Плазменно-дуговая резка металлов
Резка плазменной дугой основана на способности сжатой дуги глубоко проникать в металл, проплавляя его по линии реза дуговым разрядом. Под действием высокой температуры сжатой дуги газ 2, проходя через дуговой разряд, сильно ионизирует, образуется струя плазмы