсродис гой
и низколегированной стали при чистоте кислорода 99.2 %
То иди на разрезаемого металла, мм Помер мундштука, наружною/ внутреннего Давление кислорода. МПа Расход, л/с Скорость речки, м м /с
кислорода ацетилена
5 1/1 0.3—0,32 1,0 1,03 0,25 0,28 10,8—11,2
10 1/1 0.35 -0,36 1.3—1,4 0,33—0,37 9.1 -9.3
15 2/1 0,36—0.37 1.8- 1,9 0,37- 0.4 8,3—8,5
20 2/1 0.38—0,39 2.3 2/1 0.4 -0,44 7,5-7,7
25 2/1 0,4 0,42 3,0 3,1 0.44—0.47 6.8—7,0
30 3/1 0.45 0,48 3,7—3,8 0.47—0.5 6,2- 6,3
40 3/1 0.5 - 0,53 ю 1О 1 со ю 0.54—0.57 5,4-5.8
60 4/2 0,54—0.56 8,3 9,2 0,7—0,73 4,3—4,5
80 4/2 0,57 0,6 12,5—13,5 0.83—0,87 3,6—4,2
100 5/2 0.62 0,68 16,5—18,5 1.0—1.1 3,1-3,3
При м е ч а в и е. Давление ацетилена 0.01 —0.03 МПа.
Таблица 1.5. Режимы ацетиленокислородной резки стали большой толщины
Толщина разрезаемого металла, мм Расстояние от конца mvh цнтука до поверхности металла, мм Давление кислорода перед резаком, МПа Расход газа, л/с Скорость резки, мм/с
кислорода ацетилена
300 20—30 1,2 1.6 45 4 2,0—2.5
400 25 40 1,2- 1,7 60 5 1,7-2.2
500 30 - 50 1,2—1.8 80 6 1,5— 1.7
600 35—60 1,6—2,2 100 7 1.0-1,3
700 40—65 1,6—2.3 130 8 0,8- 1.4
800 45—70 1,9 - 2,5 200 9 0,75—1,2
1000 50- 75 2,0 2,5 260 11 0,7—0,85
Таблица 1.6. Режимы машинной ацетиленокислородной резки ттановых сплавов
при чистоте кислорода 99,2 %
Толщина разрезаемо!о металла, мм Номер внутреннего мундштука Давление кислорода, МПа Расход, л/с Скорость резки, мм/с
кислорода ацетилена
4 1 0,22 0.3—0,33 0,1—0,11 22,5 - 23,3
6 2 0,35—0,4 0,27—0,3 0,08- 0.11 20,8—21,7
8 2 0,35- 0.4 0,27- 0,3 0,08-0,11 20,0—20.8
10 9 X_z 0,4—0,45 0,3—0,33 0,08—0,11 19,2-20.0
12 2 0,3—0.35 0.33—0,5 0,13—0,15 15,0—18,3
20 3 0,3—0.35 0,67—0,75 0,15—0.17 13.3- 16.7
30 3 0,3 0,35 0,92—0,1 0,18—0,2 11,6-13,3
40 4 0,3- 0.35 1,1—1.12 0.22—0,25 10,8-12,5
45 4 0.3—0.4 1,7—2.0 0,3—0.33 10.0 11.7
60 4 0,35—0.4 2.0—2,5 0,33-0,37 8.3—10,8
П р и м е ч и ня. I. Расстояние от конца мундштука до металла 5—6 мм. 2. Давченне ацетилен»
0.02 0.05 МПа
II
тальные (П), портально-консольные (Пк), консольные (Ке), шарнир-
ные (Ш); по системе управления — с цифровой системой программного
управления (Ц), с фотоэлектронной системой управления (Ф), с магнит-
ным копированием (М), с линейным управлением программным или ме-
ханическим; поточности — на машины первого» второго или третьего клас-
са по ГОСТ 5614—74 *; по количеству одновременно разрезаемых лис-
тов — на одноместные, многоместные (для резки двух или более листов);
по количеству суппортов и количеству одновременно работающих резаков
на однорезаковые и многорезаковые.
Наибольшее распространение получили портальные машины. Они
состоят из портала, рельсового пути, суппортов, резаков, пульта управле-
ния; эти машины обеспечивают высокую точность вырезаемых деталей,
позволяют обрабатывать одновременно два и более листов и занимают
меньше производственной площади, чем портально-консольные машины.
Портально-консольная конструктивная схема находит применение в ма-
шинах с фотоэлектронной (с масштабом копирования 1:1) или магнитной
системой управления. По порталу перемещается фотоголовка или маг-
нитный палец, а по консоли — суппорт с резаками.
Чисто консольная схема применялась для машин с фотокопироваль-
ной системой управления с масштабом 1:10. Такая конструктивная схема
не обеспечивает достаточной жесткости, а следовательно, точности работы
машины, особенно при большой ширине обрабатываемых листов. Машины
шарнирного типа с механическим копированием используются для фигур-
ной вырезки многократно повторяющихся деталей.
Машины с цифровой системой программного управления обладают
большей точностью, но подготовка программ требует математического
обеспечения, наличия вычислительной техники и кадров программистов.
В связи с этим такие машины используются при большом объеме вы-
пуска листовых деталей сложной конфигурации. Машины с фотоэлектрон-
ной системой управления менее точны, но изготовление для них копирчер-
тежей осуществляется более оперативно. Машины удобны в мелкосе-
рийном производстве с часто меняющейся номенклатурой и конфигура-
цией деталей.
В табл. 1.7 приведены технические данные отечественных машин пор-
тального, портально-консольного и шарнирного типов с цифровой, фото-
электронной, линейной и магнитной системами управления. В машинах
портального и портально-консольного типов обеспечиваются автома-
тическая стабилизация расстояния между резаками и разрезаемым лис-
том, дистанционное управление технологическим процессом. Машину
обслуживает один оператор.
Переносные машины для кислородной резки подразделяются на маши-
ны общего (для резки листов) и специального (для резки труб) назна-
чения.
Резка переносными машинами производится по разметке. Основное пе-
ремещение резака вдоль линии реза задается самоходной тележкой,
а наведение резака на линию реза выполняется резчиком вручную. Ско-
рость резки переносными машинами несколько выше, чем на стационар-
ных. Это объясняется тем, что при выполнении прямых резов резчик
иногда устанавливает резак «углом вперед», что существенно ускоряет
процесс. Но и в случаях, когда резка ведется вертикальным резаком, рез-
чик устанавливает скорость, близкую к предельной, тогда как при резке
на стационарных машинах всегда оставляется некоторый запас скорости.
Объясняется это тем, что на переносных машинах возобновление процесса
12
резки в случае проскока резака осуществляется просто и быстро.
Переносные машины используются в случаях, когда требуется вырезка
деталей относительно простой формы — прямоугольных, с небольшой кри-
визной и круглых. Значительное распространение получило их использо-
вание для снятия фасок при подготовке кромок под сварку.
В табл. 1.8 приведены данные отечественных переносных машин для
кислородной резки листового проката и труб.
Резаки являются основным рабочим инструментом и служат для сме-
шения горючего газа с кислородом, образования подогревающего пла-
мени и подачи к разрезаемому металлу струи режущего кислорода. Резаки
бывают ручными и машинными. Последние отличаются от ручных отсутст-
вием рукоятки, так как их крепят непосредственно к корпусу машины.
Ручные резаки классифицируются по следующим признакам: по роду
горючего, на котором они работают (для ацетилена, газов-заменителей,
жидких горючих газов); по принципу смешения горючего газа с кислоро-
дом — на инжекторные и безынжекторные; по назначению — на универ-
сальные и специальные; по виду резки — на разделительные, поверх-
ностные, кислородно-флюсовые.
Наиболее широкое применение находят универсальные резаки, к кото-
рым предъявляются следующие основные требования: возможность рез-
ки стали толщиной от 3 до 350 мм в любом направлении, устойчивость
против обратных ударов, малая масса резака, удобство в обращении.
Универсальные резаки инжекторного типа состоят из ствола, инжекто-
ра, смесительной камеры, сменных мундштуков и трубок для подачи кисло-
рода и ацетилена или газов, являющихся заменителями ацетилена. Типич-
ными представителями универсальных резаков являются резаки типа
«Л\аяк-1-02« и «Маяк-2-02». Они аналогичны по устройству. Первый пред-
назначен для использования подогревающего пламени, образующегося
при сжигании смеси ацетилена с кислородом, а во втором применяется
подогревающее пламя от сжигания пропан-бутана или природного газа с
кислородом. Резаки характеризуются повышенной надежностью против
образования обратного удара, экономичностью расхода ацетилена, про-
пан-бутана или природного газа.
Источниками питания резаков являются баллоны или рампы баллонов,
газопроводы, ацетиленовые генераторы среднего давления.
Для ручной разделительной кислородной резки стали большой тол-
щины (от 300 до 800 мм) предназначен резак РЗР-2. В качестве горючего
газа для подогревающего пламени в нем используется пропан-бутан.
Резак имеет мундштук с внутрисопловым смешением горючего газа и кис-
лорода, что снижает вероятность возникновения обратных ударов. Резак
РЗР-2 состоит из головки, наружного и внутреннего мундштуков, вен-
тилей для регулирования подачи режущего кислорода, горючего газа
и подогревающего пламени. Для контроля давления режущего кислорода
предусмотрен манометр. Постоянное расстояние между торцом мундшту-
ка и поверхностью разрезаемого металла поддерживается с помощью
двухколесной тележки. В труднодоступных местах для этой цели исполь-
зуется одноколесная тележка.
При выполнении ремонтных и монтажных работ бывает необходимо
подгонять свариваемые детали, т. е. переходить от сварки к резке, и наобо-
рот. В этих случаях пользуются вставными резаками. Их присоединяют
к стволу горелки вместо сменного наконечника.
Вставным резаком малой мощности является резак РГМ-70. Его при-
соединяют к горелке ГС-2. Остальные резаки присоединяют к горелке ГС-3.
13
Таблица 1.7. Технические данные стационарных машин для кислородной резки листовой
Характеристика и изготовитель Марка
ПКЦ 3.5-6-10УХЛ4 ПКФ 2.5-1.6У4 ПКФ 2,5-!,6-10У4; ПКФ 3,5-1,6-10У4
Назначение машины Фигурная вырез- ка деталей без скоса и со скосом кромок под свар- ку Фигурная вырез- ка деталей без скоса кромок под сварку Фигурная вырез- ка деталей без скоса и со скосом кромок под свар- ку
Тип машины Портальная Портальная Портальная
Система управления ЧПУ Фотоэлектронная с масштабами: 10:1 и 5 : 1 Фотоэлектронная с масштабами: 10:1 и 5 : 1
Наибольшие размеры обраба- тываемых листов, мм: длина ширина- при работе одним резаком при работе одновременно двумя резаками толщина: при вертикальной резке при резке со скосом кромок 8000 3500 100 80 8000 2500 100 8000 2500/500 100 80
Наибольшие размеры обраба- тываемых деталей, мм: при работе одни резаком при работе тремя резаками —
Наибольшая толщина обраба- тываемого листа, мм: при работе одним резаком при работе тремя резаками —— —
Скорость, мм/мин: перемещения резаков маршевая 50—6000 До 10 000 70 -1600 70—1600 4000
Класс точности (ГОСТ 14792—80): при работе одним резаком (без пантографа) при работе тремя резаками 1-й 2-й 1 1 1 ' Se
Толщина копира, мм ——
Диаметр магнитного пальца,мм — —- —
14
НИ 1КОуГ,1Гр<*ЛИ< Hlft 4 I |i JI!
машины
ПКФ 8-1.V4 ПкК2-УФ-2 «Днепр 2,5-К2» (РК-2,5) АСШ-70 - - АСЮ В
Фигурная вырез- ка одновременно от одной до четы- рех деталей без скоса кромок под. сварку Фигурная вырез- ка одновременно от одной до четы- рех дет алсй без скоса кромок иод сварку Прямолинейная, продольная и по- перечная резка с подготовкой кро- мок под сварку Фигурная рез- ка одним или тремя резаками без скоса кро- мок под сварку Фигурная рез- ка кислородом высокого дав- заками без ско- са кромок под сварку
Портальная Пор галыю-кон- сольная п i Портальная Шарнирная пантографи- ческая при- ставка Шарнирная пантографи- ческая при- ставка
Фотоэлектронная с масштабами: 10 : 1 и 20 : 1 Фотоэл с к г р он н а я с масштабом 1 : 1 Линейная с руч- ным регулирова- нием скорости Магнитное ко- пирование Магнитное ко- пирование
8000 8000 8000 — —
4000 8000 2000 2500 —
100 100 160
— — — 1500X750 или 1000X1000 1300X400 или диаметр 400 - 1500X750 или 1000Х 1000 1300X400 или диаметр 400
-—— — 150 100 150 100
40—4000 50—1600 50—2000 100—1600 100—1600 - -41T.R
2-й 2-й 2-й —
— — 1 й 1-й
— - — 3-й 3-й
— — 6- 8 ОС О
—“ 12 12
л

Характеристика и изготовитель а Марка машины
ПКП 3,5-6- 10УХЛ4 ПКФ 2.5-1,6 У4 пкф 2.5-Г6-10У4, ПКФ 3,5-1.6-10У 4
Количество: суппортов одновременно работающих резаков 2 1—3 2 2 2 1 -3
Расход (на 1 резак), м3/ч: кислорода ацетилена пропан-бутана природного газа сжатого воздуха I CJ1 _ 1 1 1 -2- ю кэ о
12 0,8 12 0,8
20 20
Рабочее давление, МПа: кислорода ацетилена пропан-бутана природного газа сжатого воздуха го 0,1 0,4—0,6 S3 1 1 ° о' 1,0 0,1 0,4—0,6
Ток питающей сети > Трехфазный пере- менный Трехфазный пере- менный Трехфазный пере- менный
Напряжение, В Частота, Гц 380 50 380 50 380 50
Потребляемая мощность, кВт 4 3 3
Габаритные размеры машины, мм 1 С рельсовым пу- тем 5560X9960X Х2200 С рельсовым пу- тем 4400 X ХИ 760X2000 С рельсовым пу- тем 4400 X X 11 760 X 2000 5600ХП 760X Х2000
Масса ходовой части, кг 2000 2300 2450/2650
Изготовитель Одесский завод «Автогенмаш» Одесский завод «Автоген маш» Одесский завод «Автогенмаш»
К последним относятся: универсальный резак РГС-70, резак РАЗ-70 для
срезания заклепок, РАО-70 для вырезки отверстий, универсальные резаки
РАВ-2 и РАВ-3. С горелкой типа ГС-2 резаки обеспечивают резку ста-
лей толщиной до 80 мм, а типа ГС-3 — до 140 мм. Для резки труб при
ремонтных и монтажных работах предназначен инжекторный вставной
резак РАТ-70. Резак присоединяют к стволу горелки ГС-3 или горелки
«Звезда». Резаком РАТ-70 можно резать трубы диаметром не менее 45 мм
с толщиной стенки от 3 до 20 мм.
10

HlffA If
Xu ! I li <n4in .........- — » .. Mill -III... 'I....Ill ........*,l.,lll»»l.............. l1llH»»»K|,WI|l|l|H»»W»|»'lW»W^W
ПКФ 8-4У4 ПкК2-УФ-2 «Днепр 2,5- К2> (РК-2,5) АСШ-70 АСШ-В
4 4 4 4 2 6 1 3 1- 3
12 0,8 15—20 13,5 0,9 0,оо 1,35 12 0,8 0,5 1,2 12,5 0,65 7 0,57 0,9
1.0 0,1 0,4—0,6 1,0 0.03 0,05 0,05 L2 0,1 0,1 0,1 0,8 0,03 1.8 0,03 0,05
Трехфазный пере- менный Трехфазный пере- менный Трехфазш 1й пере- менный Однофазный переменный Однофазный переменный —III ч »»’•
380 50 380 50 380 50 220 50 220 или 380
з 1 2 0,1 0,1
С рельсовым пу- тем 10350Х 10560 X Х2020 Ходовой части 5400X2015X1500 Ходовой части 4350 X 2525 X 1300 При вытяну- тых шарнир- ных рамах 1900Х950Х Х1800 При вытяну- тых шарнир- ных рамах 1910Х950Х XI800
4000 900 1500 345 350
Одесский завод «Автогенмаш» Кироваканский завод автогенно- го машинострое- ния Одесский завод «Автогенмаш» Кироваканский завод автоген- ного машино- строения Кироваканский завод автоген- ного машино- строения 1 "ч1
Резак PK-71 предназначен для ручной прямолинейной резки низкоугле-
родистой стали и вырезки фигурных деталей. Он состоит из ствола с венти-
лями для регулирования подачи режущего кислорода и жидкого топлива
(керосина), испарителя, головки с мундштуком и трубки для подачи ре-
жущего кислорода, С резаком РК-71 комплектуется бачок БГ-68 для
жидкого горючего, который предназначен для подачи под давлением керо-
сина в аппаратуру, работающую на жидком горючем. Изготовителем
резаков является Кироваканский завод автогенного машинострое*
ния [52].
17
аблица 1.8. Технические данные переносных машин для кислородной резки низкоуглеродистой стали
Основными (сталями каждого ре-
зака являются мундштуки. Они из-
готовляются или составными из
внутреннего и наружного» или моно-
блочными; мундип уки подразде -
ляются на два типа — с кольцевым
зазором и многосопловые. Мундшту-
ки с кольцевым зазором бывают
только составными. Их недостаток
заключается в необходимости уста-
навливать внутренний мундштук в
наружном так, чтобы величина коль-
цевого зазора между ними, через ко-
торый подается горючая смесь для
подогревающего пламени, была оди-
наковой по всей окружности. По
этой причине каждая операция по
смене мундштуков требует затрат
времени на тщательную подгонку
кольцевого зазора. Многосопловые
мундштуки могут быть составными
и моноблочными, в том числе с внут-
ри сопловым смешением. Они не тре-
буют подгонки кольцевого зазора,
поэтому их называют самоцентри-
рующимися. Мундштуки с внутри-
сопловым смешением обладают боль-
шей надежностью против обратного
удара.
В резаках для разделительной
резки используются обычно наруж-
ные мундштуки двух номеров и внут-
ренние — четырех-пяти номеров.
Номер наружного мундштука опре-
деляется диаметром отверстия для
выхода подогревающей смеси газов,
а внутреннего — диаметром отвер-
стия для выхода режущего кисло-
рода.
Для получения ацетилена исполь-
зуются установки и генераторы. Их
эксплуатация связана с необходимо-
стью обеспечения пожарной и взрьь
вобезопасности.
Для получения из карбида каль-
ция газообразного, растворенного
или одновременно газообразного и
растворенного ацетилена исполы
зуются установки производитель
ностью 22 и 11 л/с [53].
Для компримирования ацетилена
до давления 2,3 МПа, его осушки
и наполнения им ацетиленовых бал-
19
лонов применяется блок высокого давления производительнослью 22 л/с
для ацетиленовых установок. Блок состоит из трех компрессорных уста-
новок УКА-40, трех установок осушки ацетилена, наполнительных рамп
и вспомогательного оборудования; он оснащен системой автоматики
и КИП.
Для получения ацетилена высокого давления и наполнения им балло-
нов предназначена установка УСН-20-3 производительностью 5.6 л/с.
После компрессора давление ацетилена составляет 2,8 МПа [52].
Получение из карбида кальция газообразного ацетилена и подача его
непосредственно потребителю для выполнения работ по газопламенной
обработке металлов производятся с использованием установки УАС-5.
производительностью 1,4 л/с при рабочем давлении ацетилена 0,015—
0,04 МПа и наибольшем — 0,07 МПа.
Для жидкостной очистки ацетилена от вредных примесей (фосфорис-
того водорода и сероводорода) раствором на основе солей хлорной меди,
хлористого кальция и соляной кислоты применяется установка УЖО-1,
пропускная способность которой составляет 22 л/с ацетилена.
Для регенерации пористой массы ацетиленовых баллонов, утративших
газовбираемость вследствие накопления влаги, используется установка
УАР-1, обеспечивающая газовбираемость баллона после регенерации не
менее 0,125 кг/л.
Кроме установок, для получения ацетилена среднего давления при-
меняются генераторы.
Генератор АСК-1-67, производительностью 1,4 л/с при рабочем давле-
нии ацетилена 0,015—0,04 МПа и наибольшем —0,07 МПа, предназначен
для получения газообразного ацетилена из карбида кальция и воды; он
применяется для непосредственного снабжения ацетиленом аппаратуры
при газопламенной обработке металлов. Генератор состоит из газообразо-
вателя, влагосборника и предохранительного водяного затвора.
Стационарные генераторы АСК-3-74 и АСК-4-74 имеют производитель-
ность 2,8 л/с газообразного ацетилена, получаемого из карбида кальция
по комбинированной схеме. У генератора АСК-3-74 рабочее давление аце-
тилена до 0,07 АШа при наибольшем — 0,15 МПа, а у генератора АСК-4-74
рабочее давление 0,015—0,04 МПа при наибольшем — 0,07 МПа. Каж-
дый генератор состоит из газообразователя с двумя поочередно работаю-
щими ретортами, влагосборника и предохранительного водяного затвора.
Передвижной генератор АСП-1.25-7, производительностью 0,35 л/с
при рабочем давлении ацетилена 0,01—0,07 МПа и наибольшем —
0,015 МПа, имеет то же назначение, что и описанные выше. Он состоит
из трех частей: верхней (газообразователя), средней (вытеснителя) и ниж-
ней (промывателя), На генераторе установлены манометр, предохрани-
тельный клапан и незамерзающий затвор, позволяющий работать при
температуре окружающей среды до —29,0 °C.
Для защиты ацетиленовых трубопроводов от взрывной волны ацетиле-
нокислородного пламени при обратном ударе и от проникновения в газо-
проводы кислорода и воздуха со стороны потребления, для локализации
взрывного распада ацетилена высокого давления на участке коммуника-
ции перед технологическим оборудованием и после него, а также для пре-
дупреждения других подобных аварийных явлений используются предох-
ранительные жидкостные затворы ЗСП-8 для ацетилена среднего давле-
ния, универсальные затворы ЗСУ-1 среднего давления, огнепреградители
ЗВП-1 для ацетилена высокого давления, огнепреградители ЗВМ-2 мано-
метрового типа, сетевые металлокерамические огнепреградители ЗСО-1,
отсечные клапаны ЛАО-1.
20
I IM подачи in <ччи кислорода при пнмнии постов га зонллменной обрп
ботки металле»! используются газоразборные посты кислорода И ГК* 10 73»
II ГК-40-73, III К-9072 с пропускной способностью соответственно 2,8; 11 и
25 л/с. Установки, генераторы и предохранительные устройства изготов-
ляет ПО «Автогенмаш», г. Воронеж. ’’
Для понижения давления газа, поступающего из баллона, до рабочего
и поддержания его постоянным применяется регулирующая аппаратура
в виде редукторов различных назначения и типов.
Регулирующая и коммуникационная аппаратура изготовляется Бар-
наульским аппаратурно-механическим заводом.
Машины для кислородной резки выпускаются многими промышленно
развитыми странами.
В Германской Демократической Республике выпускаются для собствен-
ных нужд переносные и стационарные машины. Переносные машины могут
работать на ацетилене и пропане. На них возможна и плазменная резка.
Машина Р66/1 для обработки кромок листов имеет главный портал для
получения продольных резов и один или несколько устанавливаемых ре-
жущих устройств для выполнения поперечных розов. С помощью одно-,
двух- и трехрезакового блока можно производить обработку кромок
под сварку.
Основное внимание в ГДР придается созданию портальных машин,
способных производить криволинейную резку. К ним относится машина
«Универсал», работающая от магнитных роликов по копиру. Используются
машины типа <t>02-ZJS391 с фотоэлектронным управлением.
В Польше также выпускаются переносные, консольные и портальные
машины для кислородной резки. Особый интерес представляет машина
УСА4-1200 для кислородной резки слитков толщиной от 50 до 1000 мм.
В капиталистических странах производством машин для тепловой резки
занимаются многие фирмы Англии, США, Франции, ФРГ, Японии. В ФРГ
эти машины выпускают 28 фирм, из которых наиболее известна фирма
«Мессер Грисхейм» (Messer Grisheim), а в Японии — 18 фирм, из кото-
рых наибольшая — крупная фирма «Койке Сансо Когио» (Koike Sanso
Kogyo Со. Ltd).
Фирма «.Мессер Грисхейм» изготовляет переносные и стационарные
машины; причем последние — шарнирного, портально-консольного и пор-
тального видов.
В наибольшей степени отвечают требованиям современного производ-
ства машины «Сикомат» (Sicornat) и «Омнимат» (Omnimat). Машины
«Сикомат» используются в судостроительной промышленности. Конструк-
ция машины рассчитана на большую ширину рабочей зоны — от 9,6 до
20 м. Машина «Омнимат» (рис. 1.3) имеет меньшую рабочую ширину,
не превышающую 9 м (2X4200 мм). Она отличается более легкой кон-
струкцией портала.
Управление машинами «Сикомат» и «Омнимат» может быть фотоэлект-
ронным в масштабах 1:1, 1:5, 1:10 (возможны также другие масштабы)
или числовым от перфоленты. Точность прочерчивания линий реза при
фотоэлектронном управлении составляет ± 1,5 мм, а при числовом
±0,5 мм.
Машины обоих типов пригодны для индивидуального и серийного
производства. Посредством смены навешиваемых агрегатов могут выпол-
няться кислородная, плазменная и лазерная резка, резка без скосов кро-
мок, разделки кромок под сварку, разметка.
На прямоугольных деталях толщиной до 150 мм для разделки кромок
под сварку типа V X Y используется, трехрсзаковыи поворотный блок.
21
Рнс. 1.3. Машина д in кислородном резки «Омннмат» фирмы «Мессер Гриехейм»
На фасонных деталях разной формы подготовка кромок под сварку за
один проход может выполняться при помощи автоматического поворотного
трехрсзакового блока (рис. 1.4). При этом средний резак может выполнять
И вертикальные резы. Разрезаемая толщина до 100 мм, угол фаски от 10
до 60°.
Наибольший интерес представляет собой поворотный трехрезаковый
блок DAFL с автоматической настройкой угла фаски и бокового положе-
ния резаков (рис. 1.5). Управление настройкой от указанных параметров
производится при помощи числового программного управления от управ-
ляющей вычислительной машины.
Для получения разделки фасок ll-образной формы на деталях тол щи -
но свыше 20 мм машины могут быть оснашены устройством «Лонгкав»
(Longcau) (рис. 1.6). При использовании данного устройства процесс кис-
лородной резки производится таким образом: сначала первым резаком
производится резка со скосом кромки, затем при помощи устройства
поверхности придается L-образная форма за счет изгибания режущей
струи, после чего осуществляется притупление замыкающим резаком.
На обоих типах машин может выполняться разметка линий загиба, ба-
зовых линий, кромок, центров просверливаемых отверстий. Разметка
может выполняться кернением или напылением цинкового порошка. Кер-
неры могут быть двух видов. Первый—тяжелый кернер (рис. 1.7) —
имеет большую длину хода и острие из твердого сплава, а второй —
легкий, предназначен для быстрого нанесения непрерывных линий, пунк-
тирных линий и отдельных точек.
Порошковая разметка (рис. 1.8) производится при помощи горелки.
На лист наносятся линии ширипрй 0,6—1 мм посредством выдувания и
расплавления цинкового порошка в (ракеле горящего газа. Расход
порошка примерно 50 г на 1000 м линии разметки.
Японская фирма «Копке Сансо Когио» выпускает стационарные и пере-
носные машины для кислородной резки. Последние более разнообразны
по назначению, эксплуатационным и техническим характеристикам.
Определенный интерес представляю!* ручной резак марки «Ханди
ауто» (Handij Ям/о). имеющий фрикционный привод; переносные машины
марок Jlv56, JK-64 для резки использованием накладных шаблонов.
22
Рис. 1.4. Поворотный трехрезаковый блок для подготовки кромок под сварку при вырезке деталей
с прямыми и криволинейными кромками
Рис. 1.6. Устройство «Лонгкав»
Рис. 1.7. Тяжелый кернер на однорезаковом блоке
Рис. 1.5. Поворотный трехрезаковый блок DAF1 с автоматической регулировкой от УВЧ
23
а гзкж<’ м нпины марки JK-68, у которых шаблон прикрепляется к маши-
не, и марки JK-72T для прямолинейной и криволинейной резки по гибкой
резиновой направляющей. Существует несколько модификаций машин для
обрезки концов труб: «Пикль» {Picle), «Ауто-пикль» {Auto Picle\ «Ауто-
пикль-С» {Auto Picle~S\ переносная машина КНС-600Е для вскрытия
отверстий в боковых стенках труб и стационарная труборезная машина
«Пайп костер» {Pipe Coaster).
Резак «Ханди ауто» (рис. 1.9) снабжен колесом с электроприводом,
при помощи которого ему задается требуемая скорость резки и обеспечи-
вается равномерность движения, что
положительно сказывается на каче-
стве реза. В комплект к резаку вхо-
дят приспособления для прямоли-
нейной резки, для резки со скосом
кромок (рис. 1.10), для вырезки кру-
гов малого (30—120 мм) и большого
(120—150 мм) диаметров, а также
направляющий рельс длиной 500 мм
с двумя постоянными магнитами.
Переносная машина JK-72T пред-
назначена для прямолинейной и
криволинейной резки, в том числе
со скосом кромок до 45°. Она отли-
чается малым весом (4,5 кг) и ис-
пользованием гибкого резакового
зубчатого рельса длиной 1000 мм,
Рнс. 1.8. Устройство для разметки напы-
лением
Рис. 1.9. Резак «Ханди ауто» с приводом
24
Рнс. LIO. Приник пОлгнм к резаку
«Ханди ауто» для ре «ян to скосом
кромок
сечением 30X40 мм, при-
крепляемого к поверхности
листа пятью постоянными
магнитами.
Машины для обрезки
труб в широком диапазоне
диаметров и толщин —
«Пикль», «Ауто пикль» и
«Ауто пикль-С» имеют цеп-
ной привод. Первые две мо-
дели предназначены для рез-
ки труб диаметром 150—
600 мм и от л и ч а ются ко н -
струкцией привода переме-
щения резака. У первой модели привод ручной, у второй — электри-
ческий.
Машина «Ауто пикль-С» является автоматической машиной с дистан-
ционным управлением. Она предназначена в основном для резки труб
большого диаметра (от 600 до 1500 мм); для этого машина снабжена
специальной рельсовой системой для точного перемещения резака. Однако
с помощью такой машины возможна также резка труб диаметром 150- *
600 мм.
Для вырезки отверстий в стенках труб предназначена переносная ма-
шина «КНС-600Е», которая может производить резку со скосом кромок.
Минимальное отношение диаметров главной и отводной труб 1 : 2.
Машина имеет дистанционное управление.
Модель «Пайн костер» является автоматической машиной для кисло-
родной резки труб. Выпускается в большом количестве вариантов, каж
дый из которых отличается по функциональному назначению и по произво-
дительности.
Кроме описанных выше машин фирма выпускает ряд переносных ма-
шин для прямолинейной и круговой резки со скосом и без скоса кромок,
перемещающихся по направляющим; переносные машины шарнирного
типа, отличительной чертой которых является установка и закрепление
их на поверхности обрабатываемого листа, а также машины для попереч-
ной резки тавровых балок.
Поверхностная резка представляет собой кислородную резку, при ко-
торой струя кислорода направляется под углом 10—30° к поверхности
обрабатываемого металла. Для подогревающего пламени используется
смесь горючего газа с кислородом, а для сжигания и удаления металла —
кислород. При этом процесс выжигания (строжки) металла происходит
не на всю толщину металла, а только с поверхности на определенную глу-
бину. Процесс протекает устойчиво только в том случае, если направле-
ние перемещения резака совпадает с направлением струи кислорода.
Имеются два варианта поверхностной резки: строжка и обточка.
При строжке резак снимает с поверхности слой металла определенных
ширины и длины за один или несколько проходов в зависимости от глубины
снимаемого слоя.
26
При o6iочhv резак (как и токарный резец) совершаем ноеi пьпединое
движение вдоль круглой вращающейся заготовки. В резулы не обгонки
снимается слой металла определенной глубины.
1.3. Лазерная резка
Оптические квантовые генераторы (т. е. лазеры) генерируют моно-
хроматическое излучение в весьма широком диапазоне длин волн — от
ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра,— и этот диапазон
постоянно расширяется [3].
Излучение оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) характери-
зуется рядом уникальных свойств: большой интенсивностью (мощностью)
потока электромагнитной энергии, высокой монохроматичностью, значи-
тельной степенью временной и пространственной когерентности. Вслед-
ствие этого лазерное излучение отличается от излучения других источни-
ков электромагнитной энергии очень высокой направленностью своего
распространения и возможностью фокусирования на площадях малых раз-
меров, т. е. высокой концентрацией энергии,
В з а в и с и м ост и от и с и ол ьз у ем о й активно й с ре д ы л а зер ы по др а з де л я юте я
на твердотельные, жидкостные и газовые [3]. В связи с тем что луч лазера
является монохроматическим излучением в оптическом диапазоне длин
волн, возможность обработки различных материалов зависит, главным
образом, от их способности поглощать излучение с определенной длиной
волны.
Излучение с энергетическими параметрами, достаточными при исполь-
зовании лазеров для технологических целей, имеет диапазон длин волн от
0.4 до 10,6 мкм; причем резка различных материалов паилучшим обра-
зом обеспечивается при использовании излучения с длиной волны 10,6 мкм,
которое генерируется газовыми СО.» лазерами с активной средой из смеси
одной части углекислого газа с одной частью азота и десятью частями гелия
Излучение с этой длиной волны поглощается большинством исполь-
зуемых материалов. При этом неметаллические материалы: пластмассы,
резина, асбест, керамика, древесина и другие поглощают излучение ла-
зера с такой длиной волны относительно хорошо; благодаря этому выде-
ляется соответственно большое количество тепла.
Металлические материалы поглощают такое излучение значительно
хуже. При этом процесс обработки, например конструкционной стали,
легированной стали или гитана, поддерживается за счет окислительного
газа (кислорода). Материалы с большим коэффициентом отражения,
например медь и алюминий, плохо поддаются резке с помощью ла-
зера на углекислом газе. В целом же лазерной резкой можно резать низко-
углеродистые. низколегированные и высоколегированные стали, в том чис-
ле покрытые оловом, свинцом, цинком, никелем, лаком или пластмассой,
а также титан, цирконий, ниобий, тантал, никель и сплавы этих металлов.
Возможна резка неметаллов, т. е. различных пластмасс, в том числе стек-
лопластиков, кожи, древесины, резины, шерсти, хлопка, синтетических
тканей и т. п. Кроме того, возможна резка неорганических материалов:
керамики, кварца, фарфора, кварцевого стекла, асбеста, слюды, камня,
алюминатов, графита и т. п.
Применение луча лазера для резки различных материалов имеет
большие перспективы также и благодаря ряду технологических преиму-
ществ данного способа, т. е. высокой скорости резки, слабому тепловому
воздействию, высокому качеству и параллельности кромок реза, отсут-
ствию тепловых деформаций. В сочетании с бесконтактным принципом
20
Рис. 1.11. Схема СО «лазера:
1 — резонатор; 2 ко «> по) пр<« рдчнси- • ысг 4 - поток qvqrft: электрод: 6 и 7
цнуцера для почачи смеси газиа, ограййющи- юркали
действия обеспечивается простота автоматизации процесса резки.
Вследствие отсутствия давления па обрабатываемый материал возмож-
на резка заготовок из металлов или других материалов, имеющих очень
малую толщину — от 0,1 мм и менее. I
Возможна резка в атмосфере заданного состава с окислительными,
восстановительными или инертными газами. а также в вакууме. Отсут-
ствуют шум и загрязнение окружающей среды. Лазерная установка
(рис. 1.11) состоит из резонатора и систем: питания, создания вакуума,
контроля газового потока, охлаждения и управления. |
Резонатор лазера представляет собой комплекс, состоящий из газо-
разрядной трубки, активной среды лазера и зеркал. Газоразрядная трубка,
в которую заключена активная среда в виде смеси углекислого газа, азота
и гелия, представляет собой .геклянную трубку диаметром в несколько
сантиметров, по концам которой расположены зеркала. Коэффициент отра-
жения одного из них составляет почти 100 %, а второе - частично прони-
цаемое. Через это второе зеркало из резонатора выходит почти направ-
ленный пучок лучей толщиной около 20 мм.
Выходная мощность лазерной установки зависит в определенных пре-
делах от длины газоразрядной трубки из расчета 40 -80 Вт на I м длины
трубы. В установках для резки используются газоразрядные трубки
длиной 4 м и более Чтобы уменьшить длину резонатора, трубка раз де
ля стоя на несколько секций, располагаемых рядом и параллельно одна
другой, которые соединяются между собой оптически последовательно при
помощи отклоняющихся зеркал; последние наклонены под углом 45° отно-
сительно оси луча (рис. 1.12). Количество таких секций может увеличи-
ваться до определенных пределов.
Важно отметить, что луч лазера, выходящий из газоразрядной трубки
через полупрозрачное зеркало, необходимо отклонить вниз под углом в 90°
и сфокусировать на поверхности разрез at мото материала, так как плот-
ность энергии этого луча недостаточна для эффективной обработки мате-
риала. Фокусирование производился с помощью инфракрасной линзы в ви-
де фокального пятна диаметром от 0,1 до 0,5 мм. При этом концентрация
мощности излучения достигает 5 МВт/см\ За иинзой установлено сопло,
обеспечивающее подач' струн режущего кислорода, воздуха или инертного
газа соосно с лучом лазера. Фокусное расстояние линзы должно увели-
чиваться с увеличением толщины разрезаемого материала для увеличения
глубины резкости, г. t создания постоянства диаметра сфокусированного
27
-АЛТ-/.
Рис. 1.12. Резонатор лазера из двух секции и с режущей
головкой:
/ — охлаждающая жидкость; 2 — рабочий газ лазера.
.? — режущий или защитный газ; 4 — режущая го-
ловка
луча, необходимого при обеспечении постоянства концентрации энергии
по толщине листа.
Изменение направления луча на 90° и его фокусирование обеспечива-
ются устройством (рис. 1.12), которое называется режущей головкой.
На электроды газоразрядной трубки подается постоянное напряжение
в несколько десятков тысяч вольт, под воздействием которого в потоке
; активной среды возникает электрический тлеющий разряд.
Под действием этого разряда молекулы углекислого газа возбуждают-
ся, и во время изменений колебательных уровней их энергии возникает
излучение в крайней инфракрасной области спектра электромагнитных
волн длиной 10,6 мкм.
Введение молекул азота вызывает резонанс энергии молекул двух ти-
пов (азота и углекислого газа) с соответствующим увеличением выходной
мощности примерно в четыре раза.
Добавление молекул гелия содействует поддержанию благоприятного
' распределения энергетических уровней. Высокая теплоемкость гелия спо-
J собствует интенсификации охлаждения газовой смеси и дальнейшему уве-
личению выходной мощности [3].
В систему питания лазера входят генератор высокого напряжения
для электропитания и возбуждения активной среды лазера в газоразряд-
ной трубке, а также система подачи рабочего газа лазера с дозатором
и другие элементы.
Для поддержания вакуума в газоразрядной трубке имеется система
создания вакуума, основными элементами которой являются вакуумный
насос для откачивания воздуха из трубки, вакуумное реле давления и
манометр.
С помощью системы контроля газового потока непрерывно регулирует-
ся подача газа и давления в газоразрядной трубке
Система охлаждения обеспечивает подачу охлаждающей жидкости ко
всем деталям, испытывающим тепловую нагрузку: к газоразрядной трубке,
зеркалам лазера и к фокусирующей оптике.
Управление всеми системами, в том числе подачей режущего или за-
щитного газов в сопло режущей головки, обеспечивается системой управ-
ления лазерной установки.
28
Основным пирометром, оказывающим наибольшее влияние нн качество
и производи гольность лазерной резки, является диаметр сфокусированно
го пятна, от которого зависят ширина реза, производительность резки и
ширина зоны термического влияния. Его оптимальная величина рав-
на 0,2 мм. При этом значении обеспечиваются условия для удаления рас-
плава и газов.
Наибольшая толщина разрезаемого материала и стабильность качест-
ва резки зависят соответственно от мощности излучения и стабильности
мощности в сфокусированном пятне, а требуемое качество реза при раз-
личных направлениях движения обеспечивается лишь в случаях, если
имеет место круговая поляризация излучения в сфокусированном пятне и
^сли неравномерность интенсивности излучения на одинаковых удалениях
от центра пятна не будет превышать 5 %- Чтобы процесс резки не нару-
шался вследствие отражения части луча от стенок сопла, центр пятна не
должен отклоняться от оси сопла более чем на ±0,05 мм.
Технологические параметры процесса лазерной резки аналогичны пара-
метрам, характеризующим любой другой процесс тепловой резки. К ним
относятся: скорость резки, мощность источника и теплоты, а также тол-
щина обрабатываемого металла. Их взаимосвязь обеспечивает эффектив-
ность процесса резки. Кроме того, при лазерной резке на эффективность
процесса, как указывалось выше, оказывает влияние отражательная спо-
собность поверхности обрабатываемого материала. В отличие от других
способов тепловой резки параметры лазерной резки окончательно не отра-
ботаны, не приведены в систему и не получили четкой регламентации, поэ-
тому привести конкретные данные по режимам лазерной резки не представ-
ляется возможным.
Резка металлов обычно производится с использованием кислорода для
удаления расплава из полости реза, так как струя кислорода, кроме того,
окисляет часть нагретого лазерным лучом металла и вместе с расплавом
выдувает из полости реза и окислы. Экзотермический характер реакции
окисления металла обусловливает выделение дополнительного количества
теплоты, необходимого для снижения вязкости образующихся окислов
и поддержания непрерывности процесса резки. Кроме того, окисление
струей кислорода нагретой поверхности металла способствует увеличе-
нию поглощения их лучистой энергии и, следовательно, повышению эффек-
тивности нагрева, так как чистые металлы поглощают 2—6 % тепловой
энергии луча, а окислы металлов — почти 100 %. Расход кислорода сос-
тавляет 0,14—0,06 л/с [3].
При резке металлов с кислородом скорость резания существенно за-
висит от давления в резаке лишь при давлениях, не превышающих 0,25 МПа
При повышении давления сверх указанного предела оно слабо сказывает-
ся на повышении скорости резки. Качество реза улучшается при увели-
чении расхода газа и при уменьшении расстояния от среза сопла до поверх-
ности материала.
Увеличение мощности лазера приводит к увеличению скорости реза-
ния, но последняя также существенно зависит от теплофизических свойств
материала и от толщины листа.
Зависимость скорости лазерной резки от толщины разрезаемого метал-
ла приведена на рис. 1.13 [3]. Из рис. 1.13 следует, что скорость резки
низкоуглеродистой стали несколько выше, чем скорость резки хромонике-
левой стали 13]. Установлено, что между выходной мощностью лазера
и максимальной толщиной разрезаемого металла существует линейная за-
висимость (рис. 1.14) (3|. При этом ширина реза при лазерной резке при-
2»
Рис. 1.13. Зависимость скорости резки
от толшины разрезаемого металла
(мощность ОКГ— 450 Вт):
1 - низкоуглеродистая сталь; 2 —
сталь 12Х18Н9
Рис. 1.14. Зависимость толщины разрезаемого листа из ннзкоуглеродистой стали
от мощности ОКГ
мерно соответствует диаметру сфокусированного луча и на порядок ниже,
чем при плазменной резке.
В настоящее время лазерная резка металлов ограничивается относи-
I ел ь н о мал ы м и тол щи н а м и (до 4 м м). Основ н ы м ограничением с л у ж ит
сравнительно небольшая мощность существующих лазерных установок,
которая не позволяет получить скорость резки, превышающую 750 мм/мин
для металлов толщиной 5 мм. Зато при резке металлов толщиной поряд-
ка 0,7 мм скорость резки возрастает до 4,5 м/мин.
При резке неметаллических материалов вместо кислорода исполь-
зуется воздух, роль которого сводится к удалению окисленных или испа-
рившихся продуктов резки из зоны реза. Воздушная струя охлаждает
также материал, прилегающий к зоне резки, и уменьшает возможность
обугливания поверхности реза.
Средства технологического оснащения при лазерной резке ограничены
использованием только стационарных машин: как специальных, созданных
только для лазерной резки, так и предназначенных для кислородной
и плазменной резки.
Практическое применение нашли три схемы взаимного перемещения
сфокусированного луча лазера и разрезаемого листа [3].
Первая — луч лазера неподвижен, а стол, на котором лежит лист, пере-
мещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях по заданному
закону.
Второй - луч лазера перемещается по заданному закону, а стол с лис-
том неподвижен.
Третий — луч лазера перемещается в поперечном направлении, а стол
с листом — в продольном. Сложение обоих движений по определенному
закону обеспечивает получение заданного контура вырезаемой детали.
В СССР первая машина для лазерной резки была разработана в 1970 г.
ВНИИавгогенмашем совместно с другими организациями.
В машине осуществлен принцип перемещения сфокусированного ла-
зерного луча над неподвижным столом с раскраиваемым листом (первый
вариант второй схемы). На портале смонтировано лазерное устройство
(резонагор, вакуум-насос и режущая головка). Для резки используется
СО» л । iep с коаксиальной струей кислорода или воздуха в зависимости
зо
Рис. 1.15. Мишина * *<НУ дли •нмсриой резки
«Бирюзв-2>
от рода разрешаемого материала.
Машина оборудована системой
цифрового программ кого унряг
ления. позволяющей перемен;, г
луч по заданному контуру вырез;
смой детали и управлять все г к
технологически ми ком а нда ми
пульта, расположенного у резчика.
На машине можно обрабатывать листы или полотнища из металличес-
ких и неметаллических материалов шириной до 2,5 м и длиной до 8 м и бо-
лее, что значительно расширяет технологические возможности использо-
вания лазерной резки |3].
Кировакаиским заводом автогенного машиностроения освоен серийный
выпуск машин для лазерной резки «Бир юз а-2» (рис. 1.15). Эти машины
предназначены для резки стальных листов, но возможна резка и других
материалов. Резка и разметка осуществляются лазерным лучом, а мар-
кирование. — краской.
В конструктивную схему входят: лазер; каретка с оптическим и марки-
рующим устройствами и с резаком, перемет а ютимся по неподвижному
порталу; стол, перемещающийся совместно с обрабатываемым листом
по стационарному рельсовому пути (третья схема).
Резонатор лазера установлен неподвижно вдоль рельсового пути. Луч
лазера передается к режущей головке с помощью двух зеркал.
Для создания комфортных условий для оператора и хороших условий
для работы электронной части машины имеется кабина оператора, в ко-
торой размещаются рабочее место оператора, устройства числового прог-
раммного управления и другие электронные системы. j
В Народной Республике Болгарии создан технологический лазерный
комплекс, в состав которого входят технологический лазер «Хебр-1» с мак-
симальной выходной мощностью 1,0 кВ г и технологическая лазерная уста-
новка ТЛУ-1000. Комплекс предназначен для автоматизированной лазер-
ной резки и сварки по сложному контуру в промышленных условиях двух-
мерных и трехмерных деталей из низкоуглеродистых и высоколегирован-
ных сталей и тугоплавких сплавов, а также из неметаллических мате-
риалов — органических и неорганических. Управление комплексом
осуществляется системой ЧП У ЗИТ 500 М и рабочей программой на
перфоленте в коде 150-840.
Технологическая лазерная установка ТЛУ-1000 обеспечивает автома-
тическое относительное перемещение обрабатываемой детали и сфокусиро-
ванного лазерного луча по заданной системой ЧПУ программе (третья
схема) Ее максимальная потребляемая мощность 10 кВ*А.
Фирма «Мессер Грисхсйм» (ФРГ) выпускает СО? лазер с машиной
«Мультисек», которая оборудована фотоэлектронной системой управ-
ления с чертежа в масштабе 1:1. Резонатор и режущая головка располо-
жены на портале машины и перемещаются вдоль него, а продольное пе-
ремещение по отношению к обрабатываемому листу осуществляется пор-
талом (вторая схема, первый вариант). Лазерная установка выпускается
в двух вариантах: GI и GM, отличающихся по выходной мощности. Пер-
вая имеет выходную мощность 200—250 Вт, а вторая 400 500 Вт.
1.4. Технико-экономическая оценка способов
У тепловой резки
Из приведенного обзора различных способов тепловой резки; тех-
1 нологии, оборудования и инструмента, используемых при выполнении
этих способов, следует, что они разнообразны и универсальны. Учитывая
последнее обстоятельство, достоверно оценить преимущества того или ино-
го способа можно лишь на основании сопоставления технико-экономи-
I ческих показателей этих процессов. Основными способами, имеющими
I наиболее широкое использование или перспективноегъ развития, являют-
£ ся кислородная, плазменная и лазерная резка.
* О лазерной резке можно сразу сказать, что этот способ резки весьма
перспективен, но в настояшее время область его применения ограничена
/ при малых толщинах разрезаемых металлических материалов, а также
при резке неметаллических материалов. В других случаях этот способ пока
не может конкурировать с кислородной и плазменной резкой как по техни-
ческим, так и по экономическим показателям.
Плазменной резке поддаются все металлические материалы, в то вре-
мя как кислородной резкой можно обрабатывать только сталь и титано-
вые сплавы. В связи с этим оценку и сравнение экономических показателей
целесообразно выполнять только для показателей кислородной и плазмен-
Рис. 1.1 в. Кривые изменения скорости ацетиленокислородной и воздушно-плазменной резки в за-
висимости от марки и толщины разрезаемого металла:
1 — ацстиленокислородная безгратовая резка низкоуглеродистой стали; 2 — аиетиленокислородная
резка лшированной стали; 3 — аиетиленокислородная резка низкоуглеродистой стали; 4 — ацетиле-
нокислоролная резка титана; 5 — воздушно-плазменная резка низкоуглеродистой стали
Рис. 1.17. Зависимость протяженности реза, выполняемого за год при машинной тепловой резке н
при двухсменной работе, от толщины разрезаемого металла и отношения протяженности плазмен-
ного реза /„к протяженности кислородного реза £к:
/ а цетиле иокисло родне я резка; 2 воздушно-плазменная резка; 3 - отношение £п/1*
32
ной резки коне аукционных низкоуглеродистых и низколегированных ста-
лей, так как для металлов, не поддающихся кислородной резке, плазменная
резка экономически оправдана во всех случаях.
Скорость резки является одной из основных характеристик, ока1ы
вающих наиболее существенное влияние на экономические показатели
любого способа резки, в том числе кислородной и плазменной.
На рис. 1.16 [29] приведены кривые, показывающие изменение ско
рости ацетиленокислородной и воздушно-плазменной резки в зависимос-
ти от марки и толщины разрезаемого металла. Из рисунка следует, что
воздушно-плазменная резка имеет значительно более высокие скорости
резки, чем ацетиленокислородная в диапазоне наиболее употребитель-
ных толщин (до 30 мм). Однако с увеличением толщины металла эта раз-
ница уменьшается и при толщине более ,50 мм воздушно-плазменная
резка низкоутлеродистых и низколегированных сталей начинает уступать
по скорости ацетиленокислородной резке.
С другой стороны, плазменная резка сталей толщиной менее 4 мм зат-
руднена вследствие необходимости иметь слишком большие скорости, ко-
торые не могут быть успешно реализованы современными машинами и сис-
темами управления к ним (особенно для фигурной резки), из-за возник-
новения слишком больших инерционных сил. Такое явление имеет место
вследствие того, что плазменная резка стандартных конструкционных ста-
лей всех толщин выполняется с небольшими изменениями токовых пара-
метров. С дальнейшим совершенствованием аппаратуры для плазменной
резки технико-экономические показатели этого процесса возрастут.
Более наглядно можно производить сравнение протяженностей резов,
которые можно получить за одинаковый промежуток времени, исполь-
зуя тот или иной способ резки для металла одной толщины. На рис. 1.17
приведены графики, показывающие протяженности розов, которые можно
получить в течение года при плазменной и кислородной резке низкоутлеро-
дистых и низколегированных сталей для толщин от 5 до 50 мм при двух-
сменной работе машин [29], а также кривая изменения отношения £п/£«
длин плазменного и кислородного резов. Последняя показывает, что для
толщины 10 мм данное соотношение равно 5,3, для толщины 30 мм —
4,3 и даже при толщине 40 мм плазменная резка по производительности
более чем в два раза превосходит кислородную.
Аналогичным образом сравниваются данные по годовым эксплуата-
ционным затратам (основной и дополнительной зарплате, амортизации
оборудования и зданий, текущему ремонту оборудования, затратам на тех-
нологические цели и т. п.). На рис. 1.18 приведены графики, показываю-
щие изменение указанных затрат на обработку одного и того же количес-
тва низкоуглеродистой стали в год при использовании ацетиленокислород-
ной и воздушно-плазменной резки в пределах изменения толщины металла
от 5 до 50 мм, а также кривая изменения отношения Ск/Св.пзатрат на кис-
лородную и воздушно-плазменную резку, которая показывает, что при тол-
щине 16 мм данное, отношение равно 2,26; при толщине 30 мм — 1,23, а при
толщине 40 мм затраты на плазменную резку уже превосходят затраты
на кислородную.
Па рис. 1.19 приведена зависимость экономического эффекта от
толщины металла при замене машинной ацетиленокислородной резки
низкоуглеродистой стали воздушно-плазменной резкой [29]. Данные это-
го графика подтверждают, что плазменная резка является эффективным
способом резки при обработке низкоуглеродистых и низколегированных
сталей до толщины 35 мм.
2 Зак. 292 33
Рис. 1.18. Зависимость годовых эксплуатационных затрат от толщины разрезаемого металла при
машинной тепловой резке и отношение затрат при ацетиленокислородной резке Ск к затратам при
воздушно-плазменной резке СВ_Г|:
/ воздушно-плазменная резка: 2 — воздушно-плазменная резка; 3 анетиленокислородная резка;
4 отношение С>/Са п.
Рис. 1.19. Зависимость годового экономического эффекта от толщины разрезаемого металла при за-
мене ацетиленокислородной резки низкоуглеродистой стали воздушно-плазменной резкой
Для укрупненной оценки изменения выработки за одну смену при заме-
не кислородной резки на плазменную можно использовать следующие
усредненные данные, полученные из расчета, что при обработке одного
листа размерами 2X8 м, толщиной 12—14 мм выполняется 40 м реза [29]:
воздушно-плазменной резкой разрезается 10—12 листов, т. е. выпол-
няется 400—480 м реза или перерабатывается 15-18 г стали;
ацетиленокислородной резкой разрезается 3,5—4 листа, т. е. выпол-
няется 130—150 м реза или перерабатывается 5 -6 т стали.
При увеличении или уменьшении насыщенности площади листа дета-
лями, т. е. изменении суммарной длины резов. приведенные данные должны
корректироваться пропорционально соотношению имеющейся средней
протяженности реза к принятой в 40 м
34
Главе 2
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ
И СПОСОБЫ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
2.1. Плазменная дуга
Плазма — это четвертое, наиболее распространенное в природе со-
стояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, который
содержит электроны, положительно заряженные ионы, нейтральные
и возбужденные атомы и молекулы. Гигантскими сгустками плазмы явля-
ются Солнце и звезды. Внешняя поверхность земной атмосферы покрыта
плазменной оболочкой— ионосферой. В земных природных условиях плаз-
ма наблюдается при темных, тлеющих и дуговых (молния) разрядах в
газах. В практической деятельности человека плазма используется в свето-
технике (неоновых лампах, лампах дневного света, электродуговых
устройствах), а также при электросварке, плазменной резке, плазменной
наплавке и в других технологических процессах.
Различают два рода плазмы: изотермическую, возникающую при нагре-
ве газа до температуры достаточно высокой, чтобы протекала термическая
ионизация газа, и газоразрядную, образующуюся при электрических раз-
рядах в газах [7]. Физические явления в процессе перехода вещества в
состояние плазмы можно проследить на примере образования изотер-
мической плазмы.
С повышением температуры возрастает кинетическая энергия и увели-
чиваются амплитуды колебаний атомов и молекул твердого вещества,
расположенных в углах его кристаллических решеток, до разрушения пос-
ледних и перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состояние.
В результате получается газообразная смесь из атомов и молекул элемен-
тов, входящих в состав вещества, которые быстро и беспорядочно движут-
ся, испытывая случайные столкновения друг с другом.
С повышением температуры до 3000—5000 К заканчивается диссоциа-
ция молекул на атомы и начинается процесс перехода газа в состояние
плазмы. При этой температуре кинетическая энергия атомов достигает
значений, при которых в результате столкновений начинают разрушаться
их внешние электронные оболочки, и нейтральные атомы, лишенные
электронов на внешних оболочках, превращаются в положительно заря-
женные ионы. Освободившиеся электроны, в свою очередь, также выби-
вают электроны с оболочек других атомов, и процесс протекает лавино-
образно. В результате в газе (кроме нейтральных атомов) появляются
положительные ионы и свободные отрицательно заряженные электроны,
оторванные от атомов. С увеличением температуры доля ионов и электро-
нов в этой смеси быстро возрастает. При температуре в несколько десят-
ков тысяч градусов подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована
и нейтральные атомы практически отсутствуют.
Кривая на рис. 2.1 показывает, как по мере повышения температуры
растет доля ионизированных атомов в водороде [7]. Из рисунка следует,
чю при температуре более двадцати — тридцати тысяч градусов не оста-
ется примеси нейтральных атомов. Для водорода, атом которого состоит
из ядра и одного электрона, при этой температуре достигается не только
полная ионизация газа, но и заканчивается процесс ионизации атомов, так
Рис. 2.i. Зависимость степени иони-
зации водорода от температуры
Рис 2.2. Схема плазменной дуги
прямого действия и ее участки:
I — закрытый, 2 — сжатый. 5 -
открытый, 4 — рабочий, 5 — факел
плазмы; Г — генератор тока
как все ядра потеряли свои электроны и плазма представляет собой смесь
из положительно заряженных ядер атомов и не связанных с ними отрица-
тельно заряженных электронов.
Атомы веществ с большим, чем у водорода, атомным весом имеют
большее количество электронных оболочек и электронов, а также соот-
ветственно более прочные связи электронов внутренних оболочек с атом-
ным ядром. В связи с потерей всеми атомами электронов с внешних обо-
лочек при температуре в двадцать — тридцать тысяч градусов процесс
ионизации не заканчивается. Достигается лишь полная ионизация газа
и плазма состоит не из электронов и свободных от них ядер атомов, а из
свободных электронов и ионов, имеющих еще связанные с ядрами элек-
троны на сохранившихся внутренних оболочках.
При давлении газа, равном и выше атмосферного, а также при соот-
ветствующих разности потенциалов и силе тока возникает газовый разряд
в виде электрической дуги. Электрическая дуга может иметь место в любом
газе при наличии силы тока, достаточной для пробоя газового промежутка
между электродами. Разрядные явления сосредоточены в узком и ярко све-
тящемся канале (столб дуги), который идет от одного электрода к другому
и принимает форму дуги под действием конвекционных потоков газа,
нагреваемого разрядом.
Основными элементами электрической дуги, отличающими ее от других
видов разрядов в газах, являются светящийся столб дуги, ярко светящиеся
катодное и анодное пятна, при подходе к которым столб дуги суживается.
Температура газа в столбе электрической дуги при атмосферном давлении
равна 5000—6000 К, она повышается по мере повышения давления и
уменьшения в связи с этим площади поперечного сечения столби дуги. Газ
в столбе дуги находится в состоянии плазмы.
Высокая температура, сконцентрированная на малой площади, делает
электрический дуговой разряд незаменимым источником тепловой энергии
во всех современных способах электросварки, плазменной резки и и других
Зв
технологических процессах, гребующих высокой концентрации i силовой
энергии.
Различают открытые, т. е. свободно горящие, электрические дуги и 1ак
называемые сжатые, т. е. плазменные, дуги, имеющие развитый столб
дугового разря-та с интенсивным плазмообразованием.
Открытые дуги используют для сварки. Это электрическая дуга в ее
естественном состоянии, используемая без применения специальных мер
для интенсификации се воздействия на обрабатываемый материал.
Плазменная дуга (в отличие от открытой) является результатом соче
танин электрической дуги и специальных мер, направленных на интенсифи-
кацию ее воздействия па обрабатываемый материал.
К первой из указанных мер относится обжатие столба дуги струей
газа с целью уменьшения площади его поперечного сечения, что приводит
к резкому повышению температуры дуги. Второй мерой является превра-
щение в плазму газа, подаваемого для обжатия дуги.
В связи с этим плазменная дуга формируется в специальном устройст-
ве — плазмотроне, состоящем из двух основных элементов — электрода и
формирующего сопла, через канал которого пропускается столб электри-
ческой дуги вместе с плазмообразующим газом, подаваемым под опреде-
ленным давлением (рис. 2.2). При этом в установившейся дуге разли-
чают несколько характерных однородных участков разряда. На поверхнос-
ти электрода расположена катодная область. Между катодной областью и
верхним срезом цилиндрической части отверстия сопла расположен учас-
ток, называемый закрытым столбом. Этот участок находится в относитель-
но спокойном потоке холодного газа. Между входным и выходным срезами
внутри сопла расположен участок столба, который подвергается сжатию
холодными стенками канала сопла. Между нижним срезом сопла и верх-
ней плоскостью разрезаемого листа находится открытый столб дуги, стаби-
лизированный соосными потоками собственной плазмы и оболочкой более
холодного газа. В полости реза (между верхней плоскостью разрезаемого
листа и анодной областью) расположены рабочий участок дуги, а также
плазменная струя и факел плазмы.
11 о д в оз д е й ств и е м ст е н о к к а н а л а с о ила и ст ру и пл а з м ооб р а з у ю ще го га-
за столб дуги сжимается, его поперечное сечение уменьшается, вследствие
чего температура плазмы в центральной части столба дуги повышается до
10 000—50 000 К (в зависимости от степени обжатия, состава и расхода
плазмообразующего газа). В результате внутренний слой газа, соприка-
сающийся со столбом дуги, превращается в плазму, а наружный слой,
омывающий стенки канала сопла, остается сравнительно холодным, обра-
зуя изоляцию (электрическую и тепловую) между потоком плазмы и ка-
налом сопла. Являясь электрическим изолятором, этот охлажденный слой
газа препятствует отклонению столба дуги от заданного направления
и замыканию его на стенку канала сопла, а также внутри полости реза
на некотором расстоянии от верхней поверхности листа.
На рис. 2.3 приведена диаграмма, показывающая характер изменения
температуры в радиальном направлении от оси к периферии столба дуги.
Исследованная дуга имела диаметр 2,5 мм, и ее сжатие осуществлялось
водяным вихрем. Из рисунка следует, что столб плазменной дуги имеет
крайне неравномерное изменение температуры в радиальном направлении,
поэтому, говоря о температуре столба плазменной дуги, надо уточнять,
в какой его области она измеряется.
1 Спряжение составляет 60 200 В, что в три — десять раз больше, чем
в открытой дуге. Плотность тока достигает 100 А/мм2, что на порядок
л/
Рис. 2.3. Распределение темпе-
ратур Т по радиусу гя столба
дуги для различных значений
силы тока
Рис. 2.4. Схема плазменной цуги
косвенного действия и ее
участки:
1 — закрытый; 2 — сжатый; 3
плазменная струя; 4 — факел
плазмы; Г — генератор гока
выше, чем у открытой дуги, а удельная мощность составляет 2-106 Вт/см2,
этого вполне достаточно для расплавления любого твердого тела. При этом
плазменная дуга воздействует на обрабатываемый материал не только пос-
редством тепла, выделяющегося в столбе дуги и в приэлектродных пятнах,
но и посредством тепла струи плазмы, образующейся в результате иони-
зации плазмообразующего газа.
Различают плазменные дуги прямого и косвенного действия.
В дуге прямого действия (см. рис. 2.2) в качестве анода используется
разрезаемый металл, что обусловлено стремлением иметь для резки высо-
кую температуру анодного пятна.
В этом случае разрезаемый металл, выполняющий функции анода, яв-
ляется токоведущим элементом и плазменная струя, истекающая из соп-
ла плазмотрона, совмещена со столбом дуги по всей его длине, начиная от
входного среза канала сопла и кончая анодным пятном на фронтальной
поверхности полосы реза. В результате тепловая энергия вводится в разре-
заемый металл струей плазмы, столбом дуги и электронным потоком в стол-
бе дуги, бомбардирующим анодное пятно. [15]. Вследствие действия пере-
численных факторов эффективный КПД прямой плазменной дуги состав-
ляет 60—70 %. К недостатку дуги прямого действия следует отнести не-
возможность обработки не проводящих электрический ток материалов.
Дуга косвенного действия (рис. 2.4) возбуждается и горит между
электродами, которые не связаны с обрабатываемым материалом. Катодом
служит электрод плазмотрона, а в качестве анода используется его фор-
мирующее сопло. Объект обработки не включен в электрическую цепь.
Столб дуги расположен внутри плазмотрона, начинаясь на электроде и за-
канчиваясь анодным пятном на внутренней поверхности канала сопла. Под
хействием давления плазмообразующего газа, подаваемо!о в камеру
38
плазмотрону г го *6 дуги проходит через канал сопла» a людное няню
перемещается по его внутренней поверхности лишь до выходного среза
канала сопла плазмотрона. В связи с этим плазмообразующий гш
и его плазма лишь на коротком участке (протяженностью от конца
электрода до выходного среза канала сопла плазмотрона) контактирую!
со столбом дуги, а затем существуют независимо от него. Этот вид резки
называется резкой плазменной струей, так как нагревание изделия
осуществляется только воздействием тепла плазменной струи. Вследствие
этого температура и скорость истечения струи плазмы по мере удаления
от выходного среза сопла резко уменьшаются и КПД нагрева изделия
при использовании дуги косвенного действия не превышает 30—40 %.
Плазменную струю используют при обработке не проводящих электри-
ческий ток материалов и для резки металлов небольшой толщины.
В технике плазменной резки применяются две системы стабилизации
и обжатия столба дуги — осевая и вихревая, отличающиеся одна от другой
направлением подачи плазмообразующего газа в дуговую камеру плаз-
мотрона. где начинает формироваться дуга.
При осевой (или аксиальной) системе газ подается вдоль продольной
оси электрода, охлаждает его и выходит через канал сопла, обжимая в нем
и за его пределами столб дуги. В плазмотроне с осевой системой стабили-
зации электрод участвует в формировании дуги и поэтому имеет форму
стержня с заострением 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 требова-
ния к точности обеспечения соосности электрода и канала сопла очень
высокие. Это является недостатком осевой системы стабилизации.
При вихревой системе стабилизации газ поступает в дуговую камеру по
каналам, продольные оси которых расположены по касательным к окруж-
ности поперечного сечения дуговой камеры, или по каналам винтообраз-
ной формы. Вследствие этого газ в камере движется по спирали, охватывая
столб дуги вихревым потоком. При этом катодное пятно и столб дуги авто-
матически и точно фиксируются в точке пересечения оси канала сопла с
поверхностью катода, что позволяет применять электроды с плоской или
другой формой рабочей поверхности. Возрастет стойкость сопла за счет
обеспечения равномерности толщины газовой оболочки, обжимающей
столб дуги в камере и в канале сопла.
Для выяснения природы явлений, имеющих место при расплавлении
металла в полости реза плазменной дугой, и разработки мер, обеспечи
вающих получение реза требуемого качества при наибольшей производи
тельности процесса, выполнены исследования [41], в результате которых
выявлено влияние на форму фронтальной и боковых поверхностей реза
вертикальных перемещений анодного или катодного пятен, перемещений
расплавленного металла в полости реза, вида плазмообразующего газа,
применяемой полярности тока и других факторов.
При резке плазменной дугой прямого действия имеется три источника
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
распределение количества вводимого тепла по высоте полости реза. При
резке только плазменной струей форма фронтальной поверхности по
высоте полости реза изменяется по экспоненциальному закону. При
резке же дугой прямого действия в верхней части фронтальной поверх-
ности обычно имеется углубление (рис. 2.5), что свидетельствует о вводе
30
5, мм
Рис. 2.5. Схема перемещений лнндного пмтна
по фронтальной поверхности рсла; —о — О-
Аг+10% Н2;0- О Ar; А — А N.
Рис. 2.6. Влияние скорости резки на положение
анодного пятна на высоте реза при /=100 А,
Q = 0.83 л/с, d— 3 мм, Д = 6 мм, 6—16 мм,
сталь типа ВМС-3
тепла в данном районе за
счет дополнительного дейст-
вия анодного пятна.
Пос редство м из мерен и я
яркости дуги по высоте реза
и анализа полученных зна-
чений установлено, что час-
тость расположения пятна в
верхней части реза выше, чем
в нижней (рис. 2.5, б). Верх-
нее предельное положение
пятна ограничено верхней
кромкой полости реза, а
нижнее — непрерывно меня-
ется в пределах толщины листа. Поэтому среднестатистическое поло-
жение пятна смещено к верхней части полости реза и проплавление здесь
больше, чем в нижней части. Этим объясняется появление выемки во фрон-
тальной поверхности реза.
На рис. 2.5 g показана взаимосвязь области существования пятна и
формы фронтальной поверхности полости реза. Вся полость реза может
быть разбита на три участка по высоте. Первый (верхний) участок
характеризуется тем, что плавление основного металла осуществляется
в основном за счет теплоты, поступающей из столба дуги. Второй участок,
расположенный в средней части толщины листа, является основной
областью распространения пятна. На этом участке основной металл
плавится 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 поверхности и может
занимать довольно широкую область, составляющую от 0,3 до 0,6 тол-
щины разрезаемого листа. На третьем (нижнем) участке плавление
металла по фронтальной поверхности осуществляется в основном за
счет тепла, которое несет высокотемпературная плазменная струя. По
мере уменьшения количества тепла, поступающего из высокотемператур-
ной плазмы, форма фронтальной поверхности реза становится все более
покатой.
Из рис. 2.5, б следует, что на ширину области paenpoviранения пятна
по юл щи иг лисы оказывает влияние и вид плазм<мЯ5рн цюшей среды.
Рис. 2.7. Схема полости ргл 1 и перемещения
рас пл ня а под ноыгАсгпнем сил ловерхно-
елного натяжения
При использовании азота об-
ласть распространения пятна
наиболее широкая. Скорость
резки (рис. 2.6) оказывает
влияние как на расположение
области распространения пятна
по толщине листа, так и на ее
ширину. Это происходит по той
причине, что при малой скорости перемещения плазмотрона имеется
время для нагревания до температуры плавления и расплавления металла
на достаточно большом расстоянии от оси сопла плазмотрона до верхней
кромки фронтальной поверхности реза. Вследствие этого толщина изо-
лирующего газа в верхней части реза достаточно велика, чтобы обеспе-
чить изоляцию, необходимую для перемещения пятна вниз до нижней
поверхности разрезаемого листа. Качество реза будет хорошее, но произ-
водительность процесса низкая. При увеличении скорости резки толщина
слоя изолирующего газа в верхней части полости реза уменьшается
и пробой изоляции наступает при мены нем напряжении в столбе дуги, т. е.
соответственно при меньшем перемещении пятна вниз по толщине листа
внутри полости реза. Полученная картина не меняется при изменении ве-
личины электрического тока, типа плазмообразующей среды и свойств
основного металла.
Из изложенного выше можно предположить, что перемещение пятна
вниз зависит от напряжения пробоя изоляции, создаваемого слоем газа
между фронтальной поверхностью полости реза и столбом дуги, а также от
напряжения в столбе дуги. Особенно большое влияние оказывает первый
фактор, зависящий от скорости протекания газа, скорости резки и ог
свойств плазмообразующей смеси.
Установлено, что характер перемещений анодного пятна внутри по-
лости реза влияет не только на форму фронтальной поверхности, но и бо-
ковых стенок полости реза, т. е. на форму кромок вырезаемых деталей.
Характер перемещения анодного пятна влияет и на поведение распляв-
ленного металла в полости реза. В результате исследований выяснилось,
что несмотря на очень высокую скорость вылетающего из сопла плазмен-
ного потока, в верхней части реза, т. е. в месте пятна, имеют место переме-
щения расплавленного металла, направленные из центральной области
фронтальной поверхности в сторону линии затвердевания (рис. 2.7, а).
За счет этого происходит выплавление основного металла и выброс его
из полости реза.
Перемещение расплавленного металла по боковой поверхности в верх-
ней части полости реза, на участках 1 и 2 (показано стрелками), объяс-
няется действием сил поверхностного натяжения, появляющихся вслед-
ствие большой разности температур в центральной части фронтальной
поверхности и на участке затвердевания, где объем металла уменьшается
(рис. 2.7,4г). При этом чем выше локальная плотность вводимого тепла,
тем больше составляющая потока расплавленного металла, направлен
пая к боковым стенкам реза. В связи с этим на участке ВС. являющимся
областью существования пятна, расплавленный металл в большей степени
перемещается в направлении поверхности затвердевания, чем на уча
41
сгкс ЛВ. Но море перемещения к нижней части полости реза уменьшаются
время пребывания анодного пятна и плотность тепла, вводимого из пото-
ка плазмы (участок CD). Поэтому снижается разность температур между
центральной частью фронтальной поверхности и участком затвердева-
ния на боковой поверхности. Это приводит к ослаблению сил поверх-
ностного натяжения, в результате чего на данном участке расплавленный
металл большей частью стекает вниз. На участке ниже точки D, где еще
более снижена плотность вводимого тепла и становится значительным
изменение угла наклона центральной части фронтальной поверхности по-
лости реза в результате изменения направления потока газа, снова увели-
чивается составляющая потока расплавленного металла к боковым
стенкам реза. В результате этого образуется поток расплавленного ме-
талла, направленный к линии затвердевания (рис. 2.7, с).
Из вышеизложенного следует, что характер распределения анодного
пятна в значительной степени влияет и на форму боковых поверхностей по-
лости реза. Форма реза в поперечном направлении показана на рис. 2.7 б.
Как элемент электрической цепи плазменная дуга характеризуется то-
ком и напряжением, а в качестве источника тепла — температурой и теп-
лосодержанием.
Напряжение дуги может быть выражено в следующем виде [29]:
для дуги прямого действия
ил = UK++ Uc+t/c.a+
для дуги косвенного действия
Ел = "К Uс~|-
где (7к.с = £к.с/к.с; Uc = Eclc: Uca — £с.аь.а; /кс, /са — протяженность
соответственно досоплового, внутрисоплового и засоплового участков ду-
ги, мм; Ек.с. £с, £с.а — напряженность электрического поля тех же участков
столба, В/мм.
В плазмотронах с дугой прямого действия на внутрисопловом участ-
ке столб представляет собой цилиндрический электропроводный канал
диаметром di<Zdc — диаметр сопла). За срезом сопла диаметр столба
увеличивается по мере удаления от него и на изделии достигает зна-
чения d2. Температура и скорость истечения плазменной струи умень-
шаются.
В плазмотронах с дутой косвенного действия столб плазмы расположен
внутри плазмотрона и имеет цилиндрическую форму.
Обычно сумма катодного и анодного падений напряжений составляет
небольшую долю от общего падения напряжения плазменной дуги; катод-
ное падение напряжения не превышает 5—8 В — для плазмотронов с
вольфрамовым катодом, 10—12 В — для плазмотронов с циркониевым
катодом, а значение анодного падения напряжения не зависит от материа-
ла анода и вида плазмообразующей среды и составляет 5—6 В [29]. В свя-
зи с этим величина напряжения плазменной дуги зависит в основном от
напряжения и длины участков, составляющих столб дуги.
Величины и Ес близки между собой. Для дуги прямого действия
для дуги косвенного действия
42
Среднее шаиенис напряженности поля открытой части столба дуги
прямого действия определяют по формуле
Ua-Un«~Ur-~U«
tc я
Мощность, передаваемая обрабатываемому изделию, т. е. эффективная
мощность, определяется по формулам:
для дуги прямого действия
Р=Р* + (0,75-?0.9) С Рс (/<- + /ке) +£е.а Ui
для дуги косвенного действия
2.2» Плазмообразующие среды
и их физико-химические свойства
Плазменно-дуговые процессы (в том числе и процесс плазменной
резки) протекают при наличии газовой плазмообразующей среды. Состав
среды может состоять из одно-, двух- или многокомпонентных газов,
которые отличаются друг от друга своими физико-химическими свойст-
вами, а также своей активностью по отношению к металлам.
Выбор среды определяется возможностью ее использования на сущест-
вующем оборудовании, надежностью работы электрода и сопла плазмо-
трона, а также технологическими особенностями процесса.
Плазмообразующая среда должна обеспечивать наибольшую удельную
тепловую мощность при заданном расходе газа и затраченной электри
ческой энергии, а также позволять сконцентрировать полученную энергию
в тонкий плазменный шнур и сосредоточить ее на минимальном участке
поверхности разрезаемого металла.
В качестве плазмообразующих газовых сред применяют аргон, азот,
воздух, смеси аргона и азота с водородом, аммиак. Может быть использо-
вана в качестве плазмообразующей среды вода, которая превращается
при высокой температуре столба дуги частично в пар, а частично диссо-
циирует на водород и кислород. Воду используют также как добавку к
основному плазмообразующему газу в небольших количествах; ее вводят
в столб плазменной дуги в канале сопла или на его нижнем срезе.
Перечисленные газы и их смеси проявляют себя по-разному в электро-
дуговом разряде. Это связано со степенью их диссоциации и ионизации
при тех или иных темпера гурах, с напряженностью электромагнитного
поля плазменной дуги, с теплосодержанием и теплопроводностью плазмы.
Ионизацию можно рассматривать как крайний случай возбуждения,
когда электрону сообщается энергия, которая больше, чем самый высокий
возбужденный уровень атома. Энергию, которая должна быть сообщена
электрону для ионизации, выражают jb вольтах (электрон-вольтнх) и пазы-
43
Рис. 2.8. Зикисимость »нпклм1ии рн*лич пых
газов от температуры при диссоциации
и ионизации
вают потенциалом ионизации.
Энергия ионизации зависит
от строения атома, т. е. от его
места в периодической системе
элементов Д. И. Менделеева.
Она является периодической
функцией атомного номера эле-
мента и снижается с уменьше-
нием номера группы и увеличе-
нием номера периода таблицы.
Наименьший потенциал иониза-
ции, равный приблизительно
3,9 эВ, имеют пары цезия —
самого тяжелого из щелочных металлов. Единственный валентный элект-
рон у щелочных металлов первой группы слабо связан с ядром, поэтому
энергия ионизации этих металлов небольшая. Наибольший потенциал
ионизации 24,58 эВ наблюдается у самого легкого из инертных газов,
т. е. у элемента последней нулевой группы — гелия. Электронная оболочка
благородных газов заполнена и является наиболее прочной.
Для газов в молекулярном состоянии потенциал ионизации всегда вы-
ше, чем в атомарном. Например, для атомарного водорода потенциал
ионизации равен 13,59 эВ, для молекулярного — 15,44 эВ. Имеется также
довольно существенное различие между потенциалами ионизации валент-
ных электронов (А) и электронов более глубоких уровней (Л). Например,
для гелия потенциал ионизации А = 24,58 эВ, /2 = 54,1 эВ [46]. Двух- и
трехкратная ионизация атомов требует затрат энергии, достигающей сотен
электронвольт, а полная ионизация — тысяч электронвольт. Чем меньше
потенциал ионизации газа, тем быстрее при меньшей температуре (мень-
шей приложенной энергии) достигается высокая степень ионизации X.
Для водорода (Ц = 13,59 эВ) наивысшая степень ионизации Х^1 дости-
гается при 24 000 К; для гелия (А =24,58 эВ) —при 50 000 К.
Для получения высоких температур столба дуги необходимо стремиться
к возможно большей степени ионизации газов. Характер ионизации плаз-
мообразующей среды весьма существенное влияние оказывает на объемное
теплосодержание (энтальпию) плазмы. Имеется отличие в процессе обра-
зования плазмы двух- и одноатомного газов. Ионизация двухатомного
газа происходит после диссоциации его молекул, поэтому при исполь-
зовании таких газов в плазме содержится большее количество энергии
при сравнительно низких температурах диссоциации и ионизации
(рис. 2.8).
Чем выше объемное теплосодержание, тем эффективнее плазмообра-
вующая среда. Плазмообразующие газы отличаются напряженностью (Е)
электрического поля дуги. В зависимости от состава газа в дуге при задан-
ном токе (/) может выделиться на 1 см ее длины большая или меньшая
энергия (/£).
Плазмообразующие газы характеризуются теплопроводностью, кото-
рая зависит от температурь! плазмы (рис. 2.9). Газы, обладающие более
высокой теплопроводностью, являются наилучшими препИра жителями
энергии дуги в тепло.
44
Рис 2.й. Теплопровод wm < водо-
роды, ItЛНЯ, арКЖЙ И ilOttt 0 зави-
симости от тсмнгрнтуры
Температура TtK
на изделии и повышается эффективность
Теплопроводность пла-
змы обусловлена движе-
нием частиц. Главную роль
в переносе тепла от более
горячих участков плазмы
к холодным играют элек-
троны (благодаря их боль-
шой тепловой скорости).
При охлаждении, ког-
да газ проходит вновь
через область температур
диссоциации, большое ко-
личество теплоты выделяется
процесса теплопередачи. Следовательно, теплопередача газа зависит и от
его температуры, и от теплосодержания; причем с увеличением темпе-
ратуры достигается некоторое состояние «насыщения», при котором
скорость возрастания теплопередачи значительно уменьшается. Это
объясняется тем, что с ростом температуры в этальпии газа наряду с энер-
гией поступательного движения все большее значение приобретает энер-
гия колебательного и вращательного движения частиц, которая легко
теряется на излучение. Структура теплосодержания различных газов
показана на рис. 2.10. Конвективная теплопередача, имеющая наиболь-
шее значение при плазменной обработке металлов, определяется в основ-
ном энергией поступательного движения частиц газа, поэтому высоко-
температурные формы энтальпии здесь менее эффективны [77]. Из диа-
граммы следует, что водородная плазма как преобразователь энергии
дуги в тепло является наилучшей. Каждый из плазмообразующих газов
Рис. 2.10. Структура теплосодержания различных газов при 0,1 МПа; виды энтальпий.
/ — тепловая; 2 — диссоциации; 3 — ионизации первого уровня; 4 ~ ионизации второго
уровня; 5 — испарения; 6 — электронного газа (для воздуха нижняя стрелка соответ-
ствует почти полной диссоциации азота и кислорода, верхняя стрелка — почти полной
ионизации кислоро (Я м началу ионизации азота)
Рис. 2.11. Вольт-амперные характеристики
плазменной дуги в различных газах
4S
в (идгльпости имеет свои определенные свойства. Аргон химически
инертный одноатомный газ с низкой теплопроводностью, поэтому он хоро-
шо защищает от перегрева и разрушения вольфрамовый электрод и сопло.
Однако аргон малоэффективен для преобразования электрической энер-
гии в тепловую. Он обладает самой низкой напряженностью поля столба
дуги, т. е. аргоновая плазма вызывает значительное падение напряжения
на дуге (рис. 2.11). Следовательно, при одинаковом токе в аргоновой
дуге выделяется на 1 см ее длины меньше энергии, чем при использовании
других газов.
Гелий — одноатомный инертный газ, хорошо защищает вольфрамовый
электрод от окисления, но в отличие от аргона обладает большой
теплопроводностью (при температуре 10 000 К всего в два раза меньшей,
чем у меди). В связи с этим в случае применения его в чистом виде для плаз-
менной резки происходит быстрый нагрев и разрушение сопла. Гелий обес-
печивает высокую напряженность поля дугового столба (примерно в четы-
ре раза более высокую, чем у аргоновой плазмы). Теплосодержание гелие-
вой плазмы (так же как и аргоновой) очень низкое. Для ионизации моле-
кулы гелия требуется высокая температура. Гелий в отличие от аргона
является наилучшим преобразователем энергии дуги в тепло и применяет-
ся в смеси с аргоном.
Азот (или воздух, содержащий 78 % азота) является наиболее подхо-
дящим двухатомным газом для стабилизации плазменой дуги. Он при
температуре примерно 12 000 К почти полностью диссоциирует; выше
20 000 К азот практически полностью ионизирован. При температуре
10 000 К азотная плазма имеет теплосодержание в пять раз большее, чем
аргоновая. Однако при использовании азота вольфрамовый электрод менее
стоек, чем в случае применения аргона и гелия. При использовании воз-
душной плазмы вольфрам вообще не годится и требуется циркониевый
или гафниевый электрод. Напряженность поля столба дуги в азоте и воз-
духе более высокая, чем в аргоне. Поэтому при использовании этих газов
эффективность преобразования электрической энергии в тепловую также
значительно выше.
Воздух (и особенно кислород) в дополнение к сказанному является
сильным окислителем металлов, что ставит его по значимости в* процессах
плазменной резки выше азота. При использовании воздуха по сравнению с
азотом скорость резки углеродистых и низколегированных сталей при тех
же параметрах дуги возрастает более, чем в 1,5 раза.
В кислороде напряженность поля дуги ниже, чем в азоте, поэтому он
как газ-преобразователь электрической энергии в тепловую менее эффек-
тивен. Однако вследствие активного протекания термохимических реакций
при взаимодействии кислородной плазмы с металлом в процессе резки с
использованием кислорода обеспечивается более высокая производитель-
ность резки (не только углеродистых, но и легированных сталей) при
применении азота или воздуха. Кислород окисляет не только разрезаемый
металл, он снижает стойкость катода и сопла по сравнению со стойкостью
их на воздухе. Наибольший износ или разрушение этих деталей происходит
в момент возникновения двойной дуги. Процесс плазменной резки с приме-
нением кислорода менее надежный и устойчивый, чем с применением воз-
духа.
Водород - двухатомный газ, обладает высокой напряженностью поля
лугового с гол ба (значительно большей, чем у аргона). ( ледов, пт. ii.no. при
одинаковом токе в водородной плазме выделится нм I см столбя дуги
тепла больше, чем в аргоновой. Диссоциация и ионнзлиин водорода проис-
lb
ходят при бак-г нилких температурах, чем «ipiotia и гелия, полому
геплосо кржанне водородной плазмы при температуре 10 000 К несколько
ниже, чем азотной, но в четыре раза выше, чем аргоновой (см. рис. 2.8).
Водород, как и гелий, обладает высокой теплопроводностью и является
наилучшим преобразователем энергии дуги в тепло. Однако в случае исполь-
зования его как самостоятельного газа происходит разрушение сопла
в результате быстрого нагрева. В связи с этим водород применяют как до-
бавку к аргону или азоту. Например, использование аргоноводородной
смеси в пропорции 2:1 позволяет повысить тепловую мощность столба ду-
ги почти в два раза по сравнению со смесью аргон — азот в той же пропор-
ции [77]. Аммиак - - химически сложный газ, используется самостоятельно
в качестве плазмообразуюшего газа, как и азотно-водородная смесь.
Диссоциированный аммиак, используемый для плазменной резки, обес-
печивает высокие параметры процесса [75].
Вода, как и аммиак, является химически сложным веществом, в состав
которого входит водород. Вода может использоваться в качестве плазмо-
образуюшей среды самостоятельно, в виде пара или как добавка к рабо-
чему газу. Весовой состав воды: водород 11,11 % — 2 объема, кислород —
88,89 % 1 объем. Молекулы воды обладают большой устойчивостью к
нагреванию. Лишь при Т — 1000 °C водяной пар начинает диссоциировать
на водород и кислород:
21ЬО 7>2Н2 + О2 + 136,8 ккал.
Для того чтобы в заметной степени произошла реакция, при которой
вода распадается на водород и кислород, необходима температура по-
рядка 4000—5000 'С. Процесс диссоциации воды происходит с поглоще-
нием тепла. Согласно принципу Ле Шателье — Брауна, повышение темпе-
ратуры должно сдвигать равновесие процесса вправо, т. е. в сторону об-
разования водорода и кислорода.
При температурах порядка 5000 °C происходит диссоциация водорода с
большим поглощением тепла:
2Н+105 ккал.
Чем выше температура, тем сильнее равновесие сдвинуто вправо.
Поглощение большого количества тепла в процессе плазменной резки
с применением воды обеспечивает интенсивное охлаждение периферийных
участков столба дуги и концентрирует его, в результате чего температура
в яцре дхти возрастает, увеличивается ее проплавляющая способность.
Кроме того, при соприкосновении горячей плазмы с холодным листом
происходит рекомбинация молекул водорода и кислорода, что обеспечи-
вает введение в разрезаемый металлл дополнительного тепла.
Анализ рассмотренных плазмообразующих сред показывает, что ни
один из газов не может обеспечить самостоятельно весь комплекс поло-
жительных свойств идеального плазмообразующего газа.
Чтобы обеспечить наиболее полно комплекс положительных свойств
нлазмообразующей среды, используют смеси из различных газов. Хорошо
зарекомендовали себя смеси аргона и азота в сочетании с водородом, а так-
же самостоятельно используемый газ — аммиак. В сочетании с азотом и
воздухом применяется для плазменной резки вода.
Выбор плазмообразующей среды определяется используемой аппара-
турой, маркой и толщиной разрезаемого металла. Плазмообразующая
среда оказывает существенное влияние на изменение фазового состава ме-
талла, прилегающего к поверхности реза, на его химический состав и меха-
нические свойсгва.
17
2-3. Плазменная резка с использованием аргона,
азота и их смеси с водородом
Чистый аргон применяют довольно редко, т. е. в основном для рез-
ки тонколистового металла.
Аргоно-нлазменная резка при во-тит к появлению повышенной литой
зоны и зоны термического влияния (ЗТВ) на кромках вырезанных дета-
лей [ 141. Форма реза характеризуется большим скосом кромок и наличием
на их нижней грани трудноотделимого грата. Это обусловлено гем, что
тепло плазменной дуги реализуется в основном в верхней части полости
реза, вследствие чего стекающие по стенкам продукты резки в нижней час-
ти реза почти не раскисляются: они недостаточно жидкотекучи и поэтому
плохо удаляются газовой струей. Характерной особенностью резки с при-
менением аргона является то, что эта плазмообразующая среда не тре-
бует высокого напряжения для возбуждения дуги и обеспечивает надеж-
ный устойчивый процесс. При этом применяется наиболее простой по
конструкции плазмотрон с акисиальной подачей газа. Кроме того, аргоно-
вая плазма по сравнению с другими средами заметно снижает образование
вредных газов и аэрозолей. В связи с этим аргон чаще всего используется
при ручной плазменной резке.
Азотно-плазменная резка находит большее применение. Скорость рез-
ки на азоте значительно выше, чем на аргоне. Азотная дуга обладает хоро-
шей проплавляющей способностью. Ширина реза и наличие грата на
кромках при использовании азота меньше, чем при применении аргона.
При резке металлов малых толщин грат отсутствует.
Проведенные исследования показали [15], что с применением азота
обеспечивается достаточно высокое качество резки нержавеющих сгалей
(особенно малых толщин). Качество резки алюминиевых сплавов и спла-
вов меди хуже, чем при использовании азотно-водородных смесей, но
лучше, чем в аргоне. Азо г по сравнению с аргоном сильнее взаимодейст-
вует с вольфрамовым электродом с образованием нитридов и окислов
вольфрама и тем самым снижает его работоспособность (особенно при
больших значениях силы тока). Так, при силе тока 200 А длина электрода
за 1 ч непрерывной работы уменьшается на 0,4 мм; при силе тока 400 А
длина электрода уменьшается соответственно на 1,1 мм; при увеличении
силы тока до 500 А и выше разрушение вольфрамового электрода проис-
ходит еще быстрее.
Основная причина такого быстрого разрушения катода связана с тем,
что применяемый технический азот не является достаточно чистым. Он мо-
жет содержать до 1 % кислорода и более.
По сравнению с аргоном плазменная резка в азоте сопровождается
интенсивным выделением бурого дыма и вредных газов — окислов азота,
поэтому требуются интенсивная вентиляция или индивидуальные средства
защиты газорезчика. С целью повышения эффективности использования
азота для плазменной резки его предварительно подогревают [87]. Подо-
грев газа до температуры 200—300 JC осуществляется в медной трубке,
по которой его подают в камеру плазмотрона. С помощью термопары в зо-
не застоя газа определяют его температуру в зависимости or степени его
нагрева (до возбуждения режущей дуги и после ее возбуждения).
Установлено, что при подогреве азота, подаваемого в камеру плазмот-
рона, обеспечиваются существенное увеличение производи н*л иное hi репки
и улучшение качества кромок реза при ограниченных расходах азота.
48
I 1 редвари гелын in подогрев газе способствует тин пионию давления в ка-
мере плазмоцита, что даже при сравнительно низких расходах его позво-
ляет получить необходимую скорость истечения газа из канала сопла
и обеспечить высокую кинетическую энергию столба плазменной дуги. Вы-
полнение резки при малых расходах плазмообразующего газа повышен
эксплуатационную надежность вольфрамовых электродов.
Для повышения энергетических параметров плазменной дуги аргон и
азот используют в смеси с водородом. Большая часть водорода в дуге
диссоциирует с поглощением тепла при относительно низкой температуре
с образованием атомарного газа. Например, водород диссоциирует ни
90 % при температуре 4700 К, а азот — при 9000 К [77].
При последующей рекомбинации атомов водорода на стенках полос-
ти реза освобождается дополнительное тепло, заимствованное в нерабочих
частях дуги (приблизительно 105 ккал).
В аргоноводородной смеси, содержащей до 35 % водорода, оказалось
возможным резать алюминий и его сплавы, получая при машинной резке
качественный рез с чистыми и ровными кромками, свободными от натеков
и грата.
При использовании водорода требуется поддерживать высокое напря-
жение. Дежурную дугу возбуждают на аргоне, а при переходе на рабочий
процесс включают водород. Во избежание расплавления сопла вспомога
тельной дугой силу тока ограничивают балластным сопротивлением в цени
электрод — сопло до 15- 20 Л. Максимальная скорость резки при арго-
новодородной плазме достигается при оптимальном значении расстояния
между соплом и разрезаемым листом, равном 6 -7 мм. Производитель-
ность резки нержавеющей стали при силе тока 300 А (плазмообразующая
среда Аг 80 % + Н2 20 %) следующая:
Толщина металла, мм .
Скорость резки, мм/с
6 8 10 15 20 26
35 30 26 17 12 8
При большей скорости резки происходит непрорезание металла. При
скорости резки меньше оптимальных значений рез получается неровным,
широким и с большими натеками. Это обусловлено тем, что вследствие
несоответствия между скоростью резки и мощностью плазменной дуги
избыточное количество тепла, выделяемое плазменной дугой, поглощается
кромками реза и при перемещении дуги вокруг нее образуется область пе-
регретого металла.
При применении аргоновотородной смеси уменьшается окисление и
исключается прилипание частичек расплавленного алюминия и окислов
к поверхности реза. Качество поверхности реза получается более высоким,
чем при резке с использованием воздуха (рис. 2.12).
Добавка водорода в смесь тем эффективнее, чем больше толщина раз-
резаемых листов [15]. Более того, толстые листы металлов с высокой теп-
лопроводностью (медь, алюминий и их сплавы) вообще невозможно резать
в аргоновых смесях, не содержащих водород, так как необходимые плот-
ности тепловых потоков порядка 103 кВт/см для их резки возможно полу-
чить только при использовании водородосодержащих сред. При силе тока
до 400 А скорость резки не зависит от того, какой применен состав газа —
аргон с водородом или азот с водородом. При силе тока более 700 А ско-
рость резки в аргоноводородиой среде при тех же мощностях выше.
Смесь азота с водородом в настоящее время чаще всего применяется
для резки алюминия, меди, их сплавов и высоколегированных сгилей. Но-
49
Рис. 2.12, Поверхность плазменного реза на сплаве алюминия:
а - воздушная плазма; о — a pro но вол о рол и га я плазма
вишенное напряжение при резке обеспечивает более высокий уровень
энергии при меньшем значении тока.
Качество кромок при резке малоуглеродистых и нержавеющих старей
в аргоно- и азотно-водородных смесях при соблюдении оптимальных режи-
мов удовлетворительное [16]. В случае резки в азотчо-водородной смеси
можно использовать кромки под сварку без дополнительной механичес-
кой обработки. Однако, как правило, на нижней кромке реза стальных лис-
тов толщиной свыше 20 мм по всей длине возникает характерный валик
(наплыв) округлой формы, который плохо поддается обработке. Примене-
ние для резки 50 %-ной смеси азота с водородом позволило почти пол-
ностью исключить появление наплывов на кромках листов толщиной
20—25 мм. Скос, кромок, шероховатость поверхности, наличие грата на
кромках зависят от состава плазмообразующей среды, а также от скорости
резки, расстояния от плазмотрона до листа, величины тока.
Существенное влияние на процесс плазменной резки и качество кромок
деталей оказывают конструктивные элементы плазмотрона, и в частности
катодного и соплового узлов, а также способ подачи газа в полость сопла.
При исследовании процесса резки алюминиевого сплава марки Д16 толщи-
ной 25 и 60 мм подавался плазмообразующий газ — аргон ф-водород [10].
Аргон подавался аксиально вдоль вольфрамового электрода, водород —
тангенциально. При этом сила тока достигала 260—280 А, расход аргона
составлял 0,13—0,23 л/с, водорода — 0,08—0,15 л/с. При работе плаз-
мотрона дежурную и основную дугу возбуждали на аргоне, а после этого
одновременно автоматически повышали силу тока и расход водорода. При
уменьшении размера каналов для подачи аргона в 1,4 раза и увеличении
каналов для поступления водорода примерно в 1,3 раза (при тех же расхо-
дах газов) скорость резки изменилась с 38,3 то 52,8 мм/с; качество по-
верхности реза улучшилось, уменьшился грат на кромках.
При аксиально-тангенциальной подаче плазмообразующих газов в
при катодную зону дуги положительное влияние на повышение скорости
резки оказывает увеличение расстояния меж ту электродом и каналом соп-
ла. Увеличение нрнкатодного участка столба дуги приводиI к но трас ганию
50
мощное! и lyni м cud повышения напряжения При этом увеличивается
объем газа п принародной камере вследствие подогрева, что приводит к
снижению его расхода. Авторы работы [10] отмечают, что скорость резки
и качество реза повышаются также при концентрации и увеличении кине
тической энергии потока плазмообразующего газа за счет приближения
завихрителя к каналу сопла.
Исследования показали, что при аксиально-тангенциальной подаче ар-
гона и водорода с ростом толщины разрезаемого металла расход этих
газов для получения оптимальных производительности и качества резки до
определенных пределов следует уменьшать. Например, при резке металла
толщиной 25 мм, силе тока 310 А и скорости резки 83,3 мм/с поток плазмы
должен быть более «жестким», чем при резке металла толщиной 60 мм при
силе тока 300 А и скорости резки 20,0 мм/с. Для толщины 60 мм более важ-
ны тепловые характеристики плазменной дуги, так как скорость плавления
металла и его выдувание по сечению реза при одинаковом токе значитель-
но ниже, чем при резке листа толщиной 25 мм. При резке металла толщи-
ной 60 мм скорость растет с увеличением суммарного расхода аргона и
водорода с 0,18 до 0,25 л/с, а затем при большем увеличении расхода
падает. Напряжение при этом увеличивается со 130 до 150 В, а сила тока
снижается с 300 до 280 А, мощность дуги возрастает с 39 до
42,8 кВ*А.
Первоначальное повышение скорости при увеличении расхода газов
объясняется возрастанием степени обжатия и концентрации дуги. При
дальнейшем увеличении расхода газов падение скорости резки связано с
охлаждающим действием столба дуги газом (особенно водородом), ко-
торое происходит несмотря на повышение мощности дуги.
По влиянию состава плазмообразующих газов проводились исследова-
ния на стали толщиной 65 мм. Резка выполнялась на установке АПР-402,
(исп. 07), обеспечивающей напряжение холостого хода 400 В, с помощью
плазмотрона ПЛ4Р-74 (рис. 2.13). В качестве плазмообразующего газа
использовался азот, а также смеси азота с водородом и элегаз. Элегаз —
шестифтористая сера (SFe); при смешивании его с аргоном для сварки
была обеспечена большая проплавляющая способность дуги. С этой же
целью элегаз был опробован для плазменной резки в качестве добавки
к азоту.
Результаты проведенных исследований приведены в табл. 2.1.
Плазмообразующая среда, состоящая из двух газов, подавалась в
плазмотрон двумя способами: 1) через смеситель как один однородный
газ; 2) раздельно — азот через завихритель как основной газ, а вспомо-
гательные газы — в канал составного сопла (рис. 2.14).
Однако использование смесей азота с водородом, подаваемых через за-
вихритель и раздельно по указанным выше схемам, не дало положительных
результатов. При совместной подаче элегаза до 5 % с азотом скорость
резки возросла на 50—70 %. Но при этом в считанные секунды гафниевая
вставка электрода была разрушена, электрод прогорел насквозь. При
раздельной подаче этот газ существенного влияния на процесс резки
не оказал.
На кромках реза при использовании элегаза образовывался бурый на-
лет вследствие термохимической реакции. Выделяющийся обильный дым
при резке был очень едким и вызвал кашель. В связи с этим дальнейшие
работы в этом направлении были прекращены.
Особого внимания заслуживает поведение водорода в составе азотно-
водородной смеси. При проведении экспериментов было обнаружено, что
61
Рис. 2.13. Плазмотрон ПМР 74 дли машинной
резки, разработанный в НПО «Ритм»
Рис. 2.14. Схема плазмотрона для плазменной
резки с дополнительной подачей газа в канал
сопла
Дополнительный газ
Таблица 2.1. Влияние состава плазмообразующей среды на процессе резки
Плазмообразующая среда Сила тока, А Напряжение В Размеры канала сопла внутреннего/ наружного, мм Скорость- резки, мм/с Ширина реза, мм
Диаметр Длина
Азот 400—430 200 210 3,5 6,5 3,8 9,0- 9,5
Азот (60 %) 4 4- водород (40 %) 400—430 230—240 3,5 6,5 3,7 8,0—8,5
Азот 500—550 200—210 37 8.0 5,0 9.0-10,0
Азот (80 %) 4 4 водород (20 %) 500—550 210—220 3,7 8,0 5,3 7.5—8,0
Азот (60 %) 4 4 водород (40%) 500—550 230 240 3,7 8,0 47 8,5- 9.0
Азот (95 %) 4 4 элегаз (5%) 400 230—240 6.0/3.5 2.5/6,5 2,8 11 — 12
При мечи ния. I Во всех случаях расход газа составлял 1,4 1,6 л/с. 2. При ж ноль юн шин
азота с водородом tin г мы смешивались и подавались мере» завихритель. 3. При иг Поль ю нации
в юта и элитна применилась раздельная подача.
***«МЯВв8**'-
52
водород при увеличении его расхода сильно уменьшает яркость дуги. Пос
ледняя, как и скорость резки, особенно заметно снижалась при расходе
водорода более 30 % в составе азотно-водородной смеси. При проведении
экспериментов ставилась задача получить наиболее концентрированную
дугу за счет повышения расхода плазмообразующей среды и обжатия дуги
газом в канале сопла. Из табл» 2.1 следует, что расход газа был достаточно
высокий — 1,4—1,6 л/с, доля водорода в смеси составляла 20—40 %
(0,3—0,6 л/с), т. е. она была значительно выше, чем при исследованиях
но резке алюминиевого сплава [10], рассмотренных выше.
При больших расходах газа возросли напряжение и мощность элск-
гродугового разряда, что, казалось, должно было способствовать увели-
чению проплавляющей способности дуги, однако этого не произошло.
Охлаждающее действие водорода оказало более сильное влияние на дугу,
чем обжатие на повышение ее тепловой концентрации. Аналогичное дейст-
вие водорода проявилось при использовании аргоноводородной смеси при
резке алюминиевого сплава [10] и резке высоколегированной коррозион-
но-стойкой стали типа Х18Н9 [97]. Следовательно, для того чтобы увели-
чить кинетическую энергию столба дуги и его приникающую способность
при оптимальных расходах газа, необходимо повышать его давление
в полости сопла, но только не за счет увеличения общего расхода.
Увеличение давления может быть достигнуто или за счет предвари-
тельного подогрева газа, или за счет увеличения расстояния между элек
тродом и соплом. Увеличение прикатодного пространства приводит к повы
шению катодного напряжения и увеличивает нагрев газа в полости сопла, а
следовательно, и его давление.
В настоящее время использование водорода при плазменной резке or
раничено, так как это связано с целым рядом трудностей. Водород взрыво-
опасен и легко воспламеняется, его не легко обнаружить, -так как он не
имеет запаха, транспортировка водорода затруднена. Наиболее доступным
химическим соединением, содержащим водород, является природный газ,
состоящий в основном из метана. Однако (как показали исследования) уг-
лерод, входящий в состав метана, оказывает отрицательное действие на
электрод. Она образует с вольфрамовым электродом карбиды вольфрама,
что приводит к довольно быстрому износу катода [75]. Опыт использо-
вания химически связанного водорода показал, что газ, содержащий
водорот, должен подаваться в катодную область дуги. Например, в качест-
ве водородной добавки используют «смешанный газ», который состоит
из следующих компонентов: 19,8 % Ns, 79,9 % Н2, 0,3 % СН4, или 24 % N2>
72—74 % Н2, 1,5 % СН4, 1 % СО2, 0.03 % СО.
Смешанный газ содержит водород в несвязанном молекулярном виде,
что особенно важно для выполнения основной функции плазмообразующе-
го газа. Смешанный газ — основное сырье азотно-тукового предприятия.
Он имеет низкую стоимость, транспортабелен, производится в большом
количестве.
Исследования показали, что скорости и качество резки в аммиаке и
при использовании смешанного газа получаются такие же, как и при при-
менении азотно-водородных смесей в тех же соотношениях между азотом
и водородом и при тех же расходах газа. При этом аммиак подается непос-
редственно в дуговое пространство плазмотрона, где он диссоциирует на
исходные элементы — азот и водород.
Систематических исследований с использованием гелия в качестве до-
бавки в плазмообразующую среду не проводилось. Однако на основе
отдельных опытов [ 15] можно иметь некоторое представление о свойствах
•з
Луги с использованием гелия. В аргоногелиевой дуге при силе юкп 500 А
была получена скорость резки медного листа толщиной 50 мм, равная
0,35 мм/с. При использовании чистого аргона такой лист разрезать не уда-
лось. Это свидетельствует о том, что добавка гелия к аргону позволила
повысить энергетические параметры дуги таким же образом, как и добавка
водорода. Однако для ионизации гелия необходима высокая температура.
А так как гелий имеет большую теплопроводность, то при высоких тем-
пературах могут произойти перегрев и расплавление сопла. В связи с этим
гелий может быть использован в качестве добавки к аргону или азо-
ту. По-видимому, наиболее целесообразно гелий использовать в смеси с
аргоном для плазменной резки такого металла, как титан, для которого
взаимодействием с водородом, азотом, кислородом является нежела-
тельным.
Основным требованием при плазменной резке является обеспечение вы-
сокого качества кромок вырезаемых деталей при минимальных тепло-
энергетических затратах. Одним из способов выполнения этих требова-
ний является создание более совершенной аппаратуры для плазменной
резки, надежной в работе, обладающей меньшей электрической мощностью
источников питания режущей дуги и плазмотронов с малыми диаметрами
сопел. Для таких плазмотронов не требуются большие токи, поэтому ско-
рость резки и толщина разрезаемого металла ограничены, хотя скорость
значительно выше, чем при кислородной резке. Качество реза, получаемое
при использовании аппаратов с такими плазмотронами, во многих слу-
чаях такое же или даже лучше по сравнению с автоматической кисло-
родной резкой.
Выбор плазмообразующей среды определяется разрезаемым мате-
риалом, его толщиной, используемым оборудованием. В настоящее время
зарубежными фирмами выпускаются самые различные аппараты для
плазменной резки с токовыми параметрами от 50 до 750 А [83]. Аппараты
последних лет характеризуются широким разнообразием для резки на
малых, средних и больших токах.
Первые аппараты разрабатывались и предназначались на большой
диапазон разрезаемых толщин и обладали, как правило, большой мощ-
ностью. Резка металлов малых толщин с их использованием не обеспечи-
вала необходимого качества. Новые аппараты предназначены для резки
металла сравнительно небольшого диапазона толщин.
Рекомендуемыми плазмообразующими газами для плазменной резки
сталей и цветных сплавов, по данным зарубежных фирм, являются
в основном аргоно- и азотно-водородные смеси. Для резки сталей, по их
мнению, следует применять для малых толщин аргоно-кислородную смесь,
для средних и больших толщин—воздух, азот, азот + вода Для рез-
ки алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей рекомендуется примене-
ние аргоно-, азотно-водородных, аргоно-азотных смесей, а также азот +
-|-вода.
2.4. Воздушно-плазменная
и кислородно-плазменная резка
Работы по совершенствованию плазменной резки с использованием
сжатого воздуха проводились в начале 60-х годов в СССР, США. Японии,
ГДР и Франции. Решалась задача благодаря применению воздуха умень-
шить пром шодсгвенные затраты, связанные с высокой стоимостью арго-
на, водород!, гелия. При этом в случае использования но.мухн большое
значение прид жалось отсутствию или незначительному появлению грата.
С учетом высоких рабочих скоростей плазменной резки, низких энерго-
затрат и незначительной ширины реза созданы необходимые предпосылки
для ее широкого распространения. При этом особенно важна возможность
механизации и автоматизации процесса.
Разработки и исследования резки сталей кислородосодержащими
плазмообразующими средами, проведенные отечественными и зарубежны-
ми исследователями, показали высокую эффективность применения этих
газов для плазменной резки. Возможность широкого применения воздуха
и кислорода в чистом виде (а также в смеси с другими газами) появилась
после разработки катодов из циркония и гафния, на поверхности которых
в процессе резки в кислородосодержащих средах образуется окисная плен-
ка. Температура плавления этой пленки выше, чем основного металла. Она
предохраняет катод от быстрого разрушения.
Проникающая способность воздушной плазмы более высокая, чем у
азота, так как содержащийся в составе воздуха кислород обладает высо-
ким теплосодержанием и, кроме того, он (вследствие взаимодействия с
расплавленным металлом и протекания термохимических реакций) окис-
ляет металл с выделением значительной тепловой энергии. Продукты
окисления и часть неокисленного металла выносятся из полости реза. Ха-
рактерными при этом являются заметное сокращение ширины реза и
уменьшение скоса кромок, что является высоким критерием оценки ка-
чества процесса резки.
Важнейшей технико-экономической характеристикой процесса воздуш-
но-плазменной резки является производительность, которая определяется
интенсивностью выплавления металла и зависит от совершенства при-
меняемого оборудования, условий организации труда.
Если в ранние периоды развития плазменной резки технологические
процессы приспосабливались к характеристикам электрических дуг, то в
период широкого развития — технические параметры плазменной резки
приспосабливают к технологическим процессам, т. е. создаются специали-
зированные источники питания с заранее заданными характеристиками.
Электрическая дуга превратилась в новый источник тепла с широким
диапазоном изменения основных параметров.
Применение источников питания, обеспечивающих повышенное напря-
жение дуги, а также плазмотронов с вихревой стабилизацией газа поз-
волило увеличить расход плазмообразующего газа и повысить мощ-
ность дугового разряда. Поскольку сжатый воздух — дешевый и исполь-
зуется прямо из магистрали цеха, то его расход ничем не лимитируется.
За счет увеличения расхода воздуха рабочее напряжение столба плазмен-
ной дуги значительно возросло.
В ранние периоды развития плазменной резки мощность дуги при низ-
ких напряжениях источника тока обеспечивалась только за счет увеличе-
ния силы тока при относительно низких расходах плазмообразующего га-
за. При этом, чтобы получить необходимую мощность дуги за счет увели-
чения тока, требовалось увеличение диаметра канала сопла. Ширина реза
увеличивалась пропорционально величине силы тока. Объем выплавлен-
ного металла составлял значительную величину, а необходимая скорость
резки при этом не обеспечивалась.
Повышение расхода газа с 0,67 до 1,3—2,0 л/с позволило резко увели-
чить рабочее напряжение дуги с 60—100 В до 140—250 В. Повышение мощ-
ности дуги при этом обеспечивается за счет возрастания напряжения. Это
привело к уменьшению диаметров сопл и повысило концентрацию столба
Fh)
Рис. 2.15. Зависимость скорости
плазменной резки от силы тока
(толщина разрезаемой стали 65 мм):
/. 2 — воздушно-плазменная резка
при размерах сопла: диаметр 3,5 мм,
/к—2.5 мм и диаметр 3,5 мм. /„ =
=^6,5 мм соответственно; 3, 4 —
азотно-плазменная резка при раз-
мерах сопла; диаметр 3,5 мм, ZK =
= 2,5 мм и диаметр 3,5 мм, /к =
= 6,5 мм соответственно
плазменной дуги. Если на
существовавшем ранее
оборудовании для силы
тока 500 А и рабочего
напряжения дуги 80 В
(мощность 40 кВ-А) необ-
ходимо было использовать
сопло с диаметром канала 5 мм, то в новых условиях при напряжении
200 В и силе тока 300—350 А (мощность 60—70 кВ-А) оптимальный
диаметр сопла составляет 3 мм, т. е. мощность дуги возросла более
чем в 1,5 раза при уменьшении сечения канала сопла примерно в 2,5 раза.
Проникающая способность дуги возросла, анодное пятно переместилось
в глубь полости реза, увеличилась возможность резки металла больших
толщин на повышенных скоростях.
При этих условиях особенно эффективным стал процесс резки в кисло-
родосодержащих смесях с использованием воздуха (рис. 2.15).
При использовании технического воздуха появился и отрицательно
влияющий на процесс плазменной резки фактор — это наличие влаги
в составе воздуха. Присутствие влаги в катодном пространстве (в полости
сопла) вызывает возникновение серии мелких замыканий электрод — соп-
ло — разрезаемый металл, появление мелких дуговых разрядов, которые
происходят чаще всего в момент возбуждения дуги при выходе на рабо-
чий режим резки. При наличии влажного воздуха не всегда удается воз-
будить рабочую дугу с одного раза. При этом на наиболее близко располо-
женных друг к другу участках электрода и сопла происходит выплавле-
ние меди в виде эрозии и образование отдельных наплывов расплавлен-
ного металла, которые могут вызвать уменьшение гарантированного
зазора между электродом и соплом и привести к полному разрушению
последних, вследствие возникновения при уменьшенном зазоре между
электродом и соплом мощной двойной дуги.
Если даже не произойдет полного разрушения электрода и сопла, то
возникающая серия мелких электродуговых разрядов приводит к оплавле-
нию нижнего торца сопла, изменению формы его канала, что безусловно
отрицательно сказывается на качестве реза, возникновении грата на кром-
ках и на снижении скорости плазменной резки.
Учитывая изложенное, сжатый воздух, поступающий на резку из ма-
гистрали цеха, должен быть осушен от влаги, не должен содержать масла
и твердых частиц.
При обеспечении необходимого качества воздуха и надежной аппарату-
ры для плазменной резки возбуждение дуги и рабочий процесс резки при
использовании воздуха не вызывают каких-либо трудностей. При силе тока
до 300 А и напряжении 150 200 В гарантирована достаточно высокая
стойкость электродов и сопл. Расход их при хорошем качестве изготовле-
ния сопанлягг примерно 2 шт. в смену.

В отличие or воздуха кислород в качестве плазмообразующего газа
делает процесс резки менее стабильным, особенно при возбуждении дуги
и в момент переходного режима на рабочие параметры резки. Двойная
дуга возникает значительно чаще, чем при использовании сухого воздуха.
Возникновение двойной дуги приводит к оплавлениям сопла, а иногда и к
выгоранию всего катодно-соплового узла.
Стойкость электродов при использовании кислорода более низкая (в те-
чение смены расходуется от трех до пяти электродов). Сгорание электрода
очень часто приводит одновременно к повреждению и замене сопла. Для
предупреждения полного разрушения электрода необходимо своевремен-
но заменять его на новый.
Если в случае применения азота допустимо использование плазмотро-
нов с аксиальной подачей газа, то при применении воздуха, и особенно
кислорода, процесс плазменной резки указанными плазмотронами не-
возможен вследствие его нестабильности и неустойчивости. Для получения
сконцентрированного столба дуги для воздушно- и кислородно-плазменной
резки применяются плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги. Завих-
ренный плазмообразующий газ обеспечивает надежность работы плазмо-
трона, повышает стабильность процесса резки, стойкость электрода и
сопла, а также улучшает качество кромок реза (безгратовая резка).
Резка с использованием воздуха и кислорода осуществляется при давле-
ниях 0,3—0,5 МПа. Давление газа зависит от сечений каналов завихри-
теля плазмотрона. Например, чтобы обеспечить оптимальный расход газа
на плазмотроне ПВР-1, требуется давление не более 0,3 МПа, а на плазмо-
троне IIMP-74—0,45-0.5 МПа.
На процесс плазменной резки оказывает влияние большое количество
различных технологических факторов, в том числе: расход плазмообразую-
шей среды, скорость ее истечения из сопла, диаметр и длина канала сопла,
сила тока и напряжение режущей дуги и другие. Большинство из них
влияет на качественные показатели плазменной резки: ширину реза;
величину скоса кромок; шероховатость кромок и наличие грата; величину
тепловых деформаций, связанных с напряжениями в кромках реза; струк-
турные и химические изменения металла; изменения механических свойств
металла кромок. Ниже рассматривается влияние расхода плазмообразую-
щего газа и скорости его истечения на качество плазменной резки.
Для плазменной резки использовались воздух и кислород, толщина раз-
резаемой стали 7 мм. Повышение расхода газа достигалось за счет уве-
личения давления. Увеличение скорости истечения газа при заданном рас-
ходе обеспечивалось за счет уменьшения канавок завихрителя газа при
одновременном увеличении давления. Завихритель газа в плазмотроне
использовался с шестью спирально расположенными каналами с правой
нарезкой. Конструктивные размеры завихрителей, применявшихся при
исследованиях, приведены в табл. 2.2. Завихрители № 1—№ 5 были
рассчитаны для использования с диаметром канала сопла не более 3 мм
(сечение 7,065 мм2); завихрители № 6—№ 9 были предназначены для
сопла с диаметром канала не менее 3,5 мм (сечение 9,6 мм2). Общее сече-
ние всех шести канавок завихрителя меньше сечения канала сопла. Такое
условие обеспечивает хорошее завихрение газа, так как исключает подпор
газа в полости сопла. Плазмотроны типа I1BP-402 имеют завихритель,
общее сечение каналов которого больше, чем сечение канала сопла.
Вследствие подпора газа, образующегося в полости сопла, происходит
некоторое ослабление вихря. В связи с этим при резке стали таким плазмо-
троном вероятность образования грата на кромках возрастает.
57
Таблица 2.2. Конструктивные размеры завихрителей газа
Номер завих- рителя газа Угол винтовой нарезки а, ° Площадь одной канавки, мм2 Общая площадь шести канавок, мм2 Номер завих- рите чя газа У гол винтовой нарезки Площадь одной канавки, мм2 Общая площадь шести канавок, мм2
1 0.819 4,92 6 15
2* 0,39 2,16 7 32 1,2 7,2
3 9 0,277 1,66 8 58
4 0,116 0,70 9 90
а 0.050 0.30
* Стандартный завихритель» применяемый в плазмотроне IIMP-74.
Чтобы обеспечить процесс резки при высоких давлениях газа, при по-
вышенных скоростях истечения и стабильном возбуждении дуги, были ис-
пользованы завихрители с малым сечением каналов (например, завихри-
тель № 5, который позволяет возбудить дугу на стандартном оборудова-
нии при использовании сопла с диаметром канала 1 мм).
При сборке плазмотрона стремились создать надежное уплотнение
между завихрителем и корпусом для того, чтобы газ в полость сопла посту-
пал только по завихряющим каналам. Из табл. 2.3 следует, что при увели-
чении расхода плазмообразующего газа напряжение на дуге и проплав-
ляющая способность столба дуги увеличиваются и, следовательно, умень-
шается средний скос кромок.
При использовании кислорода ширина реза и скос кромок при тех же
расходах, что и при применении воздуха, увеличиваются (рис. 2.16).
Верхняя кромка (вследствие интенсивного окисления металла) скруглена,
поэтому кажется, что величина скоса больше, чем есть на самом деле.
При использовании завихрителей с различными сечениями завихряю-
щих каналов установлено, что при одном и том же расходе газа с умень-
шением сечения каналов (что приводит к увеличению скорости истечения
газа) напряжение на дуге понижается, столб дуги увеличивается в объеме,
ширина реза и скос кромок увеличиваются (рис. 2.17). Исследования
показали, что при большой скорости вихря (завихрители № 4, № 5) при
достаточном расходе газа 1,0—1,3 л/с грат на кромках никогда не наблю-
дался. Для уменьшения ширины реза повышалась концентрация энергии
за счет обжатия столба дуги. При одном расходе газа использовались соп-
ла разных диаметров. Оптимальная величина расхода газа определялась
пропускной способностью наименьшего сопла. Из табл. 2.3 следует, что
уменьшение диаметра сопла сказалось не только на снижении ширины ре-
за, но также и скоса кромок. При диаметре канала 3 мм и расходе воздуха
0,67 л/с ширина реза по верхней кромке 5,8 мм, а по нижней — 2 мм, сред-
няя величина скоса на кромку составила 1,9 мм. В этом случае явно недос-
таточен расход воздуха. В том же режиме при расходе воздуха 1,33 л/с
средняя величина скоса 1,35 мм. При диаметре канала сопла 1 мм и макси-
мальном расходе воздуха для данных условий 0,66 л/с ширина реза умень-
шилась до 2,5 мм по верхней плоскости листа, а средняя величина скоса —
до 0,55 мм.
На ширину реза и величину скоса влияют не только диаметр канала
сопла, но также конструкция плазмотрона, плазменная установка, способ-
ные обеспечить самые благоприятные условия для побуждения и под-
68
Таблица 2.3. Влияние расхода плазмообразующего газа (воздуха, кислорода) и скорости истечения на форму ре*а
га S. га Легкий грат Грата нет s> » » » .. Кромки чистые, без грата, верхняя грань кромки имеет скругление Грата нет у> » » » » > Грата нет » »
Средняя величина скоса, мм о ю о □С <О сч о Ю — ОС iC СО- *. •. «г <г. сссоо сС Ч" С О — — СЧ о О LO Ю © СО О со — — со % меньше.
реза, мм по нижней кромке с LO со СЧ* СЧ оГ СО со г- с сч СЧ СЧ СО со СО LC СЧ О СО c i ем сч*- сч* сч* С го- Ю тГ СЧ — — — i на 15 20
Ширина но верхней кромке со °! А. °, to по го ио Q0 ту о ОС О СО О to СМ СО ю ос см iO lO lO Ю го 00 СЧ хг со lO xf- СО СЧ л. X. 2 с Q- iC £3
Скорость резки, мм /с СЧ тУ 42 см СЧ СО О LO хУ СО СО СЧ ЯЙ скос нра
Напряже- ние, В 110—120 130 135 140—145 150- 100 95 -100 110-115 120-130 130- ИО L1O LC о о о СО со со 04 см “7~~7 О О О ьО иО СО СО СМ — — L0 О ю О — ТУ со — 7“ 7 о о с о —। СО с^ О й). Фактическ!
Сила тока, А 280 280 280 О О О О 00 О UO О сч см — — с х> а> S >х со га
Длина канала сопла, мм СО СО со LO С СО сч — — сц с ж о а.
Диаметр канала сопла, мм 2,8 00 СМ ОС- сч" ос о ио © см* см — — 'ДНИИ СКОС 1
Расход 11омер газа, завихри- л/с теля . сч О СО СО О © — СМ СЧ см го СО О <О О — СЧ СЧ —СЧ СО хУ lO со 0,6 5 и е. В таблице дан ере
6 S га И образующий газ Воздух Кислород Воздух Воздух Прнмсчан
б»

Рис. 2.16. Влияние расхода газа на ширину
реза по верхней и нижней bg плоскостям
листа (толщина стали 7 мм, сила тока
280 А):
Рис. 2.17. Зависимость ширины реза по
верхней Ь] и по нижней hi плоскостям листа
(толщина стали 7 мм) от общего сечения
каналов завихрителя газа (сила тока 280 А,
расход воздуха 1,33 л/с)
<____—плазмообразующий газ воз-
дух; q— плазмообразующий газ
кислород
держания стабильного процесса плазменной резки. Во ВНИИавтогенмаше
такая установка разработана и позволяет производить воздушно-плазмен-
ную резку листового металла толщиной от 1 до 6 мм при силе тока 5—50 А
[91]. При минимальном диаметре канала сопла 0,4 мм на алюминии тол-
щиной 1 мм при силе тока 5 А получена ширина реза по верхней плос-
кости листа 0,9 мм, по нижней — 0,5 мм, т.е. скос на кромку составляет
0,2 мм. На низкоуглеродистой стали толщиной 1 мм, при силе тока 20 А,
скорости резки 100 мм/с ширина реза составила соответственно 1,3 и
0,5 мм, скос кромок -— 0,4 мм. Для той же марки стали толщиной 6 мм при
силе тока 80 А, скорости резки 66,0 мм/с, расходе воздуха 0,2—0,25 л/с ши-
рина реза составила 2,5 и 0,8 мм, а скос кромок — 0,85 мм.
Скос кромок реза на алюминии в зависимости от толщины листа может
быть в пределах от 0 до 0,6 мм. При резке на максимальных скоростях
грат на кромках отсутствует.
Эффективность резки при малых токах с использованием воздуха ока-
залась очень высокой. Стойкость электрода возросла до 20 ч. Недостатком
в использовании малоамперной дуги является то, что при этом процессе
повышаются требования к соблюдению заданных значений тока, расстоя-
нию между плазмотроном и разрезаемым листом. Незначительные откло-
нения от установленных параметров приводят к нарушению устойчивости
процесса резки, изменению ширины реза и размеров деталей.
Величина скоса кромок не является стабильной при одних и тех же ре-
жимах. Она зависит от многих факторов. Из-за нарушения формы канала
сопла, а также недостаточно качественного электрода и нарушения соос-
ности между соплом и электродом плазменная дуга может иметь непра-
вильную форму; отличающуюся от формы цилиндра. В связи с этим рез
будет различным по ширине, а кромки иметь неодинаковый скос
(Ю
При иеследонлнии процесса плазменной резки металла толщиной or
30 мм и выше применяемый в плазмотроне ПМР-74 стандартный завих-
ритель не обеспечивал необходимого расхода воздуха при оптимальных
давлениях. В связи с этим сечение канавок с 0,6X0,6 мм было увеличено
до 1,2Х 1,0 мм, составляющих в сумме 7,2 мм2, а углы подъема винтовой
линии канавок — от 15 до 58° (см. табл. 2.2). Наилучшим был признан
завихритель с ос= 15° и шагом 3 мм, так как он обеспечивал уменьшение
грата на кромках.
Увеличение расхода плазмообразующей среды приводит к обжатию
плазменного столба дуги, ширина реза уменьшается, скорость резки воз-
растает, при этом напряжение тока дуги повышается (рис. 2.18), что при
крутопадающей характеристике источника тока равносильно увеличению
мощности дуги.
Аналогичное влияние на процесс плазменной резки оказывает увеличе-
ние длины канала сопла (рис. 2.19). Резка выполнялась при силе тока
380 А, диаметре сопла 3,5 мм, длина канала изменялась от 1,8 до 6,5 мм.
Расход воздуха 2,0 л/с, установленный для сопла с длиной канала 1,8 мм.
при выполнении резки с использованием сопла с длиной канала 6,5 мм
самопроизвольно уменьшился примерно до 1,65 л/с. Это можно объяс-
нить увеличением сопротивления прохождению газа в удлиненном канале.
При малой длине канала сопла плазменная дуга при выходе из него
(вследствие меньшей скорости истечения) расширяется (об этом свиде-
тельствует максимальная ширина реза 9 мм). Ширина реза по нижней
Рис. 2.18. Зависимость напряжения на дуге
Г7Я, скорости резки иР, средней ширины реза
Ьр от расхода воздуха Qr (толщина стали
65 мм, сила тока 350 А, диаметр сопла 3,5 мм,
длина канала Д — 6,5 мм)
плоскости листа получается при
этом минимальной, равной 4 мм.
При увеличении длины ка-
нала до 6,5 мм эффективность
столба плазменной дуги возра-
стает, ширина реза по верхней
и нижней плоскостям листа
примерно одинаковая и состав-
ляет 6—6,5 мм. Длина канала
сопла не должна превышать
определенных пределов. Чрез-
мерное увеличение длины ка-
нала при заданном оптималь-
ном его диаметре приведет к
значительным потерям энергии
Рис. 2.19. Зависимость напряжения на дуге
()Л9 скорости резки средней ширины реза
Ьр от длины канала сопла /к (диаметр канала
сопла 3,5 мм, толщина стали 65 мм. сила тока
380 А, плазмообрнлукициА им — иоiдух)
61
Рис. 2.20. Зависимость напряжении на дуге UM
скорости резки ир к средней ширины реза 6Р
от расстояния между торцами электрода и ка-
нала сопла h тока 350 А, толщина стали 65 мм,
плазмообразующий газ — воздух)
на нагрев сопла и может вызвать
образование двойной дуги. Для
диаметра канала 3,5—3,6 мм дли-
ну его следует считать оптималь-
ной при 6—7 мм.
На формирование плазменного
реза и скорость резки оказывает
существенное влияние также рас-
стояние между соплом и электродом. Для того чтобы приблизить сопло
и электрод на минимальное расстояние, нижняя часть электрода обраба-
тывалась на конус по форме внутренней поверхности сопла.
Минимальное расстояние между торцом электрода и началом канала
сопла (с учетом величины зазора 1,5 мм между соплом и электродом) было
равно 4,8 мм, напряжение на дуге при этом составляло 158 В. Поскольку
электрод приближен к каналу сопла, плазменная дуга выходила из сопла
не узким сконцентрированным пучком, а имела заметное расширение.
Использовалось сопло диаметром 3,5 мм, с длиной канала 2,5 мм. В резуль-
тате ширина реза составила 9,5 мм, а скорость резки была равна 2,6 мм/с
(рис. 2.20). При увеличении расстояния между торцом электрода и нача-
лом канала сопла до 8,2 мм, т.е. примерно на 40 %, напряжение на дуге
за счет повышения катодного напряжения увеличилось до 180 В, скорость
резки — до 3,6 мм/с, ширина реза уменьшилась до 7,5 мм, расход газа при
этом автоматически сократился с 1,6 до 1,3 л/с. При увеличении расстоя-
ния между электродом и соплом до 9 мм дугу возбудить не удалось.
На основании проведенных экспериментов следует считать, что на
интенсивность процесса плазменной резки, а следовательно, и на форму
кромок в значительной степени оказывают влияние конструктивные раз-
меры канала сопла, а также расстояние между соплом и электродом.
Анализируя полученные данные, можно заметить сходство процессов,
происходящих в рассмотренных в п. 2.3 вариантах плазменной резки.
Во-первых, в том и другом случае (при увеличении длины канала сопла и
удалении сопла от электрода) обеспечивается лучшая фокусировка столба
дуги. Во-вторых, высокая кинетическая энергия в дуге в том и другом слу-
чае достигается не за счет прохождения большого объема газа, а вслед-
ствие. увеличения скорости истечения плазмы при повышении давления га-
за в полости сопла. В случае использования сопла с удлиненным ка-
налом происходит задержка газа в канале сопла и в межэлектродном
пространстве. Дуга оказывает более интенсивное воздействие на его иони-
зацию, т. е. полнее используются теплофизические свойства газа. В случае
увеличения расстояния между электродом и соплом увеличенный отрезок
столба дуги, находящийся в полости сопла, создает более интенсивный
тепловой обмен с находящимся в прикатодном пространстве газом. Проис-
ходит предварительный подогрев газа. Положительное влияние предвари-
тельного подогрева газа было отмечено исследователями в работах
(10, 88]. Попадая в канал сопла, газ уже имеет начальную температуру,
поэтому он легче и полнее монтируется, обеспечивая высокие тепловые
параметры столба ила шейной дуги. В практических условиях использо-
вание сопл с удлиненными каналами или увеличение расстояния между
электродам и соплом вызывает определенные трудности, связанные с воз-
буждением дуги в начальный момент плазменной резки. Для нормальной
работы сопел с удлиненным каналом необходимы источники тока, обес-
печивающие рабочее напряжение на дуге до 300 В и выше.
1I ри использовании кислородосодержащих смесей (в том числе воздуха
или кислорода) не обеспечивается стойкость катодов при больших токах
300 600 А, которые необходимы для резки металла толщиной 80—100 мм.
Целесообразность использования в прикатодной зоне азота, по-видимому,
в данном случае, должна быть более предпочтительна, так как стойкость
вольфрамового электрода при указанных токах значительно выше. С этой
целью проводились эксперименты при раздельной подаче азота в прикатил-
ную зону, а кислорода в канал сопла. Толщина разрезаемой стали была
равна 65 мм, использовалось двойное сопло (см. рис. 2.14).
Полученные результаты показали, что при раздельной подаче газа, азо-
та и кислорода скорость резки оказалась ниже, чем при использовании
а юта (табл. 2.4). Теплоэнергетические свойства кислорода не проявились,
наоборот, он явился балластом и охладил дугу. Окислительная способ-
ность кислорода сказалась лишь на изменении ширины реза, которая
увеличилась с 9 до 12 мм. При использовании воздуха, в состав которого
входят азот и кислород, при том же значении силы тока скорость резки
оказалась в 2,4 раза выше, чем с раздельной подачей этих газов.
В работе 116] приводятся другие данные, указывающие на то, что если
кислород не смешивать с азотом и подавать его раздельно в канал сопла,
го скорость резки увеличивается с увеличением доли кислорода до 20 %,
а затем рост ее практически прекращается. По-видимому, результат
использования кислорода (как добавки к азоту) при раздельной подаче
во многом зависит от конструктивных особенностей сопла, а также от
обшей величины расходов азота и кислорода.
I и б л и и а 2.4. Влияние состава азотно-кислородной среды на скорость резки и ширину реза
Пл а з м ообр а з vio ша я среда Сила тока, А Напряжение, В Размеры канала соп- ла внутреннего/на- ружного, мм Скорость резки, мм/с Ширина реза. мм
Диаметр Длина
Азот (80 % ) кисло- род (20%) Л ия (60 %) 4- кисло- род (40%) А им (100 %) Boiavx (Хз 78% + t (Ъ 22 %) 220—230 230- 240 6,0/3,5 к? bi СД 2,3 2.5 12,0 12,0- 13,0
400—430 200—210 210- 215 3,5 6.5 3,8 6,0 9,0—9,5 7,0—8,0
Но.иух (Na 78% + •НЪ 22%) 500 215 220 37 8.0 9.7 8.0- 8.5
И р и м с ч а н и я: 1 Pacxoi газа во всех случаях 1,4 1,6 л/с. 2. При использовании азот л с кисло
ро 1ом последний подавался раздельно от азота.
При совместной подаче кислорода и азота непосредственно в катодную
зону эффективность использования кислородно-азотной смеси возрастает.
При этом скорость резки находится в прямой зависимости от увеличения
доли кислорода в этой смеси. В данном случае значительно улучшается
качество кромок, уменьшается величина скоса, натеки и грат на кромках
отсутствуют.
Увеличение доли кислорода в азотно-кислородной плазме приводит к
значительному увеличению скорости резки при сохранении постоянной
мощности дуги не только простых углеродистых сталей, но и сталей корро-
зионностойких, т. е. типа 1Х18Н9 [16].
В проведенных исследованиях [66] отмечается, чго оптимальным
содержанием кислорода в кислородно-азотной смеси следует считать зна-
чение, равное 60—65 %. При таком содержании кислорода скорость
резки по сравнению с воздушной плазмой возрастает в 1,5 раза, причем
обеспечивается удовлетворительная стойкость катодов. При увеличении
доли кислорода в смеси более 60—65 % резко возрастает износ цирконие-
вых и гафниевых катодов.
Повышенная производительность плазменной резки при сохранении
преимуществ, свойственных воздушно-плазменной резке, обеспечивается
применением для стабилизации режущей дуги сжатого воздуха, обога-
щенного кислородом в селективно-диффузионном устройстве. Последнее
имеет две полости, разделенные полимерной мембраной. В качестве
материала мембраны используют вещество с асимметричной газопрони-
цаемостью (достаточно высокой по отношению к кислороду и меньшей —
к азоту). В селективно-диффузионном устройстве, примененном в данном
исследовании, использовали анизотропную мембрану из поливинилтри-
метилсилана.
Установка для плазменной резки была снабжена узлом обогащения,
размещенным перед режущим плазмотроном. Для ее работы не требо-
валось применения сжатых газов в баллонах, а достаточно было исполь-
зовать обычный сжатый воздух, получаемый в компрессорных устрой-
ствах и распределяемый но заводским магистралям.
Для обеспечения длительного срока службы мембраны необходимо
было, чтобы сжатый воздух не был загрязнен маслом и влагой.
В установку подавали чистый осушенный воздух под давлением
3,0 МПа, на выходе из установки получали обогащенную кислородом
азотно-кислородную смесь, которая использовалась для плазменной резки.
С целью повышения эффективности процесса плазменной резки за
счет терхмохимических реакций кислорода была опробована воздушно-
плазменная резка сталей толщиной 50—80 мм с поддувом в полость реза
кислорода, так как при повышенных скоростях резки при силе тока в пре-
делах 300 А прорезание металла, например, толщиной 65 мм затруднено.
Дуга проникает только на половину толщины листа, далее проплавление
идет за счет разогретого газа, кинетическая энергия и температура кото-
рого быстро уменьшаются. При этом рез в нижней части расширяется,
получается отставание реза в нижней части листа относительно верхней
на 50 мм и более.
При использовании устройства (рис. 2.21) струя кислорода направля-
лась с помощью внутреннего газорезательного мундштука на наиболее
нагретый участок в полости реза под углом 30—40°. Предполагалось,
что расплавленная сталь будет сгорать в струе чистого кислорода, т. е.
верхняя часть листа будет прорезаться за счет энергии столба дуги и энер-
гии анодного пятна, а вторая нижняя часть толщины листа — ча счет
04
Рис. 2.21. Схема устройства для дополнительной
подачи кислорода в нижнюю часть полости реза
при плазменной резке
кислорода. Однако этого не прои-
зошло. Струя кислорода охлаждала
разогретый плазменной дугой металл
и, наоборот, затрудняла процесс
резки плазмой. По-видимому, кис-
лород смешивался с плазмообразую-
щим воздухом и загрязнялся, поэ-
тому резки не получилось.
Тот же эксперимент был повто-
рен при использовании в качестве
плазмообразующего газа кислорода.
Казалось бы, загрязнения подавае-
мого кислорода в полость реза не
происходит. Тем не менее процесса
резки за счет сгорания металла
в кислороде не получилось. С по-
мощью указанного на рис. 2.21
устройства мундштук, через который
подавался кислород, устанавливался вертикально, а резак — наклонно,
под углом примерно в 45°. Использовался плазмообразующий газ —
кислород. Предполагалось произвести прямолинейную резку подаваемым
через мундштук кислородом, начиная с кромки листа, а кислородную
плазму использовать в качестве источника нагрева поверхностных слоев
стали. В связи с этим сила тока плазменной дуги не превышала 200 А. Как
и в первом случае, разогретый металл охлаждался подаваемой струей
кислорода. При остановке машины иногда происходило прорезание листа,
но металл разбрызгивался и реза не получалось. Причиной, которая
не позволила выполнить процесс резки, являлось все то же загряз-
нение кислорода воздухом, который инжектировался струей кисло-
рода и струей плазмы из воздуха в зону резки.
То же самое происходило, когда для кислородно-плазменной резки
был применен резак с двойным соплом (см. рис. 2.14).
Вспомогательный кислород подавался через радиально расположен-
ные каналы в наружном сопле. Сечение каналов было увеличено, расход
кислорода составлял 0,5—0,6 л/с. Плазма использовалась также в каче-
стве источника нагрева, расход плазмообразующего кислорода был равен
1,16 л/с. Скорость резки при этом уменьшилась, а ширина реза увеличи-
лась до 15 мм.
Уже отмечалось, что эффективность плазменной резки металлов
в значительной мере определяется энергетическими параметрами потока
плазмы, в первую очередь его тепловой мощностью, температурой, ско-
ростью и плотностью, которые зависят от электрических параметров столба
дуги. Мощность плазмотрона может быть повышена за счет увеличения
или рабочего тока, или рабочего напряжения дуги. Для получения макси-
мальных удельного теплового потока и его скорости повышение мощности
следует осуществлять за счет увеличения рабочего напряжения дуги.
При этом условия работы электрода и сопла менее тяжелые, ресурс их
работы больше, меньше ширина реза, лучше его качество.
Для работы с высокими рабочими напряжениями необходимы спе-
циальные источники питания дуги. Такие источники мощное (ью до 100
н.»
стойкость, которая превышает в
Рис. 2.22. Изменение скорости реши коррозионно-
стойкой стали в зависимости от толщины листа
200 кВт с рабочим током до 350—
400 А, напряжением на дуге до 300—
350 В были созданы в Кишиневском
политехническом институте им. С. Лазо
и в ПО «Молдавгидромаш» [44].
Разработанный в этих организациях
плазмотрон имеет полый медный элек-
трод. Опорное пятно дуги под действием
газодинамических и электромагнитных
сил интенсивно перемещается по внут-
ренней поверхности полого электрода.
Этим достигается высокая эрозионная
несколько раз стойкость обычных мед-
ных электродов с циркониевой или гафниевой вставкой. Полый медный
электрод может работать в «холодном» режиме как при прямой, так
и при обратной полярности. Испытаниями установлено [44], что для
плазмотронов с медными электродами при их работе на обратной поляр-
ности случайное возникновение двойной дуги не является аварийным
режимом. Плазмотрон не выходит из строя, и резка не прекращается,
так как под действием аэродинамических сил внешняя дуга растяги-
вается и гаснет. Важнейшей особенностью плазмотрона с полым медным
электродом, работающего на воздухе, является более высокая электри-
ческая мощность, получаемая за счет увеличения рабочего напряже-
ния дуги. На рис. 2.22 приведена зависимость изменения скорости резки
от толщины листа. Процесс резки осуществлялся при мощности дуги
60—100 кВт, поэтому график представлен в виде зоны, верхний предел
которой соответствует максимальной мощности, а нижний — минималь-
ной. При оптимальных параметрах режимов работы плазмотрона ка-
чество резов получается хорошим. Поверхность реза обычно ровная
и чистая, без грата и паплывов на нижней кромке. Величина скоса
здесь меньше, чем при резке обычными плазмотронами. Снижение скоса
кромок достигается за счет высокого рабочего напряжения, повышаю-
щего проникающую способность столба дуги. Ширина реза при силе
тока 200—250 А находится в пределах 4—6 мм и при силе тока 300—
350 А —- 7- -8 мм. Например, резку углеродистой стали толщиной
150 мм осуществляли при силе тока 300 А, рабочем напряжении 350 В,
расходе воздуха около 2 л/с, диаметре сопла 4 мм. При этом скорость
резки была 1,6—1,8 мм/с, ширина реза 7 8 мм и процесс резки осущест-
влялся без каких-либо затруднений с полным прорезанием металла. При
обычных существующих способах резки для выполнения реза на металле
такой толщины требуется по меньшей мере увеличение мощности дуги в
1,5—2 раза, причем трудно обеспечить надежное прорезание на всю тол-
щину листа и ширина реза значительно возрастет.
2.5. Плазменная резка с использованием воды
Плазменная резка с использованием воды находит все большее при-
менение. Вода имеет следующие преимущества: во-первых, улучшает
гигиенические условия труда рабочих, во-вторых, обеспечивает повышение
качества кромок вырезаемых деталей» в-трегьих, при пл именной резке с

использовяншм ноДн уменьшаются тепловые деформации деталей. Кроме
того, при определенных условиях применение воды тля плазменной резки
обеспечивает высокую концентрацию энергии и увеличение скорости резки.
В зависимости от поставленной цели плазменную резку с использова-
пнем воды можно разделить на три основных способа: 1) резка металла»
погруженного или полупогруженного в водяную ванну; 2) использование
воды в качестве плазмообразующей среды (водоэлектрическая резка);
3) подача небольшого количества воды в столб плазмы.
Способ резки с погружением разрезаемого листа в воду позволяет
уменьшить до минимума вредные газы (озон, окислы азота), исключить
полностью обильно выделяющийся дым и аэрозоли. Металл и шлак, вы-
плавляемые из полости реза, попадают в воду и в виде мелких частичек и
капель оседают на дно ванны. Разновидность этого способа заключается
в создании дополнительного водяного экрана вокруг плазменной дуги.
В этом случае разрезаемый лист обычно полупогружен в водяную ванну.
Плотный водяной экран вокруг плазмы создается за счет специальной
насадки, закрепленной на плазмотроне. При резке коррозионно-стойкой
стали толщиной 12,7 мм дугой мощностью 65 кВг па расстоянии 1,83 м от
плазмотрона при обычных условиях величина шума достигала 108 Дб.
В случае экранизации защитными средствами (металлическим кожухом)
шум уменьшился до 101 Дб. При экранизации за счет мощного водяного
потока (расход воды до 1,2 л/с) шум уменьшился до 15 Дб, т. е стал значи-
тельно ниже установленных норм. При снижении расхода воды до 0, 6 л/с
интенсивность шума значительно повысилась (до 93 Дб). С помощью сис-
темы «Вота Тейбл» (Waler Table) (стол, заполненный водой) удается
отвести 99,5 % выделяющихся газов [96]. Грат и расплавленный металл
при этом собирают в резервуар, наполненный проточной водой.
При исследовании плазменной резки сталей толщиной 30—60 мм и
более была проведена экспериментальная проверка их резки в воде, а
также с водяной завесой, создаваемой вокруг столба плазменной дуги
Резка выполнялась плазмотроном ПМР-74 (см. рис. 2.13). Для создания
водяного экрана было изготовлено спе-
циальное устройство, которое устанав-
ливалось на плазмотрон. Устройство
для создания водяного экрана и схема
резки показаны на рис. 2.23.
После возбуждения режущей дуги
и начала резки включалась вода,
подаваемая в насадку, которая созда-
вала экран вокруг плазменной дуги.
Прорезая стальной лист, столб плазмы
уходил в воду. При выключенной венти-
ляции дым, пыль, аэрозоль не выде-
лялись. Все поглощалось водой. При
этом высокочастотный шум от плазмен-
ной резки несколько уменьшался. Пре-
обладал шум от булькания воды.
Согласно работе [95] для эффек-
i явного снижения шума требуется
Рис. 2.23. Устройство, предназначенное для создания
водяного экрана, и емгмн ргтки
$58
$40,3~6’*
87
Т а б л и а а 2.5. Технологические параметры при воздушно-плазменной резке в воду
без водяной и с водяной защитой
Разре- заемая толщина металла, мм Расход воздуха, л /с Сила тока, А Напряжение, В Размер канала сопла. 41 м Скорость резки, мм/с 'Ширина реза по верхней кромке мм
Диамег р t Длина
20 40 1,50— 1,57 305—310/3 ГО 310/310 140—150 150— 155 2,8 S3 Ът 17,3/17,3 8,0/6,0 5,5 6,0
65 1,67-1,83 380/380 200 -205 3,5 6,5 4,2/3,3 6.0
Примечание. В числителе даны значения параметров при плазменной резке в воду без водяной
защиты, в знаменателе — с водяной защитой.
расход воды 1,2 л/с. На самом деле был обеспечен расход только 0,2 л/с,
так как магистраль не была рассчитана на большую подачу воды. Излишки
воды сливались через патрубок, находящийся в верхней части бака, а за-
тем в канализацию. Поверхность разрезаемого листа находилась на уров-
не поверхности зеркала воды или выступала из воды на 5 6 мм. Режимы
резки приведены в табл. 2.5.
Резка производилась на предельных скоростях. Из таблицы следует,
что напряжение режущей дуги по сравнению с обычной резкой несколько
понизилось. Соответственно на 15—30 % уменьшились скорости резки.
Сказалось охлаждающее действие воды. При резке в воду с защитным
водяным экраном скорость снизилась значительнее. При обоих способах
резки получено хорошее качество кромок. Рез на всю глубину ровный и без
оплавленйя кромок, но имеет некоторое расширение книзу при толщине
металла более 40 мм. В случае, когда толщина металла составила 65 мм,
ширина реза уменьшилась по верхней кромке на 1,0—1,5 мм и составила
5,5—6 мм, по нижней кромке — 7,3 мм. В полости реза видны прилипшие
капли металла и шероховатость поверхности кромок увеличилась. На пер-
вый взгляд можно предположить, что была недостаточной скорость резки,
поэтому в нижней части рез оказался более широким. Однако это не так,
так как имелось отставание реза по нижней плоскости листа относительно
поверхности на 15 мм. Увеличение ширины реза в нижней части толщины
металла можно объяснить только влиянием и взаимодействием воды при ее
диссоциации на кислород и водород, а также плотностью среды (воды),
препятствующей выходу столба дуги вниз (под лист) из полости реза.
Внешний вид поверхности реза серебристый, не окисленный. Однако на
нижних кромках листа толщиной 65 мм большой металлический грат сви-
сает в виде гирлянды до 50,0 мм, на меньших толщинах он соответственно
значительно меньше. Грат сравнительно легко удаляется ударом молотка.
Другим недостатком является некоторое увеличение шероховатости.
Штрихи расположены ближе к верхней и нижней кромкам, глубина их
достигает 0,2 мм. Процесс резки полупогруженного металла проходил
устойчиво и может быть использован для вырезки деталей на машинах,
индивидуально оснащенных водяным столом.
При резке заготовки, погруженной от поверхности воды даже на глу-
бину 20 30 мм, возбудить дугу не удалось. В ггом случае возбуждение
68
рабочей дуги прсш шодилось вне воды, затем разрезался наклонней лист,
уходящий одним краем в воду. В процессе резки плазмотрон заглублял-
ся на 30 40 мм. Процесс проходил устойчиво, но имели место при этом
сильное разбрызгивание и испарение воды.
Дли того чтобы осуществить резку листа, полностью погруженного в
воду, необходима аппаратура, обеспечивающая поддержание дежурной
малоамперной дуги, т. е. необходим аргон. При погружении плазмотрона
в воду до разрезаемого металла дежурная дуга вызывает возбуждение ос-
новной дуги, при этом включается рабочий газ, а аргон отключается. Рез-
ка металла, полностью погруженного в воду, способствует устранению
вредных выделений от плазменной резки, уменьшается шум, не требуется
защитных средств от яркого излучения дуги, обеспечивается защита окру-
жающей среды. Недостатком указанного способа резки является сниже-
ние производительности резки или (при повышении мощности плазменной
дуги) дополнительный расход электроэнергии. Другой недостаток — труд-
ность осуществления контроля за ведением процесса резки.
Плазменная резка со стабилизацией плазменной дуги водой (водо-
электрическая) применяется для резки различных металлов и сплавов.
IS плазмотроне с водяной стабилизацией дуги обеспечивается завихрение
воды с помощью канала, ограниченного двумя соплами. При этом исполь-
зуется только вода, газ в плазмотрон не подается. Кромки сопла защи-
щены от теплового воздействия дуги с помощью тонкой водяной пленки.
Вода является наилучшей средой для резки цветных металлов и высоко-
легированных сталей больших толщин. Вода в дуге диссоциирует на
кислород и водород, а затем на атомарный кислород и водород [75]. Кон-
центрация водорода и кислорода в столбе дуги оптимальная, т. е, такая,
при которой получается наилучшее качество реза при высокой произво-
ди тел ьп ости резки.
Теплоизоляционные свойства воды более высокие, чем у газов, так как
между столбом дуги и слоем воды, непосредственно прилегающим к внут-
ренним стенкам сопла, образуется постоянно обновляемая паровая про-
слойка, на образование которой расходуется большая часть тепла дуги,
отходящего в радиальных направлениях от столба дуги. В связи с этим,
подобрав соответствующий расход воды, можно создать на внутренней
стенке сопла водяную прослойку. Стабилизация столба дуги и его изоляция
от стенок сопла осуществляются водой. Поэтому допустимые нагрузки для
одного и того же диаметра сопла, ограничивающего столб плазменной ду-
ги, в несколько раз выше, что можно проиллюстрировать следующими дан-
ными:
Диаметр сопла, мм.
Допустимый ток, А:
при газоэлектрической резке
при водоэлектрической »
3 4 5 6
360 400—480 600 750
900 1200 — — -
Применение сопла менее 3 мм невозможно ввиду того, что для зажига-
ния водоэлектрической дуги используется алюминиевая проволока диамет-
ром 1,5 мм и при меньших диаметрах сопла истечение воды нарушается
в момент зажигания дуги.
Резы, выполненные плазменной резкой с использованием воды, отли-
чаются высоким качеством кромок, которые имеют незначительный скос,
металлический блеск, т. е. выгорания с поверхности кромок наиболее ак-
iявных элементов разрезаемого металла не происходит. Металл сохра-
няет естественный, свойственный ему цвет. На кромках несколько увели
чепы бороздки, но они имеют плавные переходы от гребешка к нпа тине.
«9
Недостатком водоэлектрической резки является сложность возбужде-
ния дуги и начала процесса. Применяется графитовый электрод, который
быстро расходуется. В связи с этим необходимо для вертикального пере-
мещения графитового электрода в направлении сопла в процессе резки
дополнительное устройство. Все это делает процесс недостаточно техно-
логичным и надежным. Его нельзя пока использовать на машинах с
программным управлением. Процесс водоэлектрической резки при соот-
ветствующем усовершенствовании аппаратуры может найти более широ-
кое применение.
Плазменная резка с подачей небольшого количества воды в плазму,
чаще всего в азотную и воздушную, находит более широкое применение.
Зарубежными фирмами при этом способе резки в качестве основного
газа чаще всего используется азот, в нашей стране — азот и воздух.
Подвод воды в столб дуги осуществляют различными способами. Вода мо-
жет направляться радиально в столб плазменной дуги ниже среза сопла.
При этом расход, скоростной напор водяных струй, а также угол атаки
радиально направленных струй воды могут быть разными. В этих услови-
ях вода охлаждает и ограничивает столб плазмы, который при выходе
из сопла стремится расшириться. Вода под действием высокой темпера-
туры не может продиссоциировать так полно и проявить свои свойства
в том объеме, как при водоэлектрическом способе резки, при котором она
подвергается термическому влиянию высокотемпературной дуги в замкну-
том объеме полости и канала сопла.
В СССР и некоторыми зарубежными фирмами разработаны специаль-
ные конструкции плазмотронов, которые позволяют более полно исполь-
зовать ценные свойства воды. Поскольку воду нельзя подать вместе с плаз-
мообразующим газом в катодное пространство, так как это приводит к
разрушению электрода и сопла, то ее подают отдельно: газ в полость сопла,
а воду в канал сопла. В канале сопла под воздействием высоких темпера-
тур происходит ее интенсивное испарение, т. е. диссоциация на водород и
кислород. При испарении 1 см3 воды образуется около 1700 см3 водяного
пара. Плазменная дуга уплотняется, удлиняется и стабилизируется. Кроме
того, увеличивается движущая масса, которая обеспечивает лучший пере-
нос энергии и служит для удаления расплавленного металла и шлака из
полости реза.
Из многочисленных литературных данных, опубликованных в работах
[31, 75, 78, 79, 95, 96, 104], известно, что применение воды для плазменной
резки или добавка ее в небольших количествах к плазмообразующему газу
в значительной степени улучшает качество кромок, уменьшает их скос,
снижает тепловые деформации металла.
Для обеспечения плазменной резки с использованием воды был усовер-
шенствован ранее разработанный в НПО «Ритм» плазмотрон типа ПМР-74
(рис. 2. 24). Без каких-либо существенных переделок в плазмотрон введено
дополнительное наружное сопло (насадка), которое сопряжено внутренней
конусной поверхностью с основным соплом. На внутренней и наружной
поверхности сопла имеются пазы для прохода воды в зону дуги (рис. 2. 25).
Использование такого сопла позволяет подавать воду внутрь общего кана-
ла, образованного совмещением двух сопел, и концентрично столбу дуги,
создавая вокруг нее водяную завесу.
Внутрь канала вода подается с завихрением по часовой стрелке, т. е.
в том же направлении, что и завихрение газа. Попытки изменить завихре-
ние на противоположное или направить воду по радиально расположенным
каналам приводили к ослаблению вихревого потока воздуха, вследствие
70
Вода для охлаждения
сома
Вода на резку
Рис. 2.24. Схема головки плазмотрона ПМР-74:
п—дЛя обычной плазменной резки; 6 — для
позду шно-водяной плазменной резки
Рис. 2.25. Дополнительное наружное сопло-
насадка
чего на кромках деталей увеличивал-
ся грат. В целях уменьшения влия-
ния кольцевого потока воды, созда-
ваемого вокруг столба плазмы, на
завихрение газа сопло-насадка на
нижнем срезе выполнено в виде ци-
линдра. Такая конструкция сопла ис-
ключает пересечение струй воды
кольцевого потока со столбом плаз-
менной дуги. Струи воды направлены
параллельно столбу дуги или не-
Пазы на
наружной
поверхности
Пазы на
внутренней
поверхности
сколько расходятся под давлением
выходящего из сопла газа, образуя перевернутый конус. Попытки на-
править воду непосредственно в столб дуги ниже среза сопла (в этом слу-
чае сопло-насадка не имело цилиндрической части) привели при резке
сталей к образованию на кромках трудно удаляемого грата.
В процессе резки использование рассмотренной конструкции сопла соз-
дает двойной эффект. Вода, поступающая внутрь канала сопла, частично
испаряется, диссоциирует на водород и кислород, которые, смешиваясь с*
основным плазмообразующим газом, создают комбинированную высоко-
эффективную газовую среду. Кроме того, вода обжимает и уплотняет дугу
в канале сопла, обеспечивая более высокие энергетические характеристи-
ки.
Проникающая способность дуги заметно возрастает, на что указываем
уменьшение скосов кромок, полученных при этом способе резки.
71
Вода, поступающая копненгричио столбу дуги, также частично испа-
ряется и создаст вокруг дуги водопаровую завесу, ограничивая доступ
атмосферного воздуха в зону дуги. Выделяющиеся в процессе резки вред-
ные испарения металлов и газы частично осаждаются водой. Исследования
показали, что их концентрация по сравнению с обычной воздушно-плаз-
менной резкой уменьшилась в два раза. Шум при использовании данной
конструкции сопла снизился примерно на 5—8 Дб.
Применение воздушно-водяной плазменной резки позволило также
уменьшить газонасыщение кромок, создаваемое за счет взаимодействия
высокотемпературного столба дуги с разрезаемой углеродистой и низколе-
гированной сталью. Особенно это газонасыщение проявилось при исполь-
зовании воздушной плазмы и привело к образованию пористости в свар-
ных швах, выполненных по этим кромкам.
Расход воды при использовании двойного сопла может регулироваться
за счет уменьшения или увеличения давления воды, подаваемой в полость
сопла для охлаждения. Оптимальная величина расхода воды при исполь-
зовании стандартных сопл в плазмотроне I1MP-74 составляет 0,004—
0,006 л/с, в том числе внутри канала сопла — 0,001—0,0016 л/с. Уменьше-
ние или увеличение расхода воды приводит к снижению эффективности
процесса резки и увеличению газонасыщепия кромок.
На рис. 2.24 показана головка плазмотрона, с помощью которого мо-
жет выполняться плазменная резка с водой и без воды.
В проведенных исследованиях с использованием плазмотрона ПМР-74
изучалось влияние составов плазмообразующей среды (газа и воды), ве-
личины силы тока, скорости резки и других изменяемых параметров на ка-
чество вырезаемых деталей.
При экспериментах в плазмотроне использовались: завихритель № 2
(см. табл. 2.2), сопло внутреннее с диаметром канала 2,8 мм и длиной 3 мм,
сопло наружное (насадка) с диаметром канала 4 мм и длиной 5 мм, тол-
щина разрезаемой углеродистой стали составляла 7 мм. В качестве плаз-
мообразующей среды использовались воздух и кислород, вода подавалась
в канал сопла и"концентрично каналу. Данные выполненных эксперимен-
тов приведены в табл. 2.6. Добавка небольшого количества воды позволила
повысить качество кромок. Поверхность реза, полученная при применении
воздуха в сочетании с водой, имеет металлический, серебристый цвет. По
сравнению с обычной резкой на воздухе при использовании тех же режи-
мов ширина реза и средняя величина скосов кромок уменьшились.
Увеличение скорости резки с 16,7 до 50,0 мм/с (вариант /) привело к
увеличению средней величины скоса на кромку с 1,0 до 1,5 мм, для кислоро-
да — с 0,9 до 1,55 мм.
Увеличение расхода плазмообразующего газа без изменения расхода
воды (вариант II) приводит к уменьшению скоса кромок. Изменение
расхода воды (вариант III) практически не сказалось на изменении вели-
чины скоса кромок. При использовании кислорода ширина реза по сравне-
нию с воздухом увеличилась как но верхней, так и по нижней кромкам, т. е.
скосы кромок стали примерно одинаковыми.
Из табл. 2.6 следует, что на кромках заготовок при добавке воды воз-
никает незначительный грат. Разрезаемый металл был не загрунтован.
Вследствие охлаждения водой кромок реза на незагрунтованном металле
может появиться небольшой грат. Причем при увеличении толщины разре-
заемой стали грат заметно увеличивается и располагается по всей длине
кромки. Однако грат этот легко удаляется с кромки детали ударом мо-
лотка.
72
и ц а 2.6. Зависимость ширины реза и скоса кромок при воздушно-водя ной плазменной резке от скорости резки, расхода газа и расхода

ГО ь- ГО сх. <v X т X >— Г ТЧК| Легкий грат Отдельные капли Грат средней величины Следы грата А Я А А Легкий грат Отдельные капли » Следы грата А А А А Следы грата > » Грат средней величины Следы грата » > » >
Средняя величина скоса, мм 1.0 1 1,3 1,5 6‘0 LQ Ю О LC *• »• < 1,5 1,4 1,2 IO Ю 04 04 1О iD ш СО 04 04 г- *- * *—< ►—«! lQ lQ
го еъ С по нижней кромке | 4,0 о о о! of сч t£ 4,0 3,0 ю оГ ю cd оГ с4 1 2,6 * LQ — Ю 04 -- (D 04 СО 00 00
Ширина । по верхней кромке О 04 О <D 1Я' LO 8,0 1‘9 1*9 ю L0 со о 1О ю 6.1 in 04 О <О КО Ю Ю — С О Г* * CD tO CD
дз н о о Z— о и и резки, мм/с Г- 33.0 50,0 16,7 33,0 50,0 36,7 36,7 36,7 36,7
1 -W’ 1— »-Г“ жен не, В о ю о <D LO Ю О LO О и.0 ГО* ’’f 145 о ю Ю lTj 1 < 135 140 150 о о ю еС- lQ lO О— ID 00 О -j* -ГО" ио
Сила тока, А g 270 ». /- 270 280 270
Расход воды, л/с 0,005 0,0057 0,003—0,0033 0,005 0,0057 0,003 0,0033 0,0017 0.005 0.0083 0,0017 0,0033 0.0047
г го а. газа, л /с » 1 1,50 □0 * 0‘3 i ЕЕ* 1 0,92 1,50 2.20 со со * 1,50
и; го. 2
Плазмообраз) среда Воздух 4- вода Кислород 4- вода Воздух 4- вода Кислород 4- вода Воздух 4“ вода Кислород 4- вода
к. %
Глава 3
ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ДУГИ НА МЕТАЛЛ,
ПРИЛЕГАЮЩИЙ К ПОВЕРХНОСТИ РЕЗА
3.1. Зона термического влияния
Процессы тепловой резки сопровождаются выплавлением металла
из полости реза. В связи с быстрым перемещением точечного источника
нагрева относительно поверхности разрезаемого металла наблюдается
большой перепад температур (от температуры плавления до исходной) на
сравнительно узком участке, прилегающем к поверхности реза. В резуль-
тате в кромках металла происходят металлургические процессы, сопровож-
дающиеся изменением химического состава, структурных составляющих и
механических свойств металла. Скорости нагрева и охлаждения металла
на глубине до 0,1 мм от кромки реза могут достигать весьма высоких значе-
ний - 1000- 2000 °C [67].
Наряду с качественным характером изменений металла в зоне терми-
ческого влияния (ЗТВ) имеют существенное значение общая протяжен-
ность ЗТВ, глубина отдельных переходных зон: литого участка, укрупнен-
ного зерна, полной и неполной перекристаллизации.
Характер и размеры 31 В зависят от состава и толщины разрезаемого
металла, рабочего тока и скорости резки. Перекристаллизация в кромках
металла с изменением фазового состава структуры вызывает напряжения,
которые могут в отдельных случаях привести к образованию трещин в по-
верхностных слоях ЗТВ.
На изменения химического состава металла существенное влияние
оказывает плазмообразующая среда. Процентное соотношение элементов,
входящих в состав того или иного металла, может изменяться, т. е. увели-
чиваться или уменьшаться. Кроме того, поверхностный слой подвержен
насыщению газами, изменяет свои свойства, оказывает отрицательное
влияние на свариваемость металла. Наибольшие изменения такого харак-
тера имеют место в литом слое. При взаимодействии высокоскоростного
газового потока с кромками реза происходит перемещение металла литого
слоя на поверхности кромки, в результате чего глубина его по толщине лис-
та становится неравномерной. Кроме того, на поверхности реза образует-
ся своеобразный макрорельеф в виде вертикальных или наклонных к по-
верхности листа бороздок (рисок).
Следовательно, общим для плазменной резки металлов является обра-
зование у кромки реза ЗТВ с участками оплавления и структурных изме-
нений в твердом металле.
В ЗТВ сталей с низким содержанием углерода изменения металле! по-
хожи на изменения, происходящие при кислородной резке с использова-
нием горючих газов.
От продолжительности влияния высокой температуры на кромку реза
зависят протяженность ЗТВ, а также возможность структурных измене-
ний, таких, например, как выпадение карбидов по границам зерен аустени-
та в .хромоникелевых нержавеющих сталях, вызывающее снижение их кор-
розионной стойкости. Величина 31В зависит также от состава и состояния
поставки металла. Если у кромки плазменного реза нержавеющей стали
74
XI81 ПОТ толщиной 50 мм общая глубина ЗТВ по большей части нс превы-
шает 1,5—2 мм, то для аналогичной стали толщиной 20 мм протяженность
ЗТВ, как правило, не более 0,2 мм, а для стали толщиной 10 мм глубина
юны еще меньше. С уменьшением толщины стали за счет увеличения ско-
рости резки уменьшилось тепловложение в кромки реза, а следовательно»
уменьшилась и глубина ЗТВ. На алюминиевых сплавах в зависимости от
толщины листа, состава и предшествующей термообработки глубина ЗТВ
изменяется от 0.2 до 3 мм и более.
Доля литого участка в низкоуглеродистых сталях и алюминиевых спла-
вах составляет обычно 20—30 % и более от общей протяженности ЗТВ.
Далее в низкоуглеродистых сталях следуют участок укрупненного зерна»
затем участки полной и неполной перекристаллизации и исходная струк-
тура металла. Участок укрупненного зерна наблюдается также в алюми-
ниевых сплавах и нержавеющих сталях. Однако в аустенитных нержавею-
щих сталях его протяженность ограниченна и составляет всего 5—30 %,
остальная часть ЗТВ —литой слой.
Глубина ЗТВ и соответственно отдельных ее участков при резке стали
выбранной марки и толщины не сохраняется постоянной при изменении
условий резки.
С уменьшением скорости резки при сохранении неизменными других
параметров ЗТВ увеличивается. С увеличением расхода газа, а также с
уменьшением силы тока зона уменьшается. Заметную роль играет состав
рабочей среды, стабилизирующий режущую дугу. При резке сталей воз-
душно- и кислородно-плазменной дугой ЗТВ обычно меньше, чем при резке
неактивными газами. Резка в водородосодержащих газовых смесях,
наоборот, характеризуется увеличенной глубиной ЗТВ.
При плазменной резке меди поверхность реза получается достаточно
чистой со свисающим гратом (натеками) с нижнего ребра кромки в виде
тонкой металлической пленки. Этот грат легко удаляется. Однако в зависи-
мости от режимов плазменной резки на поверхности реза (особенно в ниж-
ней его части) медь может насыщаться кислородом, иметь мелкую порис-
тость и шлаковые включения. При исследовании качества кромки в сплаве
меди Ml толщиной 20 мм, полученной после плазменной резки в аргоно-
водородной смеси при силе тока 300 А и скорости резки 0,9 мм/с, макси-
мальная глубина измененного поверхностного слоя достигала 1,2 мм в
нижней части реза. На нетравленом шлифе хорошо были видны кислород-
ная эвтектика и шлаковые включения округлой формы. По мере подъема
в верхней части реза глубина слоя с содержанием эвтектики снижается до
0,016 мм, а в верхней части эта зона отсутствует. После травления установ-
лено, что к этой зоне примыкает участок с крупным зерном глубиной 1,8 мм
внизу и 0,9 мм вверху. В этой зоне закиси меди не обнаружено.
Жидкий металл, образующийся на кромках при плазменной резке ста-
лей, смывается потоком плазмы более интенсивно вследствие повышенной
жидкотекучести, но не полностью. Оставшаяся часть его кристаллизуется в
виде литого участка ЗТВ, который на микрошлифах из углеродистых и
низколегированных сталей характеризуется слабой травимостью. Этот
участок от верхней грани кромки к нижней увеличивается по глубине, т. е.
имеет в поперечном сечении клиновидную форму [18]. При этом чем выше
скорость резки, тем больше глубина литого участка. Это отчетливо видно
на микрошлифах, вырезанных поперек реза. При резке со скоростью
ир = 58.5 мм/с размер литого участка колеблется в пределах 0,03 0,07 мм.
При Up = 28,4 мм/с литой участок уменьшается и его размеры составляют
0,025 0,05 мм, при ир= I 1,7 мм/с ~ 0.007—0.013 мм. В этом случае общая
75
I a fi л и ц ;i 3 1 Изменение 3TB н зависимости or состава плазмообри «ующсй среды
и режимов резки
Режим резки
Номер образа Плазмо- образующая среда Защитный газ Расход плазмо- образующе! 0 газа, л/мин Ток, А Напряжение, В Скорость резки, м/м ин Максимальный размер литой зоны, мм Макси- мальная глубина ЗТВ, мм
/ 9 Л» Воздух о 1 ЯП ПО 300 130 9 s 0,030 0,020 0.54 0,45
3 Воздух + вода — 150 Нет светлой по- лосы 0,50
4 5 Кислород — 80 300 130 lO Ю — CN 0.014 0,018 0,75 0,70
6 7 — 150 75 300 200 140 2,7 2.2 Нет светлой полосы 0,014-0.018 0,3—0,45 0,45—0,50
8 9 Кислород + вода СО2 со2 80- 90 80 290 290 150 120 2,5 Нет светлой по- лосы 0,40 0.60—0.90
Примечание Диаметр сопла 3 им.
протяженность ЗТВ, наоборот, с увеличением скорости уменьшается.
В работе 124] исследовалось влияние расхода воздуха, скорости резки,
длины открытого столба дуги при воздушно-плазменной резке стали
ВСтЗсп толщиной 8 мм на глубину литого слоя.
С увеличением длины открытого столба дуги теряется способность ре-
жущей дуги «смывать» с кромки жидкий металл, что приводит к увели-
чению литого слоя. Оптимальный расход воздуха, при котором толщина ли-
того слоя минимальная, составляет QB = 1,0-у 1,3 л/с. С увеличением рас-
хода воздуха толщина литого участка вначале уменьшается, что, по-види-
мому, вызвано усилением механического воздействия на жидкий металл
высокотемпературного потока газа. Затем (при больших значениях QD)
толщина литого участка вновь увеличивается, что можно объяснить по-
вышением вязкости жидкого металла на кромках вследствие охлаждения
его у велич ива щи мся потоком газа.
Заметное влияние на ЗТВ и ее переходные зоны оказывает состав плаз-
мообразующей среды. В табл. 3.1 приведены данные о величине литой зоны
и общей ЗТВ в зависимости от режимов резки и состава плазмообразую-
щей среды.
Исследование микроструктуры кромок реза выполнялось на попереч-
ных и продольных микрошлифах из стали марки ВСтЗсп толщиной 9 мм.
При изготовлении продольных шлифов обрабатывались поверхности вы-
резанных заготовок со стороны резака и противоположной с удалением
металла на глубину до 1 мм. На кромке определялись изменение характера
структуры, величина литой зоны, наличие дефектов.
При исследовании установлено, что после плазменной резки на поверх-
ности реза илблюдаегся видоизмененная структура в виде светлой поло-
76
сы. В соотвснчнии с ее размерами отождествляют ра «меры линию слоя, ко-
юрый можсг огличагься в зависимости ог способа резки. Например, при
резке воздухом ширина литого слоя составляет 0,03 мм, при резке кисло-
родом -0,014 мм. Причем при исследовании продольных шлифов уста-
новлено, что в верхней части образца (верхняя кромка роза) этот слой,
как правило, незначителен по ширине или вовсе отсутствует, что под-
1верждают данные работ [18, 24|. Изменение скорости резки с примене-
нием кислорода (образцы 4, 5, 6) с 25 до 41,7 мм/с оказало влияние на
увеличение литого слоя, в то время как общая ЗТВ уменьшилась.
Увеличение расхода кислорода примерно в два раза (при увеличении
скорости резки до 45 мм/с) привело к отсутствию литого слоя на поверх-
ности реза.
Образцы 8 и .9 вырезались соответственно кислородом с добавлением
небольшого количества воды в плазму, с использованием в качестве рабо-
чего газа СО* и защитной зоны резки тем же газом с применением спе-
циального устройства (рис. 3.1). В обоих случаях на кромках образцов
микрошлифов отсутствовала светлая полоса - слабо травящийся слой
31 В. Если отождествлять наличие светлой полосы с литой зоной, то ее
отсутствие в данном случае указывает на отсутствие литого слоя. Фак-
гнчески это не так. Применение для плазменной резки СО? с защитой СО*
приводит к резкому снижению скорости резки, образованию трудноотдели-
мого грата и увеличению ЗТВ. На образце 9 ЗТВ составляет 0,5—0,9 мм,
г. е. в 1,5 раза больше, чем при резке воздухом. Следовательно, литая
юна также должна иметь место. Причем, учитывая характер процесса
плазменной резки в СО?, размеры ее должны быть увеличены.
Сравнивая образцы 1, 2, 3 (табл. 3.1), вырезанные плазменным с л осо-
бом при одинаковых режимах воздухом, воздухом с зашитой полости ре-
ш кислородом, воздухом в сочетании с водой, можно заметить, что в пер-
вом случае величина литой зоны (светлой полосы) составляла 0,03 мм, во
втором случае зона умень-
шилась за счет окислитель-
ного действия кислорода до
0,02 мм, а в третьем случае
при использовании воздуха
с водой она совсем отсутство-
вала (рис. 3.2). Наличие це-
почки пор (образец 2 на
рис. 3.2, б) свидетельствует
с» том, что светлая полоса
находится в пределах литого
слоя.
Макси мальная глубина
общей ЗТВ изменилась пе-
шачительно и составляла
соответственно для указан-
ных вариантов 0,54; 0,45;
0.5 мм. По этим данным
трудно объяснить (как и при
Рис. 3.1. Устройство, обеспечивающее
шщиту полости плазменного реза и
полба 1уги от доступа атмосферного
но«духи
того слоя (как это имеет место при
Рис. 3.2. Структура кромки плазменного реза
(сталь ВСтЗеп, fi =9 мм, Х500) при резке;
а — воздухом; б — воздухом с защиюй кис-
лородом; в — воздухом в сочетании с водой
резке в СО2) отсутствие лигой
зоны для третьего варианта. Надо
полагать, что литая зона на по-
верхности кромки осталась, изме-
нился фазовый состав ее струк-
туры за счет частичной или полной
десорбции азота из литого слоя
(о газонасыщении кромок см.
п. 3.3). В связи с этим травимость
этой структуры также изменилась.
Следовательно, отсутствие харак-
терной слаботравящейся струк-
туры на поверхности реза не яв-
ляется признаком отсутствия ли-
dелородной резке или плазменной
резке с использованием кислорода, когда литого слоя может и не быть.
Структура ЗТВ вблизи кромки реза там, где отсутствует слабо травя-
щийся слой или непосредственно за ним, состоит из темных участков по-
вышенной травимосги — тростита и тростосорбита и небольшого коли-
чества феррита (рис, 3.2). Микротвердость вблизи кромки составляет
668— 783 Н20. По мере удаления от кромки количество феррита увеличи-
вается и появляются участки бесструктурного мартенсита с микротвер-
достью 600 760 Н?о. Далее твердость структуры постепенно снижается до
твердости основного металла. Таким образом, наиболее неблагоприятные
изменения происходят влитом слое ЗТВ. Например, у кромки плазменного
реза стали СТЗ толщиной 8 мм микротвердость существенно повышается
(550 HV), на некотором удалении от кромки она снижается до показателя
основного металла (150 HV). Протяженность участка с увеличенной мик-
ротвердостью соответствует глубине литого слоя. В его микроструктуре
выявлен дендритообразный мартенсит. Это свидетельствует о некотором
науглероживании металла кромки, которое подтверждается спектральным
СоЛГ|>ЖН111Н уик’родэ у кромки pv lj ( гЗ HOHtlHIiirHM ДО 0,1
0,5 % при 0,2 % н основном металле (18].
Вследствие завихрения плазмообразующего газа плазменный столб
дуги оказывает разнос термическое влияние на правую и левую кромки
реза. При правом завихрении газа больше тепла должно выделяться на
правой кромке, так как анодное пятно смещается вправо. Исходя из этих
условий были проведены исследования ЗТВ на правой и левой кромках.
Образцы вырезались из стали 10ХСНД толщиной 8 мм и из стали
ВСтЗсп толщиной 16 мм. Скорость резки для стали толщиной 8 мм —
40 мм/с, для стали толщиной 16 мм —20,5 мм/с. Плазмообразующая сре-
да — воздух и воздух в сочетании с водой (табл. 3.2).
Микрошлифы вырезались поперек реза, вблизи его окончания и имели
правую и левую кромки, что обеспечило возможность сравнивать измене-
ния ЗТВ одновременно в обеих кромках реза.
Из табл. 3.2 следует, что глубина ЗТВ действительно несколько увели-
чена на правой кромке, но не является стабильной.
В образце толщиной 8 мм при воздушно-плазменной резке на правой
кромке ЗТВ в верхней части образца примерно на 15 % больше, чем на
левой, а на нижних кромках она одинакова. Зато слой со слабой трави-
мостью значительно больше на правой кромке вверху —0,027 мм, внизу —
0,12 мм, а на левой кромке он практически отсутствует. В образце толщи-
ной 16 мм для воздушной плазмы наблюдается такая же закономерность,
но она выражена слабее. На образцах толщиной 8 и 16 мм при воздушно-
водяной плазменной резке по глубине ЗТВ на правой и левой кромках
отличается меньше, а в некоторых случаях (образец толщиной 16 мм) она
Таблица 3.2. Изменение величины ЗТВ в зависимости от марки разрезаемой стали
и клазмообразующей среды
Марка стали 1 ол- шина, мм Плазмообразующая среда Кромка реза — I Иссле- дуемый участок: верх (В), низ (Ш Макси- мальная глубина ЗТВ. мм Максимальная глубина слаботравящейся зоны (светлая полоса), мм
юхенд 8 Воздух Правая В Н 0,63 0.54 0,027 0,12
Левая В н 0,54 Нет 0,01 на длине 2 мм
Воздух + вода Правая в н 0,36 0,45 Нет
Левая в н 0,27 0.40
ВСтЗсп 16 Воздух Правая в н 0.72 Нет 0,072
Левая в н 0,72 0,63 Пет
Воздух+вода Правая в н 0,54 0,81
Левая в н 0.45 0.81
79
Рис. 3.3. Микроструктура кромки плазменного реза, Х200: а — воздушная плазма, сталь 10ХСНД
толщиной 8 мм; б — воздушная плазма, сТаль ВСтЗсп толщиной 16 мм; в. г — воздушно-водяная
плазменная резка соответственно тех же сталей
одинакова. Слой на поверхности реза слабой травимости отсутствует
на правой и левой кромках. Зона термического влияния характеризуется
наличием различных структурных составляющих. На поверхности кромок
образцов, вырезанных воздушно-плазменным способом, наблюдается
слаботравящаяся зона в виде светлой полосы (рис. 3.3). Она представ-
ляет собой, по-видимому, у-фазу, состоящую из азотистого мартенсита
(5,9 % N2) [60]. Твердость слаботравяшей зоны неодинакова. На образ-
цах из стали 10ХСНД толщиной 8 мм ее микротвердость составляет
^40—860 Н?о> на стали ВСтЗсп толщиной 16 мм наибольшая микро-
гвердость слаботравящейся зоны - 710—785 Н20, ближе к поверхности
кромки микротвердость снижается до 357 530 Н20 (рис. 3.3,6). На тех
образцах, где отсутствует ярко выраженная бесструктурная зона, металл,
прилегающий непосредственно к кромке реза, имеет" мартенситную или
тростомартенситную структуру, микротвердость которой 688—825 Н20.
Далее на глубине свыше 0,05—0,1 мм на всех образцах микроструктура
примерно идентична и состоит из сорбита и тростосорбита с мелкими участ-
ки
ками свободною фгррпы Микро твердое ib ее снижен *тся ю 400 350 1
На глубине 0.1 0.7 мм твердость ЗТВ постепенно понижается до
исходной.
В ЗТВ в сталях с низким содержанием углерода изменения структуры
металла напоминают по характеру изменения, происходящие при кисло-
родной резке [60]. Так, при резке стали 15ХСНД толщиной 16 мм по самой
кромке металл имеет крупнозернистую структуру перлита, затем участок
с нормализованной мелкозернистой структурой и участок, структура ко-
торого характерна для металла, нагретого выше точки ДС1, переходящей
в основной металл с исходной ферритно-перлитной структурой.
В работе [67] указывается на образование в ЗТВ при плазменной и
кислородной резке низкоуглеродистых и низколегированных сталей
(СтЗ, 15ХСНД и др.) с исходной феррито-перлитной структурой необыч-
ного вида. Перлитные зерна в этой структуре характеризуются сильной
разветвленностью контура и при небольшом увеличении выглядят как бы
окаймленными бахромой. При резке низколегированной стали с незначи-
тельным количеством феррита не наблюдается появления аномальной
структуры.
Исследуемый слой находится приблизительно посередине между основ-
ным (не претерпевающим видимых структурных изменений) и полностью
перекристаллизовавшимся металлом, т. е. образование аномальной струк-
туры происходит в объемах, подвергнутых нагреву до температур, лежа-
щих в середине температурного интервала Д61—/1Г (800—850 °C).
Важное' влияние на характер структуры оказывает градиент скоростей
охлаждения, который находится в прямой зависимости от скорости резки.
Так, при рассмотренных ниже исследованиях, в первом случае скорость
резки составляла 7—7,5 мм/с, во втором — 83,0 мм/с. Характер воз-
действия дуги на металл несколько отличался, так как в одном случае
выполнялась разделительная резка, а во втором — поверхностная обра-
ботка (строжка). В первом случае плазменная резка выполнялась в среде,
содержащей аргона 85 %, водорода 15 %, при общем расходе смеси
0,8 л/с, силе тока 350 Л, скорости резки 7—7,5 мм/с [101]. Металлографи-
ческие исследования проводили на образцах из низколегированной стали
толщиной 25 мм с содержанием углерода 0,2 %, марганца 1,34 %, кремния
0,35 %.
Основной материал имел ферритную структуру с небольшим количест-
вом перлита, его микротвердость составляла 180—200 HV.
Зона термического влияния имела глубину от 1,2 до 2,5 мм от кромки
реза. Под искусственно выполненным дефектом глубина ЗТВ составляла
оз 1,5 до 3,1 мм. Наибольшая глубина ЗТВ находилась со стороны нижней
плоскости листа, в то время как после газовой резки наибольшая глубина
ЗТВ находится у поверхности листа, т. е. со стороны выполнения резки.
Зона термического влияния вдоль кромки реза имеет полосу шириной
около 50 мкм из низкоуглеродистого мартенсита. Затем следует полоса
с переходной структурой, которая представляет собой переход от низко-
углеродистого мартенсита через бейнит и чрезвычайно тонкий феррит-
перлит в нормальную феррит-перлитную структуру основного металла.
Микротвердость от кромки реза с 350- 400 Н20 сначала повышается до
максимальной 450 Н2о на глубине до 0,1 мм, а затем с увеличением расстоя-
ния от кромки снижается до твердости основного металла. Высокоуглеро-
листый мартенсит белого цвета с твердостью 800—900 Н2п, который появ-
ляется после газовой резки, нигде не замечен.
Во втором случае (25] проводили исследования структуры металла
ЗТВ в зависимости oi воздействия плазменного нагрева при высоких
81
скоростях обработки. Образцы из сталей различных классов подвергали
воздушно-плазменной обработке (поверхностной строжке) плазмотроном
ПВР-402У4 (сила тока 360 А» напряжение 140 В, диаметр сопла 5 мм, угол
наклона плазмотрона к обрабатываемой поверхности 75°, длина дуги
40 мм, скорость перемещения плазмотрона 83,0 мм/с). Исследования пока-
зали, что фазовый состав стали марки СтЗ в ЗТВ характеризуется нали-
чием a-железа, у-железа и окислов FeO. Ближе к поверхности канавки на
глубине до 0,04—0.08 мм появляется мартенсит — слаботравящаяся
зона с соответствующей ему максимальной микротвердостью 900 Н20.
За ней следует более сильнотравящийся мартенситно-троститный и
троститный слой, в котором микротвердость снижается примерно с 900 до
420 Нго- Далее на микрошлифах видно, что металл прогревался ниже
точки АСэ, так как четко виден слой со структурой неполной закалки —
феррито-троститный или феррито-мартенситный, микротвердость снижа-
ется до 420—380 Нго* На глубине более 0,6 мм, где температура не под-
нималась выше АСх, твердость снижается до исходной.
Напряжения, связанные со струтурными изменениями фазового соста-
ва и изменением объема кристаллической решетки, т. е. напряжения вто-
рого рода в ЗТВ довольно велики и составляют примерно 90 МПа.
На образцах из стали 30Х2Н2МА выявлено, что воздействие плазмен-
ной дуги приводит к изменению фазового состава в металле ЗТВ. Наряду
с a-железом обнаруживаются у-железо и окислы типа Fe2O3 и Fe3O4.
Напряжения второго рода возрастают в два раза (со 126 до 239 МПа).
Присутствие в стали легирующих элементов приводит к значительному
увеличению мартенситной зоны, а у края канавки наблюдается снижение
микротвердости, аналогичное для стали марки СтЗ. Из-за более низкой
теплопроводности перегретая зона здесь несколько шире, а видманштето-
вой структуры нет. Аустенит и мартенсит в металле ЗТВ оказываются
более дисперсными и твердыми.
Плазменная обработка стали 12Х18Н10Т приводит к появлению узкой
расплавленной зоны, при последующей кристаллизации которой проис-
ходят увеличение a-фазы и значительное измельчение зерна. Это приво-
дит к некоторому увеличению твердости металла ЗТВ вблизи поверхности
канавки.
В сталях с повышенным содержанием углерода при термической резке
наблюдается рост напряжений второго рода в структуре металла, вызван-
ный процессом закалки и азотированием. Указанные напряжения второго
рода суммируются с напряжениями первого рода, вызванными темпера-
турным градиентом, и их релаксация при достижении критических значе-
ний приводит к возникновению более грубой структуры и, возможно, к об-
разованию зародышевых субмикротрещин [100].
Высокопрочная сталь с мартенситной структурой с содержанием угле-
рода 0,35—0,43 % была специально термообработана (закалка в воду
с низкотемпературным отпуском и выдержкой в соляной ванне), после
чего производилась кислородная и плазменная вырезка образцов в боль-
шом количестве различной толщины (8—18 мм); при этом были найде-
ны только отдельные трещины, перпендикулярные к поверхности реза.
Структурные изменения, вызванные термической резкой, весьма незна-
чительные.
Основной металл составляла смесь очень мелких игл мартенсита от-
пуска и бейнита. Более крупные иглы в области термического влияния
вблизи поверхности реза постепенно заменяются более мелкой смесью
игл ретрансформированного и начального мартенсита (рис. 3.4).
82
Рис. 3.4. Микроструктура кромки аргоноводородного плазменного реза на высокопрочной стали
с мартенситной структурой толщиной 25 мм: а—Х50; л— Х500
В ЗТВ в результате теплового влияния от резки снижается микротвер-
дость вблизи поверхности реза с 550 HV примерно до 360—400 HV неза-
висимо от того, применялась кислородная или плазменная резка. При ука-
занных значениях твердости глубина ЗТВ при плазменной резке в три раза
меньше, чем при кислородной.
Несмотря на высокое содержание углерода в термообработанной стали,
появление трещин в ЗТВ после резки происходит лишь в единичных слу-
чаях.
Протяженность ЗТВ с увеличением толщины металла возрастает, так
как при пониженных скоростях резки тепловложение в кромки реза уве-
чичивается. На среднелегированной стали толщиной 40 мм с сорбито-фер-
ритной структурой микротвердостью 300 —350 Н20 исследовалось влияние
способов плазменной резки на характер изменения структуры и глубину
ЗТВ.
Плазменная резка указанной стали выполнялась с использованием
воздуха, азота и с применением этих газов в сочетании с водой. Для срав-
нительных исследований влияния плазменной резки на кромки металла
выполнена резка а дети л ено кислород-
ным способом. Режимы вырезки об-
разцов приведены в табл. 3.3.
Замеры твердости структурных
составляющих выполнялись на
приборе ПМТ-3, а общей микро-
твердости ЗТВ — на приборе Вик-
керса. Схема вырезки микрошлифов
показана на рис. 3.5, а общий вид
ЗТВ — на рис. 3.6.
При исследовании установлено,
что после плазменной и ацетилено-
кислородной резки (за исключением
варианта 4 в табл. 3.4) наблюдается
характерный литой слой в виде свет-
лой полосы in отдельных участках,
Таблица 3.3. Режимы вырезки образ-
цов для металлографических исследований
(сила тока 360 А, расход газа 1,67 л/с)
Вариант Плазмообразующая среда Скорость резки, мм/с
1 Воздух 13,3
2 Воздух -f-вода * 12.7
3 Азот 8.3
4 Азот -j-воча * 9.2
0 Ацеткленокислород 6,0 -6.5
ная резка
* Расход воды в пл.нму 0.005 л/\
Поверхность
Микрошлифы
Поверхность
реза
Рис. 3.5. Схема вырезки макро» и мнкрошлиф-
тов для металлографических исследований и их
порядковые номера (стрелками на поверхности
шлифов показаны исследуемые кромки)
плазменная резка
Макрошлиф
Рис. 3.6. Зона термического влияния, толщина
стали 40 мм: ВО — ацетиленокислородная резка;
Bi — воздушно-плазменная: В2 — воздушно-во-
дяная плазменная; ВЗ — азотно-плазменная; В4 —
азотно-водяная
примыкающих к поверхности реза. Он отличается от других структурных
участков слабой травимостью и высокой твердостью, имеет (для варианта
0 кислородная резка) игольчатую структуру с высокой микротвердостыо
до 710 Н2о (габл. 3.4), что характерно для мартенситной структуры
(рис. 3.7). Кроме того, на отдельных участках по кромке образца встре-
чается структура повышенной травимости, отличающаяся от ЗТВ. Эту
структуру можно отнести к тростомартенситу. Наибольшая глубина
литого слоя слабой травимости оказалась на образцах, вырезанных
ацетиленокислородным способом (от 0,01 до 0,1 мм, т. е. на порядок
выше, чем при плазменных способах резки), а твердость этого слоя в сред-
нем на 10 % ниже. Видимо, более высокая твердость слаботравящегося
литого слоя, имеющего место после плазменной резки, связана кроме на-
углероживания с насыщением его азотом.
Аналогичная структура слабой травимости была получена на кромках
образцов из сталей малых толщин (8 12 мм) J14, 18, 24, 60, 78, 80]; при
этом скорости резки для указанных толщин были в четыре-пять раз более
высокими. Наибольшая глубина зоны со слабой травимостью достигала
0,07 мм [18], причем опа распространялась, как правило, на всю длину
исследуемой кромки. В стали толщиной 40 мм глубина зоны со слабой тра-
вимостью на кромке плазменного реза встречается только на отдельных
участках незначительной длины. Причем этот слой обнаружен только на
образцах после воздушно- и азотно-плазменной резки, В отличие от сталей
малых толщин наибольшая глубина его 0,02 мм оказалась по верхней кром -
ке (микрошлифы 1.1 и 3.1, габл. 3.4). После воздушно-водяной и азотно-
водяной плазменной резки литой слой со слабой травимостью не обнару-
жен. Однако структура металла вблизи поверхности реза характеризует-
ся такой же высокой твердостью и представляет собой отдельные участки
К4
Таблица 3.4. Результаты металлографических исследований среднелегированной стали толщиной 40 мм
К5
Продолжение табл. 3 4
тростомартснси га повышен-
ной травимости, сходные со
структурой, полученной пос-
ле кислородной резки.
Из табл. 3.4 следует, чго
на поверхности реза боль-
шинства образцов в литом
слое имеются мелкие трещи-
ны в виде надрывов, макси-
мальная глубина которых не
превышает 0,01 мм. Трещины
не обнаружены только в об-
разцах после ацетиленокис-
лородной и азотно-водяной
плазменной резки. По-види-
мому, это обьясняется мень-
шими скоростями охлажде-
ния кромок реза, так как
скорости резки при этих спо-
собах были более1 низкими
(см. табл. 3.3),
Трещины хорошо про-
сматриваются на микрошли-
фах с литым слоем слабой
травимости (рис 3.7), кото-
рый представляет собой
структуру повышенной твер-
дости и одновременно яв-
ляется относительно хруп-
ким. Трещины на поверх-
ности плазменного реза ис-
следуемой стали не сказа-
лись на снижении механи-
ческих свойств при растя-
жении образцов, вырезанных
плазменным способом, а
также при испытании образ-
цов на изгиб (поверхность
плазменного реза подверга-
лась растяжению). На ра-
стянутых участках с высо-
котвердым слоем произошел
откол этого слоя (см. рис.
3.29), при этом образцы не
разрушились при угле загиба
180
Кроме рассмотренных
структурных изменений и
твердости в литом участке
ЗТВ происходит также изме-
нение химического состава
металла. Литой участок вл и-
Рис. 3.7. Структура вблизи кромки плазменно! о
реза на среднелегированиой стали толщиной
40 мм. Х500: а — микрошлиф 0,5; 6—1,5;
в — 2,5; г — 3,6; д — 4,5 (см. табл. 3.4)
«7
нет h i 1Пср(>ч<>1ъиость поверхности реза. Снятые профилограммы пока-
зываю г, чго высота микронеровностей не больше, чем глубина литого
участка. Представляет интерес рассмотрение литого слоя для выяснения
причин образования на поверхности реза макрорельефа, а также изме-
нений химического состава металла при различных условиях плазменной
резки. Проведенные авторами и другими специалистами исследования
показали, что наибольшие изменения металл претерпевает в литом слое
ЗТВ. Изучение макро- и микрошлифов дает возможность утверждать,
что неровности поверхности в виде рисок и бороздок, характеризующие
макрорельеф поверхности реза разрезаемого металла, также появляются
в результате образования литого участка. Чем меньше глубина литого
участка ЗТВ, тем меньше шероховатость поверхности резов 117].
Природа образования шероховатости (бороздок) на поверхности тер-
мического реза не вполне ясна.
В процессе резки металл на фронтальной поверхности полости реза рас-
плавляется, окисляется и выносится из полости реза струей рабочего газа.
Часть расплавленного металла с фронтальной поверхности перемещается
на боковые кромки реза.
Можно предположить, чго удаление металла из полости реза и пере-
мещение на боковые кромки происходит нс равномерно, а порциями, т. е.
по мере его накопления на фронтальной поверхности полости реза. Удале-
нию и перемещению каждой порции металла, по-видимому, соответствует
образование одной бороздки. Величина объема порции удаляемого метал-
ла прежде всего зависит от коэффициента поверхностного натяжения этого
металла. Чем выше коэффициент, тем при всех равных условиях больше
объем удаляемой порции металла и меньше периодичность удалений этих
порций. Металл с меньшим коэффициентом поверхностного натяжения
более жидкотекуч, поэтому объем удаляемой порции при этом будет мень-
ше, а частота удалений порций металла увеличится. В первом случае ко-
личество бороздок на 1 см длины поверхности реза должно быть меньше, но
они должны быть глубже. Во втором случае, наоборот, их количество уве-
личится, а глубина уменьшится.
На практике можно наблюдать повышенную шероховатость кромок при
кислородной резке среднелегированных сталей, которые за счет легирую-
щих элементов имеют более высокий коэффициент поверхностного натяже-
ния по сравнению с мягкими сталями. Например, коэффициент поверх-
ностного натяжения железа составляет 1,22 Н/м, титана — 1,51 Н/м,
молибдена — 2,25 Н/м, вольфрама — 2,68 Н/м [77]. Соприкосновение
жидкого металла с газами и шлаками может изменить его поверх-
ностное натяжение. Например, кислород заметно снижает поверхностное
натяжение стали. Так, коэффициент поверхностного натяжения шлака
равен 0,3—0,4 Н/м. Поверхностное натяжение снижается также при повы-
шении температуры жидкого металла.
Авторы работы [5] на основании первоначальных исследований от-
мечают, что количество бороздок при кислородной резке на 1 см длины
реза (их частота) зависит от скорости резки. При увеличении последней
количество бороздок уменьшается. Однако более поздние исследования не
подтвердили такую зависимость. Кроме того, было установлено, что бороз-
1<>к у верхнего края значительно больше; они тоньше и расположены рав-
номернее, чем внизу. Из более чем 800 замеров, проведенных на различном
расстоянии от верхней кромки образцов при резке кислородом чистотой
99,5 % и 98,5 %, оценивалось качество поверхности выполненных розов.
Установлено, чго глубина бороздок практически нс зависит ог толщины
N8
разрезаемо! о Mvi i i iji н Увеличивается но напрлвленшо к нижнеи кромке
Глубин;! бороздок илхо'ппся в прямой зависимости от перпендикулярно
сги кромок, мотора я в свою очередь определяется чистотой кислорода,
составом горючего нма, ра шерами и формой пламени.
В работе |У’.)| 01мечаегся, что на возникновение бороздок и на их
величину оказывают влияние скорость резки, толщина металла, размер ка
нала внутреннего мундштука. Из всех принимавшихся во внимание фак-
торов наиболее сильное влияние на образование бороздок оказывает не-
равномерная скорость как при кислородном, так и при плазменном спосо-
бах резки. С помощью датчиков было установлено, что в практических ус-
ловиях неравномерность перемещения резака всегда имеет место. Даже
при перемещении резака с помощью специального пневмогидравлического
унифицированного устройства, снабженного центрирующим приспособ-
лением, не удалось полностью устранить нежелательную неравномерность.
Сигналы датчика колебаний скорости регистрировались светолучевым
осциллографом и записывались па пленку.
Механизм образования бороздок на поверхности термического реза
может быть следующим. В момент максимальной скорости струя кислоро-
да (или плазмы) находится на соответствующем участке минимальное
время и может снять минимальное количество металла, вследствие чего
образуется на поверхности реза выступ. Если же резак (плазмотрон) в
какой-то момент движется с минимальной скоростью (при средней опре-
деленной скорости резки), то на соответствующем участке реза он нахо-
дится максимально дли тельное время. В этом случае на поверхности реза
образуется впадина, т. е. частота бороздок соответствует частоте измене-
ния скорости резки в продольном направлении.
Механизмы возникновения бороздок при кислородной и плазменной
резке хотя и имеют сходство, однако при сравнении абсолютных изме-
ряемых значений обнаруживаются различия. При одной и той же амплиту-
ц1 скорости и частоте глубина бороздок при плазменной резке значитель-
но меньше, чем при кислородной. Изучение этих явлений производилось
при кислородной и плазменной резке стали толщиной 20 мм. Скорости
резки при обоих способах были одинаковыми и составляли пример-
но 6 мм/с. С помощью специального устройства резаку сообщали
щ данные модулированные колебания в направлении реза, опре-
деляемые амплитудой скорости и частотой, считая, что такие колебания
возникают при практических условиях резки. Анализируя форму кривых
(рис. 3.8), можно сделать вывод, что для обоих способов резки глубина
бороздок увеличивается с возрастанием амплитуды скорости и с уменьше-
нием ее частоты.
Установлено, что при плазменной резке амплитуды скоростей ниже
И) мм/с не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на образование
бороздок. Лишь при амплитудах скоростей, которые приблизительно на
порядок выше указанной характеристики кислородной резки, при плазмен-
ной резке появляются бороздки (рис. 3.8). В отличие от глубины бороздок
неровность (волнистость) поверхности при плазменной резке значительно
больше, чем при кислородной. Причина такого явления заключается в том,
чго плазменная струя теряет тепловую и кинетическую энергию по мере
продвижения к нижней кромке и в результате этого она снимает лишь не-
болыпое количество металла. Вследствие этого образующийся рез имеет V-
обрдзную форму.
Характер изменения рельефа поверхностей розов, выполненных различ-
ными способами в нракгнческнх условиях на углеродистой стали, показан
к»
Рис. 3,8. Глубина бороздок при кислородной (а) и при плазменной (6) резке в зави-
симости от амплитуды скорости и частоты:
-------1,5 Гц; — — 3 Гц; — — — 5 Гц
на рис. 3.9. Замеры шероховатости поверхности кромок производились на
длине трассы 15 мм.
Судя по характеру профилограмм, на стали толщиной 10 мм при воз-
душно- и воздушно-водяном плазменных способах резки бороздки на по-
верхности реза отсутствуют. Шероховатость поверхности резов прибли-
жается к шероховатости поверхности металла, обработанного фрезе-
рованием.
Резы на стали толщиной 16 мм при плазменном способе характеризуют-
ся волнистостью и отсутствием бороздок, при ацетиленокислородной резке
появляются бороздки, причем наблюдается постоянное и четкое чередова-
ние выступов и впадин. Особенно указанный макрорельеф проявляется
при ацетиленокислородной резке на стали толщиной 40 мм (/?>^70 мкм).
При воздушно-плазменной резке стали такой толщины наличие бороздок
слабо выражено, шероховатость поверхности реза R.30 мкм. Наличие
волнистости резов при плазменной резке можно объяснить, по-види-
мому, колебаниями плазменной струи. На образцах из алюминиево-
магниевого сплава зернистая структура обусловливает увеличение глу-
бины бороздок, которая может превышать 250 мкм. Зернистая структура
возникает, по-видимому, в результате кристаллизации сдвинутых жид-
ких частиц металла в процессе резки.
Профилограммы поверхностей резов, выполненных воздушно-плазмен-
ным, воздушно-водяным плазменным способами, а также аргоноводород-
ной плазмой, показаны на рис. 3.10.
Из рисунка следует, что при воздушно-плазменной резке алюминиево-
го сплава толщиной 30 мм шероховатость поверхности весьма значительна
и составляет /?-==! 50— 180 мкм. Такие значения шероховатости обуслов-
лены прежде всего налипанием частичек алюминиевого сплава и его
окислов. Четко выраженные бороздки отсутствуют. При аргоноводород-
ной плазменной резке шероховатость снизилась более чем в два раза и
стала равна = 704-80 мкм. На поверхности реза незначительное коли-
чество налипших частичек металла, бороздки заметно выражены, но
имеют плавный переход к выступам. При воздушно-водяной плазменной
резке на поверхности реза шероховатость несколько увеличилась и со-
ставила /?.=г=80-4-90 мкм. По сравнению с воздушно-плазменной рез-
кой налипание частичек металла почти отсутствует. По-видимому, сказа-
но
6 **10 мм, плазменный рез,
плазмаоЬраэующий газ-
воздух, Ур =33 мм/с
0^10 мм, плазменный рез,
плазмообразующий газ-
воздух*И^О, vp «= 33 мм/с
6—16 мм, плазменный рез,
плазмообразующий газ -
воздух * fyV, ур=25 мм/с
$*=16 мм, ацетиле некие до-
родный рез, vp*=8,2 мм/с
6—40 мм, плазменный рез
плазмообразующий газ-
воздух, vp—8,2 мм/с
8=40 мм, ацетиленокисло-
ровный рез, Ур = 5,8 мм/с

Фрезерованная
поверхность
Рис. 3.9. Характер изменения рельефов поверхностей резов в зависимости от толщины стали и способа
резки (горизонтальное увеличение • 8, а вертикальное — в 220 раз)
мм, плазменный рез,
плазмообразующий газ -
воздух, vp —15 мм/с
J=J? мм, плазменный рез,
плазмообразующий газ-
Аг +Н?, ир — /4 мм/с
6=30 мМ, плазменный рез,
плазмообразующий газ -
бозОух +НрО, vp= 18,2 мм/с
Рис. 3.10. Характер изменения рельефов поверхностей резов в зависимости от толщины алюминиевого
снлива и способа резки (горизонтальное увеличение в 8, а вертикальное — в 220 раз)
6—8 мм, плазменный рез,
плазмообразующий газ~
воздух +Н?О, Vp-=58 мм/с
лось ох.14ж ЫЮ1И<‘<’ ншкпшс поди на поверхность реза. С уменьшением
разрезаемой голнины алюминиевого сплава шероховатость поверхности
реза снижайся Гак. при воздушно-водяной плазменной резне на толщине
30 мм она составляла ft. =80-г 90 мкм, а на толщине 8 мм ft,= 404-50 мкм.
Вследствие взаимодействия газовой составляющей дуги или режущей
струи кислорота с расплавленным металлом, когда последний с фронта
оплавления перемещается в направлении, противоположном направлению
резки, происходит не только образование макрорельефа в виде бороздок
и рисок, но и интенсивное его окисление. Характер изменений и их распро-
странение в металле зависят от условий резки. Так, при резке кислородно-
плазменной дугой (как и при кислородно-флюсовой резке) сохраняется
общая тенденция к обеднению кромки хромом, титаном, марганцем, крем-
нием и обогащению ее никелем, что можно объяснить различной степенью
их сродства к кислороду.
В зависимости от состава плазмообразующей среды и марки разрезае-
мого металла степень изменения химического состава металла кромки реза
будет различной. В исследованиях, проведенных авторами работы [45],
изучалось влияние плазмообразующей среды на изменение химического
состава в кромке плазменного реза различных марок сталей. Хими-
ческий состав определялся методом локально-спектрального анализа.
По результатам исследований построены графики (рис. З.П), которые
позволяют оценить характер изменений химического состава в ЗТВ сталей
при воздушно-плазменной резке.
Анализ результатов исследований показал, что в сталях ВСтЗсп, 09Г2
происходит науглероживание кромки реза. Более резко процесс наугле-
роживания проявляется в сталях, имеющих в исходном состоянии повы-
шенное содержание углерода (ВСтЗсп). Очевидно, науглероживание кром-
ки реза, как отмечается в работе [89], является следствием избирательного
окисления железа. Установлено, что при малых концентрациях углерода
(до 0,3 %) упругость диссоциации окиси железа ниже, чем окиси углерода.
Следовательно, в этих условиях будут происходить преимущественное
окисление железа и относительное обогащение металла углеродом.
Поскольку с повышением содержания углероде! температура воспламе-
нения стали повышается, можно ожидать, что процесс резки высоко-
углеродистых сталей сдвигается в область более высоких температур, в
которых замедляется окисление железа или происходит преимуществен-
ное окисление углерода. Этим объясняется замедление процесса наугле-
роживания в ЗТВ плазменного реза высокомарганцовистой стали. Одно-
временно у исследуемых сталей наблюдается выгорание на кромках реза
(глубина до 0,01 0,02 мм) кремния, марганца и хрома, что связано с
большим, чем у железа, сродством этих элементов к кислороду.
Для исследования влияния плазмообразующего газа на химический
состав в кромках реза производилась плазменная резка стали 10ХСНД в
среде воздуха, кислорода и азота (рис. 3.12).
Характер изменений химического состава в кромках реза на стали
10ХСНД сохраняется; кроме того, отмечено обогащение кромок плазмен-
ного реза при кислородосодержащей плазме никелем и медью, что обьяс-
няется меньшим сродством этих элементов к кислороду, чем железа, при
данных условиях резки.
Необходимо отметить, что эти изменения при кислородно-плазменной
резке выражены более резко, чем при воздушно-плазменной.
При азотно-плазменной резке выгорание кремния и марганца можно
обвис нить гем, что столб плазменной дуги инжектировался в воздух из
из
Глубина распределения элементов от поверхности реза Вглубь ЗТВ,мм
Рис. 3.11. Изменение химического состава ЗТВ
плазменного реза в зависимости от марки стали:
а — ВСтЗсп, б — 09 Г2. ь — высокомарганцовистая
(толщина сталей 10 мм, воздушная плазма)
Глубина распределения элементов от
поверхности реза Вглубь ЗТВ, мм
атмосферы, который привел к окисле-
нию этих элементов. Одновременно
возросла концентрация вблизи по-
верхности реза меди и никеля, но
значительно меньше, чем при резке
с использованием воздуха и кисло-
рода.
Представляет интерес распреде-
ление элементов в кромках заготовок
при пакетной плазменной резке стали
СтЗсп [62]. Пакет собирался из
шести листов, толщина одного листа
3 мм, общая толщина пакета —
18 мм. Резка производилась воздуш-
ной плазмой. Для химического ана-
лиза снимали с кромки реза каждого
листа стружку на глубину 1 мм.
Результаты химического анализа по-
казали, что содержание элементов
по толщине пакета (первый — шестой лист) практически не изменилось,
наблюдаются незначительные увеличение среднего содержания углерода,
уменьшение марганца и кремния в металле исследуемого слоя по сравне-
нию с их со держанием в основном металле
♦и
Глубина распределения элементов от поверхности реза вглубь ЗТВ, мм
Рис. 3.12. Изменение химического состава ЗТВ плаз-
менного реза стали марки 10ХСНД толщиной 8 мм
в зависимости от плазмообразующей среды: а —
воздух; б — кислород: е — азот
Более точное представление о
ра сп ределе н и и ос но в н ы х эле ме нтов
в поверхностном слое кромки реза
было получено в результате рентге-
но-спектрального анализа. Основное
изменение химического состава про-
изошло в слое на глубине до 7—
10 мкм от поверхности, где резко
возросло содержание углерода от 0,2
до 0,7 % и понизилось содержание
марганца примерно с 0,3 до 0,2 %
и ниже.
Для нержавеющий сталей, свой-
ства которых значительно изменяют-
ся даже при относительно небольших
колебаниях химического состава,
поведение легирующих элементов на
поверхности реза после воздушно-
плазменной резки металла имеет
0)
поверхности реза вглубь ЗТВ, мм
первоочередное значение.
Плазменная резка (как и другие способы тепловой резки) сопровож-
дается процессами испарения и реакциями окисления металла и вызывает
его химическую неоднородность на поверхности реза. Для уменьшения

Таблица 3.5. Изменение химического состава металла в кромках ила > метки о реза
стали марки 12XI8HI0T
Плазмо- образующая среда Изменение химического содержания элементов на поверхности реза, %
Марганец Титан Хром Кремний Никель
Воздух С 1,5 на глу- бине 0,018 мм до 0,8—1.2 С 0,65 на глу- бине 0,02 мм до 0,15—0.4 С 19 на глу- бине 0.012 мм до 18,2—19 С 0,6 на глу- бине 0,012 мм до 0,45—0,6 С 9,5 на глу- бине 0,016 мм до 12 14
Воздух -Р про- пан-бутан С 1,5 на глу- бине 0,008 мм до 1.25— 1,4 С 0,65 на глу- бине 0,008 мм до 0,4 0,65 19 не изме- нил си С 0,6 на глу- бине 0,008 мм до 0,7 0,6 С 9.5 на глу- бине 0,008 мм до 8,5—9,5
потерь легирующих элементов необходимо уменьшение окислительного
потенциала плазмообразующего газа. С этой целью проводились иссле-
дования [84] влияния добавок к воздуху пропан-бутана на распределение
углерода, марганца, кремния, хрома, никеля и тигана на поверхности реза
стали 12Х18Н10Т толщиной 12 мм. Полученные результаты сравнивались
с данными обычной воздушно-плазменной резки; режимы резки: сила то-
ка — 200 А; напряжение — 130—150 В; расход воздуха — 60 л/мин, про-
пан-бутана—1,8—2,0 л/мин; скорость резки 1,2 м/мин. Изменение
химического состава от поверхности реза в глубь металла определяли на
микроанализаторе «Камека» MS-46 (табл. 3.5). Изменение на поверх-
ности реза содержания марганца, титана и хрома по сравнению с со-
держанием этих элементов в основном металле можно объяснить окисле-
нием. Увеличение содержания в прилегающей к резу зоне никеля, являю-
щегося слабоокисляемым элементом, происходит вследствие выгорания
других компонентов стали. Наибольшее обеднение химического состава
стали в кромке реза происходит в верхней ее части, т. е. в зоне погруже-
ния плазменной дуги, поэтому в табл. 3.5 приведены два числовых зна-
чения, характеризующих эти изменения.
Полученные данные подтверждают зависимость химической неоднород-
ности металла на поверхности реза в зависимости от состава плазмообра-
зующей среды. Небольшие добавки газообразных углеводородов к воздуху
способствуют значительному уменьшению потерь легирующих элементов
за счет подавления реакции окисления.
Влияние плазменной дуги на кромки реза показывает, что в результате
теплового нагрева вблизи кромки образуется ЗТВ, которая состоит из двух
характерных участков: внешнего литого и примыкающего к нему внутрен-
него участка, представляющего собой характерную структуру металла для
зоны перегрева с различным ростом зерна по мере уменьшения температу-
ры нагрева в направлении основного металла.
Вследствие больших скоростей нагрева и охлаждения при плазменной
резке сталей, достигающих вблизи кромки реза 2000 сС/с, науглеро-
живания поверхности кромки на этом участке образуется неравновесная
напряженная мартенситная структура с микротвердостью до 900 Н20 и
более, возникновение которой может привести к образованию микронадры-
вов и трещин в поверхностном литом слое.
В литом слое ЗТВ под воздействием плазмы происходит изменение хи-
мического состава элементов, входящих в основной металл; кроме того,
происходит насыщение металла кромки реза газами, например азотом,
что отрицательно сказывается на свариваемости этих кромок.
9b
3.2. Влияние- плазменного реза на качество
сварных швов
Детали, вырезанные плазмой, назависимо от способа резки по
периметру вблизи кромок имеют ЗТВ. Чем больше глубина этой зоны, тем
меньше возможность получить качественные сварные соединения при свар
кс. Выше было показано, что глубина ЗТВ зависит от скорости разрезае
мого металла. Чем меньше скорость резки, тем больше вводится тепла.
В связи с теплонасьпцением близ кол ежа тих участков металла, тепло
медленнее отводится от кромки реза, т. е. скорости охлаждения снижаются,
что приводит к перегреву металла, росту зерна и увеличению литой зоны.
Наибольшие изменения физико-химических свойств разрезаемого ме-
талла, как отмечалось выше, происходя г в литом слое.
Установлено, что литой слой в виде светлой полосы после плазменной
реши присутствует в кромках углеродистых, низколегированных и средне-
легированных сталей. На сталях высоколегированных такого слоя на по-
верхности кромки не наблюдается.
Зона термического влияния после плазменной резки в ща-три раза ни-
же, чем при кислородной. Тем не менее наличие литого слоя слабой трави-
мости на поверхности реза углеродистых и низколегированных сталей
затрудняет нормальный процесс сварки. О влиянии этого слоя на сварку
будет сказано ниже.
Зона термического влияния на нержавеющей стали после, плазменной
резки листов толщиной 30 мм не превышала 0,12 мм [104]. По данным ра-
боты [97] при резке стали типа 1Х18Н9 толщиной 18 мм эта зона была не
более 0,2 мм. В связи с этим для листов, которые после резки свариваются,
1акие величины зоны не имеют существенного значения, поскольку эга
юна при сварке будет переплавлена.
Уже отмечалось, что при плазменной резке меди в литом слое на кромке
(особенно в нижней ее части) в зависимости от условий резки могут обра-
ювываться шлаковые включения, рыхлоты, химические соединения в виде
шкиси меди. Указанные включения и образования, попадая в сварной шов,
снижают пластичность и прочность металла. При изготовлении ответствен-
ных конструкций из меди кромки деталей под сварку необходимо обраба-
швать механическим способом на глубину до 1,5 мм. Это тот слой, который
содержит кислородную эвтектику. Зона укрупненного зерна, полученная от
плазменной резки, не оказывает существенного влияния на качество свар-
ного шва. При определенных условиях плазменной резки, обеспечивающих
минимальную глубину литого слоя (высокие скорости резки, напряжение
на дуге и другие) , можно получить кромки резов, свободные от указанных
выше дефектов. В этих случаях механическая обработка кромок перед
сваркой не требуется.
При плазменной резке алюминиевых сплавов на поверхности кромки
образуется повышенная шероховатость (например, по сравнению со
сталью) в виде наклонных рисок и бороздок. Вследствие высоких темпе-
ратур, во много раз превышающих температуру плавления алюминия, на
поверхности кромок образуется окисленный слой литого металла, в кото-
ром могут быть микроскопические раковины, газовые и шлаковые включе-
ния в виде А12Оз, рыхлоты. Поверхностный слой расплава характеризует-
ся большой гигроскопичностью, что способствует загрязнению поверхности
и оказывает существенное влияние на свариваемость металла, вызывая в
сварных швах образование окисных пленок и микропорисгости. Однако
при оптимальных режимах резки и при соответствующих плазмообразую-
4 Ни 242
«7
'1 1 6 J и ц а 31 Химический состав алюминиевых сплавов и сварочной нроноломи
Алюминиевый Химический состав, %
сплав Си Ге Si Мп Mg Zn Cr Ti Zr Al
Основной металл А1—Zn —Mg 0,03 0,19 0,06 0,29 2,00 3,82 0.01 0,02 0.17 93,41
Основной металл 5083 0,19 0.08 0,68 4,26 0,04 0,20 0,01 — 94,54
Сварочная проволока, сплав А!—Mg—Zn 0,01 0,16 0,05 0,34 4,47 2,19 0,01 0,05 0,18 92.54
Сварочная проволо- ка 5183 0,01 0,11 0,05 0,72 4,60 0,01 0,11 0,01 — 94,38
щих средах, обеспечивающих высокие скорости резки и уменьшающих
налипание окисленного металла на поверхность резов, можно получить
кромки с минимальной толщиной окисной пленки. Глубина слоя изменен-
ной структуры может быть различной — от 0,2 до 4 мм [96, 104].
По данным некоторых исследователей, в слое, который оплавлен при
резке и не был удален струей газа, имеются поры водородного происхожде-
ния. Наличие такого слоя на кромках деталей, полученного в результате
влияния при плазменной резке аргоноводородной дуги, при сварке этих де-
талей приводит к пористости в швах. В связи с этим рекомендуется на дета-
лях, подлежащих сварке, удалять механическим путем слой металла с по-
вышенным содержанием водорода. Проведенные во ВНИИавтогенмаше
металлографические исследования на образцах из АМ-6Т толщиной 15 мм
подтверждают эти выводы. Резку образцов выполняли при силе тока
370 А, расходе газовой смеси 0,53 л/с. содержании водорода в смеси 24 %,
скорости резки 22 мм/с. Замеры, выполненные на микрошлифах, показали,
что по глубине литой слой изменялся от 0,44 до 1,2 мм. В этом литом слое
дендритного строения (преимущественно в нижней части реза) имелись га-
зовые пузыри. Наблюдалось также присутствие окисных пленок, парал-
лельных плоскости реза. Наличие газовых и окисных включений несомнен-
но оказывает отрицательное влияние на качество сварных швов. Однако
необходимо отметить, что в данном случае при большом токе, относитель-
но низкой скорости резки оплавленный слой оказался значительным, что и
привело к сильному окислению и газонасышению кромки реза.
При обеспечении высокого качества кромок плазменного реза и со-
ответствующей зачистке свариваемых поверхностей металлическим про-
волочным кругом сварка алюминиевых сплавов возможна без механи-
ческого удаления литого слоя. Это подтверждают исследования, приведен-
ные в работе [76]. В качестве образцов для сварки использовались листы
толщиной 9,5 мм двух различных химических составов и два состава
сварочной проволоки (табл. 3.6). Режимы вырезки образцов под сварку
даны в табл. 3.7.
Таблица 3.7. Режимы плазменной резки
Плазмообразующий газ Расход газа, л/с Сила тока, А Напряже- ние, В Скорость резки, мм/с
n2 Аг нэ
Аг 65%+Нг 35% — 0,3 0,17 180 60 30
90%+На 10% 0.83 — 0.08 270 160 21
ОН
Рис. 3.13. Поверхности рсзов на алюминиевых сплавах, полученные аргоноводородном (о) и азотно-
•ш юрод ной (б) плазмой
г1ля сравнения под сварку вырезались контрольные образцы механи-
ческим способом ? аналогичным скосом кромок как и после плазменной
резки.
Поверхность реза. полученная при использовании аргоноводородной
плазмы, более гладкая, чем при азотно-водородной (рис. 3.13). Наклонные
бороздки от резки более четкие и сильнее загнуты назад, гак как скорость
резки газом Аг — Н; почти на 50 % больше скорости резки газом Nq — Н?.
•’гепепь окисления и прилипания шлака для обоих способов резки отли-
чается незначительно. При исследовании микрошлифов установлено, что в
области верхней кромки поверхности реза и в центральной ее части расп-
лавленный слой очень тонкий и почти не обнаруживается. В нижней части
реза на алюминиевом сплаве Al -Zn— Mg при резке газом Аг — 1Ь обра-
тогся в литом слое раковины, причем их значительно больше, чем при
резке газом N.- II? (рис. 3.14). Предполагается, что причиной образова-
ния воздушных раковин является водород, который присутствует в той и
1,р\той плазмообразуюшей среде Так как в первом случае в составе плаз-
мы водорода больше, то, по-видимому, образуется и большее количество
раковин.
Величина зоны термического влияния при аргоноводородной плазмен-
ной резке оказалась меньше, чем при азотно-водородной. Это вызвано раз-
ницей режимов резки (табл. 3.7).
Вырезанные указанными способами образцы сваривались встык авто-
матической сваркой согласно* режимам, приведенным в табл. 3.8.
Сварка приводилась в аргоне плавящимся злекгродом (диаметр сва-
рочной проволоки 1,6 мм) спустя две-три недели после вырезки образцов.
При образовании сварного шва свариваемые кромки расплавлялись
и все поверхностные дефекты в виде мелких раковин, окисных пленок пере-
меняй в сварочную ванну и всплывали на поверхность.
Исследования поперечных макрошлифов показали, чго сварные швы с
обработкой кромок механической и плазменной резкой не имеют структур-
ных различий. Все сварные соединения имеют совершенную структуру без
воздушных раковин в металле шва. При репггеноконгриле было установ-
ило. что на отдельных образцах в корне шва именися мельчайшие но щупн
Г
99
Рис. 3.14. Зона термического влияния:
кромка азотноводородного реза
а — кромка аргоноводородного реза; и
ные раковины. Причиной их появления оказался недостаточный провар.
Валики с лицевой и обратной стороны (это видно было на шлифах) едва
сходились. При необходимом обеспечении провара в корне шва дефекты не
обнаруживались. Результаты механических испытаний сварных соедине-
ний рассмотрены в п. 3.4.
Плазменная резка с использованием окислительных плазмообразую-
щих сред обеспечивает более высокие скорости резки, чем аргоно- и азотно-
водородная плазма, поэтому ЗТВ уменьшается. Для получения хорошего
качества сварного шва необходимо обеспечить также достаточно гладкую
поверхность реза в 40—50 мкм.
В предыдущем разделе рассматривалось качество поверхности реза
на алюминиевых сплавах. Хорошее качество поверхности резов, близкое
по величине шероховатости кромок, наблюдалось при воздушно-водяной
плазменной резке (рис. 3.15).
Была произведена про-
га б л и ца 3.8. Режимы автоматической сварки
в аргоне плавящимся электродом
Основной металл Электродная проволока Число про- ходов Сила тока, А Напря- жение. В
AI—Zn- Mg Сплав Al— Mg—Zn 1 2 300 -320 22
Сплав 5083 Сплав 5183 1 2 310—330 300—330 22—23
Примечания: 1. Скорость сварки 10 мм/с. 2. Рас-
ход аргона 0,42 л/с.
верка свариваемости алюми-
ниевых сплавов с кромками,
которые были получены при
резке воз ду ш но - водяны м
плазменным способом. Об-
разцы из сплава АМг61 тол-
щиной 6 мм вырезались этим
способом. Перед сваркой
кромки тщательно зачища-
лись проволочной щеткой.
Сварка выполнялась ручным
аргонодуговым способом не-
плавящимся вольфрамовым
электродом с присадкой ос-
ню
Рис, 3.15. Поверхность резне на сплаве АМгб! толщиной 10 мм, выполненных воздушно-водяным
плазменным способом
но в но го металла. После первого прохода с обратной стороны стыка
производилась подрубка корня шва и его сварка вторым проходом.
При рентгеноконтроле в сварных швах дефектов не обнаружено. При
л’ом обеспечивалась необходимая прочность сварных соединений
(рис. 3.16).
Поскольку поверхность плазменного реза имеет неровности и достаточ-
но гигроскопична, она может легко загрязняться инородными частицами из
окружающей среды (консервирующими смазками, промывочными раство-
рами и пр.). На поверхности реза некоторых термоупрочненных сплавов
после двух-, трехнедельного вылеживания деталей могут образоваться
трещины [104]. Все это отрицательно сказывается на качестве сварного
шва, В связи с этим применять сварку деталей, вырезанных плазмен-
ным способом, следует весьма осмотрительно, до накопления соответствую-
щего опыта.
Применение плазменной резки углеродистых и низколегированных
сталей взамен кислородной газопламенной резки позволило существенно
повысить производительность обработки сталей за счет увеличения скорос-
ти резки; например, для сталей тощиной 5—20 мм — в 3 -10 раз. Внешне
обеспечивалось высокое качество кромок с уменьшением их шероховатости
Рис. 3.1«. Плоские обрамм из сплава АМгЬ! толщиной 6 мм после испытания на р.1»рыв
101
но сравнению с кислородной резкой. Наличие на кромках скос л не оказы-
вало существенного влияния на сварку. Основным недостатком некоторых
плазменных способов резки является го, что при сварке вырезанных дета-
лей в швах образуются поры. Особенно велика пористость сварных швов,
выполненных воздушно-плазменным способом на стали с относительно
малыми толщинами (5—14 мм); причем с уменьшением толщины коли-
чество пор в швах увеличивается.
Использование для резки азотной и аргоновой плазмы также приводит
к значительной пористости при последующей сварке вырезанных загото-
вок.
При исследовании влияния плазменного реза на образование пор в
сварных швах установлено, что причиной их образования является газо-
насыщение кромок деталей. Установлено также, что в основном происходит
газонасыщение металла литого поверхностного слоя, который отличается
на микрошлифах от других структурных составляющих слабой травимо-
стыо. Наибольшая глубина этого слоя в нижней части реза может дости-
гать 0,07 мм. Количество пор в сварных швах связывают с глубиной этой
зоны и содержанием в кромках азота.
Процесс порообразования в сварных швах происходит следующим
образом. При расплавлении свариваемых кромок содержащиеся в них газы
попадают в сварной шов, взаимодействуют с металлом шва и частично
растворяются в нем. Часть этих газов может выделиться из расплавлен-
ного металла в атмосферу. В процессе остывания и кристаллизации раство-
римость газов в металле шва уменьшается, избыточный газ выделяется
из объема расплавленного металла и концентрируется в отдельные пузырь-
ки, которые могут всплыть на поверхность сварочной ванны. При увеличе-
нии вязкости металла этот процесс становится затруднительным, поэтому
захваченные металлом пузырьки остаются в нем в виде газовых пор. В за-
висимости от условий процесса сварки поры могу г быть не только шаровид-
н ы м и, н о и в ыт я нут ы м и вертикально вверх. 11е кот о р ые из них м о гут сое ди -
няться с атмосферным воздухом, тогда их называют свищами (рис. 3.17).
В табл. 3.9 приведены результаты исследований порообразования в
зависимости от состава плазмы [14]. Сварка выполнялась встык полуав-
томатом под флюсом ОСЦ-45 проволокой Св-08А диаметром 2 мм. При
проведении опытов использовалась сталь марки 09Г2 толщиной 8 мм. Что-
бы исключить возможное влияние водорода на порообразование, кромки
реза зачищались от загрязнений, флюс прокаливался.
Из табл. 3.9 следует, что наибольшее количество пор получено при свар-
ке образцов, вырезанных аргоновой плазмой; причем повышенное порооб-
разование соответствует более глубокому литому слою. В случае использо-
вания кислорода при относительно низкой скорости резки такого слоя
'на кромке не обнаружено, норы в сварных швах этих образцов также от-
сутствуют. На связь процесса увеличения пористости при сварке с величи-
ной литого слоя плазменного реза указывают также авторы работ [18,
24,27,81].
Проведенными исследованиями установлено, что наличие азота в по-
верхностном слое плазменного реза всегда вызывает образование пор в
сварных швах. Присутствие азота определяли вакуум-плавлением струж-
ки, взятой с поверхности кромки реза па глубину до 0,5 мм. Установлено,
что большему содержанию азота в кромках соответствует увеличенное
количество нор в сварных швах, выполненных по этим кромках.
Интересно отметить,что количество пор в сварных швах зависит не толь-
ко от условий плазменной вырезки образцов, но и от условий их сварки.
102
Рис. 3.17. Сварной шов со свищами
Наибольшем? количество пор в сварных швах отмечается при автомати-
ческой сварке под флюсом. При сварке в углекислом газе количество пор
уменьшается, при ручной сварке электродом пор в сварных швах вообще
может не быть. Количество пор в сварных швах зависит также от режимов
сварки. Проведенные исследования показывают, что степень порообразо-
вания в сварных швах связана с расплавлением металла свариваемых кро-
мок и длительностью пребывания металла в расплавленном состоянии.
Пластины из стали марки ВСтЗсп толщиной 7 мм, длиной 500—800 мм,
вырезанные с использованием различных плазмообразующих сред, сва-
ривались встык автоматической сваркой вод слоем флюса марки ОСЦ-45
проволокой Св-08А диаметром 3 мм при силе тока 400 А, напряжении 30 В.
Скорость сварки изменяли от 0,56 то 1,96 мм/с. Сварка образцов выпол-
нялась односторонним швом, затем производился излом сваренной пробы
по осевой линии сварного шва. В изломе определялся процент металла (по
площади), пораженный порами (рис. 3.18). Пластины под сварку собира-
лись правой и левой кромками, чтобы обеспечить одинаковые условия для
всех исследуемых вариантов. На каждый вариант сваривалось не менее
Г а б л и ц а 3.9. Влияние кромок плазменного реза, выполненного различными плазмо-
образующими газами, на порообразование при сварке
1 (лазмо- обра чующий 1 аз Расход газа, л/с Сила чока, А Скорость резки мм /с Г губнна dитого слоя на кромке MV1 Результаты рентгеновского контроля
Воздух 1,25 250 2.5 0,04 Цепочка пор по всей длине шва
Кислород 2,86 250 3.1 Не определя- лась Цепочка пор на 1/4 всей дли- ны шва
Кислород 1,25 150 0,8 Не обнаружена Пор нет
Apr он 1,39 250 0,8 0,12 Цепочка свищей по всей дли- не шва
У глекислый газ 1,11 200 1,6 Не определя- лась Цепочка пор по всей длине шва
При Vi е ч «1 н И • При мехйпичесь .работы нконтрольных образцах норн он vicгпонал»
103
Рис. 3.18. Вид образовавшихся пор и свищей в сварном одностороннем шве. выполненном под
слоем флюса с глубиной провара (0,7 4-0,8) 6 (сталь ВСтЗсп, 6=7 мм)
Рис. 3.19. Зависимость порообразования в сварных
швах, выполненных под флюсом по кромкам плазмен-
ного резаг от скорости сварки; плазмообразующая
среда:
1 — воздух; 2 — кислород; 3 азот; 4 азот
(«0 %)+водород (20 %) (/о = 280 А, гр = 3,34 чм/с.
Q, = 1,33 л/с, сталь ВСтЗсп толщиной 7 мм)
Рис. 3.20. Зависимость образования пор при
сварке под флюсом верхних и последующих
заготовок пакета, вырезанных воз душ но-плаз-
менным способом:
1, 2. 3 - соответственно верхний, средний и
нижний листы, Гр = 16,6 мм/с; 4 — резка од-
ного листа, £|р=16,6 мм/с; 5— резка одного
листа, г'р —41,6 мм/с
трех — пяти проб. Исследования показали, что при сварке по кромкам
плазменного реза поры располагаются, как правило, по оси шва. Это свя-
зано с тем, что начало кристаллизации металла шва идет от нерасплав-
ленных кромок основного металла к оси шва. Образовавшиеся зародыши
пор постепенно перемещаются к середине шва, объединяются и создают
более крупные газовые полости.
Из графиков, приведенных на рис. 3.19, видно, что при сварке на повы-
шенной скорости 1,68- 1,96 мм/с количество пор, возникающих независи-
104
мо от гиазмообрялующсй среды, значительно меньше. Эго можно обьяс
нить тем, что при высоких скоростях сварки происходит незначительное про
плавление кромок стыке (менее половины толщины листа), т. е. только не
большая часть азота, находящаяся в кромках реза, попадает в сварной
шов. Кроме того, сварочная ванна сравнительно мала, пребывание металла
шва в жидком состоянии кратковременное. В связи с этим успевший раст-
вориться в жидкой металлической ванне азот (вследствие высоких скорос-
тей охлаждения) не успевает полностью выделиться и сконцентрироваться
в пузырьки.
При сварке со скоростью 0,56 мм/с также наблюдается некоторое сни-
жение пористости в сварных швах. В этом случае происходит значитель-
ное расплавление кромок и большая часть азота, находящаяся в кромках
реза, переходит в расплавленный металл шва. Но вследствие продолжи-
тельности пребывания металла шва в жидком состоянии значительная его
часть успевает выделиться из расплавленной ванны. Наибольшее количест-
во пор получено на промежуточных режимах сварки 0,84—1,4 мм/с.
Чтобы определить распределение азота в кромке по толщине листа,
адсорбировавшегося в процессе плазменной резки, и его влияние на ка
чество сварного шва, была выполнена пакетная резка из трех листов тол-
щиной по 7 мм. Оптимальная скорость резки пакета толщиной 21 мм из
условия получения хорошего качества кромок составляла 16,6 мм/с. После
разрезания пакета воздушно-плазменным способом производилась сварка
верхних, средних и нижних пластин между собой правыми и левыми кром-
ками. Результаты исследований приведены на диаграмме (рис. 3.20).
Наименьшее количество пор получено при сварке верхних пластин
(вариант /), наибольшее — при сварке нижних пластин (вариант J).
Чля сравнения была выполнена резка на той же скорости одного листа
толщиной 7 мм (вариант 4) и на оптимальной скорости для этой толщины
(вариант «5).
В целях исключения порообразования в сварных швах перед сваркой
образцы, вырезанные воздушно-плазменным способом, обрабатывались
наждачным кругом на глубину до 0,1 мм, другие образцы подвергались
термическому нагреву в печи до 600 °C с выдержкой при этой температуре
в течение часа.
Механическая обработка наждачным крутом позволила уменьшить ко-
личество пор в сварных швах по сравнению с исходным вариантом более
чем в пять раз. Положительное влияние также оказал нагрев образцов,
количество пор при этом уменьшилось в 12 раз. Однако для полной десор-
бции азота необходима более высокая температура нагрева кромок. Такой
нагрев (примерно до 800—1000 сС) нижней части кромок стыка обеспе-
чивается при сварке. При этом происходит полная дегазация металла
кромок, так как при выполнении обратного сварного шва поры в нем не
образуются.
Уменьшить порообразование в сварных швах можно за счет примене-
ния следующих технологических приемов:
связывания свободного азота в металле шва за счет применения нитри-
цюбразующих элементов (Al, Si, Ti, Zr, V и других), вводимых в металл
шва из электродной проволоки или за счет подлегирования флюсом;
увеличения объема ванны и длительности ее пребывания при высокой
температуре, например, за счет применения односторонней сварки с пол
ным проплавлением и обратным формированием шва;
уменьшения вязкости металла шва и его поверхностного натяжения
ш счет раскисления и применения флюсов с наименьшей вязкостью, с по-
нт
вишенным содержанием Сагг: при этом обеспечивается более свободный
выход азота из металлической ванны шва.
Влияние легирования металла сварного шва осуществлялось за счет
применения сварочных проволок различного состава. Однако существен-
ных результатов легирование металла шва в пределах допустимых норм
на порообразование при сварке простых сталей не дало. Применение вы-
соколегированных сварочных материалов исключает порообразование
в швах, однако оно нс является приемлемым, так как изменяет механичес-
кие свойства сварных соединений и нс соответствует общепринятым нор-
мам сварочной технологии. Односторонняя сварка заготовок после плаз-
менной резки кислородом на флюсовой подушке с обратным формирова-
нием шва обеспечила получение качественных сварных швов. При таком
способе можно получить сварные швы без пор, если заготовки вырезаны
воздушно-плазменным способом, но только на толщинах не менее 14 мм,
когда обеспечивается значительный объем сварочной ванны; при меньших
толщинах в швах образуются поры.
Уменьшение расплавления кромок и одновременное увеличение объема
наплавленного металла при выполнении первого прохода сварного шва
позволило снизить количество пор в сварочных швах на заготовках, выре-
занных воздушно-плазменной резкой, в пять-шесть раз по сравнению с
исходным вариантом, а на заготовках, вырезанных кислородной плазмой,
полностью исключить поры.
Уменьшение расплавления кромок достигалось за счет увеличения
свободного вылета электродной проволоки с 40 до 180 мм. При этом в
процессе сварки происходил автоподогрев сварочной проволоки, которая
имела температуру перед сварочной ванной примерно 400 -500 ЛС. В свя-
зи с этим проплавление кромок уменьшилось, а количество наплавлен-
ного металла увеличилось.
Экспериментальным путем установлено [78, 82], что при добавлении
небольшого количества водорода к плазмообразующему газу, например
к азоту, можно заметно уменьшить количество пор в сварных швах. Тот же
эффект достигается при добавлении небольшого количества воды в плазму,
например при резке воздухом [78], Вода в столбе дуги диссоциирует на
водород и кислород, частично испаряется, создавая избыточное давление
в зоне реза. Одновременно при повышении давления в зоне реза за счет
парообразования и создания водяной завесы исключается проникновение
дополнительных порций азота из атмосферы в полость реза.
Экспериментальные работы по плазменной резке с добавлением воды
и при последующей сварке проводились на стали марки ВСтЗсп толщиной
6, 8 и 10 мм. Вырезка образцов под сварку осуществлялась кислородом
и воздухом в сочетании с водой, диаметр внутреннего сопла 3 мм, наружно-
го (насадки) — 4 мм. Обход при вырезке образцов производился по часо-
вой стрелке (правая кромка) и против часовой стрелки (левая кромка).
Вырезанные образцы собирались встык правыми и левыми кромками и
сваривались между собой. Сварка выполнялась автоматическим способом
под флюсом ОСЦ-45, диаметр проволоки 4 мм, ток постоянный (обратной
полярности). Поскольку поры образуются только при выполнении первого
прохода сварного шва, а при выполнении второго — не образуются, о чем
упоминалось выше, для упрощения проведения экспериментов выполнялся
только один проход с лицевой стороны и после этого сварной стык раз-
рушался по оси шва. По наличию и структуре пор или ио их отсутствию
оценивались варианты технологии резки и сварки. Полученные результаты
•кспсрименталыиш проверки приведены в табл. 3.10.
Таблица 3.10. Влияние режимов плазменной резки и сварки на качество
сварных швов
107
Р»к. 3.21
шва
Схема сварною стыка г «в «пром в корне
На основании выполненных исследований установлено, что добавление
небольшого количества воды в столб плазменной дуги позволило резко
уменьшить газонасыщение кромок. При этом сварка деталей, вырезан-
ных по указанной технологии, может выполняться существующими спосо-
бами без ограничений согласно действующей технологической документа-
ции, за исключением малых толщин металла (менее 8 мм). Для указанных
толщин требуется корректировка режимов при автоматической сварке под
флюсом ОСЦ-45 в сторону их уменьшения. Величина проплавления ме-
талла при сварке первого шва не должна превышать 50—60 % толщины
металла.
Исследования показали также, что сварка деталей, вырезанных из тон-
колистовой стали толщиной 6 мм и меньшей кислородно-плазменной,
кислородно-водяной плазменной и воздушно-водяной плазменной резкой,
может выполняться кроме сварки под флюсом всеми другими приемлемы-
ми для данных толщин способами.
Некоторые предприятия, чтобы обеспечить необходимое качество свар-
ки под флюсом металла малых толщин, предварительно выполняют «бег-
лый» сварной шов полуавтоматической сваркой в СО?. Такая технология
также исключает образование пор в сварных швах при условии, если плаз-
менная резка деталей выполнялась одним из трех указанных способов,
обеспечивающих по сравнению с воздушной плазмой значительно меньшее
газонасыщение кромок.
Поскольку при снижении толщины металла, разрезаемого плазменным
способом, до 4—6 мм происходит увеличение пористости в сварных швах
и наиболее эффективные способы плазменной резки в направлении ми-
нимального газонасыщения кромок, такие, как кислородно-плазменная и
воздушно-водяная, нс. могут уменьшить газонасыщение кромок настолько,
чтобы исключить поры при сварке, вопрос о качестве сварных швов ре-
шается комплексно, т. е. за счет совершенствования технологии плазмен-
ной резки и технологии сварки.
Опытные работы в этом направлении выполнялись на Тюменском су-
достроительном заводе. Установлено положительное влияние зазора на
качество сварки. В том случае, когда расплавленная ванна формируемого
шва имеет выход с обратной стороны свариваемого соединения, поры в шве
отсутствуют (рис. 3.21). Вероятно, газ, выделившийся из расплавленных
кромок в сварочную ванну, под воздействием давления дуги вытесняет-
ся из жидкого металла через корень шва.
Для сварки вырезались образцы из стали марки ВСтЗсп толщиной 5 мм
двумя плазменными способами: кислородом в сочетании с водой и возду-
хом в сочетании с водой. Для упрощения сборки при обеспечении зазора
в корневой части стыка детали, которые имели после плазменной вы-
резки естественные скосы на кромках, собирались с предварительной кан-
товкой. I ак как обычный процесс в этом случае затруднен из-за постоян-
ных прожогов, сварка выполнялась на автомате ТС-17М-1, специально
приспособленном для сварки с поперечными колебаниями сварочной про-
волоки. Для сварки использовались флюс марки ЛН-348А, проволока
марки Св-08/k шаметром 2 мм, амплитуда колебаний электрода состав-
ляв 5 6 мм, час го г.। 4 5 колебаний в секунду. При этом значение
ЮН
сварочного row было увеличено но сравнению с обычными с мила pi
ними режимами примерно на 20 %. Первый шов выполнялся с попереч-
ными колебаниями, второй с обратной стороны — без колебаний и на
обычных режимах.
РенI генографический контроль показал отсутствие дефектов в сварных
швах. Все стыки (по 5 шт. на вариант) при 100 %-м рентгеноконтроле
оценены баллом 3.
Аналогичные исследования выполнялись для сталей толщиной 8
10 мм [56], при этом получены также удовлетворительные результаты.
Сварка по указанной выше технологии штатных конструкций в произ-
водственных условиях при толщине листов 5—6 мм дала положительные
результаты, В тех случаях, когда обеспечивались требования сборки и пра-
вильность настройки автомата на сварку, поры в сварных швах отсутство-
вали. Несоблюдение в корневой части зазора (необходимого раскрытия
кромок) приводило к образованию пор в сварных швах.
Следовательно, одним из условий получения сварных швов без пор
является наличие в корневой части стыка гарантированного зазора.
Как показали исследования, поры в сварных швах после плазменного
реза в среде воздуха могут быть не только на сталях толщиной до 14 мм,
но и при больших толщинах. Например, были обнаружены отдельные по-
ры диаметром 4- 5 мм на стали 091 2 толщиной 16 и 20 мм при двусторон-
ней сварке под. флюсом. Детали вырезались воздушно-плазменным спосо-
бом, причем внешне сварной шов выглядел качественным, с хорошим фор-
мированием металла.
Исследования качества поверхности реза применительно к условиям
•варки проводили также на стали толщиной 65 мм. Наличие газонасыще-
ния кромок после, воздушно-плазменной резки определялось методом нап-
1авки валиков автоматической сваркой в СО2 на поверхность реза: вверху
ио толщине листа, посредине и внизу. Исследуемые образны вырезались
при силе тока 380 А, скорости резки 5,8 мм/с.
После наплавки валики наполовину высоты сфрезеровывались. Таким
образом, было изготовлено восемь образцов. Наибольшее количество пор
оказалось в нижней наплавке, в средней — незначительные поры, в верх-
ней встречались отдельные поры и не на всех образцах. Размер пор не
более одного миллиметра. Для проверки возможного появления пор при
сварке деталей указанной толщины производилась сварка пластин из
этой стали по щелевой разделке на всю глубину стыка без скоса кромок
По центрх толшины пластин на стыкуемые кромки наплавлялись валики
электродами марки У ОНИ-13/45, затем эти пластины собирались меж-
ду собой. Ширина щели обеспечивалась в пределах 11— 12 мм. Сварка
образцов выполнялась автоматом с двух сторон поочередно. При рент-
геноконтроле дефектов в виде пор в сварных швах не обнаружено.
При осуществлении сварки деталей из листов толщиной 30 мм и выше,
как правило, предусматривают подготовку кромок под сварку, которую
обычно выполняют кислородной газоплазменной резкой, т. е. плазменный
рез срезается и не учавствует в металле шва. Однако была выполнена про-
верка влияния плазменного реза на качество шва. когда подготовка ско-
сов кромок под сварку выполнялась воздушно-плазменным способом. Для
этой цели использовалась среднелегированная сталь толщиной 40 мм
X- и V-образной подготовкой кромок с притуплением 6 мм. Сварка вы-
полнялась на режимах согласно технической документации с использова-
нием флюса марки АН-42 сварочной проволокой марки Св-08ГСМТ диа-
метром 5 мм. При рентгеноконтроле никаких дефектов в сварных швах
104
не обнаружено. полученный результат сварки оценивается в 3 балла.
Проведенные исследования показали, что поры в сварных швах,
выполненных по кромкам воздушно-плазменного реза па сталях толщиной
свыше 30 мм, не образуются, хотя газонасыщение кромок азотом имеет
место.
Анализ вышеизложенного показывает, что плазменный рез оказывает
большое влияние на свариваемость металлов и сплавов. Наибольшие
изменения физико-химических свойств разрезаемого металла происходят
в ли гом слое. Однако в зависимости о г состава металла, от его тол-
щины и режимов резки влияние плазменного реза проявляется по-разному.
На меди обеспечивается достаточно чистая поверхность реза, но в за-
висимости от режимов плазменной резки на поверхности реза (особенно
в нижней части) могут быть рыхлоты, возможно образование кислородной
эвтектики Си СтьО. Причем, если процесс кристаллизации идет в вос-
становительной среде, содержащей водород, то могут появиться микротре-
щины влитом слое, г. е. возникает «водородная болезнь» меди [77]. В свя-
зи с этим при сварке меди и ее сплавов необходимо сварочную ванну тща-
тельно раскислять еше в жидком состоянии с тем, чтобы в металле шва
и в зоне сплавления не появились трещины и поры.
На алюминиевых сплавах при плазменной резке на поверхности ли-
того слоя образуется окисная пленка АСОз. В нижней части реза вели-
чина литого слоя увеличивается и в нем могут образоваться микропоры.
Образование микрогюрисгости связывают с взаимодействием водорода
с расплавленным металлом. У высокопрочных термически обработанных
сплавов в литом слое иногда образуются ми крот ре шины, которые располо-
жены перпендикулярно к поверхности реза и направлены вдоль проката
листа. Наличие ми кроне ровностей на поверхности реза в виде наклонных
бороздок, налипаний отдельных частичек металла и рыхло! может при-
вести к загрязнению поверхности инородными частицами из окружающей
среды.
Одним из способов перехода к сварке по кромкам плазменного реза па
тех сплавах, на которых не образуются трещины, по-видимому, можно
считать совершенствование зачистки кромок перед сваркой с удалением
окисной пленки с поверхности реза.
На сталях ЗТВ от плазменного реза в два-три раза меньше, чем при
кислородной резке. В литом слое ЗТВ происходит газонасыщение металла,
причем глубина литого слоя, характеризующегося слабой трави мостыо
на микро шлифах, пропорциональна содержанию в нем азота и количеству
пор при сварке.
На высоколегированных сталях слой с низкой травимостыо отсутст-
вует, общая глубина ЗТВ в основном не превышает 0,6 мм. В связи с этим
плазменный рез не оказывает существенного влияния на сварку.
При плазменной резке низкоуглеродистых, низко- и среднелегирован-
ных сталей независимо от плазмообразующей среды в большей или мень-
шей степени происходит газонасыщение поверхности реза, причем эго
газонасыщение при сварке малых толщин проявляется больше, т. е. обра-
зуется большее количество пор. Количество пор в сварных швах зависит
также от способа и условий сварки.
Наименьшее газонасыщение кромок деталей получено при вырезке их
кислородной плазмой, воздушно-водяным и кислородно-водяным плазмен-
ными способами резки. При этих способах резки обеспечивается хорошее
качество сварных швов при сварке под флюсом с талей толщиной от 8 мм
и выше. Стали толщиной менее 8 мм для обеспечения качественных швов
ио
ДОЛЖНЫ СНгЦШШНМ Н Н«» ГПСЦИЛЛЫЮЙ ЧГЧНОЛО! им снарки с учсчом рЛССМС)!
репных в длнним рл vitvie приемов. Ня малых толщинах (4 6 мм) хоро-
шее качество швов можем быть достигнуто также при сварке ручным спосо-
бом и полуавтоматической сваркой в углекислом газе.
33. Причины газонасыщения кромок
и способы его уменьшения
Процессы плазменной резки, обусловленные выплавлением металл?!
мощным электродуговым разрядом, вызывают газонасыщение поверхнос-
ти кромок реза газами из атмосферы плазмы, которое связано с кинети-
кой их растворения при плазменных процессах. Исследования показали,
что насыщение кромок в процессе резки, например в воздушной плаз-
ме, происходит в основном азотом и кислородом.
Наибольшую опасность для сварных соединений, выполненных по
кромкам плазменного реза, представляет азот.
При плазменной резке в кромки детали азот может попадать двумя
путями: из плазмообразующей среды (в случае применения азота, воз-
духа или газовых смесей, содержащих азот) и из окружающей атмосферы
за счет инжекции в столб плазменной дуги атмосферного воздуха (в слу-
чае применения аргона, кислорода и других газов, не содержащих азот).
В зоне дугового разреза происходят диссоциация и ионизация азота.
В присутствии кислорода его способность проникать в металл в усло-
виях электродугового процесса увеличивается, при этом азот может окис-
ляться по реакции:
N2 + O2 2NO,
причем Д//° — разность энтальпий системы в результате прошетшей хими-
ческой реакции — составляет 90,37 кДж/моль.
Эндотермическое соединение NO при понижении температуры или окис-
ляется до NO^, или распадается вновь:
NO —> N + O.
Ароматный азот в момент своего выделения может растворяться в жид-
ком металле [77]. При исследовании газовых смесей азота с различными
газами (Аг, СО, СО2, Н2) также установлено, что введение кислорода
или кислородосодержащих газов (СО, СО2) при постоянной концентрации
азота в атмосфере дуги приводит к увеличению содержания N2 в наплав-
ленном металле [64]. Это явление исследователями обьясняется по-раз-
ному: образованием NO, активацией N2 в дуговом разряде в присутствии
О2> увеличением растворимости азота в железе при сварочных темпера-
турах в присутствии FeO, хорошей растворимостью окиси азота в жидкой
ванне металла, возрастанием электрического поглощения в катодном
(анодном) пятне. В работе [50] указывается, чго поглощение азота жид-
ким металлом происходит в молекулярном состоянии. Исследовалось пог-
лощение азота из плазмы расплавляемым карбонильным железом. При
расчете парциального давления учитывался кинетический напор плазмен-
ной струи.
В диапазонах малых парциальных давлений (PN2) содержание азота
в металле пропорционально \/PN2 и на порядок выше концентраций, опре
in
дечнсмыч nt ( Лычных равновесных данных. При малых н11рци.1льныч ыв-
дениях исследованная система подчиняется закону Си вертел. При до<in-
женин определенных значений концентрация азота при плавлении ме-
талла плазмотроном косвенного действия оказалась в 3,2, а прямого дейст-
вия — в 2,4 раза выше стандартной растворимости азота в жидком
железе.
Повышение установившейся концентрации азота над стандартной рас-
творимостью в два-три раза необходимо рассматривать как перенасыще-
ние Еше больше концентрация азота оказалась в кромках плазменного
реза сталей. При послойном определении концентрации азота спектрально-
эмиссионным методом установлено, что максимальное содержание азота
в кромке воздушно-плазменного реза в 50 раз больше, чем в исходном ме-
талле, и почти в десять раз превышает предел растворимости азота в ста-
ли [57]
По-видимому, условия плазменной резки сталей таковы, что насыщение
кромок происходит всеми возможными путями и способами. Существен-
ную роль в этих процессах играют при диссоциации атмосферы плазмен-
ной дуги ионно-молекулярные реакции с участием электронно-возбуж-
денных ионов.
Для более четкого представления процессов насыщения азотом кромок
плазменного реза рассмотрим характер взаимодействия и растворимость
его в железе при металлургических процессах, происходящих в равновес-
ном состоянии.
В жидком состоянии при атмосферном давлении железо поглощает азот
сравнительно слабо и, кроме того, помещенный азот при затвердевании
железа частично выделяется из металла [30, 55].
Азот с железом образует химические соединения: Fc.\ (6-фаза 11,2 %
ЕеА (приблизительно 6 % \2), FcigN- (Fe8N). Нитрид Fe2N можно
получить при температуре 150 3С. При повышении (емпературы происхо-
дит распадение этого нигрита и образуется нитрид Fe4N. Если темпера-
туру поднимать выше 550 °C, то наступает распад и этого нитрида.
Растворимость азота в чистом железе равна 0,044 % при температу-
ре 1600'С
Под влиянием азота область существования у-фазы сдвигается в сто-
рону более низких температур и перлитная точка оказывается уже при
температуре 585 °C
Максимальная растворимость азота в сс-железе примерно 0,1 %. Раст-
воримость азота в железе зависит от легирующих компонентов (30, 55, 64].
Углерод понижает растворимость азота в железе. В области аустенит-
ного состояния влияние углерода (до 0,8 %) на растворимость азота воз-
растает с повышением температуры. В железоуглеродистых расплавах,
отвечающих по химическим составам соединению Fe:%C(6,7 %С), азот
практически нс растворяется. Данные по влиянию кислорода - противоре-
чивы. По одним данным при содержании кислорода в железе 0,1 % раство-
римость азота при 1600 С в 1,5 раза меньше, чем в чистом железе. Но дру-
гим при тех же условиях кислород нс повлиял на растворимость азота.
Кремний так же, как и углерод, понижает растворимость азо га, но при
малых концентрациях он несколько ее увеличивает. Никель, кобальт, медь
в составе железа в зависимости от их содержания уменьшают раство-
римость азота.
Компоненты, образующие устойчивые нитриды (Мп, Cr, V, AI), уве-
личивают растворимость азота. Эти компоненты влияют на связывание
азота в сталях и тем самым уменьшают пористость в сварных швах.
Таблица 3.11 Содержание азота и кислорода в кромках плазменного реза в зависимости от плазмообразующей среды
Содержание газа, % Кислород о « о л ~ оо г v со (' iO ф СО о — о о о о с о” о o’ себе ' * 1 О & ОС' со о СС гГ тГ Г"- 04 С О О О О о <о с o’ О <О О о* с □ э => 1 0 4 5 СФ тг — СФ 04 ''4 X О -Т* — 04 — О — О О О О О О о' о' о о' о о* о 1 1 1 1 1 1 —’ X О гГ О X rF 00 оф — — —' О О О О О О О О О О о о о о о о
С X тГ 04 "ЧТ О О со 04 04 о о о о о о о оГ о £3 о о' 1 1 О ! 8 £ N X б О (£ Q Г- 04 — — О ООО о о О' о о о” о 0,010- 0,014 0,011- 0,015 0.009—0,010 0,007 --0,008 0.008 -0,009 0.008 0,008 ., ,
К К “Ktod HJ-JOlIXddE -OU 10 од 0,2 0,3 0,4 0,5 0,0 0,7 — С4 СО 5*-iO<DN о с о о о о о
Марка стали и Плазме- толщина oOpasywiunw металла, газ мм 09Г2 „ Кислород s= 10 мм Высоко- му рга в но- ви ст а я л=-8 мм Воздух
1 Содержание газа, % К недород ♦ — О LO Г" О сс о СП сф О 04 X Ю — О О О О О о 0'0000 0 0 II II X' — оооо — О Сф 04 OJ — 04 Сф О_ О О О- О О О о* сб о о о о" о тг ох Г'- ю О id сф о со — о о о О о с о О ООО 113 II X €4 z-f тг Ф4 rF тТ •О хГ Сф X 1Ф СФ О О О О О О о о" о о о7 о
Азот г О С О' — 04 X 04 —< — —’ о^ о о о о о” о- о — оГ ° о ' 1 о о | X СТ> X сб О о X —* о ООО о о ббб о о О О 04 ГГ rf ТГ 04 О X — — — О О О О О' o’ о о о о — о 1 1 1 । 8 1 X X X г* х Ж о OJ X TF О) —' —< — о о о о о оосГоо о'
wk ‘i?fcod нионхсЬи -он ю эинкоюзр^ —• 04 сф rF ьф X' N- о о o’ о о о o’ - С г- 1С х N о о о о о о о
Плазмо- образующий газ Воздух А зо1
Марка стали и толщина металла, мм 09Г2 s= 10 мм
В Зак Ж*
Во Л< > рол о ка з l। ий ст
по дожи I ел ыюе вЛия ние
на уменьшение содер
жания азота в распла-
вах [55,64]. Например,
пористость сварных
швов уменьшилась при
взаимном влиянии во-
дорода и азота. Пред-
полагается, что прои-
зошло образование
плохо растворимого в
жидкой стали газа •—
аммиака [69]. О по-
ложительном влиянии
водорода на уменьше-
ние пористости в на-
пл а вле ином металле
сообщается в работе
[82]. Проведенные ис-
следования по исполь-
зованию аргоно-, азот-
но-водородных смесей
при плазменной резке
также показывают на
снижение насыщения
кромок реза азотом.
В целях изучения
и уточнения распреде-
ления азота в кромках
плазменного реза в за-
висимости от приме-
няемых вариантов рез-
ки и состава стали вы-
полнено много исследо-
ваний. Применяемые
методы исследований
газов в поверхностном
слое образца, например
вакуум-плавлением, не
дают полного представ-
ления о распределении
этих газов по глубине
и на поверхности иссле-
дуемого образца [45,
80].
В табл. 3.11 приве-
дены результаты иссле-
дований авторов рабо-
ты [45] по влиянию
плазмообразующей сре-
ды на концентрацию
азота и кислорода в
из
кромках реза. Плазменная резка образцов из стали 09Г2 толщиной 10 мм
производилась воздухом, авотом и кислородом, а из высокомарганцовис-
гой стали толщиной 8 мм — воздухом. Содержание азота и кислорода в
кромках плазменного реза определялось методом вакуум-плавления.
Исследовался послойно металл, снятый с кромки в виде стружки с шагом
0,1 мм и на глубину 0,7 мм.
Из табл. 3.11 следует, что наибольшее количество азота на глубине до
0,1 мм присутствует в кромке азотного реза (около 0,13 %). При воздуш-
ной и кислородной плазме содержание азота оказалось примерно оди-
наковым. По данным работы [181] в кромках после кислородной плазмы
содержание азота значительно меньше, чем после воздушной.
Минимальное значение содержания кислорода получено при резке
азотной плазмой, максимальное — кислородной плазмой. Это вполне за-
кономерно, так как при резке в окислительной среде может происходить
насыщение металла кромки кислородом, который растворяется в стали.
В результате снижается способность железа адсорбировать азот [55].
В зависимости от состава стали количество азота в кромках реза из-
меняется. Из табл. 3.11 следует, что в поверхностном слое воздушно-
плазменного реза высокомарганцовистой стали количество азота оказа-
лось незначительным (0,015 %), т. е. в пять раз меньше, чем при тех же
условиях резки в стали марки 09Г2. Такое содержание азота в данной
марке стали можно объяснить, по-видимому, повышенным содержанием
поверхностно-активного углерода (0.45 %), который препятствует адсорб-
ции азота из газовой фазы плазмы в металл кромки реза. Уменьшение га-
зонасыщения кромок азотом при увеличении содержания углерода в раз-
резаемой стали отмечается также в работе [81].
Методы химического газового анализа и вакуум-плавления дают сред-
нюю концентрацию азота на глубину 0,1—0,2 мм порядка 0,3 % по массе
и весьма приближенное представление о его распределении в кромках.
Сотрудниками лаборатории спектрального анализа НИФИ ЛГУ был
предложен новый спектрально-изотопный метод определения газов в по-
верхностном слое металла с помощью оптического квантового генерато-
ра (ОКГ) [65]. Указанный метод выгодно отличается от других, при-
меняемых для решения тех же задач, так как при этом методе не требуется
применения эталонов, а также полного выделения и количественного опре-
деления исследуемого газа. Возможность получения с помощью ОКГ све-
товых пучков с большой переменной плотностью энергии обеспечивает
выделение исследуемого газа с поверхности образца.
Для анализа присутствия азота образцы толщиной 3—4 мм выреза-
лись из кромки плазменного реза параллельно поверхности реза. Распре-
деление азота по глубине от поверхности воздушно-плазменного реза опре-
делялось на образцах из стали марки ВСтЗсп толщиной 9 мм путем послой-
ного снятия металла с поверхности реза абразивным кругом на плоско-
шлифовальном станке с шагом 0,025 мм. Полученные результаты приведе-
ны на рис. 3.22. Оплавленное пятно на поверхности образца в момент
экстрагирования газа из металла в данном случае имело диаметр
около 4 мм, глубину в среднем не более 0,020 мм. Для осреднения
результата экстрагирование газа производилось с поверхности об-
разца несколькими импульсами ОКГ на различных участках. Концентра-
ция азота в поверхностном слое воздушно-плазменного реза оказалась
весьма значительной и достигала 8,7 %. Затем по глубине от поверхности
реза концентрация его резко снижалась до 0,005 % N; в основном металле.
Следовательно, в результате воздействия воздушно-плазменной дуги на
114
Расстояние от нижней кромки поверхности
реза, мм
Насыщенный поверхностный слой
Рис. 3.22. Распределение азота в глубину кромки
от поверхности реза (плазмообразующая среда
воздух, сталь ВСтЗсп толщиной 9 мм)
разрезаемый металл произошло на-
сыщение поверхностного слоя реза
азотом, содержание которого вблизи
поверхности реза на глубине до
0,020 мм возросло более, чем
в 1000 раз, по сравнению с содер-
жанием в основном металле. На-
пример, при азотировании в аммиаке
малоуглеродистой стали с содержа-
нием углерода 0,12 % в течение 30 ч
при температуре 680 °C количество
азота в ней не превышало 6,9 %
[30]. Причем азот был химически
связан в нитрид Fe4N. В случае плаз-
менного насыщения азотом кромки
реза при металлографических ис-
следованиях нитридов вблизи по-
верхности кромок не обнаружено,
отличался слабой травимостью и имел
высокую микротвердоегь (см. п. 3.1). В исследованиях К- В. Васильева
и других авторов также указывается на отсутствие нитритов в кромке плаз-
менного реза. По-видимому, азот в связи с высоким градиентом температур
при плазменной резке вблизи поверхности реза (1000—2000 °C) не успе-
вает прореагировать с железом и образовать нитрид [67]. В этом случае
в результате огромных перепадов температур образуется неравновесная
структура металла, в которой не успели произойти до конца необходимые
термические превращения. Можно предположить, что азот в поверхност-
ном слое кромки находится в виде перенасыщенного раствора, для об-
разования которого при плазменной резке создаются благоприятные
условия. Интенсивный отвод тепла от поверхностного слоя плазменного
реза (литого слоя), создавая кратковременное воздействие азота на
металл и способствуя его «заклиниванию», исключает обратный процесс —
десорбцию азота. Кратковременным воздействием азота на кромку детали
можно также объяснить незначительную глубину его проникновения.
Например, при азотировании глубина проникновения при концентрации
азота до 0,5 % составляет примерно 0,3—0,35 мм. В данном случае от
воздействия плазменной дуги глубина проникновения азота при той же
концентрации составляет 0,025—0,030 мм, т. е. примерно на порядок
ниже. На рис. 3.23 показаны влияние азота и его содержание в зави-
симости от марки стали (плазмообразующая среда — воздух). Экстра-
гирование азота с поверхности образцов производилось более сконцент-
рированным лазерным лучом на глубину до 0,03 мм, поэтому абсолютное
значение содержания его на поверхности выполненных резов оказалось
ниже.
Содержание азота определялось в левых кромках реза локально: по
нижнему уровню ближе к нижней поверхности листа, в середине и но верх-
нему уровню ближе к верхней поверхности листа. Диаметр пятна рас-
плавления от лазерного луча составлял 1,6 мм.
При сравнении полученных результатов на марках стали ВСтЗсп, 09Г2,
10ХС11Д, блиших по толщине и по режимам воздушно-плазменной резки.
Рис. 3.23. Распределение азо га на поверхности реза в направлении от нижней кром-
ки в верхней в зависимости от состава сталей (плазмообразующий газ - воздух):
/ - ВСтЗсп. 9 мм; 2— ВСтЗсп, 16 мм; 3 09Г2, 12 мм; / 10ХСНД, 8 мм
можно заметить, что разница в содержании азота в кромках не очень ве-
лика. Почти во всех случаях азота больше в нижней части кромки роза.
Особенно это заметно на стали марки ВСтЗсп толщиной 9 мм. Среднее со-
держание азота в этой стали на поверхности реза оказалось в 1.5 раза
выше, чем у других сталей.
Повышенное содержание азота на нижней кромке реза можно объяс-
нить наличием увеличенной литой зоны, о которой более подробно ска-
зано в п. 3.1.
Сравнивая две толщины 9 и 16 мм одной марки стали ВСтЗсп, можно
заметить существенную разницу по содержанию азота. В кромках образ-
цов из стали толщиной 9 мм среднее содержание азота 2,68 %, а в стали
толщиной 16 мм азота оказалось 0,71, т. с почти в четыре раза меньше.
Причина снижения газонасыщения кромок азотом при увеличении раз-
резаемой толщины может быть объяснена термическим циклом плаз-
менной резки. При увеличении толщины разрезаемого металла скорость
резки заметно снижается. Если при толщине 9 мм скорость резки достигает
11 мм/с, то при толщине 16 мм она составляет 21,6 мм/с; при этом тепла
на единицу длины реза вводится почти вдвое больше. В связи с этим охлаж-
дение кромок при толщине металла 16 мм более медленное, и более дли-
тельное пребывание металла при высокой температуре способствует вы-
делению части азота из поверхностного слоя реза. На увеличение разогре-
ва кромок при меньших скоростях резки указывает повышенная ЗТВ
(см. и. 3.1).
Поскольку плазменная дуга в осевой плоскости, перпендикулярной к
направлению реза, в плазмотронах с тангенциальной подачей газа не яв-
ляется симметричной, то се термическое влияние на кромки реза (правую и
левую) различно. При правом завихрении газа больше тепла вы селяется
на правой кромке.
Учитывая вышеизложенное, газонасыщение правой кромки должно
быть меньше. Некоторые исследователи [571 считают, что, наоборот, газо-
насыщение меньше в левой кромке.
Результаты исследований показывают, что изменение ЗТВ и литого
слоя чиой зоны в Ириной и левой кромках отличается очень мало В связи
116
Рис. 3*24. Содержание азота в левой (J7) и правой (/7) кромках по толщине листа в зависимости <
длины столба дуги h (сталь ВСтЗсп, толщина 9 мм): о — h = 8 мм; 6 й = 12 мм; б — Л—15
с этим были проведены дополнительные исследования кромок реза в отно-
шении насыщения их азотом.
Экспериментальным путем установлено, что содержание азота может
быть больше в левой или правой кромке, но в большинстве случаев оно
оказалось больше в левой кромке реза. На графиках (рис. 3.24) приве-
дены результаты исследований содержания азота по толщине листа в ле-
вой (Л) и правой (Г/) кромках в зависимости от длины столба дуги (от соп-
ла до поверхности разрезаемого листа). При длине дуги 8 мм примерно в
3,5 раза больше азота оказалось в правой кромке, чем в левой, причем,
в правой кромке по толщине содержание азота резко убывает от нижней
кромки к верхней, в то время как в левой — это изменение незначительное.
При увеличении длины дуги до 12 мм произошло увеличение азота в ле-
вой кромке, но характер распределения его по толщине мало изменился.
В то же время общее содержание азота в правой кромке уменьшилось при
сохранении убывающего распределения его от нижней кромки реза к верх-
ней. Среднее количество азота в кромках при длине дуги 12 мм оказалось
больше в левой кромке (2.34 %Ns), чем в правой (1,63 %Ns).
При увеличении длины столба дуги до 15 мм среднее количество азота
возросло в правой кромке до 2,83, в левой - до 3.81 % за счет увеличения
его в основном в нижней части реза.
На основании рассмотренных результатов исследований можно сделать
вывод, что насыщение азотом происходит в правой и левой кромках, при-
чем в больших количествах. В зависимости от длины дуги содержание его
в кромках может изменяться. На распределение азота и общее его содер-
жание может влиять много различных факторов; причем тех же, кото-
рые влияют на образование и размеры литого слоя со слабой травимостью
(см, п. 3. 1). Могут оказывать влияние и некоторые другие факторы (влаж-
ность воздуха, форма столба дуги, состояние разрезаемого металла, токо-
подвод к разрезаемому листу по отношению к резу и др.).
Уже отмечалось, что положительное влияние на десорбцию азота ока-
зывает водород, находящийся в составе плазмообразующего газа или
получаемый при разложении воды в столбе плазменной дуги.
117
На основании своих исследований А. Н. Морозов в работе |Л5| пока-
зал, что присутствие водорода в окружающей среде ускоряет выделение
азота из железа в интервале температур 750—900 °C. Это может быть свя-
зано с восстановительным действием водорода, так как пленка окислов
на поверхности железа замедляет и поглощение, и десорбцию азота. Отме-
чается также, что в сравнимых условиях скорость поглощения азота жид-
ким железом и сталью, как и скорость его десорбции, значительно ниже,
чем водорода. На основании экспериментальных данных установлено, что
численное значение, коэффициента скорости массопереноса азота в жидком
железе и его сплавах было в четыре — шесть раз меньше, чем водорода.
По-видимому, в условиях плазменной резки с высокой кинетикой происхо-
дящих процессов и с учетом проникающей способности водорода разница
в массопереносе азота и водорода должна увеличиться и влияние водо-
рода на десорбцию азога — возрасти.
Согласно данным работы [55] равномерность распределения атомов
азога (и углерода) в феррите нарушается ввиду несовершенств его крис-
таллической решетки, к которому относятся дислокации. Вокруг дислока-
ций образуются области с повышенной концентрацией растворенных ато-
мов азота, которые перемещаются в дефектные участки, где создаются
энергетически более выгодные условия для их размещения. Растворимость
азота увеличивается в деформированно-напряженном слое стали.
Учитывая изложенное, можно предположить, что благодаря высокой
подвижности и проникающей способности водорода в процессе воздейст-
вия на металл плазменной дуги дефектные участки металла (дислокации,
микронеровности, трещины и другие) на поверхности реза заполняются
атомами водорода, препятствуя проникновению менее подвижных атомов
азота. Благодаря той же высокой подвижности атомов водорода в процес-
се понижения температуры металла происходит его десорбция из поверх-
ностного слоя кромки реза.
В исследованиях многих авторов сообщается о положительном влиянии
кислородной плазмы на снижение содержания азота в кромках реза за
счет уменьшения литого слоя на поверхности реза, т. е. при этом происхо-
дит так называемый «смыв-процесс». Кроме этого, кислород образует на
поверхности жидкого металла шлаковую пленку, которая уменьшает ско-
рость поглощения азота. Растворенный в стали кислород также снижает
скорость адсорбции азота жидким железом [55].
НК
Глава 4
ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ
4.1. 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 ка-
чеством изделия понимается совокупность его свойств, получаемая в ре-
зультате изготовления, которая позволяет использовать изделие по его
назначению в процессе эксплуатации или при осуществлении других тех-
нологических процессов. Качество характеризуется значениями ряда ко-
личественных показателей; оно снижается по мере увеличения отклоне-
ний 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 абсолют-
ными или относительными величинами отклонений от номинальных зна-
чений показателей качества.
Показателями качества детали, вырезанной плазменной и другими
способами тепловой резки, являются значения линейных угловых разме-
ров. характеризующих ее габариты и форму, а также параметры, характе-
ризующие свойства .металла, из которого изготовлена деталь. Отклоне-
ния от номинальных значений размеров приводят к появлению дополни-
тельных 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. нссва-
риваемых кромок. Отклонения от номинальных значений показателей ка-
чества возникают вследствие воздействия погрешностей, которые можно
подразделять на три основные группы: погрешности программы и програм-
моносителя; погрешности работы машины; отклонения, возникающие при
выполнении технологического процесса.
Производительность процесса плазменной резки предопределяется ско-
ростью резки, а экономичность — затратами на электроэнергию, плазмо-
образующие газы, электроды и другие технологические материалы и за-
пасные части, а также затратами на оборудование и величину аморти-
зационных отчислений.
Все параметры технологического процесса плазменной резки, т. е. точ-
ность, производительность и экономичность, связаны также со свойства-
ми и толщиной разрезаемого металла. Оптимальные значения перечислен-
ных параметров определяются режимами резки, которые обусловливаются
выполнением серии исследований по резке металла каждой марки и тол-
щины. 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, ('ле-
тует отметить, что выбор плазмообразующей среды должен производиться
в зависимости от свойств и толщины обрабатываемого металла, исходя.
119
с одной стороны, из условия обеспечения нужной производительности
резки, а с другой. - минимального отрицательного воздействия процесса
резки на форму поверхности роза, свойства и структуру металла в ЗТВ.
Важнейшим параметром, определяющим производительность процесса
плазменной резки, является скорость резки.
К- В. Васильевым предложено уравнение для расчетной оценки ско-
рости плазменной резки, основанное на учете составляющих энергетичес-
кого баланса и на допущении, что жидкий металл, находящийся при тем-
пературе плавления, сдувается потоком плазмы с кромок разрезаемого
металла. В таком случае скорость резки v металла толщиной .<? и плот-
ностью у при образовании полости реза шириной /z, при тепловом воздейс-
твии дуги напряжением U и силе тока / определяется выражением
0,24 / О'п —
у/is \Q ’
(4.1)
где т| эффективный КПД дуги; AQ - приращение теплосодержания ме
талла; дт — интенсивность теплопередачи в металл.
Анализ выражения (4.1) позволяет выявить некоторые общие техноло-
гические закономерности процесса плазменной резки [3].
Первая закономерность — скорость плазменной резки — предопреде-
ляется мощностью дуги. В этом коренное отличие и преимущество плаз-
менной резки по производительности по отношению к кислородной резке,
скорость которой связана прежде всего с кинетикой химических превра-
щений. 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 мощ-
ности дуги и обратно пропорциональна толщине и плотности разрезае-
мого металла.
Третья — мощность режущей дуги 0,24/(А] — должна быть больше
или равна некоторой критической величине, при которой обеспечивается
проплавление металла определенной толщины с учетом потерь qm от теп-
лоотвода в разрезаемый лист. При прочих равных условиях с увеличением
скорости резки в определенный момент времени может прекратиться сквоз-
ное прорезание металла.
Четвертая — обе составляющих мощности режущей дуги (сила гока
и напряжение) — не. равноценны по интенсивности влияния на скорость
резки. Установление 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 напряже-
ния 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 разре-
заемого металла: теплопроводностью А, теплоемкостью С, скрытой тепло-
той плавления д, плотностью у, температурой плавления Гпл и скоростью
резки v для двух различных металлов характеризуется выражением [7j
[Ci(7iM| — 7'о) +<?l] +Л1Л= U2?2 | 6J2 ( 7 пл 2—Л)) +<?2] +^2^2,
где 7*о — начальная температура листа перед резкой.
120
ГН п|н< n,i tvniciо выражения можно получить пычсние скорости
viYi |Ci (/ Mt у и) Э 1 А*
Ys I С'г (7 । л г / о) 4" уч] 4* Аг/ 2
(4.2)
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 фак-
торов: диаметра сопла, величинами тока и скорости резки, составом
и расходом плазмообразующего газа, расстоянием от нижнего среза
сопла до поверхности разрезаемого металла. Наибольшее влияние оказы-
вает диаметр сопла, определяющий сечение столба режущей дуги. В пер-
вом приближении ширину реза по верхней кромке можно принимать рав-
ной 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, гак как анодное пятно нахо-
дится 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 разрезаемо-
го листа образуются наплывы грата, прочно сцепленного с металлом.
Применение кислородосодержаших смесей приводит к заметному уве-
личению скорости при резке малоуглеродистых и низколегированных ста-
лей и почти не сказывается при резке алюминиевых сплавов и нержавею-
щих 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 чрез-
мерный расход смеси нецелесообразен, так как на ее нагрев затрачивает-
ся энергия и при большом ее расходе скорость резки понижается. Кроме
того, очень большой расход может привести к переохлаждению электро-
да и к прекращению процесса резки. В связи с этим при разработке
режима резки обычно экспериментально определяют минимальное коли-
чество плазмообразующей смеси, при котором процесс резки протекает без
двойного дугообразовапия.
При двойном дутообразовании вместо нормальной дуги, горящей меж-
ду 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 плаз-
мы, и длительной, когда образовавшаяся дуга горит устойчиво. Оба вида
двойной туги недопустимы. В первом случае происходит постепенное разруше-
ние стенок сопла, так как каждое кратковременное замыкание столба
дуги на сгеику сопла вызывает расплавление какого-то участка поверх-
ности сопла и образование на ней небольшого кратера. Во втором случае
за несколько секунд сопло оплавляется настолько, что дальнейшая эксплуа-
тация его становится невозможной. При этом обычно поврем цпотся и
други** цчллн ргыка.
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 боль-
шей неперпендикулярности реза. В то же время глубина ЗТВ и деформа-
ция 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 пре-
дельным 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 точ-
ности 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 вели-
чинам показателей.
Данная система показателей точности резки и качества поверхности
положена в основу ГОСТ 14792—80.
В заключение следует отметить, что систему приспособление — инстру-
мент — деталь (СПИД) в применении к плазменной резке можно предста-
вить следующим образом. Приспособление - это резак в целом, генери-
рующий 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 ко-
торой, характеризующие ее размеры и форму, имеют существенное зна-
чение для обеспечения качества плазменной резки. Инструмент — это
обжатая плазменная дуга, на проникающую и режущую способность кото-
рой оказывают влияние состав плазмообразующей среды, сила и напряже-
ние тока, расстояние от нижнего среза сопла до поверхности разрезаемого
металла и много других факторов. Деталь — это разрезаемый металл, при-
рода которого и толщина влияют на качество и производительность плаз-
менной резки.
При идеальном режиме резки все перечисленные параметры должны
иметь сбалансированные номинальные значения, обеспечивающие макси-
мальную 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 воз-
действием 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 метал-
ла изменяется в пределах, обеспечиваемых стабилизатором; состав плаз-
мообразующей среды непостоянен, и ее характеристики изменяются под
воздействием температуры; сила тока и напряжение постоянно колеб-
лются и т. п.
Под воздействием перечисленных и других случайных факторов, кото-
рые в совокупности влияют на все составляющие режима резки, реаль-
ный режим имеет отклонения от идеального в значительных пределах.
122
Если в экспериментальных условиях удалось получить отклонения В !1|М*
делах zhB % [3], то в реальных они будут значительно больше. В связи
с этим выявленные выше технологические закономерности, которые досто-
верны для идеальных условий, могут иметь отклонения в реальных уело
виях реализации процесса плазменной резки на производстве
4.2. Точность плазменной резки
Совокупность факторов, отрицательно влияющих на качество ме-
талла кромки, и способы уменьшения их воздействия подробно рассмот
рены в предыдущей главе. Ниже рассматриваются требования к точнос-
ти, регламентируемые ГОСТ 14792— 80, а также результаты исследований
фактической точности плазменной резки и влияние на нее различных
факторов.
На рис. 4.1 штриховой линией! изображен номинальный контур детали,
заданный по чертежу, который необходимо вырезать плазменной резкой,
а сплошной — фактический контур, который может получиться в резулЬ'
тате резки. Можно видеть, что возможны следующие отклонения от задан-
ных размеров и формы: АЛ, АВ, AC, AD— отклонения габаритных раз-
меров от заданных номинальных значений; AfAAfAfc, AfD — отклонения
от заданной формы кромок. В частном случае — это отклонение от прямо-
линейности, т. с. непрямолинейность. При этом отклонение АЛ от номиналь-
ного размера Л включает в себя и изменение размера, вызванное пере-
косом кромки D.
Кроме перечисленных, имеют место отклонения от заданного взаимно-
го расположения кромок в виде перекоса кромок по отношению к другим
кромкам или по отношению к базовой, отклонения поверхности детали
от плоскости, иеперпендикулярность плоскости реза к поверхности детали,
неплоскостность поверхности реза, а также отклонения от заданных разме-
ров и формы фасок под сварку, отклонения от заданных размеров и формы
вырезов.
Допускаемые величины отклонений регламентируются ГОСТ 14792—80
«Детали и заготовки, вырезаемые кислородной и плазменно-дуговой рез-
кой. Точность, качество поверхности реза». Этот стандарт распространяет-
ся только на детали и заготовки, вырезаемые механизированной кислород-
ной и плазменной резкой из листовой стали различных типов: низкоугле-
родистой, низколегированной, высоколеги-
рованной коррозионно-стойкой, жаростой-
кой и жаропрочной, а также на детали
из листов алюминия и его сплавов. Пре-
делы толщин от 5 до 100 мм для кисло-
родной резки и от 5 до 60 мм — для плаз-
менной. Стандартом предусмотрены три
класса точности для деталей и заготовок
одинаковых размеров.
Как показали исследования, резуль-
таты которых приведены ниже, требова-
ния первого и второго классов точности
обеспечиваются при использовании пор-
тальных машин с цифровым программным
Рис. 4.1. Схема отклонений размеров н формы реальной
детали от номинальных размеров
123
Таблица 4.1. Допускаемые отклонения размеров деталей от номинальных, установленные
ГОСТ 14792—80
| Класс • точности Способ резки Толщина листа, мм Предельные отклонения при номинальных размерах детали или заготовки, мм
До 500 Cr. 500 до 1500 Св 1500 до 2500 Св. 2500 до 5000
1 Плазменная и кислороц- ная 5—30 31—60 ~+~ 1.0 ±1.5 ±2.0 ±2,5
Кислородная 61- 100 V1 .5 ±2,0 ±2,5 ±3,0
2 Плазменная и кислород- ная 5—30 31- 60 ±2.0 ± 2,5 i 1Q. °. СО ТО + т! [ ±3,0 ± 3.5 ю о со' +I-H
Кислородная 61 -100 ±3.0 ±3,5 ±4.0 ±4.5
3 Плазменная и кислород- ная 5—30 31—60 ~т 3,ь ±4,0 с СО +1+1 о ю Т л -+ м* +1+1 + + О сл
Кислородная 61 -100 ± 4,5 ±4,5 ±5,0 ±5,5
управлением при условии принятия мер для поддержания точности их
работы на уровне, указанном в паспорте машины. Точность по второму и
третьему классам обеспечивается машинами с фотоэлектронным управле-
нием при условии обеспечения требуемой точности изготовления копирчер-
тежей не менее ±1,0 мм. Значениями допусков третьего класса точности
можно руководствоваться для деталей, вырезаемых переносными маши-
нами и ручными резаками.
В табл. 4.1 приведены нормы допускаемых отклонений от номинальных
размеров при плазменной резке, установленные ГОСТ 14792- 80. Допус-
каемые отклонения от прямолинейности определяются как половина до-
пуска на размер.
В табл. 4.2 даны нормы допускаемых отклонений на неперпендикуляр-
ность кромок в зависимости от толщины разрезаемого металла. Для обес-
печения указанных допусков при плазменной резке необходимо руковод-
ствоваться технологическими рекомендациями, приведенными в третьей
главе, и отработанными режимами резки.
В табл. 4.3 приведены нормы на шероховатость поверхности реза. При
этом указывается, что допускаются отдельные неровности, превышающие
приведенные нормы шероховатости.
В табл. 4.4 даны нормы на ширину зоны термического влияния, уста-
новленные для алюминиевых сплавов при плазменной резке. Указанные
нормы удваиваются при плазменной резке углеродистых сталей и умень-
шаются в два раза при резке аустенитных сталей.
Скругление угла кромки вследствие оплавления допускается радиусом
в 1 мм.
Представляют интерес результаты исследований по определению
фактической точности программоносителей, машин и технологических
процессов и оценке степени влияния каждой группы погрешностей на
конечную точность изготовления деталей. Исследования выполнялись в
применении к кислородной резке при помощи переносных машин, уста пав-
I 04
I а блин a 4.2. Допускаемые отклонения перпендикулярности
реза, установленные ГОСТ 14792—80
Класс точности Способ резки Нормы при толщине разрезаемого металла, мм
5 12 13—30 31—60 6! 100
1 Плазменная 0,4 0.5 0,7 —
1 Кислороднад^мк- \0,2 0,3 0,4 0,5
9 Плазменная 1,0 1.2 1,6 —
Л-1 Кислородная 0,5 0,7 1,0 1.5
о I кп а змеиная 2,3 3,0 4.0 —
О Кислородная 1.0 L5 2,0 2,5
Табл ина 4.3. Допускаемая шероховатость поверхности реза,
установленная ГОСТ 14792 -80
Класс ючнпсти Способ резки Нормы при толщине разрезаемого металла, мм
5 -12 13 30 31—60 61 — 100
1 Плазменная Кислородная 0,05 0,07 0,06 0,085
2 Плазменная Кислородная 0,1 0,08 0,2 0.16 0,32 0.25 0,5
3 Плазменная Кислородная 0,2 0,16 0,32 0,25 0,63 0,5 1.0
ливаемых по линиям фотопроекционнои разметки, которая выполнялась
на стационарных машинах типа «Одесса» с фотоэлектронным управле-
нием, и при плазменной резке на стационарных машинах типа «Кристалл»
с цифровым программным управлением.
Приводимые ниже результаты относятся к вырезке крупных деталей
с размерами свыше 5000X1000 мм толщиной от 12 до 24 мм. Статисти-
ческая обработка данных показала, что во всех случаях закон распреде-
ления отклонений фактических размеров от заданных номинальных зна-
чений является нормальным. В качестве программоносителя при ручной и
полуавтоматической вырезке де-
талей можно считать линию раз-
метки, наносимую по линейке,
шаблону или по фотоироекцион-
ному изображению размечаемой
детали. При автоматической резке
на машинах с фотоэлектронным
управлением программоносителем
является копирчертеж, для машин
с цифровым программным управ-
лением — перфолента.
Таблица 4.4. Нормы на ширину зоны
термического влияния, установленные
ГОСТ 14792—80
Класс сочности Нормы для алюминиевых сплавов при гол тине, мм
5—12 13 -30 31—60
1 0,1 0,2 0,4
2 0,4 0,8 1.6
3 0,8 1,6 3,2
Установлено, uio при разметке ио хорошо сделанным металлическим
шаблонам отклонения лежат в пределах ±2 мм.
В применении к фотонроекционной разметке исследования выполнялись
дважды — до отладки фотонроекционной установки, при помощи которой
разметка деталей производилась в течение продолжительного времени,
и после се отладки. т. е. после устранения факторов, отрицательно вли-
яющих на точность разметки. В результате выяснилось, что до отладки
установки центр распределения отклонений Ас (систематическая погреш-
ность) оказался равным 0,5 мм, а стандарт распределения (рассеива-
ние) — о = 4,05 мм, т. е. разброс размеров находился в пределах Д=0,5±
±3-4.05= ± 13 мм. После отладки аппаратуры и оснастки соответствую-
щие показатели составили: Хс=0,1 мм, о=1 мм и \=±3 мм.
Точность изготовления копирчертежей в значительной степени зависит
от квалификации и личных качеств исполнителя, поэтому она может коле-
баться в больших пределах. При этом абсолютные величины погрешнос-
тей, возникающих в процессе вычерчивания копирчертежи, мало зависят
от его масштаба.
Исследование точности изготовления копирчертежей, выполненных в
масштабе 1:10, производилось в применении к двум партиям. В первую
партию входили копирчертежи, изготовленные в условиях обычного конт-
роля их точности, а во вторую — специалистами высокой квалификации
в условиях тщательного контроля.
Копирчертежи первой партии были разбиты, в свою очередь, на две
группы. В первую группу вошли копирчертежи плоских деталей с пря-
мыми кромками и кромками в виде дуг окружностей, а во вторую — копир-
чертежи плоских деталей с криволинейными кромками сложной формы.
Сравнение полученных данных показало, что при практически одинаковом
рассеивании (oi =0,185 мм, а о>=0,176 мм) систематическая погрешность
у копирчертежей тля деталей первой группы в 4,5 раза меньше (Аи =
= 0,0206 мм), чем у деталей второй группы (ХС2~ 0,095 мм). Наличие
положительной систематической погрешности можно объяснить неволь-
ным стремлением исполнителей при вычерчивании копирчертежей избе-
жать появления неисправимого брака при вырезке деталей с уменьше-
нием их размеров. Разница в значениях систематических погрешностей
обусловлена, видимо, тем, чго при изготовлении копирчертежей для де-
талей первой группы номинальные размеры определяются более точно,
чем для деталей второй группы, и опасения исполнителей в первом случае
меньше, чем во втором.
Окончательная оценка точности изготовления копирчертежей произво-
дилась по показателям, относящимся к обеим группам деталей, совместно
вследствие небольшой разницы между ними и потому, что в процессе мас-
сового изготовления копирчертежей и при вырезке деталей практически
невозможно разделять их на указанные группы. В результате установлено,
что систематическая погрешность при изготовлении копирчертежей сос-
тавляет Х~ = 0,04 мм при стандарте распределения о = 0,183 мм. Из полу-
ченных данных следует, что только за счет погрешностей, имеющих место
при изготовлении копирчертежей, отклонения реальной детали от номи-
нальных размеров могут достигать Д=±5,5 мм.
Копирчертежи второй партии деталей изготовлялись, как указыва-
лось выше» наиболее квалифицированными исполнителями под постоян-
ным контролем качества работы. В результате обработки данных система-
тическая погрешность уменьшилась до Хс= —0,0043 мм, а стандарт рас-
пределения до и = 0,148 мм
120
I ikmm образом, отклонения размеров реальных деталей, во шикающие
за счет погрешностей изготовления копирчертежей, снизились до
= ±4,4 мм. Фактические отклонения, наблюдавшиеся на копирчертежах,
не превышали ±0,3 мм, т. е. ±0,3 мм на детали.
Вычерчивание копирчертежей на чертежных машинах, работающих
по программе, позволяет повысить точность до ±0,1 мм и даже до ±0,05 мм.
Однако процесс подготовки программ для чертежных машин аналогичен
процессу их подготовки для резательных машин с цифровым програм-
мным управлением. В связи с этим такой способ изготовления копир-
чертежей не находит широкого распространения.
С точки зрения повышения точности вырезаемых деталей целесообраз-
но для заводов, на которых экономически не оправдано использование
машин с цифровым программным управлением, создавать машины с фото-
электронным управлением стремя масштабами: 1:1 — для вырезки мелких
деталей, 1:5 — для средних и 1:10 — для крупных деталей.
Погрешности цифровых программ при описании прямолинейных кон-
туров равны нулю, а при описании криволинейных контуров — не превы-
шают величины аппроксимации, отрезков кривой прямолинейными отрез-
ками, т. е. находятся в пределах 0,25 мм и еще меньше при использовании
для аппроксимации отрезков кривых.
Резка переносными газорезательными машинами широко использу-
ется для вырезки деталей прямоугольной формы, для разделки кромок
под сварку и для снятия фасок. Резка выполняется по разметке после
зрительной установки резака и направляющих машины по линии разметки.
Исследовалась точность резки по разметке, выполненной фотопроек-
ционным способом. Чтобы выделить влияние погрешностей разметки из
общей совокупности погрешностей, вносимых разметкой машиной и тех-
нологическим процессом, замеры фактических размеров производились
дважды. Сначала диаметры осуществлялись между линиями разметки по
длине и ширине размеченной детали, а затем в тех же точках определялись
фактические размеры детали после ее вырезки. Кроме замеров по длине
и ширине, у готовой детали замерялись отклонения кромок от прямоли-
нейности. Зпая (после статистической обработки полученных данных)
значения параметров нормального закона распределения отклонений
размеров после разметки Ас р и сгр, а также соответствующие_параметры
А'с.л и Од для детали после ее вырезки, значения параметров Ас.м.т и ом т
закона распределения отклонений, возникающих вследствие погрешно-
стей, которые вносятся машиной и технологическим процессом, опреде-
лялись из выражений:
Ас. М.Т—“ Ас.Л Аг р,
: 2 2
Ом. т — Д' Од Ор.
При этом предполагалось, что в данном случае рассматривались
независимые случайные переменные величины.
Выяснилось, что по длине и ширине деталей величины погрешностей
практически одинаковы. В связи с этим результаты статистической обра-
ботки отклонений от размеров, приведенные в табл. 4.5, относятся к раз-
мерам по длине деталей, а отклонения от прямолинейности — к длинным
кромкам.
Из табл. 4.5 следует, что фактическая точность вырезки деталей зна-
чительно ниже установленной ГОСТ 14792—80 для деталей длиной до
5000 мм. Причем степень снижения точности за счет погрешностей раз-
метки составила 65 %, вследствие использования неотрегулированной фо-
тонроекционной установки. Остальные 35 % суммарной погрешности при-
127
Таблица 4.5. Влияние основных ipynn погрешностей на конечную точноеи» демли
при резке переносными машинами
Погрешность Значение параметра нормального закона распределения отклонений, мм Степень влиянии каждой группы на конечную точность детали. %
11снтр распре- деления X, Ciандарт распре- деления <- Наибольшее отклонение А —А'с ЬЗо
Разметки 1,0 3.2 10.3 + 11 — 9 65
Машины и технологиче- ского процесса 1,8 1,64 2,7 ±7 — 3 35
Конечной точности де- тали 2,8 4.0 16,0 -р 15 — 9 100
Непрямолинейнести кро- мок детали 0,1 1.3 — -+4
холятся на погрешности работы машины и технологического процесса. При
этом аналогично ручному изготовлению копирчертежей сказывается влия-
ние психологического фактора, выразившееся в смещении центра распре-
деления в сторону увеличения размера детали. При отсутствии указан-
ного смещения отклонения лежат в пределах ±5 мм, что практически
соответствует допуску по ГОСТ 14792— 80 для третьего класса точности.
Однако при определении точности детали следует учитывать влияние и
предыдущих операций обработки, в частности разметки. Исходя из полу-
ченных данных, точность вырезки деталей переносными машинами при
разметке по шаблонам может быть ±5,0 мм, а при использовании фото-
проекционной разметки в условиях использования отрегулированной аппа-
ратуры — ±6,0 мм. При такой точности 95 % деталей будут иметь откло-
нения в пределах ±4 мм (интервал в ±2о). Повышение точности возмож-
но посредством устранения: неточности установки резака полуавтомата
по кернам разметки; нарушения режимов резки, вследствие чего ширина
реза получается выше допустимой; устранения искривлений направ-
ляющих и колебаний полуавтомата при движении по ним.
Погрешности работы машин с фотоэлектронным и цифровым програм-
мным управлением также невозможно выявить непосредственным изме-
рением, так как при движении резака воспроизводится траектория с пог-
решностями программы, программоносителя и кинематической цепи машины.
В связи с этим проверка машин на точность работы заключалась в вычер-
чивании на листе при помощи безлюфговой чертилки, вставленной вместо
резака, контуров тест-копира, представляющего собой копирчертеж в
масштабе 1:10 прямоугольника с размерами 1500x6000 мм и круга диа-
метром 1000 мм внутри него. При этом принимались меры для повыше-
ния точности вычерчивания. Для машин с цифровым программным управ-
лением тест-копир был запрограммирован. Вычерчивание проводилось
дважды: сначала по часовой стрелке, затем против. После каждого прочер-
чивания замерялись размеры сторон, диагоналей прямоугольника
и размеры взаимно перпендикулярных диаметров окружности.
Исследования выполнялись сначала на машинах, эксплуатировавших-
ся продолжи тельное время без подналадки, а затем на тех же машинах
после их по цыллдки.
128
В результате выяснилось, что у машин типа -Одесса» с фоюкоииро-
ведьмой системой управления, «кеплуагировавшнхея без подналадки, си
сгематическая погрешность составила Х7=О,2 мм, а стандарт распределе-
ния— п = 2,3 мм, т. е. погрешность работы машин была +7,0 мм.
Аналогичные данные для машин типа «Кристалл ТПл-2,5» с цифровым
программным управлением следующие: А'г = 0,07 мм, о=1,17 мм и \ =
= 4=3,5 мм. После выполнения подналадки погрешность работы машин
«Одесса» не превышала -ь 1,8 мм, а машин «Кристалл ТПл-2,5»
4= 1,3 ММ.
Погрешности, вносимые технологическим прцессом, также невозмож-
но выявить непосредственными замерами. Поэтому их определение осу-
ществлялось расчетным способом так же, как при исследовании резки
переносными машинами, при использовании известного выражения для
суммирования стандартов распределения:
_ / 2 ' 2 2
От —~ Д,' Од Пи Оу ,
где От стандарт распределения погрешностей технологического процес-
са; Оц — детали; пп — программоносителя или программы; пм — машины.
Полученные результаты, а также степень влияния каждой группы
погрешностей на точность изготовления деталей, вырезаемых плазменной
резкой на машинах «Кристалл» с цифровым программным управлением и
кислородной резкой на машинах «Одесса» с фотоэлектронной системой
управления, приведены в табл. 4.6. Из табл. 4.6 следует, что точность вы-
резки деталей на машинах с цифровым программным управлением почти
соответствует требованиям первого класса точности по ГОСТ 14792 80,
а точность деталей, вырезанных на машине с фотоэлектронным управле-
нием при ручном изготовлении копирчертежей, приближается к требо-
ваниям третьего класса точности. Следует отметить при этом, что в первом
случае 95 % деталей будут иметь отклонения в пределах 4=2 мм, а во вто-
ром — в пределах 4=4 мм.
Из предыдущего следует, чго значения стандартов распределения и
погрешностей технологических процессов получились практически оди-
наковыми. В связи с этим, во-первых, воздействие технологического фак-
тора почти одинаково при плазменной и кислородной резке и, во-вторых,
на этот фактор не влияет отладка механической части машины. Основное
влияние на снижение конечной точности деталей в процессе эксплуатации
машин обоих типов оказывает отсутствие систематических подналадок
для устранения люфтов и других причин, снижающих точность работы
их механической части, а для машин с фотоэлектронной системой управле-
ния к этому фактору добавляется и влияние погрешностей изготовления
копирчертежей. При этом в результате отладки машин изменяются и сте-
пени влияния различных групп погрешностей. Так, при резке на машине
«Кристалл» до ее отладки доминировало влияние погрешностей машины,
доля которых составляла 60 %, а после отладки уровень их влияния сни-
зился до 19 % и стали преобладать погрешности технологического про-
цесса, которые составили 73 %. При резке же на машинах «Одесса» после
отладки машины доминирующими стали погрешности программоноси-
теля (60%), т. е. копирчертежа.
Способы повышения точности работы стационарных машин известны.
Они заключаются в поддержании на достигнутом необходимом уровне:
горизонтальности плоскости рельсового пути, прямолинейности направля-
ющих рельсов но всей шине, перпендикулярности направляющих попереч-
5 Ьк 242
124
Таблица 4.6. Влияние основных групп погрешностей на конечную ючносн. летали
при резке на стационарных машинах тина «Кристалл» и «Одесса»
Тип машины и способ резки Погрешность Значения параметрон нормального закона распределения отклонений, мм Степень влияния каждой группы погрешностей на конечную точ- ность детали,%
Центра распре- деления Стандарта рас- пределения о Наибольшие отклонения Д = Хс±Зо
до от- ладки после отладки ДО О1 - ладки после отладки до от- ладки после отладки до от- ладки после отладки
«Кристалл» с ЦПУ, плаз- менная Программы 0 0 0,09 0,09 ±0.25 ±0.25 3.4 8,0
Машины 0,07 0 1,17 0,43 ± 3,5 ± 1,3 60,6 19,0
Технологи- ческого процесса 0 0 0,9 0,85 ±2,7 ±2,5 36,0 734,0
Конечной точности детали 0 0 1,51 1.0 ±4,5 ± 3,0 100.0 100.0
«Одесса» с ФПУ, кисло- родная ; — Копирчер- тежа 0,4 —0,043 1,83 1,48 ±5,5 ±4,4 34,5 60.0
Машины -0,2 0,07 2,3 0,6 ±7,0 ±1,8 54,6 10,0
Технологи- ческого процесса 0 0 1,03 1,06 ±3,1 ±3.2 10,9 30,0
Конечной точности детали — 0,6 0 3,12 1,94 ±9,5 ±6,0 100,0 100.0
ного и продольного движения машины и каретки резаков, люфтов в ки-
нематических парах узлов поперечного и продольного перемещений маши-
ны и каретки резаков, горизонтальности поверхности раскроечного стола,
настройки системы управления.
Для поддержания точности работы стационарных машин на требуемом
уровне необходимо регулярно, т. е. раз в квартал, выполнять проверку
точности их работы по тест-копиру, который имеет вид прямоугольника
размером 6000Х 1000 мм с крутом внутреннего диаметра 1000 мм. Описа-
ние такого тест-копира приведено выше. Вычерчивание его может быть за-
менено вычерчиванием квадрата со стороной 1000 мм по ГОСТ 5614—74 *.
После изготовления тест-копира фактические размеры его фигур долж-
ны быть замерены с точностью до 0,1 мм штриховым метром 1-го разряда
и проставлены на соответствующих линиях его контуров. В прямоуголь-
нике указывается длина сторон и диагоналей, в окружности — диаметр
круга. Должна быть проверена прямолинейность сторон прямоугольника.
Допускаемые отклонения размеров фигур после вычерчивания следующие:
Габаритные размеры прямоугольника или окружности мм .
Непрямолинейность сторон прямоугольника, мм .
1.5/ 4~ 1,0
1.0/0,5
В приведенных выше значениях в числителе даны допускаемые откло-
нения размеров фигур при вычерчивании для машин с фотоэлектронным
130
управлением, в знаменателе — для машин с цифровым программным
управлением.
Контрольная проверка точности работы машины должна производить-
ся посредством вычерчивания при помощи безлюфтовой чертилки, встав-
ленной вместо резака, с контуров фигур по тест-копиру (тест-программе)
па стальном листе. Рекомендуется покрывать поверхность листа ме-
лом. После вычерчивания производятся замеры вычерченных фигур и
сравнение полученных размеров с размерами фигур на тест-копире (тест-
программе).
Замеры размеров вычерченных фигур должны выполняться рулеткой,
имеющей свидетельство о государственной проверке. Фактические разме-
ры вычерченных фигур следует определять с учетом приведенных в свиде-
тельстве поправок к показаниям рулетки. Разность размеров заносится в
журнал проверки.
Прямолинейность сторон прямоугольника определяется путем натя-
гивания струны параллельно прочерченной линии и замера с помощью
измерительной линейки расстояния между струной и линией.
Струна натягивается так, чтобы расстояние от нее до обоих концов ли-
нии было одинаковым. Допускается натягивать струну непосредственно
над линией. Расстояние между струной и линией проверяется не менее чем
в семи точках для продольной кромки и не менее чем в трех точках —
для поперечной. В журнал проверки вносится максимальное отклонение
для каждой линии.
Отклонения фактических размеров вычерченных фигур от номиналь-
ных размеров тест-копира (тест-программы) не должны превышать тре-
бований, приведенных в паспорте машины.
Если в результате выполненных замеров удовлетворяют приведенным
требованиям, то допускается дальнейшая эксплуатация машины. В про-
тивном случае необходимо произвести ее дополнительную наладку.
Кроме контрольных тест-копиров и тест-программ, на участке теп-
ловой резки необходимо иметь поверочный инструмент и оснастку: для
определения непрямолинейности — стальную струну или капроновую жил-
ку диаметром 0,2—0,5 мм длиной 15 м; для проверки размеров вычерчен-
ных фигур — рулетку стальную десятиметровую с ценой деления 1,0 мм,
имеющую свидетельство госпроверки; для вычерчивания на стальном листе
контуров деталей — безлюфтовую чертилку.
4.3. Резка листового проката
Листовой прокат из стали всех марок, алюминия и его сплавов мо-
жет разрезаться методом плазменной резки с использованием ручных
резаков, переносных машин, а также на стационарных машинах с цифро-
вым. фотоэлектронным и линейным управлением. Резка производится ду-
гой прямого действия при прямой полярности.
Перед началом плазменной машинной резки необходимо проверить
состояние оборудования и убедиться в его исправности. Установить рас-
ход плазмообразующей среды по таблице режимов. Проверить действие
системы охлаждения плазменного резака. Задать необходимую скорость
резки по таблице режимов и программу резки. Прежде чем приступить
к вырезке деталей, следует проверить режимы резки на пробной планке
из того же металла и той же толщины, что и разрезаемый металл.
При использовании в качестве плазмообразующей среды воздуха,
азота, воздух и с водой, кислорода и кислорода с водой следует применять
к*
131
плазменные [ницки с вихревой стабилизацией дуги, а при использовании
аргона с водородом — плазменные резаки с осевой стабилизацией.
Во всех случаях процесс резки листа может начинаться или с кромки,
или с середины листа.
Резка с середины листа, в свою очередь, может производиться, начи-
ная с кромки предварительно просверленного отверстия, диаметр которого
не должен быть менее 6 мм, или после пробивки металла непосредственно
плазменной дугой. Предварительное сверление отверстий применяется
лишь при резке металла большой толщины, когда невозможно пробить
металл плазменной дугой, так как сверление отверстий связано с потерями
времени и с неудобством выполнения работы, особенно при резке на ста-
ционарных машинах. При ручной резке стали, меди и сплавов на медной
основе сверление отверстий обычно применяют при толщине более 40 мм, а
при резке алюминиевых сплавов — более 50 мм. При резке переносными
машинами и на стационарных машинах предварительное сверление отвер-
стий производится при толщине разрезаемого металла более 28 мм для
всех металлов.
Пробивка металла плазменной дугой является наиболее сложной опе-
рацией плазменной резки.
Капли расплавленного металла в момент пробивки выдуваются ре-
жущей струей из кратера, образующегося в листе, и загрязняют наруж-
ную поверхность сопла и кожуха резака. В некоторых случаях они могут
создать сплошной мостик между соплом и разрезаемым листом, что при-
водит к образованию двойной дуги. Для предотвращения этого явления
резак в момент пробивки должен быть поднят над листом на 20—25 мм,
т. е. значительно выше, чем при резке. С другой стороны, для надеж-
ного соприкосновения с разрезаемым листом факела вспомогательной
дуги, обеспечивающего возбуждение режущей дуги, резак дол-
жен быть удален от листа перед началом резки на 10—12 мм. В связи с этим
приходится возбуждать дугу при опущенном резаке, а затем приподнимать
его после возникновения прямой дуги и вновь опускать в рабочее положе-
ние после того, как металл будет пробит струей плазмы насквозь.
При ручной резке и резке переносными машинами приподнимание ре-
зака для пробивки производится вручную, а момент окончания пробивки
и начала опускания резака определяется визуально по появлению сквоз-
ного отверстия. При резке на стационарных машинах приподнимание и
опускание резака на время пробивки металла может также производить-
ся оператором машины вручную путем нажатия кнопок на пульте управ-
ления машины, а момент окончания пробивки определяется визуально.
Однако современные стационарные машины имеют несложные реле време-
ни. при помощи которых резак автоматически приподнимается для осу-
ществления процесса пробивки и опускается в рабочее положение для
начала перемещения по траектории резания.
При автоматической пробивке ее осуществление контролируется не
визуально, а по времени, затрачиваемом на пробивку металла определен-
ной толщины. При этом под временем пробивки понимается промежуток
времени от начала возбуждения режущей дуги до начала движения ре-
зака по заданной траектории.
В этом промежутке с помощью автоматики машина осуществляет
возбуждение режущей дуги, приподнимание резака в начале пробивки
отверстия и опускание его после окончания пробивки. Продолжитель-
ность остановки резака при пробивке металла задается в зависимости
от толщины разрезаемого металла.
132
В случае выполнении пробивки нс1!осредс1ненно пл линии контур л де
тали при машинной резке требуется очень (очная регулировка времени
пробивки. При недостаточной выдержке металл не пробивается на всю тол
щину и прорезается уже в процессе движения резака. В результате этого
в начале реза у нижней кромки остается участок непрорсзанного металла.
При чрезмерно продолжительной остановке резака диаметр пробитого
отверстия превышает ширину реза. На кромке детали остается выхват,
ухудшающий внешний вид и затрудняющий последующую сварку.
Подбор оптимальной продолжительности времени пробивки для каж-
дой толщины листа значительно усложняет процесс регулирования систе-
мы управления дугой перед резкой. Кроме того, незначительное изменение
внешних условий, например изменение напряжения питающей сети, давле-
ния сжатого воздуха, расстояния между резаком и металлом, приводит
к тому, чго ранее установленная выдержка оказывается для данных усло-
вий неправильной и в точке пробивки образуется или непрорез, или слиш-
ком большое отверстие. В связи с этим рекомендуется продолжительность
пробивки устанавливать таким образом, чтобы обеспечить надежное про-
плавление металла, а пробивку производить в стороне от контура выре-
заемой детали (на отходе). Практически при резке стали толщиной 6—20 мм
можно использовать одну выдержку времени, равную приблизительно 2 с;
расстояние от места пробивки до контура вырезаемой детали при плаз-
менной резке зависит от толщины детали следующим образом:
Толщина разрезаемого металла» мм .... 15 16—20 21 30 31—50*
Расстояние от места пробивки, мм ......5- 6 б—1 1—8 20- 25
Однако и в данных условиях продолжительность пробивки нс следует
делать слишком долгой, так как отверстие становится настолько большим,
что для обеспечения контакта между металлом и столбом плазменной дуги
последний должен сильно искривиться. Это приводит к соприкосновению
столба дуги со стенкой сопла, в результате чего происходит либо сраба-
тывание системы автоматической защиты сопла, либо оплавление его сте-
нок, либо отрыв дуги.
Плазменную резку алюминия и его сплавов следует выполнять в среде
аргона с водородом. Допускается резка в среде азота, воздуха, воздуха
с водой и кислорода с водой.
Большим преимуществом аргона является способность устойчиво под-
держивать плазменную дугу при небольших напряжениях и малом токе.
В связи с этим аргон применяется, главным образом, при ручной резке лис
тов из алюминиевых сплавов сравнительно небольшой толщины (до 12
20 мм). Недостатком аргона является относительно малая проплавляю-
щая способность плазменной струи и, как следствие, наименьшая по срав-
нению со всеми другими газами скорость резки. Однако при ручной рез-
ке физиологические возможности резчика ограничивают скорость ведения
процесса. В связи с этим при резке тонколистового алюминия малая
проплавляющаяся способность аргоновой плазмы практически не оказы-
вает влияния на производительность резки.
Добавка к аргону водорода резко повышает скорость резки. Однако во-
дород» диссоциируя на атомы в приэлектродной области, отнимает у элек-
трода значительное количество теплоты, т. е. оказывает на дугу гасящее
* Пробивку следует производить при перемещении плазмотрона относительно ра фг-
щемого листа с уменьшением скорости перемещения примерно в 2 раза по сравнению
с рабочей.
133
Таблица 4.7 Орипнироиочныс режимы н ia чменной резки а.иоминиень1Х плавов
1 ол in и на PU уре- заемого металла, мм Диаметр сопла, м м Сила тока, Напряже- ние, В Мош- НОС! Ь. кВт Расход газа, л/с Скорость резки, мм /с
аргона/ азот а водорода
15 30 3 5 250 140—160 180 200 40 0,2/— —/0,4 0,14 0,3 17 10
50 80 5 450 160 180 50 — /0,1 —/0.5 0,3 0.4 7,5 7,0
действие. Он может охладить катодное пятно настолько, что термоэлек-
тронная эмиссия прекратится и дуга прервется. Зажечь плазменную дугу
в атмосфере водорода при тех же напряжениях и токе вспомогательной
дуги, которые применяются в существующих установках, не удается.
В связи с этим возбуждение дуги производят в среде аргона и только
после получения режущей дуги добавляют к аргону водород. Соотношение
между аргоном и водородом зависит от вида резки и толщины разреза-
емого металла. При ручной резке водорода потают меньше, чем при
машинной (обычно 20 35 %). По мере увеличения толщины разрезаемого
металла рекомендуется увеличивать содержание водорода в смеси,
доводя ее при толщинах 80—100 мм до 60—80 %.
Ориентировочные режимы плазменной резки алюминиевых сплавов
с применением аргона, азота и водорода приведены в табл. 4.7 [72]. Ре-
жимы плазменной машинной резки с использованием воздуха с водой при-
ведены в табл. 4.8.
Медь и медные сплавы характеризуются высокой теплопроводностью,
поэтому при их резке мощность дуги должна быть больше, чем при резке
сталей. В качестве плазмообразующего газа применяют аргоноводород-
ную смесь, азот или атмосферный воздух. При воздушно-плазменной рез-
ке меди на поверхности реза образуется легкоотд ел ясмый крупный стек-
ловидный грат. При резке меди малых и средних толщин нредпочтитель-
Таблица 4.8. Режимы плазменной машинной резки алюминиевых сплавов в среде
воздуха с водой
Толщи- на раз- резае- мого МетаЛ- Та. мм Сила тока, Л Напряже- ние на дуге, В Скорость резки, м м/с Толщи- на раз резае- мого метал- ла, мм С и л а тока, А Напряже- ние на дун В Скорость резки, мм/с
4 6 270—290 140—145 84 100 67—84 16 18 270—290 155 160 39—42 34—37
8 10 270—290 145- 150 59—67 50 59 20 24 290 310 160— 165 165 170 30- 34 24—27
12 14 270—290 150—155 47—50 42 45 30 40 290 310 170—175 180—185 17 20 10 12
Примечания: I. Расход воздуха на зажигание дуги 0,25 0,33 ,ч/с; на резку 1.33—1,5 л/с.
2 Расход воды на ргдку 0.005 0.06 л/с. 3 Ширина реза по нижней кромке 3,5—4,0 мм. 4 При
разке и среде воз духи или ajoia скорость резки должна быть снижена на 25 30 %.
134
Таблиц» 4.9. Ориентироночные режимы плазменной р<*ки меди и laiyitH
Металл Iоптика разре- заемого металла, мм Диа- метр сои - ла, мм Сила тока, А Напря- жение, в Мощ- ность, кВт Расход газа, л/с Ско- рость резки, мм/с
аргона азота водо- рода воз- духа
5 3 300 75 22 — 0,6 — 25
15 л 300 92 25 — '• 0,53 — — 11
Медь 25 4 350 90 31 0,28 — 0,14 4
40 100 7 700 120 145 84 101 0,1 — 1,1 2,8 10 3
6 3 260 70 18 —*— L17 — — 29
Латунь 30 4 350 85 30 — 1,0 — — 4
90 5 500 140 70 — 0,56 0,28 — 3,4
нее воздушно-плазменная и воздушно-водяная плазменная резка.
При резке латуни используют те же рабочие газы, что и при резке ме-
ди; скорость резки при этом увеличивается на 20- 25 % по сравнению со
скоростью резки меди. Ориентировочные режимы резки меди и латуни
с использованием азота воздуха, аргоноводородных и азотно-водород-
ных смесей даны в табл. 4.9 [78].
Режимы резки меди и ее сплавов с использованием плазмообразую-
щей смеси из воздуха и воды приведены в табл. 4.10.
Плазменную резку коррозионно-стойких, жаростойких и плакиро-
ванных сталей следует выполнять в среде технического азота, а также
в средах воздуха, воз-
духа с водой, кисло- рода С ВОДОЙ При ЭТОМ Таблица 4.10. Режимы плазменной резки меди и сплавов листы из коррозионно- на медной °снове в среде возд*ха с водой
СТОЙКОЙ стали ТОЛЩИ- Толщина НОЙ ДО 20 ММ разре- разре- г заемor о зают с применением металла, азота, а при толщине мм Сила тока, А Напряжение на дуге, В Скорость резки, мм/с
от 20 до 50 мм исноль- зуют смесь из 50 % азо- g та и 50 % водорода. 8 140—145 118—126 50—59 44—50
Ориентировочные ре- жимы плазменной ма- шинной резки корро- 270 290 145—150 34—42 30 37
зионно-стойкшх сталей с 14 использованием азота, 16 1 я аргона и аргоноводо- 150—155 155 160 160—165 27—30 24—27 20—24
родной смеси приведе- 20 ны в табл. 4.11 [72], 24 режимы плазменной 30 МЙШЬШПлй nPQITU к’ЛП- 290—310 165—170 170— 175 180—185 17—20 13—17 10 12
V г рОЗИОННО-СТОИКИХ, ЖЗ примечания: 1. Расход воздуха на зажигание дуги 0,25 РОСТОЙКИХ И плакиро- 0.33 л/с; на резку 1,33—1.5 л/с. 2. Расход воды на резку 0.005 — ВИННЫХ СТалеЙ В среде 3- Ширина реза по нижней кромке 2.5—3.0 мм. 4 При „ г резке в среде воздуха или азота скорость резки должна быть ВОЗДуха С ВОДОЙ даны снижена на 10—15 %.
в табл. 4.12.
135
4,11 Ориентировочные режимы плазменной
I а б rj и ц а
машинной резки коррозионно-стойких сталей
Толщина разрезае- мого металла, мм Лиаме гр сопла, мм Сила 1ока, А Напряжение, В Мощность, кВт Расход газа, л/с Скорость резки, м м / с
аргона азота водорода
10 3 300 150 45 0,28 50
20 5 500 75 78 0.28 — 45
30 1Л 100 1(55 17 0,19 — 0,14 —
40 5 350 120 42 — 0,44 — 5
50 4.5 490 80 40 0.25 — 4
75 4 500 85 43 0,42 — 3
100 7 700 145 100 0.1 — 1.1 5
Таблица 4.12. Режимы плазменной машинной резки
коррозионно-стойких, жаростойких и плакированных сталей,
осуществляемой в среде воздуха с водой
Толщина разре- заемого металла, мм Сила гока. А Напряжение на дуге, В Скорость резки, мм/с
4 6 270-290 160 165 50—59 42 50
8 10 165 170 34—42 29—34
12 170—175 25 29
14 16 175—180 24—25 22 24
18 20 270—290 290—310 180 185 20—22 17—20
24 30 40 290- 310 185—190 190—195 195 200 13—15 9—10 5—7
Примечания: I Расход воздуха на зажигание дуги 0,25—
0,33 л/с; на резку 1.33—1,5 л/с. 2. Расход воды на резку 0.005
0.06 л/с. 3. Ширина реза по нижней кромке 2.5—3,5 мм. 4. При
ре «кг в среде воздуха или азота скорость резки должна быть
Плазменная рез к а
низкоуглеродистых низ-
колегированных и сред-
нелегированных сталей
выполняется с приме-
нением в качестве плаз-
мообразующих сред
воздуха с водой, кисло-
рода с водой, воздуха,
кислорода.
Режимы резки этих
сталей с использова-
нием воздуха с водой
приведены в табл. 4.13,
а с использованием кис-
лорода и кислорода с
водой — в табл. 4 14.
Необходимо отме-
тить, что резка в широком диапазоне толщин (от 6 до 30 мм) выполняется
при постоянной регулировке аппаратуры. Изменяется только скорость
движения резака в зависимости от толщины разрезаемого металла. На-
пряжением дуги используется для контроля за правильным протека-
нием процесса. Выход напряжения за заданные пределы свидетель-
ствует об отклонении какого-нибудь исходного параметра, например об
изменении расхода воздуха, расстояния от резака до листа и т. п.; это
является сигналом о
необходимости прове-
сти проверку отдельных
составляющих процесса
резки. Постоянство ре-
гул и ровки а п п а ратур ы
является большим пре-
имуществом плазмен-
ной резки углеродистых
сталей по сравнению с
кислородной резкой,
так как при этом экс-
плуатация оборудова-
ния существенно упро-
щается.
В процессе резки
необходимо следить за
состоянием сопел и
электродов; для этого
следует периодически
удалять с внутренней
поверхности сопла на-
лет материала электро-
да при помощи шлифо-
вальной шкурки по
ГОСТ 10054 — 82. При
увеличении
сопл или
каналов
изменении
136
формы этих каналов
сопла необходимо за-
менить на новые. Элек-
трод следует заменить,
когда его стержень уко-
ротится на 2,5— 3,0 мм.
Для уменьшения
или полного устранения
появления скоса кромки
плазменная резка дета-
лей должна произво-
диться по часовой
стрелке, т. е. таким об-
разом, чтобы деталь по
отношению к линии ро-
за находилась с правой
стороны. Вырезать от-
верстия в деталях сле-
дует против часовой
стрелки.
При вычерчивании
копирчертежей и со-
ставлении программ
для вырезки деталей
необходимо выполнять
приведенные ниже ус-
ловия, обеспечивающие
минимальные деформа-
ции при тепловой резке.
В первую очередь
следует вырезать отвер-
стия. Вырезку деталей
начинать от одной из
кромок листа, последо-
вательно переходя от
одной детали к другой
в направлении к проти-
воположной кромке.
При составлении карт
раскроя деталей для
тепловой резки реко-
мендуется применять
совмещенные резы.
Узкие и длинные де-
тали (/2^66, где I —
длина, b - ширина де-
тали) надо распола-
гать вдоль продольной
кромки листа, причем
бол ее дл и н н ые дет а -
ли — ближе к кромке,
от которой начинается
резка, я более корог
Та б и на 4.13. Режимы плазменной машинной роки
низкоуглеродистых, низколегированных, сред не лег ирован-
ных и легированных сталей в среде воздуха с водой
Толщина разре- заемого металла, мм Сила тока, А Напряжение на дуге, В Скорость резки, мм/с
4 118—126
6 50 59
8 140- 145 44—50
10 12 270—290 37—42 30 37
14 150 155 27—30
16 155—160 24 -27
18 160—165 20 -24
20 165—170 17—20
24 290—310 170 -175 13—17
30 180—185 10- 12
Примечания: 1. Расход воздуха на зажигание дуги 0,25—
0.33 л/с: на резку 1,33 1.5 л/с. 2. Расход воды на резку
0,005 0,006 л/с. 3. Ширина реза по нижней кромке 2,5 -3 мм
4. При резке в среде воздуха или азота скорость резки должна
быть снижена на 10—15 %.
Таблица 4.14. Режимы плазменной машинной резки
низкоуглеродистых, низколегированных и среднелег иро-
ванных сталей в среде кислорода и кислорода с водой
Толщина разре- зяемого металла, мм Напряжение на луге, В Скорость резки, м.м/с
Кислород Кислород с водой
6 8 115—120 130 135 61 -64 47—54
10 12 120 125 135—140 40—45 34 37
14 16 125 130 140—145 29—32 25—29
18 20 130—135 145 150 22-25 18—22
24 30 135 140 145- 150 150—155 160 165 17- 20 10—13
Примечания: 1. Сила тока при резке 270 300 А. 2. Напря
жение источника питания 290 310 В. 3. Расход кислорода на
зажигание дуги 0,25—0,33 л/с; на резку 1,17 1.33 л/с 4. Расход
воды на резку в среде кислорода с водой 0.003 0.0036 л/с
4 Ширина реза по нижней кромке 2.5 3 м.м
137
кис — ближе к середине листа и к противоположной кромке. Bi (резку сле-
дует начинать с узких и длинных деталей, расположенных у кромки.
Детали, имеющие одну кромку с вырезами, необходимо располагать
этой кромкой в сторону кромки листа, от которой начинается вырезка
деталей.
Начало и направление реза каждой детали должны быть такими,
чтобы кромка, соединяющая деталь с основной массой листа, обрезалась
в последнюю очередь.
Вырезку на стационарных машинах листовых деталей длиной свыше
5 м, шириной свыше 0,8 м следует производить с угла, начиная с длинной
кромки. В программе или на копирчертеже необходимо откорректировать
контур детали; для этого надо предусмотреть плавное увеличение выпук-
лости или уменьшение выгнутости кромки первого и третьего резов с изме-
нением стрелки прогиба кромки первого реза на 1,5 мм, третьего реза на
1,0 мм при кислородной резке и на 0,5 мм обеих кромок при плазменной
резке.
Если одна деталь занимает большую часть листа, то вырезку необхо-
димо начинать с этой детали.
При кислородной вырезке полос толщиной до 12 мм необходимо остав-
лять перемычки через 800 мм для ширины до 100 мм, через 1200 мм для ши-
рины 101—200 мм, через 1800 мм для ширины 201—300 мм, через 2500 мм
для ширины свыше 300 мм. При плазменной резке расстояние между пере-
мычками должно быть увеличено в 1,5 раза, длина перемычки должна быть
не менее 15 мм. Перемычки следует оставлять на обеих продольных кром-
ках таким образом, чтобы они лежали на одной прямой, перпендикулярной
к длинным кромкам листа (детали). При вырезке деталей толщиной более
12 мм перемычки не оставляются.
При наличии соответствующего оборудования рекомендуется длин-
ные и узкие полосы вырезать единовременно двумя или большим коли-
чеством резаков.
При вырезке длинных и узких полос одним резаком в програм-
ме или на копирчертеже следует предусматривать обратный изгиб продоль-
ных кромок деталей на величину, определяемую по формуле
f = A
где f — стрелка изгиба кромки полосы на длине /, см; b — ширина реза, см.
Для низкоуглеродистых, низколегированных, среднелегированных и
двухслойных сталей при кислородной резке Л=0,6-10~3 см, а при плаз-
менной резке Л =0,3-10 3 см.
Детали средних размеров (2b<z 1<4Ь) вырезаются во вторую очередь
после вырезки длинных и узких полос; при этом оставляются перемычки и
корректировка контура детали в целях компенсации деформаций на ребро
не производится. На копирчертежах должны быть указаны маршрут вырез-
ки деталей и места для перемычек, если последние технологически необ-
ходимы.
Имеется производственный опыт [63] по использованию скосов кро-
мок в качестве естественной фаски; установлению требований к точности
вырезки деталей с учетом сокращения подгоночных работ при сборке; соз-
данию технологии, обеспечивающей отсутствие порообразования при свар-
ке поо. флюсом.
При разработке программ резки предусматривается такой раскрой
листа, чтобы естественная фаска находилась со стороны будущего первого
прохода сварного швя н чтобы обе стыкуемые кромки имели фаску с одной
I3H
сгорони При сборке иод сварку eci ос пи-иную фаску нсполыую! как и
данную в чертеже без дополнительной подготовки кромок, в частности, это
осуществляется при подготовке листов толщиной до 16 мм под односто-
роннюю автоматическую сварку-
Достаточно высокая точность работы стационарных машин, например
типа «Кристалл», позволяет решить вопрос уменьшения подрубочных
работ при сборочных операциях. Подрубка (или подрезка) соединяемых
деталей обычно производится в тех случаях, когда они больше номиналь-
ного размера. При составлении программ на вырезку деталей все поле до-
пуска на размер размещается на самой детали. В этом случае получает-
ся деталь либо номинального размера, либо с минусовыми отклонениями,
что при сборке приводит к образованию зазора до 1 мм. При этом подруб-
ка деталей полностью исключается. Этот метод получил название изготов-
ление деталей в минусовых допусках.
При внедрении плазменной резки было обнаружено, что автомати-
ческая сварка под флюсом по кромкам листов толщиной менее 12 мм
после воздушно-плазменной резки невозможна из-за образования свищей
в сварочных швах. Последующие исследования показали, что при резке в
в кислороде или в воздухе с добавлением воды эта толщина может быть
снижена до 8 мм. Однако дальнейшее снижение толщины оказалось не-
возможным. Чтобы обеспечить возможность применения плазменной резки
для вырезки деталей и листов толщиной 4—8 мм и их сварку без пред-
варительной механической обработки кромок, была разработана следую-
щая технология: детали толщиной 4—8 мм вырезались на машинах «Крис-
талл», а при сварке первый проход стыкового соединения выполнялся
полуавтоматической сваркой в среде углекислого газа. Последующие про-
ходы осуществлялись автоматической сваркой под флюсом. В этом случае
поры в сварных швах отсутствовали [63 .
Детали из толстолистовой стали толщиной 50—100 мм и более выре-
заются в основном кислородной резкой. Плазменная резка применяется
в качестве разделительной, к которой не предъявляется требований обес-
печения необходимого для детали качества поверхности реза. Основными
препятствиями к использованию плазменной резки для вырезки толсто-
листовых деталей являются сложность пробивки металла большой тол-
щины в любом месте поверхности листа и трудности обеспечения требуе-
мого качества поверхности реза.
В работах отечественных и зарубежных авторов отмечается, что для
обеспечения хорошего качества кромок деталей, вырезаемых плазменной
резкой из листов больших толщин (до 100 мм и более), требуются повыше-
ние мощности дуги и увеличение расхода плазмообразующего газа в два-
три раза. Использование больших потоков газа уменьшает образование
грата и улучшает качество реза. Отмечается, что стабилизация дуги за
счет завихрения газа более предпочтительна, так как она позволяет при-
менять более высокие напряжение и силу тока по сравнению со стабили-
зацией за счет аксиальной подачи газа. В работе [90] обращается внима-
ние на положительное влияние на качество кромок и производительность
резки высокого рабочего напряжения (до 300 В). Рез получается с верти-
кальными кромками, чистота поверхности которых повышается по мере
увеличения напряжения. Отмечается также хорошее влияние на качество
и производительность плазменной резки (особенно для металла боль-
шой толщины) использования обратной полярности, при которой плюс
подводится к электроду, а минус — к металлу. Это объясняется более глу-
боким проникновением катодного пятна в полость реза. При этом па
139
положение кагодного пятна в полос! и реза оказываг! влияние
состав плазмообразующего газа. Так, в случае использования двух-
атомных газов или их’смесей, например азота или воздуха, область суще-
ствования катодного пятна расширяется и смещается в нижнюю часть
фронтальной поверхности роза.
В результате выполненных исследований разработана технология плаз-
менной пробивки и вырезки деталей из листов толщиной свыше 30 и до
60 мм при прямой полярности.
Разработан универсальный тиристорный источник питания, который со-
стоит из двух установок типа АИР-402 (исполнение 07 по ТУ 16-739.044—
76) с напряжением холостого хода в 400 В. При параллельном подклю-
чении двух установок обеспечивается сила тока до 630 А. Установка имеет
устойчивую систему зажигания дуги, плавные нарастания тока и подачу
газа, что обеспечивает падежный выход на режим пробивки в любой
точке поверхности листа.
Установлено, что для толщин 30—60 мм оптимальными являются:
плазмообразующий газ — воздух, сила тока режущей дуги — 360—400 А,
размеры канала сопла 3,54=0,1 мм при длине 6—8 мм, расход воздуха
1,7—2,0 л/с. При указанных силе гока и расходе воздуха стандартный
гафниевый электрод работоспособен в течение 1,5—2 ч, что соответствует
60 м реза при толщине металла 50 мм. Режимы резки приведены
в табл. 4.15.
Разработанная технология резки обеспечивает качество вырезаемых
деталей, соответствующее требованиям второго класса по ГОСТ 14792—80.
Пробивка стальных листов толщиной свыше 30 мм при резке на стацио-
нарных машинах должна производиться в движении машины, т. е. в про-
цессе перемещения резака над поверхностью листа с одновременным его
опусканием с высоты 20—25 мм до рабочей высоты 10 12 мм (рис. 4.2).
Это улучшает условия пробивки, так как выплавляемая масса металла
выбрасывается в сторону, противоположную направлению движения
резака.
Таблица 4.15. Режимы плазменной машинной резки металлов больших толщин
Металл Толщи- на. мм Сила тока, А Расход воз- духа па рез- ку, л/с Напряжение на дуге, В Ско- рость резки, мм/с Ширина реза, мм
<Таль конструкционная 30 360—400 850—620 1.7—2,0 2,16—2,5 190—195 200—205 25 40 ОЛ йл. 1 1 О Сл
40 50 360—400 580 620 190 200 200—205 200—210 205 210 14 29 9 21 5 6 6—6,5 6—7 7 7,5
60 360 400 1,7-2,0 205—215 6 7—7,5
65 580—620 2,16 2,5 210—220 15 9 7,5—8,5
(Таль коррозионно-стой- кая 30 350 500 1,7 1,8 1,7—1,83 180—190 190—195 24 30 4—5 5—6
Л.нунь 30 50 350 1,7-1,83 180 190 200 -205 19 И 5- 6 7,5—8 ч
Л И ЮМ И НИЙ 55 200 205 12 6 7
140
Рис. 4.2. Схема пробивки отверстий при плазменной /
резке листа большой толщины
Для успешной пробивки метал-
ла таким способом необходимо
выполнить четыре основных усло-
вия: мощность дуги должна обе-
спечивать надежное прорезание
металла данной толщины, должно
осуществляться плавное нараста-
ние тока дуги и подачи плазмо-
образующего газа, перемещение
резака нужно производить со
скоростью в 1,5—2 раза меньше
рабочей. Режимы пробивки при-
ведены в габл. 4.16.
Плавное нарастание тока от
120 А до рабочего значения в се-
чение 4 -5 с обеспечено конструк-
цией источника питания. Плавный
рост расхода газа может быть
достигнут путем удлинения до 10 м
шлангов, идущих от клапана
включения плазмообразующего газа до резака. Для этого клапан монти-
руется не на суппорте машины (как обычно), а в источнике питания. Тогда
увеличение расхода газа до рабочего расхода осуществляется в течение
2—3 с с момента включения клапана. Процесс пробивки выглядит следую-
щим образом. После поднятия резака до высоты в 20 мм над поверхностью
листа скорость перемещения машины снижается в 1,5—2 раза и возбуж-
дается дуга. Затем резак постепенно во время пробивки опускается вниз до
рабочей высоты в 10 — 12 мм. После получения сквозного отверстия начи-
нается процесс резки с заданной рабочей скоростью.
Описанный процесс перемещения резака должен быть предусмотрен
в управляющей программе машины. Раскрой листа должен быть выполнен
таким образом, чтобы пробивка производилась один раз. При пробивке
металла большой толщины получается много расплавленного металла и
шлака. В связи с этим необходимо принимать меры для обеспечения
безопасности плазморезчика. Должны применяться отражательные щит-
Таблица 4.16. Режимы пробивки стальных листов толщиной свыше 30 мм при воздушно-
плазменной резке
Толщина листа, мм Расход в оз духа, ч/с Напряжение, В Скорость перемещения резака, мм/с Время пробивки, с Длина пробивки, мм
40 50 1,67— 1,83 190 200 200 —210 7,5—8,3 5,0—67 2—3 3—3,5 20-25
60 65 1.67— 1.83 1,83—2.0 205—215 210- 230 3.3 4,2 3.0 3,3 1 LO О г +• СО ’Т" 25- 30
Примечания: 1 Сила тока состава не i 370 380 А. 2. Размер! i канала сопла: чн 1м<чр 3.5 мм,
длина 6.5 мм.
111
ки, нс позволяющие разлиться расплавленному металлу и шлаку.
Для дальнейшего совершенствования процесса плазменной резки ме-
талла больших толщин необходимо повышать стойкость электродов.
4.4. Поверхностная резка
Поверхностная резка является разновидностью термической обра-
ботки металлов. Источник нагрева — электрическая или плазменная ду-
га — воздействует на обрабатываемую поверхность металла» в результате
чего металл расплавляется и направленным потоком газа удаляется. На
поверхности обрабатываемой детали образуется канавка. С поверхности
детали могут быть сняты выступы, усиления сварных швов или какие-либо
другие неровности.
Существуют различные способы поверхностной резки (строжки), нап-
ример: кислородная, газофлюсовая, плазменная, воздушно-дуговая. Эти
способы поверхностной резки основаны на тех же принципах нагрева и
ведения процесса, что и аналогичные способы разделительной резки.
Применение поверхностной строжки позволяет значительно облегчить
условия труда рабочих. Этот процесс должен заменить пневморубку и наж-
дачную обработку ручными пневмомашинками на предприятиях по произ-
водству сварных конструкций, на участках литейных цехов. Известно, что
одной из наиболее трудоемких и вредных для здоровья является пневмо-
рубка, на долю которой приходится около 50—60 % зачистных работ на об-
рубочных участках литейных цехов [34]. Однако наряду с положитель-
ными характеристиками указанные процессы поверхностной строжки
обладают существенными недостатками. Они загрязняют атмосферу цеха.
В большом количестве при поверхностной строжке выделяются дым,
окислы азота, озон, аэрозоли. Для безопасности труда рабочих требуется
вентиляция. Там» где это возможно, создаются специализированные ка-
бины с приточно-вытяжной вентиляцией или используются переносные
вентиляционные установки.
Наибольшее применение в промышленности получили способы воз-
душно-дуговой и плазменно-дуговой резки. В первом случае расплавление
металла осуществляется угольным (графитовым) электродом, а удаление
его — концентрированным потоком воздуха. Иногда для воздушно-дуго-
вой строжки используются специальные стальные электроды с обмазкой.
Воздушно-дуговая резка является наиболее простым и общедоступным
способом поверхностной обработки. Выборку дефектов под сварку удается
выполнять в угловых соединениях и труднодоступных для других способов
обработки местах. В зависимости от условий и назначения поверхностной
обработки для воздушно-дуговой резки применяются круглые или плоские
угольные электроды. Процесс воздушно-дуговой резки трудно поддается
механизации, так как расходуемые угольные электроды часто приходится
заменять, причем стоимость этих электродов весьма значительная и сос-
тавляет 50—80 % всей стоимости процесса [8].
Первоначально воздушно-дуговой процесс резки выполнялся на пос-
тоянном токе обратной полярности. На переменном токе трудно было обес-
печить устойчивость процесса. Исследования электрических и тепловых
параметров процесса показали, что на переменном токе при постоянном че-
редовании контактов и мощных дуговых разрядов тепловое выделение в
дуге в шесть — восемь раз превышает джоулеву теплоту в контакте [51).
Это и определяет дуговой характер плавления металла. В связи с этим не-
из
обходимо было найти рациональные пути повышения устойчивости дуго-
вого разряда.
Проведенные исследования [51] показали, что при малых токах вольт-
амперная характеристика дуги С — Ге в воздухе падающая, а для мощных
дуг—возрастающая. При увеличении сечения электрода при больших
значениях силы тока вольт-амперная характеристика также падающая.
Это объясняется тем, что электрод нагревается при повышенном значении
тока больше. Размер активного пятна увеличивается, а размер попереч-
ного сечения электрода ограничивает дальнейшее увеличение активного
пятна. В связи с этим напряжение при ограниченном сечении электрода и
при увеличении силы тока возрастает. При этом электрод нагревается до
температуры, превышающей допустимую.
Процесс воздушно-дуговой резки протекает в условиях, когда иони-
зированный промежуток дугового разряда непрерывно нарушается струей
сжатого воздуха. Для него характерно чередование коротких замыканий и
дуговых разрядов.
Установлено, что повышение холостого хода трансформатора с 32
до 50—70 В уменьшает продолжительность процесса контакта (период
короткого замыкания электрода). Удлинение промежутка времени между
контактами, выбросами расплавленного металла и теплообмена с основ-
ным металлом способствует образованию твердых прослоек в зоне реза и
концентрации напряжения в зоне распространения теплоты. Температура
нагрева электрода и основного металла снижается. При этом расплавлен-
ный металл ванны подвержен колебательным движениям, которые резко
повышают подвижность металла. В связи с этим переменный ток увеличи-
вает шероховатость поверхности реза, которая все же не очень велика и
соизмерима с чистотой поверхности отливок.
Следует отметить, что при использовании постоянного тока увеличение
времени контакта расплава с основным металлом, обогащенного углеро-
дом за счет материала электрода, приводит к науглероживанию поверх-
ности реза, что в ряде случаев недопустимо (например, при выборке де-
фектов (трещин) в процессе восстановления штампов из высокопрочных
термообработанных сталей, при выборке дефектов и последующей их
заварке, при низких температурах и т. д.). Кроме того, на постоянном токе
больше глубина ЗТВ и производительность процесса более низкая, чем на
переменном. При этом не обеспечивается необходимое качество реза, так
как электрод сильнее заглубляется и не весь расплавленный металл
удается удалить из полости реза; поверхность получается бугристой и тре-
буется дополнительная обработка — зачистка [33].
В качестве источников питания для воздушно-дуговой резки на посто-
янном и переменном токе используются обычное электросварочное обору-
дование и резаки тина РДВ-1. Для выполнения воздушно-дуговой резки
в условиях литейного производства разработано специальное оборудова-
ние. Например, созданы трансформатор ТДР-1601, резаки РВДл-1000
и «Раздан-1200», пластинчатые графитированные электроды Э-УПК-1,
ЭГ и ГМЗ [34], что позволило внедрить процесс на ряде предприятий.
Практическое применение воздушно-дуговой резки на переменном токе
(1100 1500 А) литейными и станкостроительными предприятиями под-
твердило стабильность процесса и его высокую эффективность при обра-
ботке отливок [33, 34, 74].
Поскольку обрабатываемый металл подвержен значительному нагреву
под воздействием электродугового процесса, то вблизи поверхности реза
образуется ЗТВ. Анализ выполненных исследований [54] показывяет, что
143
1 j блиц а 4 1,1 14 жимы псидуш но-ду- Га б ища 4.18. ГлуОииа МН * ui нм си- говой строжки ни постоянном гоке мости от режима во иушно-душной обратной полярности строжки
Помер режима Рабочий ток, А Давление сжатого воздуха. МПа Скорость резки, Марка мм/с стали Глубина ЗТВ (мм) при режимах
1 II III IV
I II 8Й0 1000 0.4 6,€ 7,Е
' зол 2,0 4,0 3,0 м 2,3 1,25 1,3 1,35 1,2 0,8 I 1,3 1.2
III IV 1150 1300 0,5 8,3 9,2 35JI 35ХМЛ
глубина этой зоны не является величиной постоянной и уменьшается с уве-
личением силы тока и скорости резки, так как время контакта расплава
с основным металлом при этом уменьшается. Исследования проводили на
ряде сталей ферритно-перлитного класса (ЗОЛ, 35Л, 35ХМЛ). Воздушно-
дуговую строжку этих сталей выполняли постоянным током обратной
полярности пластинчатым графитированным электродом сечением 15X
Х25 мм; режимы строжки приведены в табл. 4.17. Толщина снимаемого
слоя 3—5 мм, ширина канавки 25— 28 мм. Зависимость глубины ЗТВ от
режима резки дана в табл. 4.18.
Результаты исследований показали, что существенных отличий струк-
турного состава ЗТВ на всех четырех режимах не наблюдалось.
Физико-химические процессы, сопровождающие резку, оказывают как
тепловое, так и химическое воздействие на металл вблизи реза. Химическое
воздействие заключается в основном в науглероживании. Содержание уг-
лерода на поверхности реза стали СтЗ увеличилось с 0,19 до 0,40 %, глу-
бина науглероженного слоя составила 0,06—0,08 мм.
Характер воздействия резки зависит также от химического состава
и исходной структуры обрабатываемого металла, поэтому исследовали нес-
колько марок сталей, имеющих различную исходную структуру.
Воздушно-дуговую резку этих сталей выполняли на постоянном токе
обратной полярности пластинчатым графитовым электродом сечением
25X8 мм при силе тока 700— 740 Л, глубина канавки 4 -6 мм, расход воз-
духа 20 м3/ч. Результаты исследований приведены в табл. 4.19.
Из таблицы следует, что в сталях с ферритно-перлитной структурой
основного металла (СтЗ, 14Г2, 15ХСНД, 12ХНЗА, 20ХМФ, и 40Х) ЗТВ
имеет ширину 0,9- 2 мм. При этом в стали СтЗ у самой поверхности канав-
ки отмечены только измельчение структуры перлита и незначительное
повышение микротвердости в слое глубиной до 0,3 мм, далее термическое
влияние проявляется только размытыми границами между перлитными и
ферритными зернами. По мере повышения содержания углерода и леги-
рующих элементов увеличиваются ширина ЗТВ и микротвердость. Так,
в стали 40Х на поверхности реза (канавки) наблюдаются мартенсит и
тростит с максимальной микротвердостью 800 HV, далее в глубь металла
твердость постепенно снижается.
Изменения наблюдаются в основном в бывших перлитных зернах; они
приобретают структуру сорбита, тростита или мартенсита. Ферритное же
черно, перейдя при нагреве в аустенитное состояние, находится при высо-
ких температурах недолго и не успевает «насытиться» углеродом из быв-
ших перлитных зерен, поэтому при охлаждении оно возвращается в исход-
ное состояние, имея несколько размытые границы.
И4
В спилив с шрлишой исходной структурой закаленный шжерхносшый
участок ЗТВ имсг! однородную структуру мартенсита иди гростига.
В сталях с мартенситной исходной структурой у поверхности канавки
отмечен гонкий слой мартенсита толшиной 0,2 мм, далее следует участок
отпущеного мартенсита с характерным провалом твердости. Именно на
этом участке, зажатом между двумя слоями мартенсита и испытывающем
с их стороны напряжения сжатия, при резке иногда возникают трещины.
Величина структурных изменений и глубина ЗТВ зависят от режимов
воздушно-дуговой резки. Режим необходимо подбирать в зависимости от
обрабатываемых марок сталей, характера выбираемых дефектов в сварных
швах или на отливках (табл. 4.20). Процесс выборки дефектных участков
необходимо производить равномерно, с установленной скоростью, нельзя
допускать перегрева основного металла и затеков расплавленного металла
в канавку.
При плазменно-дуговой поверхностной резке выплавление металла
производится высокотемпературной плазменной дугой, а удаление его, так
же как и при воздушно-дуговой, направленным потоком воздуха. Процесс
выполняют плазмотроном, в котором используют вольфрамовые, цирконие-
вые или гафниевые электроды в зависимости от состава применяемой плаз-
мообразующей среды. В отличие от разделительной плазменной резки дан-
ный процесс выполняют соплом с большим диаметром канала, т. е. с мень-
шими обжатием и концентрацией дуги. Охлаждение плазмотрона, как
правило, воздушное. Охлаждающий воздух используют одновременно для
удаления расплавленного металла и шлака, образующихся при поверх-
ностной резке. Поток воздуха направляют концентрично плазменной дуге.
Процесс плазменной резки в отличие от воздушно-дуговой легко меха-
низировать и приспособить для удаления сварных швов значительной про-
тяженности, а также для подготовки кромок деталей под сварку и т. и. Не-
достатком является то, что плазмотрон имеет относительно большие по
сравнению с резаком для воздушно-дуговой строжки габаритные размеры
и ограничивает доступ в зауженнные места для обработки. Высокое нап-
Таблиц а 4.19. Результаты металлографических исследований
Марка стали Структура основного мега плз (м икротвсрдосл ь, Н V) Зона термического влияния
Ширина, мм Структура поверхностного участка зоны (микротвердость, НV)
СтЗ Феррит, перл ит (130— 148) со Измельченный феррит и перлит
(185- 220)
14Г2 Феррит, перлит 1,2 Сорбит
15ХСНД Феррит, перлит 2.0 Сорбит
12ХНЗА Феррит, перлит 1,0—1,3 Сорбит (410 470)
20ХМФ Феррит, перлит (145 —200) 1,2 Сорбит -Р троостит (300 432)
40Х Феррит, перли i (180 —220) 0.9- 1,5 Троостит, мартенсит (500—800)
У7 Перлит (210—320) 0.8—1,2 Троостит, мартенсит (500—970)
ШХ15 Перлит, сорбит (380 400) 1,0— 1,5 Троостит, мартенсит (520—600)
1Х17Н2 Мартенсит, феррит (440—480) 1.5-1,9 Мартенсит, феррит (450—600)
4X13 Мартенсит (760—810) 1.5 2.1 Мартенсит (760—950)
Р18М Мартенсит, аустениц карбиды 1,0-1,2 Мартенсит, аустенит, карбиды
(580- 650) (520—620)
X17Н1ЗМ2Т Аустенит, карбиды (220—280) — Аустенит, карби цы (200 280)
08Х20НЮГ6 Аус ।ей и г (230—300) — Avctchhi (230 280)
Таблица 4.20. Режимы воздушно-дуговой поверхностной резки
Примечания: I. Наклон электрода к обрабатываемой поверхности 50—70°. 2. Давление воздуха 0,4—0*5 МПа
146
ряжение 11.1 tyte (порядка 150 В) требует повышенного внимания в роботе.
При плазменном процессе по сравнению с воздушно-дуговым происхо-
дит значительное выделение аэрозолей, поэтому требуется создание спе-
циально оборудованных постов, снабженных мошной приточно-вытяжной
вентиляцией.
В качестве источников питания применяют источники, предназначенные
для разделительной плазменной резки; причем для ручного процесса по-
верхностной обработки с напряжением холостого хода не более 180 В ис-
пользуют установку УПР-201 с резаком ПРВ-202, и у стандартного сопла
рекомендуется стачивать бурт, чтобы обеспечить направление охлаж-
дающего воздуха параллельно столбу дуги [35].
Применяются также установки для ручной плазменной резки КДП-1 и
КДП-2 с резаком РДП-2.
В целях расширения объемов применения поверхностной плазменной
резки и облегчения труда рабочих-обрубщиков в литейных цехах, в штам-
повом производстве созданы установки УПОМ [63], которые используют
как для ручной резки, так и для поверхностной строжки.
Электрическая схема УПОМ незначительно отличается от серийных
установок для ручной плазменной резки металлов и позволяет осуществ-
лять выплавку дефектов, удаление литниковых систем, облоя, заливов,
строжку без предварительного снятия металлизированного пригара. Осо-
бенностью установок типа УПОМ является использование малогабарит-
ного (массой 600 г) плазмотрона, который при операциях зачистки опи-
рается на обрабатываемую поверхность. Это значительно облегчает труд
рабочего-резчика и повышает качество обрабатываемой поверхности. Ус-
тановки спроектированы в трех модификациях: для работы на аргоне с
азотом (УПОМ-3), азоте (УПОМ-4) и воздухе (УПОМ-5). Технические
данные этих установок приведены в табл. 4.21.
Установка УПОМ состоит из источника питания, переходного- кол-
лектора и плазмотрона. Источник питания представляет собой тирис-
торный преобразователь с отрицательной обратной связью по току
нагрузки.
Блок управления обеспечивает плавное нарастание рабочего тока, по-
дачу газа, зажигание дежурной основной дуги, контроль длины вылета
электрода и давление газа в плазмотроне.
Установка спроектирована с учетом работы в условиях повышенной
запыленности в закрытых помещениях при температуре окружающей сре-
Таблица 4.21. Технические данные установок УПОМ
Показатель установки УПОМ-З УПОМ-4 УПОМ-5
Номинальный ток, А 300 300 220
Расход аргона, л/с 0,25 —- ——
> азота, л/с 0,33 0,42 —
» воздуха, л/с 1,4 1,4 2.2
Мощность, потребляемая установкой, кВт 60 60 50
Маса переходного коллектора, кг 22 15 15
Масса плазмотрона, г 600 600 650
Примечания: I. Напряжение питающей сети 380 В. холостого хода источим коп 180 В.
2. КПД 85 %. 3. Максимальное удаление плазмотрона от источника питания 23 м 1. Ги6нрии1ыг
размеры источников питания 1200 X 600X1200 мм. 5. Масса источника питания 0 97 т.
147
Глава 5
СРЕДСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОСНАЩЕНИЯ
5.1. 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-плаз-
менной резки является Степанаванский завод высокочастотного электро-
оборудования, выпускающий установки УПР-201, АПР-401, АПР-402 и
АИР-403. Их основные параметры приведены в табл. 5.1.
Установка УПР-201 предназначена для ручной воздушно-плазменной
резки низкоуглеродистых, низколегированных, коррозионно-стойких, вы-
соколегированных сталей толщиной до 40 мм, а также цветных метал-
лов и их сплавов при температуре окружающей среды от +40 до —40 °C.
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 пространствен-
ном положении.
Установки АПР-401 и АПР-403 по своим электрическим характеристи-
кам и принципу построения электрической схемы аналогичны. Основное
отличие установки АПР-403 состоит в размещении элементов схемы управ-
ления установкой в корпусе источника птания.
Таблица 5.1. Характеристики установок для плазменной резки
Наимено- вание процесса । 1 Гил установки Питание Напря- жение холостого хода, В Рабочее напря- жение на дуге, в I1редел рабочего тока. А Габаритные размеры, мм Мас- са. кг
Ручная плазменная резка L . _1 УПР-201 От сети трехфаз- ного переменного тока напряже- нием 380 и 220 В, частотой 50 Гц 180 150 150—250 1150X690X950 450
Механизиро- ванная плаз- менная резка АПР-401 От сети трехфаз- ного переменного тока на н ряже- пнем 380, 400, 415 В, частотой 50 Гц и напря- жением 380,440 В, частотой 60 Гц 300/480 200/120 100 450 874X910X1710 1500
АПР-402 300 250 100—500 856X1124X1800 1 000
АПР-403 300/180 200/120 100—450 874X910X1710 1500
II рнмечл 11 и е Г1ла.1М<>образуютнй газ — воздух.
ГМ)
Усj лионки пр< диляначены для полуавтоматической и .ниом.ннчгской
механизированной воздушно-плазменной резки черных и цветных метал-
лов 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 авто-
матической. Плазмотрон для автоматической резки можно устанавливать
на машинах для тепловой резки, трубообрезных станках и на любом ме-
ханизме, обеспечивающем равномерное перемещение плазмотрона с задан-
ной скоростью.
При работе в полуавтоматическом режиме можно осуществлять раз-
делительную резку, обрезку прибылей и выборку дефектов в сварных швах.
Установки комплектуются выпрямителями типа ВПР-402М для плаз-
менной резки, которые состоят из трехфазного трансформатора, управляе-
мого трехфазного дросселя насыщения, выпрямительного блока и пускоре-
гулирующей аппаратуры. Дроссель насыщения служит для получения кру-
то падающих внешних характеристик. Обмотки переменного тока дросселя
включены встречно-последовательно в линейную цепь трансформатора.
Управляющая обмотка (подмагничиваемая) охватывает все шесть сердеч-
ников трех фаз дросселя и питается выпрямленным током.
Установка АПР-402 предназначена для механизированной воздушно-
плазменной резки черных металлов толщиной до 130 мм, меди и ее спла-
вов— до 100 мм и алюминия и его сплавов — до 130 мм.
В комплект установки входят источник питания с встроенной ап-
паратурой 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, обеспечи-
вающем равномерное перемещение плазмотрона с заданной скоростью.
Схемы управления автоматически осуществляют: возбуждение режу-
щей дуги, плавное нарастание рабочего тока, снятие напряжения с плаз-
мотрона при нарушениях работы его системы охлаждения, выключение
установки при выходе из строя вентиляции.
Установлено, что при использовании источников питания с крутопадаю-
щими 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 уз-
ким книзу. Это объясняется тем, что углубление дуги в металл сопровож-
дается увеличением напряжения и уменьшением тока, вследствие чего в
нижних участках реза выделяется меньше тепла. В связи с этим оплав-
ление 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 умень-
шится на 20 В (точки А' и А"), то при работе с источником питания, имею-
щим 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 ин-
дуктивность. Если она будет недостаточной, то при резких скачках напря-
жения на дуге ток может уменьшиться до величины, при которой дуга и
резка окажутся нестабильными даже при наличии крутопадающей стати-
151
Рис. 5.1. Различные формы внешних статических характеристик:
а — пологопадающая; 6 — крутопадающая
ческой характеристики. При достаточно большой индуктивности резка
стабильна даже при сравнительно пологих характеристиках. По от формы
статической характеристики зависит и качество резки, поэтому она имеет
первостепенное значение.
Крутопадающие внешние статические характеристики могут быть обес-
печены следующими типами источников питания: выпрямителями, управ-
ляемыми дросселями насыщения, тиристорными выпрямителями с обрат-
ной 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 плаз-
менной обработки. Они обладают хорошими регулировочными характе-
ристиками, просты в обслуживании и надежны в работе. Их недостатками
являются низкий cos ср, значительные габаритные размеры и масса. Не
вполне удовлетворительны и динамические характеристики дросселей на-
сыщения, поэтому появляются броски тока при возбуждении дуги в источ-
нике питания для плазменной резки. Используемое в этих источниках
питания начальное ограничение тока подмагничивания дросселя насыще-
ния все же не позволяет полностью избавиться от бросков тока. Источ-
ники питания с дросселями насыщения постепенно вытесняются более
экономичными, компактными и легкими тиристорными выпрямителями.
Тиристорные выпрямители (табл. 5.2), в которых для получения круто-
падающих внешних статических характеристик используется обратная
связь по току нагрузки, в настоящее время наиболее соответствуют
требованиям, предъявляемым к источникам питания для плазменной
1 аблипа 5.2. Тиристорные источники питания, разработанные в ИЭС им. Патона
Характеристика «Киев-5» «Киев-6»
Напряжение холостого хода, В 250 300
Диапазон рабочих напряжений, В 120- 230 120- 280
Рабочий ток. А 80—200 80—315
11отре6ляемая мощность, кВт 52 97
кпд 0,92 0.91
Крутизна внешней характеристики, В/А 15 15
Разрезаемая толщина стали, мм До 80 До 120
Гии плазмотрона ОБ2449 ОБ2449
Диаметр сопла, мм 2 3
152
обработки Высокие гсхнико-экономические показа гели, возможность
получении любой желаемой формы внешней статической характерна ики,
широкий диапазон регулирования позволяют использовать тиристорные
выпрямители для всех видов плазменной обработки. В источниках нита
ния этого типа достаточно просто реализуются режимы плавного увели
чения и уменьшения тока, импульсные режимы, что значительно расши
ряет 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 отсутству-
ет, тиристорный выпрямитель фактически является нерегулируемым
выпрямителем с жесткими характеристиками. При плазменной резке это
приводит к появлению бросков тока величиной в 60—360 электриче-
ских градусов (в зависимости от динамических свойств .схемы управле-
ния) 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 воз-
буждения дуги.
Источники питания на базе индуктивно-емкостных преобразователей
можно отнести к сравнительно новым типам. В индуктивно-емкостных пре-
образователях используются резонансные свойства LC контура, позво-
ляющие получить источник питания с характеристиками, близкими к
идеальным. Несмотря на то что индуктивно-емкостные преобразователи
имеют вертикальные характеристики, соответствующие требованиям плаз-
менной 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 преобразовате-
лей ограничивается плазменной резкой, которая может производиться
при двух-трех фиксированных значениях токов.
Несмотря на указанный недостаток, а также на необходимость приме-
нения в индуктивно-емкостных преобразователях силовых конденсаторов
и дросселей, эти источники питания весьма перспективны.
Транзисторные источники питания имеют высокие технические харак-
теристики. Поскольку транзистор является полностью управляемым полу-
п р о в од н и ковы м при бор о м и кто м у же и м ест в ысо к и е ч а ст от н ые и а р а м ет р ы,
транзисторные источники питания позволяют получить любую форму ста-
тической характеристики, идеально сглаженный ток и прекрасные дина-
мические 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 плазмо-
тронов ниже приводится их классификация по ряду признаков (63].
При всем разнообразии плазмотронов ниже приводится их классифи
нация по ряду признаков [63].
По назначению режущие плазмотроны подразделяются на машинные и
ручные. Машинные ня.нмотроны работают от источников пиыния с
пл 13мотрона: по высота канала сопла //(, радиус сопряжения канала
ift<
напряжением холоенно хода до 300 В при величине рабочего ток л 250
500 Л и выше. Голщина разрезаемого металла до 50 80 мм.
Ручные плазмотроны для обеспечения безопасности работают при нап-
ряжении 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 рабо-
тах, при обработке отливок и при резке листового проката в малых
объемах.
Ио принципу работы режущие плазмотроны могут быть с дугой пря-
мого и косвенного действия. Наиболее широко применяются плазмотроны с
дугой прямого действия.
Ио роду используемого тока наиболее распространены режущие плаз-
мотроны постоянного тока, отличающиеся лучшей стабильностью горения
дуги. Проведены исследования режущих плазмотронов на пульсирующем
токе; исследуются также возможности применения переменного тока про-
мышленной частоты.
По роду применяемой рабочей среды можно выделить три основных
типа плазмотронов: с окислительным рабочим газом, с нейтральным ра-
бочим газом и с использованием воды в качестве плазмообразующей сре-
ды. Из газов, нейтральных по отношению к рабочему электроду, получили
наибольшее применение аргон, азот, водород и их смеси. Экономично ис-
пользовать плазмотроны, работающие на воздухе. Несомненный интерес
представляют плазмотроны, рабочей средой которых является вода. Их
разработкой занимается в нашей стране ряд организаций, однако про-
мышленного применения они еще не получили.
По способу стабилизации дуги плазмотроны могут быть с вихревой,
осевой и комбинированной системами стабилизации. Осевая стабилиза-
ция применяется при использовании катодов в виде заостренного стержня
диаметром 2—б мм, длиной до 150 мм; их изготовляют из вольфрама, леги-
рованного окислами лантана и иттрия. При вихревой стабилизации осу-
ществляются более интенсивное обжатие дуги и более четкая ее фиксация
по оси плазмотрона.
При всем разнообразии конструкций все плазмотроны имеют три основ-
ных элемента: электрод (при прямой полярности катод), сопло и изолятор.
Последний разделяет электрод и сопло, находящиеся под разными элект-
рическими потенциалами. Конструкция и материал этих элементов опреде-
ляют 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 спра-
ведливо лишь в случае, если параметры перечисленных элементов взаимо-
связаны, образуя систему, называемую дуговой камерой. Для каждой
конструкции плазмотрона существует вполне определенная геометрия
луговой камеры, позволяющая получить наилучшие показатели, т. е.
наибольшую скорость при высоком качестве поверхности резки. Схема-
him ное изображение дуговой камеры и ее параметры, которые учитыва-
ются при оптимизации, приведены на рис. 5.2. Различают технологические
и конструктивные параметры плазмотронов [42]. К первым относятся:
ток дуги /,, расход Q или давление р воздуха, а также других плазмо-
образующих газов. К конструктивным параметрам, в первую очередь,
относя гея параметры, характеризующие геометрию тутовой камеры
плазмотрона: это высота канала сопла /7О радиус сопряжения канала
151
Рнс. B.i. Кнштрукгивные параметры дуговой камеры
НЛ »1М»Тр<ИШ
сопла Rc, расстояние от среза до рабочей
поверхности электрода H3V, радиус элек-
трода R3, угол раскрытия а, диаметр ка-
нала сопла Dc, расстояние от рабочей
поверхности электрода до завихрителя /ь
Для функционирования плазмотрона
без изменения рабочих характеристик не-
обходимо, чтобы параметр Н3 < оставался
неизменным. Естественно, что диаметр Dc
и высота Нс ограничивающего канала
(сопла) также должны оставаться посто-
янными во времени. Следует иметь в виду,
что такой технологический параметр, как
ток дуги, является определяющим факто-
ром лишь в совокупности с диаметром
сопла, т. е. в виде плотности тока, которая представляет собой отноше-
ние 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 умень-
шения 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. Степанаваиский 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 предназ-
начен 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 соот-
ветствии с ГОСТ 12.2.007.8—75*. Он применяется в тех случаях, когда
невозможно механизировать процесс резки, например при обрезке литни-
ков и прибылей. Отличительный признак плазмотрона — отсутствие регу-
лировки при сборке. Плазмотрон входит в комплект установки АПР-403.
Плазмотрон типа ПВР-402У4 (рис. 5.4) предназначен для механизиро-
ванной воздушно-плазменной и кислородно-плазменной резки.
Плазмотроны ПРВ-101У4 и ПВР-101У4 имеют максимально унифи-
цированные сменные и быстроизнашивающиеся детали, т. е. электроды и
сопла. Плазмотроны для ручной и механизированной резки имеют одина-
ковую конструкцию рабочей части [63].
Технологические возможности плазмотрона ПВР-101У4 для механизи-
рованной резки позволяют получать при силе тока 150 160 Л некоторый
выигрыш по скорости, ширине и качеству реза, уровню шума и дымовы-
155
а б л и ца 5.3. Основные характеристики плазмотронов для воздушно-плазменной резки
делений при резке материалов кмицмной
до 20 мм но сравнению с нлазмсироками
ПВР-402У4 и ПМР-74. Достигается это
в основном за счет повышения плотности
тока в канале сопла.
Плазмотрон ПРВ-101У4 имеет мень-
шие габаритные размеры, чем плазмо-
троны ПРВ-202УЗ и ПРВ-401У4, что по-
зволяет производить резку в труднодо-
ступных местах.
Выше отмечалось, что увеличение ско-
рости резки и уменьшение ширины реза
в процессе резки металла определенной
толщины при неизменной силе гока можно
получить за счет увеличения плотности
тока в канале сопла. Плотность гока мо-
жет быть выражена через расход плаз-
мообразуюшего газа или через давление,
которые связаны линейной зависимостью.
Результаты исследований взаимосвязи
между скоростью резки и давлением под-
тверждают высказанное положение, но
установлено также (рис. 5.5), что для
каждой толщины разрезаемого металла
существует свой максимум давления, т. с.
плотности тока, после которого скорость
резки начинает падать.
Установлено, что увеличение плотности
тока положительно сказывается и на
потреблении электроэнергии на 1 м длины
реза. При резке с применением плазмо-
трона I IBP-101 (рис. 5.6) потребление
электроэнергии на 1 м длины реза ниже
до толщины 35 мм, чем при использовании
плазмотрона ПВР-402.
На Степанаванском заводе высокоча-
стотного электрооборудования организо-
вано производство быстроизнашивающих-
ся частей — электродов и сопел. Комплект
электрод — сопло типа ЭСП-01 предна-
значен для работы в плазмотроне
ПВР-402 с различными вариантами испол-
нения сопла и катода. Плазмотрон входит
в комплект установок АПР-402 и АПР-403
с катодом для воздушно-плазменной и
кислородной резки (тип ЭП-01). Комплект
электрод — сопло типа ЭСР-02 использу-
ется в плазмотроне типа ПРВ-202.
Плазмотрон ПМР-74 является универ-
сальным и может быть использован как
для плазменной резки обычным способом
с применением воздуха в качестве плаз-
мообразующей среды, так и для плазмен-
Рис. 5.3. Плазмотрон ПРВ-202УЗ
Рис. 5.4. Плазмотрон ПВР-402У4
157
Рис. 5.5. ЗнЯНСИМОСТЬ СМОрОПМ рГ1КИ ill див-
ленмя (расхода)
ной резки с применением
воздушно-водяной плазмооб-
разующей среды. При ис-
пользовании плазмотрона
для воздушно-водя ной плаз-
менной резки применяется
дополнительное наружное
сопло с канавками, которое
устанавливается совместно с
внутренним соплом и поджи-
мается колпаком. По канав-
кам наружного сопла, рас-
положенным на внутренней
и наружных поверхностях,
в канал сопла и в зону дуги
из системы охлаждения
Рис. 5.6. Зависимость энергии, потребляемой
на 1 м длины реза, от толщины листа при
резке:
1 — на плазмотроне ПВРЛ01; 2— на плазмо-
троне П В Р-402
плазмотрона подается небольшая часть воды, которая частично испаряет-
ся и частично диссоциирует на водород и кислород, создавая в зоне дуги
нейтрализующую атмосферу, уменьшающую насыщение кромок азотом.
Электроды плазмотрона по типу и конструкции зависят от состава плаз-
мообразующей среды, используемой при резке, а основной характеристи-
кой материала электрода являются его эмиссионные свойства. Чем выше
эмиссионные свойства материала электрода, тем лучше решается задача
стабилизации дуги и охлаждения электрода [63].
В качестве материала для электродов, работающих в кислородосо-
держащих средах, используется гафний, так как его соединения обладают
высокими эмиссионными свойствами, устойчивы термически к колебаниям
токового и газового режимов, а также условий охлаждения. Теплофи-
зические константы гафния и его соединений существенно ниже соответст-
вующих теплофизических констант вольфрама — теплопроводность в три-
четыре раза, а температура плавления — в два раза. В связи с этим для
улучшения теплоотвода от активной катодной вставки из гафния, ее по-
мещают заподлицо в медную державку. От возможности обеспечения
требуемого теплоотвода от гафниевой активной вставки зависит ресурс ра-
боты катода. Исходя из необходимости обеспечения максимального ре-
сурса работы таких катодов, создается и ее конструкция: в частности, диа-
метр торцовой части медной державки не может быть меньше определен-
ной величины для заданного тока дуги. Объясняется это тем, что величина
158
допустимою itMUHiMHo потока, проходящего через млтгриил лкппшой
вставки, гтшнг ог радиуса медной державки. Стабилизация дуги-*
вихревая.
Технология изготовления электрода должна обеспечивать гаран гиро-
ванный тепловой и электрический контакт между медью и гафнием по всей
поверхности активной вставки в течение всего времени ее работы. Наи-
более полно этим требованиям отвечает метод совместной холодной штам-
повки активной вставки и медной державки.
Для предотвращения расплавления стенок медной державки под воз-
действием 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 исследо-
ваний механизма функционирования электрода. Они показали, что окислы,
образующиеся на рабочей поверхности гафниевой вставки, плохо смачи-
вают стенки эрозионного кратера и не защищают их от воздействия теп-
лового потока столба дуги. В результате наступает момент, когда пада-
ющий на стенки кратера тепловой поток от столба дуги вызывает расплав-
ление части медного держателя. Образующаяся при этом жидкая медь
окисляется и может попасть в эмитирующий материал в виде окислов. Тем-
пературы 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 смачива-
емостью и низкими эмиссионными свойствами (в частности, алюминие-
вой фольгой, которая наиболее полно отвечает указанным требованиям)
Сейчас электроды с алюминиевой прокладкой выпускаются серийно
Степанаванским заводом высокочастотного электрооборудования (типа
электрода ЭИ-01) и используются предприятиями при кислородно-плаз-
менной 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 со-
ставляет 1,5—3 ч суммарного времени горения дуги. Для плазмотронов,
предназначенных для использования инертных и нейтральных плазмо-
образующих сред, применяются электроды из вольфрама.
В настоящее время промышленностью освоен выпуск вольфрама, леги-
рованного 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 способа-
ми: 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 зре-
ния 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. Назна-
чение сопла — формирование геометрических и энергетических парамет-
1Г>9
Рис. 5.7. Принципиальная схема плазмотрона с нольфрямоным
катодом: а — плазмотрон с цанговой фиксацией лиекгрода;
б — плазмотрон с фиксацией электрода в медной державке:
1 — электродный узел; 2 — цанговый зажим; 3 вольфрамовый
стержень; 4 — медная державка
ров дуги. Кроме того, сопло формирует и ста-
билизирует прикатодную область дугового стол-
ба. К основным параметрам сопла относятся
диаметр и высоте! канала, геометрия дуговой
камеры плазмотрона [63].
Диаметр и высота канала сопла устанавли-
ваются в зависимости от величины рабочего
тока, состава и расхода плазмообразующего
газа. При этом находят наиболее благоприят-
ное сочетание таких показателей, как техноло-
гические возможности и надежность работы
плазмотрона, т. е. стойкость сопла и электрода.
Предпочтение отдается показателю надеж-
ности.
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 верти кал ьность кромок
реза, уменьшается его ширина. Однако падает
стойкость сопла и возникают трудности с за-
жиганием дуги. Снижается ресурс работы
электрода вследствие увеличения тепловых по-
токов, проходящих через электрод из-за умень-
шения 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 наг-
рузок на пего и возникновения двойной дуги.
Наряду с обеспечением достаточного охлаждения сопла необходимо
создавать благоприятные условия для подачи плазмообразующего газа
в его канал, что зависит от геометрии дуговой камеры.
Сопло выполняет также роль вспомогательного электрода, обеспечи-
вающего 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 воз-
буждения дежурной дуги вызывает необходимость его изоляции от основ-
ного электрода плазмотрона.
К материалу изолятора плазмотрона предъявляются разнообразные
и противоречивые требования. Он должен обладать: высокой электричес-
кой прочностью, поскольку возбуждение дежурной дуги осуществляется
с помощью высоковольтного высокочастотного разряда осциллятора; вы-
сокой механической прочностью, так как изолятор часто выполняет функ-
ции несущей конструкции, на которой крепикя ссыльные У им liJhu
мотрона; почможностью обработки режущим инструментом: термостой-
костью, так как отдельные части изолятора подвержены действию 1 сило-
вого и светового излучения дуги: герметичностью, поскольку через изоля-
тор проходят коммуникации плазмообразующего газа и охлаждения.
Исходя из перечисленных требований, определены две группы мате-
риалов. 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 причи-
нами. 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 высокогли-
ноземистых шликерых масс требуется специальное технологическое обо-
рудование — шаровые мельницы для приготовления массы, машины шли-
керного литья и водородные печи для спекания массы.
Несмотря на то, что для изготовления изолятора плазмотрона приме-
няются материалы пяти-шести наименований, можно считать, что эта проб-
лема сейчас решена. Выпускаемые плазмотроны имеют приемлемый ресурс
работы и в целом отвечают требованиям надежности.
По мере развития техники и технологии возникает потребность в рас-
ширении 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 боль-
ших толщин. Создание гибких автоматизированных производственных
систем, в составе которых плазморежущие машины работают без опера-
торов, вызвало необходимость резкого повышения стойкости электродов.
В связи с вышеизложенным привлекает внимание использование полых
медных электродов, которые дают возможность увеличить мощность режу-
щего плазмотрона и ресурс работы электродной системы, а также ис-
пользовать переменный ток промышленной частоты 144].
Режущие плазмотроны с полым медным электродом бывают прямого и
косвенного действия (рис. 5.8). Они состоят из полого внутреннего элект-
рода, завихрителя 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, соз-
даваемого тангенциальными отверстиями в завихрителе. Образующийся
газовый циклон обусловливает стабильное положение столба дуги по оси
полости электрода в зоне наименьшего статического давления и способст-
вует быстрому круговому вращению опорных пятен дуги по поверхности
6 Зак. 292
НИ
Рис. 5.8. Принципиальные схемы плазмотрона с медными полыми
электродами: а — с дугой прямого действия; б —с дугой косвен-
ного действия:
/ - 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 до-
пускается локальный нагрев последних и в соче-
тании с интенсивным наружным охлаждением обе-
спечивается длительный срок службы электродов.
Кроме того, располагающийся вблизи стенок га-
зовый циклон создает эффективную тепловую
изоляцию дуги.
Электроды работают при невысокой темпера-
туре нагрева (420—470 К), и в качестве рабочего
газа может быть использован сжатый воздух.
При дуге прямого действия один полюс источ-
ника питания подключается к внутреннему элек-
троду, а второй к разрезаемому металлу и через
балластное сопротивление и размыкающий кон-
такт— к сопловому электроду (рис. 5.8, а).
Первоначально дуга возбуждается в мини-
мальном зазоре между внутренним и сопло-
вым электродами с помощью инициирующего
устройства. Затем газовым вихрем она растяги-
вается и стабилизируется по оси разрядной ка-
меры. Как только образовавшийся поток плазмы
касается разрезаемого металла, дуга переходит
на металл, а контактор размыкает цепь прохож-
дения 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 на-
правлении 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 легирован-
ных сталей и их сплавов толщиной до 160 мм создан плазмотрон ПВ-47
с полным медным электродом. Этот плазмотрон можно использовать для
раскроя листового материала, и я разделительной резки груб и круглого
проката, а также для резки сложного профиля.
Интенсивная направленность потока плазмы, истекающей из сопла,
обеспечивает хорошее качество реза: узкую щель, образующуюся при рез-
ке; гладкие чистые параллельные боковые поверхности реза.
Конструкция плазмотрона может быть установлена на любую плазмо-
резательную машину, обеспечивающую его равномерное перемещение, с
заданной скоростью над разрезаемым металлом. Для его питания ис-
пользуется выпрямитель с напряжением холостого хода 500 Вис крутопа-
дающей 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:
Элек цини-1 г мпнпюсп., кВ:
Рабочий f <>к. А
Рабочее напряжение 1уги, В .
Напряжение холостого хода, В .
Плазмообразуюший газ
Расход воздуха, л/с .
Давление воздуха, МПа
Охлаждение плазмотрона
Расход охлаждающей воды, л/с .
Давление охлаждающей воды, кПа, но менее
Габаритные размеры, мм:
диаметр
длина
Масса, кг
ЛИ 2-»0
200 НЮ
200 350
500
Воздух
1,1 2.8
0,3 0.5
Водяное
0,1 0,3
150
60
150
1.4
Кривые изменения скорости резки высоколегированной стали плазмо-
троном ПВ-47 в зависимости от разрезаемой толщины металла при значе-
ниях силы тока о г 200 до 600 А приведены на рис. 5.9.
Кишиневским политехническим институтом совместно с ВНИИЭСО
проведены сравнительные испытания плазмотронов ПВ-47 и ПВР-402 при
рабочем токе 315 Л. В результате установлено, что скорость резки и потре-
бляемая мощность у плазмотрона ПВ-47 на 20 40 % выше, чем у плазмо-
трона ПВР-402. Увеличение мощности достигается за счет повышения
напряжения па 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 Рп - потери тепловой мощности в плазмотроне, кВт:
напряжение режущей дуги, В: 1 - рабочий ток дуги. А.
U — рабочее
Рис. 5.9- Изменение скорости
резки высоколегированной ста-
ли плазмотроном ПВ-47 в зави-
симости от толщины разрезае-
мою металла при силе тока:
/ 200 Л. 2- 300 A; 3-
400 4 500 А, 5 600 А
Рис. 5.10. Ресурсные характеристики:
/ плазмотрона ПВ-47: 2 плазмотрона
IIВI’-402 с гафниевым катодом in число
включений плазмотрона ю гимены электро-
да. t продолжительное н, включения!
163
Рис. 5.12. Электро дуговая камера плазмо-
трона:
/ — катододержатель; 2 — сопло; А — кон-
фузорная поверхность сопла; В — внешняя
коническая поверхность катододержателя
Рис. 5-11. Принципиальная схема полого
электрода с гафниевыми катодами по внут-
ренне А поверхности:
/ — корпус электрода; 2 — гафниевые ка-
тоды; 3 — сопло плазмотрона
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 сравне-
нию с дуговым пятном на термохимическом катоде.
Институтом теплофизики СО АН СССР и Новосибирским Государст-
венным университетом создан плазмотрон РПТ-1, имеющий полый элект-
род с гафниевыми вставками по окружности внутренней стенки, который
работает на постоянном токе (рис. 5.11). Плазмотрон имеет газовихре-
ную стабилизацию дуги и предназначен для резки металла больших тол-
щин и плазменно-механической обработки крупногабаритных изделий.
Технические данные плазмотрона следующие:
Напряжение источника, В . .
Максимальный рабочий ток, А .
Рабочий газ . . . , ,
Расход газа, л/с...............
Давление в газовой системе. МПа .
Охлаждение . ............
Расход воды, л/с ............
Давление в водяной системе, МПа .
Ресурс непрерывной работы, ч. . .
Толщина разрезаемого металла, мм:
стали ....
меди ......................
Габаритные размеры, мм:
диаметр .......................
длина ................
Масса, кг .
300
1000
Воздух
1,4—3,3
0,3
Водяное
0,3
0,6
Более 50
До 150
До 80
52
200
1,2
Гафниевые вставки, расположенные на внутренней поверхности полого
электрода, включаются в работу по мере повышения силы тока примерно
184
чере i каждые 200 А, поэтому при большой суммарной силе нжл
вставка работает при токе относительно небольшой величины;
этого увеличивается стойкость электрода
каждая
ia счет
режимы
В заключение следует отме-
тить, что доля производства тон-
колистового 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 вре-
мя механические способы резки
тонколистового металла, особенно
по криволинейному контуру, очень
трудоемки и низкопроизводитель-
ны, а кислородная резка вызы-
вает значительное коробление.
В связи с этим создание плазмен-
ной установки для резки листов ма-
лых толщин является весьма акту-
альной задачей, решение которой
дает значительный экономический
эффект народному хозяйству.
Таблица
ручной резки
5.4.
Рекомендуемые
Толщи- на, мм Диаметр сопла, мм Режу- щий ток. А Ширина реза верхнего/нижнего, мм
Сталь f шз ко угле •род истая
1 0,6 10 1,1/0,7
2 -0,8 20 1,5/1,1
3 1,0 20 1,7/0,5
4 1.0 30 1,9/1.1
5 1,0 40 2,2/0.8
6 1,3 50 2,4/0,8
Алюминий
1 0,4 5 0,9/0,5
3 0,6 10 1.6/1,2
4 1,0 20 1 >8/0,6
5 1,0 30 1.9/1,2
Учитывая сказанное, во ВНИИАвтогенмаше на базе серийного свароч-
ного выпрямителя В Д-301 УЗ и осциллятора ОСПЗ-2М создана установка
для воздушно-плазменной резки тонколистового проката различных ме-
таллов при токе 5—50 А [92].
Плазмотрон, используемый в указанной установке (рис. 5.12), отли-
чается 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 пос-
редством предельного сокращения ее реальной длины, т. е. сведением к ми-
нимуму 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 обра-
ботки металлических листов толщиной до 6 мм должна составлять для
ручной резки примерно 6 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.
1ш»
I a 6.! и ii о Л.Л Режимы машинной речки
1 П.1111ИШ1, мм Тин метр Со ИЛ Л, мм Расход нолдухи. .|/с Режущий ток. А —-т... Напря- жение цуги, В Скорость резки, мм/с Ширима реза верхнег о/нижнего, мм
1 0,8 Сталь 0.15—0.18 низкоуглер 20 юдистая 105 102 1,3/0,5
2 U) 0.18—0.2 30 108 68 1,6/1,1
3 го 0,18 0,2 40 108 68 2,0/1,0
3 1.2 0,2—0.25 60 110 102 2.1/1,0
4 1,2 0,2—0,25 50 НО 68 2.0/1.0
4 1.2 0,2—0,25 80 105 102 2,1 /0.8
5 1.3 0,23—0,27 60 112 68 2,4/1.2
5 1.3 0,23 0,27 100 108 102 2,3/1,1
6 1.3 0,23—0,27 80 112 68 2,5/0,8
I 0,6 0,12 0,13 Алюминий 10 105 102 1.0/0.5
3 1,0 0.18—0,2 30 112 85 1,5/1,0
4 1.0 0,18—0,2 30 115 68 1,7/1.2
4 1.0 0,18—0.2 50 110 102 1,8/1,0
5 1,0 ОД 8 0,2 50 114 68 2,0/1,0
5 1,2 0,2 0,25 80 112 102 2,2/1,1
5.2. Стационарные и переносные машины,
универсальные комплекты для ручной резки
Технические характеристики стационарных машин для плазменной
резки приведены в табл. 5.6 [52]. Основными изготовителями этих ма-
шин являются Одесский завод «Автогенмаш», Кироваканский завод
автогенного машиностроения (машины ПкПл2-6Ф-2), Степанаванский
завод высокочастотного оборудования (машина «Кристалл»), НПО
«Ритм» (машины «Гранат» и ППлКЦ-2,5) (рис. 5.13).
Все машины предназначены для фигурной воздушно-плазменной вы-
резки деталей без скоса кромок из листов низкоуглеродистой и высоко-
легированной стали, цветных металлов и сплавов. Машины могут быть ис-
пользованы или специально предназначены (ППлЛ2.5-10-10У4) для вы-
резки полос и прямолинейной обрезки листов без скоса кромок. Стаби-
лизация расстояния между плазмотроном и разрезаемым листом в про-
цессе резки — автоматическая. Управление технологическими командами
автоматизированное. Машину обслуживает оператор. В комплект по-
ставки входят машина в сборе, запасные части и инструмент.
Машина ППлЦ3.5-6У4 — портального типа. Состоит из портала, рель-
сового пути, суппорта, плазмотрона, пульта управления и установки для
воздушно-плазменной резки. Система управления движением плазмотрона
но контуру—программная и с цифровым вводом информации на стан-
дартом 8-дорожечной перфоленте.
Машина 1ШлФ2,5-6У4 — также портального типа, но с фотоэлектрон-
ной масштабной системой управления движением плазмотрона по контуру,
(.остомг из портала, рельсового пути, суппорта, плазмотрона, пульта
управления, задающего агрегата и установки для воздушно-плазменной
редки.
Машина Г1кПЛ2-6Ф-2 — портально-консольного типа с фотоэлектрон-
ной системой управления движением плазмотрона по контуру. Она сос-
ни»
кип и । рамы, фотокопировального стола, двух илазмогрошш рпьгоншо
пути, пульта технологических команд, внешнего пульта управления и двух
установок для воздушно-плазменной резки.
Машина ППлЛ2,5— 10-10У4 предназначена для линейной воздушно-
плазменной резки листов без скоса кромок. Машина — портального типа
с линейной системой управления движением плазмотрона по контуру,
с ручным регулированием скорости и с ручной установкой плазмотронов
на заданный размер. Состоит из портала, перемещающегося по специаль-
ному рельсовому пути, который расположен над разрезаемым листом;
суппортов; двух плазмотронов; пульта управления и двух установок
для воздушно-плазменной резки.
Машины «Кристалл ГПл-2.5» и «Кристалл ТПл-3,2» — портального
типа, имеют программную систему управления движением плазмотрона
по контуру с цифровым вводом информации с 5-дорожечной перфоленты.
Состоят из портала, рельсового нуги, суппорта, плазмотрона, пульта уп-
равления и установки для воздушно-плазменной резки.
Машины для тепловой резки листового проката, поставляемые зару-
бежными фирмами, обычно предназначены либо только для кислородной
резки, либо являются универсальными и могут использоваться как в кис-
лородном, так и в плазменном варианте. Основные технические характе-
ристики этих машин приведены в первой главе.
Представляет интерес комбинированный станок «Пуллматик 3015Р»
(Pullmatuk 3015/?), который предназначен для вырубки и плазменной
резки листов размерами 2050X1150 мм, поставляемый шведской фирмой
«Пуллмакс» (Pull max). Плазмой производятся вырезка крупных отвер-
стий и вырезка детали по контуру. Установка для плазменной резки станка
позволяет производить резку стальных листов толщиной от 3 до 20 мм.
Плазмообразующий газ — воздух или аргон с водородом. Отличительной
Рис. 5.13. Плаэменно-кислородная машина <Гранат ППлКЦ-2,5»
167
a
HfH
1 a 6.' и ц a 5.6 Ослов и ые технические характеристики стационарных машин для плазменной резки металла
Характеристика Марка машины
ППлЦ 3.5-6У4 ППлФ 2.5-6У4 ПкПл 2-6Ф-2 ППлЛ 2.5-10-10У4 «Кристалл ТПл-2.5> «Гранат ППлКЦ-2,5»
Наибольшие размеры об- рабатываемых листов, мм: длина 8000 8000 8000 8000 10000 10 000
ширина 3500 2500 2000 2500 2 500 2 500
толщина: стали, алюминия 100 100 —- 100 —
и его сплавов стали — 50 — 5-28 5-30
алюминия и его — — 60 — —
сплавов Наименьший размер вы- резаемой детали, мм: при толщине листа Диаметр 50
до 25 мм при толщине листа — — Диаметр 100 — — —
свыше 25 мм Скорость перемещения 0,8— 100 0,8— 100 1,7-100 1,2— 170 1,7—67 1,2—100
плазмотрона, мм/с Класс точности машины (ГОСТ 5614—74*): при скорости переме- 1 2 2 2 1 1
щения плазмотрона от 1,2 до 67 мм/с при скорости пере- 2 -чтя- W— — — 1
мощения плазмотро- на от 1,2 до 100 мм/с Количество одновремен- 1 1 1 2 I
но работающих плазмо- тронов Масштаб копирования 5:1; 10:1 1:1 .
Расход (на плазмотрон), л/с: 4 в *
сжатого воздуха охлаждающей воды 0,4—2,2 Не менее 0,08 0,4-2,2 Не менее 0,08 0,6- 0.8 0,1 0,4-2.2 Не менее 0,08 1.7 Не мепее 0,08 2.7 Не менее 0,08
Давление, МПа: сжатого воздуха 0,6 0,6 0,4— 0,6 0,25—0,6 0,3—0,5 . 0,5
(рабочее) охлаждающей воды 0,15—0,4 0,15-0,4 0,3- -0,4 0,15-0.4 0,25 0,5 0,5
Потребляемая мощность, 123 123 73 120 До 196 120
кВ - А Номинальный рабочий 400 400 300 400 До 500 До 400
ток, А Габаритные размеры ма- 12 120X5500X2100 10 350X4350X2100 5650 X Ю 400X2000 10 350 X 6675X 1980 1200Х3810Х2Ю0 1860X4700X1600
шины, мм Масса, кг 4500 4600 3200 4300 5100 1420
Примечание. Ток питающей сети трехфазный переменный, напряжением 380 В, частотой 50 Гц.
Таблица 5.7. Технические характеристики переносных машин для плазменной резки
Характеристика Марка машины
ПРП-2 ПВП-1 пвп-в
Ручная резка Машинная резка . . . - Ручная резка - - Машинная резка Ручная резка Машинная резка
Наибольшая толщина разрезаемого металла: алюминия низкоуглеродистой стали Номинальный рабочий ток, А: при ПВ — 100 % при ПВ==60 % при ПВ = 40 % 80 400 500 120 400 500 20 МММ» 250 60 300 20 160 200 25 160 ’ 200 «ММ»
Продолжение табл. 5 7
НО
Примечания: I. Скорость перемещения переносной машины 0,7 67 м/ч. 2. Габаритные размеры переносной машины 445X1^0X254 мм.
К сборнику отходов, фильтру и
отсасывающей установке
Рис. 5.14. Схема камеры для плазменной резки
станка «Пуллматик 3015Р»
Рис. 5.15. Плазмотрон на машине для резки труб модели «Тубосек»
особенностью станка является наличие координатного с гола, за счет одно-
временных перемещений которого по осям А и У обеспечивается получение
заданного контура резки при неподвижном рабочем органе, т. е. плазмо-
троне (рис. 5.14).
Для вырезки плазмой небольших деталей, повторяющихся в больших
количествах, например фланцев, используются машины АСШ-4. Подобные
машины используются и за рубежом.
Для резки труб фирмой «Мессер Грисхайм» поставляется система
машин модели «Тубосек» (Tub о sec) с устройством для резки отверстий в
трубах, которая может быть использована и в плазменном варианте
(рис. 5.15).
Машины переносные общего назначения выпускаются Барнаульским
аппаратурно-механическим заводом. Их основные технические характе-
ристики приведены в табл. 5.7.
Полуавтомат ПРП-2 предназначен для ручной и машинной раздели-
тельной плазменной резки листов из цветных металлов, коррозионно-
стойкой и конструкционных сталей.
Полуавтомат состоит из однорезаковой переносной машины, ручного и
машинного резаков, пульта управления, переносного пульта дистанцион-
ного управления и источника питания (трех преобразователей ПД-501
или ПСО-500). Машинный резак работает по двухпоточной схеме подачи
газов, благодаря чему в качестве плазмообразующей среаы в нем могут
быть использованы как неактивные газы (азот, аргон или водород), так и
активные (кислород или воздух). При работе ручным резаком для плазмо-
образующей среды применяют аргон, водород, азот и их смеси. Стабили-
зация дугового разряда резака — вихревая и соосная. Комплект по-
ст лики полуавтомат в сборе, запасные части и инструмент.
171
Полуавгомш 11BII-1 для воздушно-плазменной резки имеет го же наз-
начение, что и 1IPI1-2; он состоит из тех же элементов, но в качестве плаз-
мообразующей среды используется сжатый воздух.
Полуавтомат ПВП-В предназначен для ручной и машинной раздели-
тельной воздушно-плазменной резки черных и цветных металлов. Этим
полуавтоматом выполняют механизированную прямолинейную резку по
нгшравляющему уголку, вырезку фланцев и дисков с помощью циркуляр-
ного устройства, а также вырезку деталей любой конфигурации. Он сос-
тоит из однорезаковой переносной машины с циркульным устройством,
суппортом и державкой для машинного и ручного резаков с кабель-шлан-
говым пакетом; пульта управления и контроля процесса резки; переносного
пульта дистанционного управления и источника питания (трех преобразо-
вателей ПД-305). В качестве плазмообразующей среды используют сжа-
тый воздух. Комплект поставки — полуавтомат в сборе, запасные части и
инструмент.
Кироваканским заводом автогенного машиностроения выпускаются
универсальные комплекты аппаратуры КДП-1 и КДП-2 для ручной
плазменной дуговой резки металлов, имеющие следующие технические
характеристики:
КПД-1 КПД-2
Наибольшая толщина разрезаемого металла, мм:
алюминия 80 50
стали ... 60 40
меди 30 20
Наибольший рабочий ток (при ПВ —60 %), А 400 250
Наибольшая мощность дуги, кВт . . 50 30
Расход охлаждающего воздуха, л/с . - - * 8,3
Расход охлаждающей воды, л/с . ... 0,07—0,1 —
Давление, МПа:
охлаждающей воды . . .... 0,15 —
охлаждающего воздуха — 0,45
Для обоих комплектов аппаратуры напряжение холостого хода 180 В;
расход аргона 0,3—0,56 л/с, азота 0,7—1,0 л/с, водорода 0,11—0,3 л/с;
давление аргона и азота до 0,4 МПа, а водорода до 0,3 МПа; габаритные
размеры 5300X130X140 мм, а масса без источника питания 7,5 кг.
Универсальный комплект КПД-1 предназначен для ручной плазменно-
дуговой резки дугой постоянного тока прямой полярности коррозионно-
стойких и высоколегированных сталей, а также цветных металлов в среде
аргона, азота или их смесей с водородом. Может работать как в закры-
тых отапливаемых помещениях, так и на открытом воздухе при темпера-
туре выше 0 °C. В комплект аппаратуры входят плазморез (резак РДП-1)
с кабель-шланговым пакетом, коллектор и зажигалка.
Основные узлы резака: головка; асбоцементная втулка с латунным
завихрителем; сопловый узел, состоящий из мундштука, корпуса и фор-
мирующего сопла; защитный кожух; рукоятка с клапанно-вентильным
блоком и штуцерами для присоединения кабель-шлантового пакета;
тумблер для дистанционной подачи напряжения на резак. Охлаждающая
среда — вода. В комплект поставки входят: плазморез (резак РДП-1) в
сборе с кабель-шланговым пакетом и коллектором, зажигалка, запасные
части.
Универсальный комплект КДП-2 предназначен для ручной плазменно-
дуговой резки дугой постоянного тока прямой полярности с воздушной
завесой стали и цветных металлов в среде аргона, азота или их смесей с
водородом. Может работать как в закрытых отапливаемых помещениях,
так и на открытом воздухе в любое время года.
172
В комплект аппаратуры входят плазморез (резак РДН-2) • кабель-
шланговым пакетом, коллектор и зажигалка. Основные узлы резака анало-
гичны комплекту УДП-1. Охлаждающая среда — воздух. В комплект
поставки входят плазморез (резак РДП-2) в сборе с кабель-шланговым
пакетом и коллектором, зажигалка и запасные части.
Воздушно-дуговой резак РВДм-315 выпускается Кироваканским за-
водом автогенного машиностроения. Он предназначен для ручной воздуш-
но-дуговой поверхностной и разделительной резки металлов в монтажных
условиях, а также для удаления дефектных участков сварных швов, под-
готовки кромок под сварку и срезки заклепок. Резак состоит из корпуса со
встроенным воздушным клапаном, соплового устройства, рукоятки, газо- и
токоподводящих коммуникаций. Работает на постоянном токе.
Технические характеристики резака следующие:
Номинальный ток, А:
при ПВ=100% ................... ... 315
при ПВ—80%............................................. 400 -
при ПВ =60 %........................................... 480
Продолжительность цикла (при ПВ = 60 или 80 %), мин............. 6
Производительность резки низкоуглеродистой стали (при токе 315 А), кг/ч 9,5
Давление воздуха на входе в резак (с присоединенными к нему газо- и токо-
подводящими коммуникациями), МПа........................ . . 0.4—0,63
Номинальный расход воздуха при наибольшем давлении, л/с . . 5,6
Диаметр электродов, мм:
при токе 250—270 А......................... ... ... 6
» » 300—380 А............... ....................... 8
» » 380—480 Л............... ........................ 10
Размеры резака, мм:
длина:
без газо- и токоподводящих коммуникаций .... 310
с газо- и токоподводящими коммуникациями . ... 5360
ширина (по щитку) . ... . . .... 120
Масса, кг:
без газо- и токоподводящих коммуникаций .............. 0,8
с газо- и токоподводящими коммуникациями . . 3,8
5.3- Рабочие места и поточные линии
Высокая скорость плазменной резки (по сравнению с кислородной)
позволяет сократить общее рабочее время изготовления детали или партии
деталей за счет значительного уменьшения машинного времени. Вследст-
вие этого резко возрастает доля вспомогательного времени в обшем рабо-
чем времени, затрачиваемом на обработку заготовок. В связи с этим даль-
нейшее повышение производительности труда при использовании плаз-
менной резки производится за счет сокращения времени выполнения вспо-
могательных (в основном транспортных) операций. Эта задача решается
посредством механизации и автоматизации этих операций и путем более
рациональной организации производственного процесса.
Идеальной являетсятакая организация процесса, при которой создают-
ся условия для осуществления непрерывного процесса резки, т. е. непре-
рывной работы плазморежущей машины. Однако практической реализа-
ции такого процесса препятствуют многочисленные факторы технического,
технологического и организационного характера. В связи с этим реальные
организационные схемы производства лишь в большей или меньшей сте-
пени позволяют осуществлять идеальную схему.
Существующие реальные схемы организации выполнения произ-
водственного процесса тепловой (в том числе плазменной) резки можно
173
раз u-лигь ин две основные группы. К первой относятся рабочие места (от-
дельно работающая машина с раскроечным столом), а ко второй — поточ-
ные ЛИНИН.
На рабочем месте обычно выполняется одна или несколько закреплен-
ных за ним технологических операций обработки заготовки или нескольких
шготовок одновременно. Соответственно оно оснащено необходимыми тех-
нологическим оборудованием, приспособлениями, инструментом, средст-
вами техники безопасности. Для подачи заготовок могут использоваться
общецеховые транспортные средства или специальная транспортная
система, если рабочее место включено в состав поточной линии.
Характероной особенностью организации производственного процесса
на рабочем месте (особенно при обработке крупных заготовок) является
подача оборудования или инструмента к обрабатываемой заготовке.
При использовании тепловой резки листовых заготовок (в том числе
при плазменной резке) на рабочем месте обычно выполняются техноло-
гические операции собственно резки по предварительно выполненной раз-
метке пли без разметки по копирам, или машиной с ЧПУ: маркирование де-
талей — вручную: резка и удаление отходов, удаление с рабочего места
вырезанных деталей.
Само рабочее место обычно представляет собой металлоконструкцию
в виде раскроечного стола, на который укладывается обрабатываемая за-
готовка. Конструктивные элементы, на которые укладывается листовая
чшновка, обычно выполняются в виде стальных полос или штырей, отли-
тых из чугуна. При наличии специальной транспортной системы последняя
выполняется в виде дисковых рольгангов различных конструкций, на кото-
рых и осуществляется резка листа. Поэтому диски, как правило, изготов-
ляклся из чугуна. Следует особо отметить, что транспортная система,
обслуживающая рабочее место, подает лист не к машине, а на рабочее
месго.
На рабочих местах, оснащенных раскроечными столами или транспорт-
ной системой описанной выше конструкции, плазменная резка может вы-
полняться лишь эпизодически, так как отсутствует вытяжная вентиляция.
Для постоянного выполнения плазменной резки раскроечные столы
должны быть оснащены достаточно мощной вытяжной вентиляцией, поэ-
тому существуют столы специальной конструкции, а резка непосредствен-
но на рольганге не допускается.
Следует подчеркнуть, что одна машина для тепловой резки, как прави-
ло, обслуживает не одно, а два рабочих места, расположенных рядом:
при этом перемешается машина от одного к другому рабочему месту по ме-
ре окончания резки на предыдущем и подачи заготовок на следующее ра-
бочее место. Кроме того, на одном рабочем месте могут одновременно
обрабатываться один, два и более листов. Их количество зависит от тех-
нологических возможностей обрабатывающей машины, т. е. от ширины
портала и количества одновременно работающих резаков. При наличии
машины с порталом достаточно большой ширины и с несколькими реза-
ками на каждом рабочем месте могут одновременно вырезаться одинако-
вые детали из двух или большего количества листов как в прямом, так и в
зоркально перевернутом виде.
На рабочем месте обеспечиваются благоприятные условия при исполь-
зовании многорезаковых машин с широкими порталами для одновремен-
ной резки нескольких листов. Конструкция раскроечного стола и транс-
портов! системы проста. Однако на рабочем месте практически невоз-
можно организовать работу без простоев.
174
Рнс. 5Л6. Схема устройства двух
рабочих мест, обслуживаемых од-
ной машиной:
I — машина для тепловой резки;
2 — первое рабочее место; 3 — вто-
рое рабочее место
Подача листа
на оезку
разрезанного листа
В качестве примера рассмотрим организацию производственного про-
цесса плазменной резки листового проката одной машиной, обслуживаю-
щей два рабочих места (рис. 5.16).
После окончания вырезки деталей из листа, находящегося на первом
рабочем месте, машина перемешается на второе рабочее место для резки
следующего листа. На первом же рабочем месте в это время произво-
дятся маркирование деталей, снятие их при иомоши крана, резка и уда-
ление отходов.
При такой организации процесса максимальное использование машин-
ного времени имеет место лишь при идентичности карт раскроя и толщин
листов, разрезаемых на обоих рабочих местах. Если же насыщение дета-
лями (суммарная длина реза и холостых пробегов плазмотрона) листа,
находящегося на первом рабочем месте, значительно превосходит насыще-
ние листа, поданного на второе рабочее место, то продолжительность
операций маркирования, удаления деталей, разрезки и удаления отходов,
выполняемых после окончания резки листа на первом рабочем месте,
превзойдет продолжительность резки другого листа на втором рабочем
месте и освободившаяся после окончания резки второго листа машина
будет простаивать до момента окончания этих работ и подачи нового
листа на первое рабочее место. В другом случае, т. е. когда на первом
рабочем месте окажется лист-деталь, а на втором — лист с большим насы-
щением деталями, первое рабочее место после окончания маркирования,
уборки деталей, резки и уборки отходов будет простаивать до момента
окончания резки листа на втором рабочем месте.
Загрузка рабочих мест одинаковыми по продолжительности обработки
листами может носить случайный характер, но может и регулироваться
путем соответствующего подбора последовательно обрабатываемых
листов но близким иди одинаковым но насыщению деталями картам
раскроя. Однако в этом случае возможно увеличение сроков комплектации
деталей по сборочным комплектам, что приведет и к увеличению площади
склада деталей и сроков их хранения до подачи на комплектацию.
Стремление к использованию преимуществ плазменной резки по произ-
водительности (особенно при вырезке деталей из листов больших разме-
ров) при использовании многорезаковых машин с порталами большой
ширины вызвало создание раскроечных столов специальной конструкции,
предназначенных для плазменной резки в воде. Наибольший интерес пред-
ставляют столы французской фирмы «Андерсон» (Anderson) для плаз-
менной резки в воде.
В отличие от столов других конструкций эти столы снабжены системой
удаления шлака и автоматической системой поддержания уровня ноты;
сущность последней состоит в том, что имеется цистерна, из которой вода
может выдавливаться подачей сжатого воздуха. Уровень воды опускается
175
после окончания резки, чтобы выполнить операции маркировании деталей.
Удаление шл^ка производится в встроенный бункер, в который шлак
сбрасывается путем наклона верхней части стола в сторону бункера,
осуществляемое при помощи гидравлической системы. Использование
плазменной резки в воде позволяет устранить выбросы дыма и газов
и атмосферу, значительно уменьшить интенсивность излучения и шум,
практически ликвидировать тепловые деформации деталей. Отпадает
необходимость в вытяжной вентиляции и в системе очистки воздуха от
продуктов выброса из зоны реза. Соответственно при этом не нужны
энергозатраты на работу вытяжной вентиляции и системы очистки возду-
ха. Однако в этом случае производительность и качество резки снижаются,
НС созданы системы для очистки воды после резки, нет удовлетворительных
конструкций раскроечных столов для поточных линий, в которых работают
нлазморежущие машины.
При резке хромосодержащих сталей необходима вытяжная вентиля-
ция от плазмотрона.
Отличительная черта поточной линии — подача заготовки к машине и
удаление от машины вырезанных деталей и отходов сразу после оконча-
ния резки. После этого к машине немедленно подается новая заготовка.
Подача заготовок и удаление вырезанных деталей вместе с отходами
производятся только специальной транспортной системой.
Операции разметки и маркирования деталей, маркирования деловых
отходов и порезки обрези должны выполняться на той же позиции, на
которой производится резка. Разметка и маркирование деталей и марки-
рование деловых отходов должны производиться разметочно-маркировоч-
ными устройствами, навешанными на портал машины. В область нанесения
марки это устройство выводится системой управления машиной, а процесс
маркирования производится собственным устройством с ЦПУ. Порезка
обрези должна выполняться штатным резаком. Снятие готовых деталей,
отходов и обрези осуществляется на отдельных позициях, обслуживаемых
специальными машинами и механизмами. Таким образом, обеспечиваются
условия для резкого снижения простоев плазморежущей машины.
Маркирование вручную производится на позиции резки до ее выполне-
ния. Если же эта операция выполняется специальной машиной, то могут
иметь место два варианта использования машины в зависимости от ее
размеров и производительности. Если маркировочная машина компактна
н высокопроизводительна, то ее целесообразно использовать на позиции
ре и<и вместе с плазморежущей машиной. Если же машина имеет большие
размеры, возникает необходимость выделения позиций маркирования,
расположенных до позиций резки.
При совмещении маркирования и резки на одной позиции, а особенно
при выполнении этих операций одной машиной, сокращаются произвол-
с I венные площади, занимаемые поточной линией; повышается произво-
дительность линии за счет ликвидации транспортировки размеченного
и замаркированного листа на позицию резки; упрощается автоматизи-
рованное управление процессами разметки, маркирования и резки, вы-
полняемое от одной программы.
Поточные линии имеют различные компоновочные и конструктивные
решения. При большом объеме плазменной резки, когда для выполнения
программы требуется более одной машины, последние при компоновке в
поточную линию могут иметь последовательное, параллельное и смешан-
ное расположение. Соответственно меняется и конструктивное оформление
поточных линий.
I7H
2 J
Рис. 5.17. Схема поточной линии при последовательном расположении машин:
1 — машины для тепловой резки; 2— рабочие места для резки: 3 — рабочие места для маркирова-
ния, резки и уборки отходов, снятия готовых деталей
Наилучшие условия для непрерывной работы машин и наименьшая
площадь для размещения линий обеспечиваются при последовательном
расположении машин и использовании двухъярусной транспортной си-
стемы подачи листов к машинам и удаления их после резки (рис. 5.17). При
этом наиболее распространены поточные линии с подачей листов к маши-
нам на специальных раскроечных рамах. В этом случае раскроечная рама
вместе с листом поступает по роликам первого яруса транспортной систе-
мы к любой освободившейся в данный момент машине и специальным гид-
равлическим устройством поднимается в рабочее положение на второй
ярус, после чего выполняется вырезка деталей, а поднятая раскроечная
рама не мешает перемещению по рольгангу первого яруса других рам к
остальным машинам. Полностью разрезанный лист, лежащий на раскроеч-
ной раме, вместе с ней опускается на рольганг первого яруса и подается
на специально оснащенную позицию, на которой поднимается на второй
ярус для выполнения маркирования, резки и удаления отходов, снятия
и сортировки деталей. Освободившаяся раскроечная рама опускается на
рольганг первого яруса, по которому направляется обратно за очередным
листом.
Применение такого типа поточных линий обеспечивает возможность
создания автоматизированных производственных систем, работающих без
участия рабочего в процессе управления машинами и транспортной сис-
темой. Имеется опыт использования перемещающихся по рольгангам рас-
кроечных рам для резки в воду, которая наливается в герметичную по-
лость рамы, выполненную в виде поддона с часто расположенными опор-
ными ребрами.
На некоторых заводах применяются двухъярусные поточные линии, на
которых подача листов к машинам и удаление их после резки производится
по рольгангу без раскроечных рам. Поступающий по рольгангу лист при-
поднимается и устанавливается под машиной специальным устройством, I
выполняющим функцию раскроечной рамы, перемещающейся в верти- IЯ
кальном направлении. При этом, как и в предыдущем варианте, можно
одновременно разрезать поднятый лист и подавать под ним по рольгангу
листы к другим машинам. Однако в этом случае необходимо в процессе
резки оставлять перемычки между контуром детали и основным металлом,
так как иначе мелкие детали и отходы будут при транспортировке про-
валиваться между роликами рольганга. После окончания резки лист опус-
кается на рольганг и (так же как в предыдущем варианте) подается на
отдельную позицию, на которой кроме маркирования, резки и удаления
отходов, снятия деталей приходится вручную разрезать перемычки. Пос-
177
Рис. 5.18. Схема поточной линии при параллельном расположении машин:
/ машины для тепловой резки; 2 — рабочие места для резки; 3 — рабочие места для маркирова-
ния и других операций
лсднее является большим недостатком этих линий, особенно при плазмен-
ной резке, в процессе которой большинство деталей по условиям точности
могут вырезаться без перемычек.
При параллельном расположении машин (рис. 5.18) применяются
более простые транспортные механизмы, но при этом требуются произ-
водственные площади больших размеров. В ряде случаев применяется
смешанное расположение машин (рис. 5.19). Отсутствие в этих двух ва-
рка игах двухъярусной транспортной системы не позволяет обеспечить
бесперебойное снабжение машин листовыми заготовками, вследствие
встречные перемещений раскроечных рам с листами до и после выполне-
ния резки.
Эффективной формой организации работ по изготовлению деталей
является комплексная механизация производства, начиная с предва-
рительной обработки металла и кончая складированием и комплекта-
цией. Процесс плазменной резки является составляющей частью этого
производственного процесса.
Следующим более эффективным уровнем организации является соз-
дание и реализация гибких автоматизированных производств, основные
принципы и возможные решения которых изложены в гл. 6.
Рис. 5.18. Схема поточной линии при смешанном расположении машин:
/ машина для тепловой резки; 2 — рабочие места для резки; 3 — позиция приема листа на рас-
кроечную раму и выдачи разрезанного листа; 4 перегружатель листов
I7R
Глава 6
ГИБКАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ
ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ
6.1. Оборудование ГАУ и система управления
В состав ГАУ плазменной резки (рис. 6.1) входят: ГАЛ маркирова-
ния деталей; ГАЛ разметки и плазменной вырезки деталей; причем коли-
чество линий и единиц оборудования в каждой линии может быть различ-
ным и зависит от производственной программы участка.
Гибкая автоматизированная линия маркирования деталей включает в
себя одну или несколько маркировочных машин с ЧПУ, роликовый кон-
вейер для транспортирования листов, один (как приведено на схеме) или
два робота-перегружателя, что зависит от планировки участка.
Гибкая автоматизированная линия разметки и плазменной вырезки де-
талей состоит из одной или нескольких разметочно-плазморежущих ма-
шин с ЧПУ, роликового конвейера с раскроечными рамами для транспор-
тирования листов и деталей, робота-перегружателя листов на входе линии
(один такой робот может обслуживать как предыдущую, так и данную
линии) и робота-перегружателя деталей.
Каждая ГАЛ, таким образом, состоит из основного оборудования и
вспомогательного транспортного оборудования, причем к последнему
относятся также роботы-перегружатели.
Гибкий автоматизированный участок плазменной резки оснащается
средствами вычислительной техники и путевой автоматики, датчиками раз-
личного назначения на технологическом и транспортном оборудовании, что
обеспечивает автоматизированную работу всех видов оборудования, а так-
же его диагностику и контроль.
Рациональной структурой системы управления ГАУ плазменной рез-
ки (в сфере производства) является двухуровневая система, при которой
в состав средств вычислительной техники могут входить (рис. 6.2):
на верхнем уровне — управляющий вычислительный комплекс (УВК)
типа СМ-4 с дополнительными периферийными устройствами, состав кото-
рых зависит от организации работ на участке, в том числе решения некото-
рых задач ТПП;
на нижнем уровне — устройства числового программного управления
(УЧПУ) на базе микроЭВМ, например микроЭВМ «Электроника-60»;
радиальный интерфейс между мини-ЭВМ типа СМ-4 и микроЭВМ, вхо-
дящей в состав УЧПУ.
Гибкий автоматизированный участок обслуживается одним УВК ти-
па СМ. Количество УЧПУ соответствует общему количеству маркировоч-
ных и разметочно-плазморежущих машин на участке; причем каждое
УЧПУ связано с машиной посредством блока сопряжения (в него входят
усилители, реле для приема технологических команд, стабилизатор на-
пряжения).
Управляющий вычислительный комплекс (УВК) имеет также интер-
фейс с системами управления роботами-перегружателями листов и дета-
лей, а также с датчиками напольных транспортных линий.
Основные средства вычислительной техники (СВТ) целесообразно раз-
местить в помещении центрального пульта управления участком.
179
CL « I Rt
I HO
Рис. 6.2. Структура системы управления ГАУ плазменной резки
Программное обеспечение ГАУ в соответствии с решаемыми задачами
управления подразделяется на программное обеспечение (ПО) группового
управления машинами (верхний уровень), функциональное программное
обеспечение (нижний уровень) и программное обеспечение интерфейса.
В УВК верхнего уровня накапливаются скомпонованные по запускам
управляющие программы и программы задания для технологического обо-
рудования ГАУ, которые поступают в УВК от ЭВМ ЕС, применяющейся
при технологической подготовке производства.
Важнейшей задачей ПО группового управления является распреде-
ление и передача управляющих программ в УЧПУ машин в соответствии
с подачей на эти машины листов металла, так как каждому листу отвечают
вполне определенные программа маркирования деталей и программа раз-
метки — вырезки деталей.
В задачу ПО группового управления входят также управление оборудо-
ванием на узловых позициях транспортной системы, в том числе роботами-
перегружателями листов и деталей на входе и выходе каждой ГАЛ, конт-
роль работы оборудования и его останов в необходимых случаях.
Функциональное ПО осуществляет выдачу управляющих сигналов на
движение исполнительных органов оборудования и на выполнение техно-
логических команд, а также регулирование процесса, состоящее в измене-
нии режимов работы (автоматический или ручной дистанционный режи-
мы), позиционировании заготовок, возврате рабочего инструмента к на-
чалу программы, отходе от контула и т. п.
Программное обеспечение интерфейса осуществляет обмен информаци-
ей между уровнями. На всех уровнях в задачи ПО входит контроль досто-
верности вводимой информации. Такой состав и организация средств вы-
числительной техники и программного обеспечения позволяют осущест-
влять на ГАУ плазменной резки групповое управление машинами с ЧПУ,
диспетчирование работы всего оборудования, а также учет его работы.
Для создания автоматизированного оборудования, отвечающего тре-
бованиям ГАУ, аналогами могут служить ранее разработанные плазморе-
жущие машины с ЧПУ, а также транспортные системы механизированных
линий и перегружатели листов. В их конструкции учтены особенности про-
цесса плазменной резки и характеристики обрабатываемых материалов.
Наиболее важным видом оборудования на участке является разметоч-
но-плазморежущая машина с ЧПУ. Конструкция и принцип работы такой
машины описаны ниже.
Разметочно-плазморежущая машина для ГАУ (как и существующие
стационарные машины тепловой резки) состоит из трех основных частей:
1HI
рельсом ix путей, вдоль которых закреплены рейки продольного хода, пор-
ыли, опирающегося по концам на две тележки, которые снабжены кат-
ками и безлюфтовыми редукторами продольного хода; каретки, перемеща-
ющейся по направляющим на портале и несущей суппорты с рабочим ин-
струментом, которые имеют вертикальное перемещение.
Для перемещения исполнительных механизмов машины служат элект-
родвигатели постоянного тока нужной мощности. С применением электро-
механических систем осуществляется контроль скорости и пути подвижных
частей; пределы их перемещений ограничиваются концевыми выключате-
1ЯМИ.
Одна из конструктивных особенностей машины состоит в том, что она
снабжается устройством позиционирования листов, поступающих на резку
нм раскроечных рамах, относительно направлений движения портала и ка-
ретки.
В соответствии с назначением машины на каретке закреплены (по
ризным сторонам портала) два суппорта, на одном из которых находится
разметочное устройство для нанесения линий металлонапылением, а на
втором — плазменный резак. Конструкция применяющихся плазменных
редаков, а также наличие энерго- и газоводомагистралей обеспечивают
рнсшнрснные функциональные возможности машины, на которой может
выполняться плазменная резка в воздушной, кислородной и воздушно-во-
дяной среде.
На суппорте закреплены датчик, позволяющий выводить рабочий ин-
струмент в точку начала работы машины по программе, а также под-
держивать постоянное расстояние от резака до поверхности листа при вы-
резке деталей.
На центральном пульте ГАУ устанавливаются индикаторы, фиксирую-
щие работоспособное состояние каждой машины и нормальное протекание
изданных программами технологических процессов. В числе обнаруживае-
мых нештатных ситуаций должны быть непрорез и оплавление кромок де-
талей.
При плазменной резке на машине обеспечивается (программным
nyicM и аппаратными средствами) автоматическое выполнение всех
«элементарных» технологических операций: выход резака в исходную точ-
ку. задание режимов резки (с возможностью ручной дистанционной
корректировки), выход в точку пробивки и опускание резака, включение
резки, вырезка деталей (рабочие ходы и холостые переходы), выключение
резки, возврат резака в исходное положение, а также контроль процесса.
Подобным образом на машине выполняются операции разметки техноло-
гических линий.
При замене инструмента (это относится в основном к плазменному ре-
шку) не должен прерываться технологический процесс, что может быть
юстигнуто путем повышения стойкости электродов при резке (не менее,
чем до 4 ч) или дублированием каретки с рабочим инструментом на портале
МИШИНЫ.
Маркировочная машина по конструкции механической части (в гом
числе наличию на ней устройства позиционирования листа) и системе
упрлвления во многом схожа с разметочно-плазморежущей машиной, но
шшолняет меньшее число элементарных операций и имеет более простые
устыновки и магистрали снабжения энергией и рабочей средой. Одна из
основных конструктивных особенностей этой машины состоит в том, что
перемещающаяся по порталу каретка несет на себе устройство нанесения
шлков краской.
IH2
Расположение на листе и содержание марок деталей (<>Лтих, паспорт-
ных и ориентирных) задаются с помощью управляющей программы. Лю-
бая марка может содержать цифры 0—9, некоторые буквы и специальные
знаки.
Перемещение устройства нанесения знаков в заданную точку листа
происходит в результате продольного движения портала по рельсам и дви-
жения каретки в поперечном направлении по порталу. Конструкция и прин-
цип действия устройства обеспечивают нанесение марок в заданном поло-
жении относительно кромок деталей.
Робот-перегружатель листов (деталей) (если исходить из существую-
щих аналого-перегружателей) может представлять собой крановую конст-
рукцию мостового или полукозлового типа, которая перемещается по рель-
совому пути, уложенному на эстакаде или на полу цеха. При такой кон-
струкции основными узлами робота-перегружателя являются:
мостовые балки, которые по концам опираются на ходовые тележки не-
посредственно (для перегружателей мостового типа) или посредством
опорных балок (для перегружателей козлового типа);
ходовые тележки и приводы перемещения, подьема траверсы и ее раз-
ворота вокруг вертикальной оси; тележка перемещается по рельсам мос-
товых балок;
грузозахватная траверса с магнитным или магнитно-вакуумными
схва сами
Подвеска траверсы должна исключать раскачивание груза при его
подъеме/опускании и транспортировании. Возможными конструктивными
решениями могут быть применяющиеся в существующих перегружателях:
жесткие направляющие телескопического типа, жесткие подвески типа
пантографа или подвижные схвагы, а также тросовая пространственная
подвеска.
Робот должен быть снабжен средствами управления, смонтированны-
ми на одном из его конструктивных узлов.
Система управления роботом — позиционная. Она должна обеспечи-
вать; адресование робота к требуемой позиции и остановку его с заданной
точностью над листом, находящимся на рольганге или в пачке; опускание
траверсы и включение схватов; подьем траверсы и транспортирование
листа к позициям укладки; опускание траверсы и отключение схватов, воз-
врат робота в исходное положение.
Элементы системы управления робота-перегружателя листов должны
обеспечить автоматическую остановку робота с грузом и без груза в задан-
ном адресе с необходимой точностью и осуществление уверенного взятия
листа или детали. Для этого, в частности, должны выполняться в автома-
тическом режиме операции определения фактического положения кромок
листа относительно грузозахватной траверсы, включение необходимого
числа схватов и регулирование мощности магнитного потока для взятия
только одного листа из пачки, контроля отсутствия недопустимых переко-
сов и смещений взятого листа из-за несовпадения его центра тяжести с цен-
тром траверсы и др.
Транспортная система линии разметки и плазменной резки состоит из
механической части и средств путевой автоматики, связанной с системой
управления ГАУ. Механическая часть представляет собой двухъярусную
конструкцию. В этой конструкции верхний ярус соответствует рабочему по-
ложению листов, подаваемых на машины с ЧПУ; нижний ярус образует ро-
ликовый конвейер, по приводным роликам которою могут перемещаться
в обоих направлениях раскроечные рамы, предназначенные для транспор-
1НЗ
тировцния листом к машинам. Ролики приводятся во вращение or электро-
двигателей посредством цепных передач или иным способом. На тех пози-
циях линии, где расположены разметочно-теплорежущие машины с ЧПУ,
роликовый конвейер снабжен механизмами подъема раскроечных рам с
листами на верхний ярус в зону действия рабочих органов машин. Меха-
низмы подъема рычажного типа имеют пневмо- или гидроприводы. Вклю-
чение, реверс и выключение двигателей на линии осуществляются посред-
ством системы датчиков, расположенных на конструктивных узлах конвей-
ера и машины с ЧПУ.
Система датчиков фиксирует все взаимосвязанные положения элемен-
тов линии, в число которых входят; нахождение порожней раскроечной
рамы на входной позиции линии; укладка листа, осуществленная роботом-
перегружателем, на раскроечную раму; готовность машины с ЧПУ при-
нять раскроечную раму с листом (машина свободна); остановка раскроеч-
ной рамы с листом на позиции свободной машины с ЧПУ; подъем рас-
кроечной рамы с листом на верхний ярус (подача листа на машину);
установка листа в требуемое положение в системе координат машины
(ось X — движение портала, ось У—движение каретки); выход рабо-
чего инструмента в точку начала включения программы; окончание раз-
метки и резки, возврат рабочего инструмента в исходное положение;
опускание раскроечной рамы с вырезанными деталями на нижний ярус
линии; подача по конвейеру раскроечной рамы на резервную позицию;
отсутствие на нижнем ярусе линии раскроечных рам с листами для воз-
можности возврата порожней раскроечной рамы с резервной на входную
позицию.
Система датчиков задает перемещения элементов линии в нужной по-
следовательности, дает возможность следить за работой линии по мнемо-
схеме в центральном пульте управления ГАУ, позволяет избежать возник-
новения нештатных и аварийных ситуаций.
В ГАУ плазменной резки предъявляются особые требования к надеж-
ности системы управления и конструктивных узлов машин с ЧПУ, роботов-
перегружателей и транспортных средств, так как все они работают в цехо-
вых условиях, при которых возможны наводки от плазменной дуги, замет-
ные колебания температуры и влажности воздуха, вибрации и толчки при
выполнении перегрузочных операций.
С больши ии техническими сложностями связано решение задачи авто-
матизации (или высокого уровня механизации) вспомогательной операции
уборки отходов, которая может выполняться на позиции сортировки или на
специальной позиции мжду вырезкой и сортировкой деталей.
Неделовые отходы и обрезь металла после резки находятся в разных
местах раскроенного листа (у кромок листа и между деталями), имеют раз-
нообразную геометрическую форму, представляют собой иногда узкие
длинные и сильно деформированные полоски металла. Для уборки отходов
их необходимо разрезать и удалить из раскроенного листа. Разрезка отхо-
дов может быть предусмотрена в управляющих программах, а для их уда-
ления требуется разработка специальных средств и технических приемов.
Конструкция вырезаемых на ГАУ листовых деталей должна быть тех-
нологичной применительно к конкретным условиям эксплуатации ГАЛ
плазменной резки, а также последующего оборудования, применяющегося
в соответствии с технологическими маршрутами изготовления деталей.
Анализ показывает, что в картах раскроя листов содержатся детали, из-
гоювленис которых на ГАЛ может потребовать усложнения обрабатывав-
шего оборудования или дополнителшых сложных технологических опера-
IH-J
ций. К таким деталям, например, относятся мелкие де1али, которые при вм-
резке могут выходить из плоскости; узкие длинные полосы, требующие
после обрезки правки в двух плоскостях и др.
I
6.2. Организация и работа ГАУ плазменной резки
Внешней по отношению к Г ДУ плазменной резки и его системе
управления (как и вообще по отношению к участкам и цехам предприя-
тия) является комплексная система САПР — АСТПП — АСУП, обеспе-
чивающая решение важнейших задач технической подготовки производ-
ства. По мере дальнейшего развития вычислительных средств и методов
будет во все большей степени происходить интеграция комплексной
системы подготовки производства с системой управления гибким произ-
водством. Но указанные системы в общем случае различны как по функци-
ональным возможностям, так и по времени действия.
При создании ряда видов продукции или сооружений (судов, энерге-
тических установок и других) с помощью комплексной системы подготовки
производства решаются сложные проектные, конструкторские, технологи-
ческие, организационные и планово-экономические задачи, что требует
применения мощных ЭВМ, чертежных машин, а также других средств ото-
бражения для диалогового режима работы, оптимизации решений и кон-
троля результатов.
Описание объектов производства, расчет их геометрических характе-
ристик и параметров технологических процессов, а также накопление
расчетных данных (заданий и управляющих программ) осуществляются
заблаговременно до начала применения этих данных в сфере производ-
ства. Напротив, в системах управления любым гибким производственным
комплексом (в данном случае ГАУ плазменной резки) используются
в качестве технических средств мини-ЭВМ и микроЭВМ, функционирую-
щие в реальном режиме времени и ритме производства.
Ритм изготовления деталей задается запусками металла в обработку.
Каждой партии запуска соответствуют: определенное количество листов
металла, предназначенных для изготовления деталей заданных сборочных
единиц; карты раскроя листов; числовые управляющие программы вырезки
деталей, относящиеся к картам раскроя. В пределах каждого запуска лис-
ты металла группируют по маркам и толщинам с таким расчетом, чтобы
обработка деталей каждой группы осуществлялась без изменения режи-
мов основных операций.
Очередность и объем партий запусков с привязкой к календарным сро-
кам дифференцируются системой управления до программ-заданий, кото-
рые поступают на склад стали для подготовки и комплектации металла и
на ГАУ для вырезки деталей по каждому запуску (в виде, например, пяти-
дневных и сменно-суточных заданий на соответствующих носителях ин-
формации).
Для некоторых производств, например для корпусообрабатывающего
производства в судостроении, требуются предварительная правка листов,
очистка и грунтование с тем, чтобы избежать коррозии металла в межопе-
рационный период обработки деталей и сборки конструкций. В таких про-
изводствах на резку поступают выправленные и загрунтованные листы ме-
талла.
При изображенной на рис. 6.1 планировке ГАУ и изложенных выше
характеристиках оборудования процесс работы на этом участке мож-
но представить следующим образом
|№
Лиспи металл i подакося на ГАУ при помощи роликового.'/ и цепного4
конвейеров и никмплив«ются в пачках, находящихся в зоне действия ро-
бота перегружателя листов /. Этот робот-перегружатель, работа которого
планируется управляющей ЭВМ участка, выполняет по программе пере-
грузку листов по одному с пачек на секцию роликового конвейера 5 в ли-
нии маркирования деталей.
После погрузки очередного листа роликовый конвейер автоматичес-
ки приводится в действие и лист по нему поступает на стол одной из марки-
ровочных .машин 7, которая в данный момент свободна.
Подача листа на стол машины слагается из операций перемещения
по линии, остановки на позиции маркирования и подъема стола с листом
в рабочую зону машины; причем команды на выполнение операций вы-
даются согласно сигналам датчиков, отражающих состояние позиций
линии.
После установки листа на машине и вывода рабочего инструмента в
некоторую начальную точку (соответствующую началу координат карты
раскроя) производится вызов и пуск управляющей программы, по которой
на лист наносится маркировка деталей, содержащихся в карте раскроя
(карта раскроя наряду с описанием деталей служит исходным документом
для подготовки пооперационных управляющих программ маркирования,
разметки и плазменной резки на машинах с УЧПУ). Маркировка, иден-
тифицирующая каждую деталь, служит для адресации деталей по техно-
логическим маршрутам при их обработке и для установки в конструкции
при выполнении сборочно-сварочных работ. Наряду с применяемой буквен-
но-цифровой маркировкой, предназначенной для человека, найдут, вероят-
но, применение специальные знаки, пригодные для распознавания робо-
тами и другими средствами автоматизации в условиях ГАС.
По окончании маркирования деталей и возврата рабочего инструмен-
та машины в исходное положение приводятся в действие механизмы ли-
нии, лист опускается на роликовый конвейер и по нему возвращается в
тону действия робота-перегружателя 1. Последний снимает с роликового
конвейера лист, снабженный маркировкой деталей, и укладывает его в од-
ну из пачек на позиции, служащей буферным накопителем заготовок
между линиями.
Технологический процесс работы ГАЛ разметки и плазменной резки
в отношении выполнения ряда транспортно-установочных операций сходен
с процессом работы предыдущей ГАЛ.
Тот же робот-перегружатель, работая между фиксированными пози-
циями, осуществляет в каждом очередном цикле перегрузку листа с пачки
буферного накопителя на раскроечную раму 6, поступившую на входную
позицию ГАЛ разметки и плазменной резки. Раскроенные рамы служат
спутниками для подачи листов на оборудование с ЧПУ, перемещаясь по
роликовому конвейеру 2, который образует нижний ярус этой линии.
Раскроечная рама с листом подается к одной из свободных в данный
момент разметочно-илазморежущих машин 8 и затем (после остановки
конвейера) поднимается в рабочую зону этой машины.
Сменный рабочий инструмент (вначале для разметки, а потом для рез-
ки) выводится в точку начала траектории его движения по программе; при
этом необходимо, чтобы площадь карты раскроя, по которой составлена
программа, совпдала с используемой площадью листа, не выходя из его
кромки.
Упрнвчяющая программа задает последовательное выполнение маши-
ной с ЧПУ:
IHH
разметки способом металлонапыления технологических пиний внутри
контуров деталей — линий сломов, фасок, приварки набора, контрольных,
припусков;
плазменной вырезки деталей в последовательности, отвечающей ми-
нимизации холостых переходов и тепловых деформаций деталей.
Программы на резку содержат информацию о перемещениях плазмен
ного резака и технологические команды, используемые для реализации
технологического процесса. Особое место среди технологических команд
занимает задание скорости резки.
Процесс резки в целом состоит из пробивки металла, рабочих ходов и
холостых переходов, в результате чего происходят контурная обработка
деталей, образование перемычек и разрезка неиспользуемых отходов.
По окончании работы машины по программе и возвращении ее портала
и каретки в исходное положение последовательно включаются приводы
механизма опускания раскроечной рамы и приводных роликов конвейера,
происходит транспортирование раскроечной рамы с деталями в зону дейст-
вия выходного робота-перегружателя деталей.
Робот-перегружатель деталей 10, снабженный магнитной плитой, сни-
мает с раскроечной рамы все находящиеся на ней детали, а также дело-
вые и неделовые отходы для последующей их сортировки. При помощи ро-
бота-сортировщика крупные и средние детали в зависимости от техноло-
гического маршрута обработки могут направляться: на комплектацию,
разделку кромок под сварку, правку или гибку. Мелкие детали в контейне-
рах могут поступать на комплектацию или на дополнительные операции —
разделку кромок и гибку фланцев.
Плазменная вырезка деталей из листового проката применяется на
многих предприятиях разных отраслей промышленности. Гибкая автомати-
зация участков плазменной резки на предприятиях позволит значительно
повысить технико-экономические показатели этих участков.
Программное обеспечение и технические средства ГАУ (оборудование
и системы управления) дают возможность осуществлять быструю перена-
ладку процессов при изготовлении деталей разнообразных форм и разме-
ров как в пределах одного изделия, так и при смене изделий. Посредством
расчета (на этапе ТПП) рациональных карт раскроя, задания опти-
мальных траекторий и режимов резки, а также должной профилактики
оборудования при его эксплуатации можно получать детали с относитель-
но высокой точностью размеров и хорошим качеством кромок. Это
способствует сокращению цикла и трудоемкости всего комплекса опера-
ций изготовления деталей, а также сборочно-сварочных операций.
При создании ГАУ уменьшается количество работающих на участке;
человек устраняется от непосредственного участия в технологическом про-
цессе и не должен уже находиться у пульта машины, т. е. в зоне воздейст-
вия плазменной дуги, где имеются некоторая загазованность воздуха и на-
личие светового излучения, а также выполнять на линии ручные операции
разметки и маркирования деталей. Повышается загрузка оборудования,
обеспечивается рост производительности труда в несколько раз.
При рациональных планировках ГАУ, характеристиках оборудования,
структуре системы управления (групповое управление) и организации про-
изводства можно получить высокую технико-экономическую эффектив-
ность, обеспечить окупаемость капитальных вложений, необходимых для
создания ГАУ, в пределах нормативного срока.
IM7
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I Акустические параметры при плазменно-механической резке труб/В. В. Степанов,
KJ. А. П ы к и и. В. И. Нечаев и д р.//Сварочное производство. 1982. № 10.
С 36- -37.
2 , Акустические характеристики плазменно-дуговой резки металлов и вопросы борьбы
С шумом/А. В. Ильницкая, А. А. Исаченко, С. П. Нет у лова и д р.//
Гр. ВНИИавтогенмаш «Процессы и оборудование плазменной обработки материалов».
1980. С. 60—68.
3 Ап гонов И. А. Газоплазменная обработка металлов. — М.: Машиностроение, 1976.
264 с.
4 Антонов И А , Спектор О. Ш. Температурные режимы кислородной резки высоколеги-
рованных сталей//Тр. ВНИИавтогенмаш. «Процессы и оборудование плазменной об-
работки металлов». 1980. С. 42- 49.
э Антонов И. А., Спектор О. Ш„ Трофимов А. А. Исследование качества профиля и чис-
тоты поверхности реза при кислородной резкс//Тр. ВНИИавтогенмаш «Термическая
резка, наплавка, сварочная аппаратура». 1970. Вып XVII. С. 21—39.
6. Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы.— М.: Атомиздат, 1969. 192 с.
7 Астахин В. И , Кострова Т. А. Способы соединения меди с вольфрамом при изотовлении
биметаллических электродов для плазмотронов//Сварочное производство. 1978. № 10
С. 27-28.
8 Бейдер Б. Д Левченко В. И., Бесфамильный В. П. Плазменная резка чугунных отли-
вок//Сварочное производство. 1982 А» 2. С. 29— 31.
9. Белкин Б. Л., Брук Б. И., Хазанов С. А, Исследование напряжений в кромках, получен-
ных плазменной резкой//Применение в промышленности высокопроизводительных
способов наплавки коррозионно-стойкими и износостойкими материалами. Л.: ЛДНТП.
1979. С. 87—88.
10 Берсенев А. С., Акулов А. И. Влияние конструктивно-технологических параметров плаз-
мотрона с аксиально-тангенциальной подачей рабочих газов на процесс плазменно-
дуговой резки алюминия//Сварочное производство. 1975. № 9. С. 30—32.
II Ьоград М. Г Автоматизация воздушно-дуговой резки//Сварочное производство. 1984.
№ 1 С. 19.
12 Борисов IO, С. Организация ремонта и технического обслуживания. —И.: Машиностро-
ение, 1978. 260 с.
13 Быховский Д. Г., Медведев А. Я. Работа циркониевых и гафниевых катодов при воздуш-
ном охлаждении//Опыт промышленного применения плазменных видов обработки ме-
таллов -Л.: ЛДНТП. 1972. С. 100 -108.
14. Быховский Д. Г., Недорезов И. В., Рассомахо Я. В. Исследование влияния режимов
плазменной резки в окислительных средах на сварку полученных за готовок//Опыт
промышленного применения плазменных видов обработки металлов. - Л.: ЛДНТП,
1972. С 68—74.
15 Быховский Д. Г. Плазменная резка.— Л.: Машиностроение, 1972. 168 с.
16. Васильев К, В., Исаченко А. А. Плазменно-дуговая резка сталей//Тр. ВНИИавтоген-
маш. 1967. Вып. XIV. С. 37 53.
17 Васильев К. В., Кохликяи Л. О., Петелин В. Н. Связь скоростей потоков плазмы и рас-
плава при плазменной резке//Тр. ВНИИавтогенмаш. «Процессы и оборудование
плазменной обработки металлов». 1980. С. 9—19.
18 Васильев К. В., Кохликяи Л. О, О литом участке зоны термического влияния и гидро-
механике плазменно-дуговой резки//Автоматическая сварка 1973. № 9. С. 32—36.
19 Васильев К. В.. Никифоров Н. И., Матюнин И. Н. Многоплазмотронные машины —
средство достижения максимальной эффективности термической резки//Тр. ВНИИав-
гогенмдш. «Процессы и оборудование плазменной обработки материалов». 1980.
( 19 -29.
20 Васильев К. В., Никифоров Н. И. О факторах, определяющих ширину плазменно-дуго-
вою реза//Сварочное производство. 1977. № 6. С. 40—41.
21 В шильев К. В. Плазменно-дуговая резка. —М.: Машиностроение, 1974. 112 с.
22 Васильев К. В. Развитие плазменной обработки материалов отраслью автогенного ма-
1пиностроення//Тр. ВНИИавтогенмаш «Процессы и оборудование плазменной обработ-
ки металлов». 1980. С. 3—9.
'.3 . Влияние воедушно-дуговой резки на качество мсталла/В. С. Милютин,
Ю А М а с л о в, В. Л. Топачевски й. А. У I- р е м е н к о//Сварочное производ-
ство 1979. № 10. С. 31—32.
188
24- Влияние параметров режима воздушно-плазменной резки на насыщение нммом сва-
риваемых кромок/А. М. С л и в и н с к и й, В. Т. Котик, А. А. Никитин и др.//
Автоматическая сварка 1974. № 10. С. 58—59.
25. Влияние плазменной обработки на структуру и механические свойства приповерхност-
ных слоев металла/А. И. Савицкий, С. Н. Бахрах, М. Я. Завизионидр.//
Сварочное производство. 1983. № И. С. 10—11.
26. Внедрение процесса плазменной воздушно-водяной резки на Херсонском судостроитель-
ном ПО/В. С. Головченко, Ф. М. Багненко, В. Н. Котиков, Б. В. Г удз ь//
Применение в промышленности высокопроизводительных способов наплавки коррози-
онно-стойкими и износостойкими материалами. Л.: ЛДНТП, 1979. С. 81.
27. Высокоэффективный процесс воздушно-водяной плазменой резки/В. С. Головчен-
ко, В. Н. Котиков, Н. Д. Желтобрюх, Н. Д. Иване в//Применение в про-
мышленности высокопроизводительных способов наплавки коррозионно-стойкими и из-
носостойкими материалами. Л.: ЛДНТП, 1979. С. 76—77.
28 Гибкое автоматизированное производство/А з б е л ь В. О., Егоров В. А., 3 в о-
ницкий А. Ю. и д р.— Л: Машиностроение, 1985. 454 с.
29. Головченко В. С., Доброленский В. П., Мисюров И. П. Тепловая резка металлов в
судостроении.— Л.: Судостроение, 1975. 272 с.
30. Гудремон Э. Специальные стали.— М.: Металлургиздат, I960. Т 11. 586 с.
31. Гусельников Ю. М„ Желтобрюх Н. Д. Плазменная резка цветных металлов и сплавов
на машинах с программным управлением//Применение в промышленности высокопро-
изводительных способов наплавки коррозионно-стойкими и износостойкими материала-
ми — Л.: ЛДНТП, 1979. С. 82.
32. Доброленский В. П„ Желтобрюх Н. Д. Опыт внедрения плазменной резки на машинах
с программным управлением//Опыт промышленного применения плазменных видов
обработки металлов.— Л.: ЛДНТП, 1972. С. 42—51.
33. Журавицкий Ю. И. Воздушно-дуговая резка на заводе «Станколит»//Сварочное про-
изводство. 1984. № 1. С. 18.
34. Иванов Б. Г., Левчеиков Б. Н. Эффективность процесса воздушно-дуговой резки от-
ливок//Сварочное производство. 1984. № 1. С 14.
35. Игошин Е. В., Пидсан В. А., Сютьев А. Н. Поверхностная плазменно-дуговая
обработка на Балтийском заводе им. С. Орджоникидзе//Сварочное производство.
1983. Xs 10. С. 37—38.
36 Ильченко В. И. Организация ремонта машиностроительного оборудования. Киев: Тех-
ника, 1979. 252 с.
37. Исаченко А. А. Качество кромок при плазменно-дуговой резке сталей с использованием
кислородосодержащих газов//Тр. ВНИИавтогенмаш. 1978. № 23. С. 35—42.
38. Исаченко А. А., Комиссаров А. М. Плазменно-дуговая резка в химически активных сре-
дах//Тр. ВНИИавтогенмаш. 1978. № 23. С. 42—48.
39. Исаченко А. А., Откидач Л. Г., Никифоров Н. И. Влияние геометрии сопла на уровень
шума при плазменной резке//Тр. ВНИИавтогенмаш «Процессы и оборудование плаз-
менной обработки металлов». 1980. С. 52—59.
40. Каноций В. Я., Кугач Л. П. Исследование плазменной выборки дефектов кузнечно-прес-
сового инструмента//Плазменные методы обработки металлов. —Л..'ЛДНТП, 1977.
С. 86—89.
41. Кимиюки Нисигуси, Киньити Мацуяма. Фундаментальное исследование плазменно-дуго-
вой резки (ч. П)//Есэцу Факкайси. 1977. Т. 46. № 8. С. 105—111.
42. Киселев В. Н. Плазмотроны для ручной и механизированной плазменной обработки//
Плазменные методы обработки металлов.— Л.: ЛДНТП, 1977. С. 97—100.
43. Киселев В. Н. Установка для механизированной резки на токе 100 А//Электротехни-
ческая промышленность. Электросварка. 1980. Xs 5. С. 4—5.
44. Киселев Ю. Я. Плазменно-воздушная резка металлов с использованием медных электро-
дов.— Кишинев: Штиинца, 1977. 88 с.
45. Кобелева Н. К., Дроздов А. Л., Жикол В. М. Предотвращение пор при сварке деталей и
корпусных сталей, вырезанных воздушно-плазменной резкой//Сварочное производство.
1975. Xs 3. С. 33—35.
46. Краткий справочник физико-химических величип/Сост Н. М. Барон, Э. И. К в я т,
Е. А. Подгорная ид р.— Л.: Химия, 1977. 200 с.
47. Кудрявцев Е. П., Тихомиров А. В. Оценка погрешностей работы механического приво-
да портальных машин для термической резки//Тр. ВНИИавтогенмаш «Процессы и
оборудование плазменной обработки металлов». 1980. С. 29—35.
48. Куклин О. С., Ширшов И. Г„ Васильева В. И. Сопоставление технико-экономических
показателей различных способов резки листового металла//Применение в промышлен-
ности высокопроизводительных способов наплавки коррозионно-стойкими и износостой-
кими материалами.— Л.: ЛДНТП, 1979. С. 85—87.
189
1*1. Лазерная мхникв и П’хнплогия/В. В. < м и р и <1 в, С. К. К и р т а и ы ft, Л Л 111 г е р
нин и д р.//Эл*ктротсхническая промыт |епно<ть. Электросварка. 1982. № 5. С. 16—
19.
50. Лакомский В. Н., Торхов Г. Ф О поглощении азота из плазмы жидким металлом//
ДАН СССР. 1968. Т. 183. С. 87—89.
51 Левченков В Н , Ямпольский В М., Васильев К. В. Некоторые условия протекания
процесса возчушно-дусовой резки на переменном токе//Сварочное производство. 1984.
№ 1. С. 21 -23.
М Машина ЮГ 2Пл4 для термической резки листов/К. В. Васильев. М. Л. Мили-
ции с. Н. И. Никифоров ид р.//Сварочное производство. 1974. № 5. С. 45—46.
53. Машины, установки и аппаратура для газоплазменной обработки металлов: Каталог. —
М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1982. 100 с.
54. Мельченко А. Л., Шульгина Т. Е., Матвеева А. Д. Влияние тока и скорости воздушно-
дуговой резки на качество поверхности стальных отливок//Сварочное производство.
1984. № I С. 23—24.
55. Морозов А. Н. Водород и азот в стали — М.: Металлургия, 1968. 282 с.
56. Мосенкис Ю Г. Байдулов В. С. Улучшение качества швов, выполненных после воздуш-
но-плазменной резки//Автоматическая сварка. 1974. № 9. С. 75—76.
57. Насыщение газами кромок, выполненных воздушно-плазменной резкой, и его влияние
на образование пор в швах/К. В. Васильев, Г А. А с и и о в с к а я. Л. О. К О х -
лики н. Л. М. Федоров а//Автоматическая сварка. 1974. № 9. С. 67—70.
58 Оборудование для газолазерной резки тонколистовых материалов/Т и х о м и -
ров А. В., Курлович Ю. В., Евлокушин Н. В. и д р.//Тр. ВНИИавтогсн-
маш «Процессы и оборудование плазменной обработки материалов». 1980. С. 35—42.
69. О работе дугового плазмотрона в переходном режиме/И. С. Шапиро, М. В, Т к а -
ч е в, В. А. Кораблев, В. М. Я м п о л ь с ки й//Сварочное производство. 1979.
№ 1. С. 28—30.
60 . Осетиик А. А. Состав граничной структуры кромок тепловою реза и влияние ее на
свойства сварных соединений//Тр. ЦНИИТС. 1971. № 109. С. 19—22.
Ы. Пилипенко А. В., Мисайловский И, С. Особенности работы установок плазменной рез-
ки с машинами типа «Кристалл»//ЭлсктрО1Схническая промышленность. Сер. Электро-
сварка. 1981. Вып. 4 (67). С. 20.
62 Плазменная пакетная резка тонколистовых сталей//М. Н. Г а п ч е п к о, В. В. Ч е р
и я к, В. Н. Дмитрашид р.//Сварочное производство. 1983. № 8 С. 32—33.
63 Плазменная технология (опыт разработки и внедрения)/,!. Г. Быховский,
А. Я Медведев, В. Н. Богданов ид р.— Л.: Лениздат, 1980. 150 с.
64 . Походня И. К. Газы в сварных швах. — М.: Машиностроение, 1972, 256 с.
65 . Применение ОКГ для спектрально-изотопного определения азота в поверхностном слое.
стали/В. Н. Котиков, С. В. Ошем ков, А. А. Петров и д р.//Заводская
лаборатория. 1979. № 9. С. 814—816.
66 Промышленное применение высокоэффективного процесса супервоздушной плазменной
резки/К- В. Васильев, В. В. Кожевников, Л. О. К о х и к я и и д р.//Сва-
рочное производство. 1982. № 6. С. 13—14.
67 Протасов Г А Особенности образования аустенита в условиях быстрого нагрева при
термической резке//Тр. ВНИИавтогенмаш «Процессы и оборудование плазменной
обработки металлов». 1980. С. 49—52.
68 . Пухиря В. И., Вихарев А. Ф., Тарасов В. М. Пыле- и газовыделения при плазменной
резке металлов//Сварочное производство. 1982. № 10. С 35.
69 Сапиро Л. С. Возникновение аммиака в период кипения и кристаллизации металла
сварочной ванны//Сварочное производство. 1972. № 7. С. 5—6.
70 Сергеев И И, Воздушно-плазменная резка на Челябинском трубопрокатном заводе
//Опыт промышленного применения плазменных видов обрабожи металлов Л :
ЛДНТП, 1972. С. 79—85.
71 Собольницкий Г, Д., Кочергин А. К., Яковлев В А. Опыт промышленного применения
плазменной зачистки заготовок в кузнечно-прессовом производстве//Применение в
промышленности высокопроизводительных способов наплавки коррозионно- и износо-
стойкими материалами. —Л.: ЛДНТП, 1979. С. 72.
72 Соколов И. И. Г азовая сварка и резка металлов. М.: Высшая школа, 1981. 320 с.
73 Способ повышения долговечности сопел и наконечников к сварочным аппаратам/
В И. Голубев Л. Г. Максимова, В, М. Ямской и др.//Сварочное про-
ншодство. 1974. К» 2. С. 44—45.
74 Степанов В Е, Опыт внедрения воздушно-дуговой резки отливок в Ивановском станко-
строительном ПО им. 50-летия СССР//Сварочное производство. 1984. № 1. С. 19—20.
7о . Суладзе Р Н. Электрооборудование иля плазменной резки металлов,— Тбилиси:
ВНИИЭСО. 1980. 130 с.
100
76. Сучикава Садахино. Резка плазменной дугой алюминиевых «haiku* wiiteipyiuutoHiioio
типа и ее влияния на сварочные соединения//Кэ'икиндзоку 6с*цу. 1971 1 98. № 2.
С. 75—88.
77. Теоретические основы сварки/Ф ролов В. В., Винокуров В. А., В о л ч е н -
к о В. Н. и др.— М.: Высшая школа, 1970. 592 с.
78. Технологический процесс резки углеродистых и низколегированных сталей, обеспечива-
ющий минимальное газонасыщение кромок и исключающий образование пор в сварных
швах/В. С. Г о л о в ч е н к о. В. Н. Котиков, Н. Д. Желтобрюх, Н. Д. И в а -
н о в//Плазменные методы обработки металлов. Л.: ЛДНГП. 1977 С. 109—113.
79. Фильченко Д. И,, Диженин В. А. Плазменная резка с использованием водяной подуш-
ки//Сварочное производство. 1982. Л» 10. С. 28.
80. Фролов В. А. Механизм насыщения азотом кромок деталей, обработанных воздушно-
плазменной резкой//Сварочное производство. 1977. № 12. С. 50—51.
81. Фролов В. А Насыщение азогом деталей, обработанных воздушно-плазменной резкой//
Электротехническая промышленность. Электросварка. 1976. Вып. 3. С. 15—16.
82. Фрумин И. И., Каленский В. К., Антонов В. А. Причины возникновения пор при плаз-
менной наплавке//Автоматическая сварка. 1974. № 10. С. 22—24
83. Фудзин Тосихидэ. Современное состояние плазменной резки//Есэцу гидзюцу. 1979.
№ 9. С. 32—36.
84. Черняк Р. В., Коперсак В. Н., Дзыкович И. Я- Влияние состава плазмообразующего
газа на химическую неоднородность поверхности реза хромоникелевой коррозионно-
стойкой стали//Автоматическая сварка. 1981. № 9. С. 71 — 72.
85. Черняк Р. В. Тепловые характеристики плазменной дуги при обдуве воздушно-углево-
дородной смее.ью//Автомагическая сварка. 1982. № 10. С. 10—14.
86. Шапиро И. С. Плазменно-дуговая резка алюминиевых сплавов и нержавеющих ста-
лей больших толшин//Сварочнос производство. 1969. № 10. С. 25—27.
87. Шапиро И. С., Ткачев М. В. Плазменная резка с дополнительным подогревом плазмо-
образующего газа//Сварочное производство. 1978. № 10. С. 37—39.
88. Шапиро И. С„ Ткачев М. В. Процессы, происходящие в камере дугового плазмотрона
при резке мегаллов//Сварочное производство. 1976. № 12. С. 12.
89. Шашков А. Н., Спектор О. Ш„ Сухинин Г. К. К вопросу о природе изменения химичес-
кого фазового состава металла кромки, полученной при кислородной резке//Тр. ВНИИ-
автогенмаш. «Газотермическая сварка. Сварка. Наплавка. Управление газами». 1968.
Вып. XV С. 3 18.
90. Шварцман А. Г., Лунин И В. Применение высококачественного нагрева при кислород-
ной резко мсталла//Сварочное производство. 1978. № 2. С. 43 45.
91. Экспериментальная установка и некоторые особенности воздушно-плазменной резки на
токах 5— 50 A/К- В. В а с и л ь е в, Н. И. Н и к и ф о р о в, О. К. П и к. И. Н. М а т ю -
н и н//Сварочное производство. 1982. № 10. С. 29—30.
92. Эсибян Э. М. Плазменно-дуговая аппаратура. — Киев.: Техника, 1971. 162 с.
93. Яковлев В. А. Плазменная резка чугунных отливок//! 1римснение в промышленности
высокопроизводительных способов наплавки коррозионно-стойкими и износостойкими
материалами.— Л.: ЛДНТП, 1979. С. 83.
94. Bongs S. Doused are cutting is pollution — free//Welding Design & Fabrication. 1978. N 9.
P. 82—84.
95. Burke M. N. Water-infccheon Plasma — arc cutting//Weld and Metal Fabr. 1974 , 42. N 9
P. 338- 341.
96. Couch R. W., Dean D. C. High guclitv Water — arc Cutting//Welding Journal 1971. aprel.
P. 233—237.
97. Crubic K. Neki faktori, koji utjecu na kvalitet rezanja vise kologivanicli celika plazmam//
Zavarivac. 1979. N I. L. .5—13.
98. Jesinsky M„ Mutnansky V. Zvvskove napatia potepelnom rezani oceli//Zvaranie. 1978.
N 1. L. 24 27.
99. Krause H. — J , Pre u H , Steigkher B. Beitrag zur Kenntnis der Schittwfenbildung beim
Plazme—Brennschneiden//Schwei en und Schneiden Jahrgang. 30(1978). Heit 10.
100 Mutnansky V. Tepeltte rczatiic ocelevvsckej pevnosti s martenzitickon strukturen//Zva-
ramc. 1982. N 4. 1. 113—116.
101. Nebbering J. W., Thomas M. H.. Bos T. J. The Properties of Plasma Cut Fdges//Welding
in the World. 1980. N 9310. P. 182- 195.
102. Olsakova M, Economicke provnanie kvslikoveho a plazmoveho rezana oceli//Zvaranie.
XXVIII (1979). X 10. L. 315—317.
103. Press H. Concentra’ .ms en gaz et funices lors du Conpage a larc an jet de PIasrna//Sonda-
ge et Techniques eonnexes. 1978. N 910. P. 349—354.
104 Vanschen W. Der heutige Stand der Plasmatechnik mil An\vendungsleispielcn//Schiff
.tnd Hafcn. 1980. N 1. S. 84 90.
Itll
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 11
Глава 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СПОСОБАХ ТЕПЛОВОЙ РЕЗКИ. 4
1.1. Классификация способов тепловой резки и области их применения . —
1.2. Кислородная резка 6
1.3. Лазерная резка...............
1.4. Технико-экономическая оценка способов тепловой резки .
Глава 2. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ И СПОСОБЫ ЕЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 35
2.1. Плазменная дуга................. .... . . —
2.2. Плазмообразуюшие среды и их физико-химические свойства 43
2.3. Плазменная резка с использованием аргона, азота и их смесей с во- •
дородом...................................................... • 48
2.4. Воздушно-плазменная и кислородно-плазменная резка . 54
2.5. Плазменная резка с использованием воды . 66
Глава 3. ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ДУГИ НА МЕТАЛЛ, ПРИЛЕГАЮЩИЙ
К ПОВЕРХНОСТИ РЕЗА 74
3.1. Зона термического влияния . . —
3.2. Влияние плазменного реза на качество сварных швов . 97
3.3. Причины газонасыщения кромок и способы его уменьшения . 111
Глава 4. ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ..................................... 119
4.1. Общие положения и некоторые технологические закономерности . —
4.2. Точность плазменной резки . 123
4.3. Резка листового проката . 131
4.4. Поверхностная резка . 142
Глава 5. СРЕДСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ .... 150
5.1. Установки, источники питания, плазмотроны, электроды и сопла . . —
5.2. Стационарные и переносные машины, универсальные комплекты для руч- >
ной резки .... -
5.3. Рабочие места и поточные линии . 173
Глава 6. ГИБКАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ
РЕЗКИ 179
6.1. Оборудование ГАУ и система управления . • - —
6.2. Организация и работа ГАУ плазменной резки 185
7
Список литературы 188
18
192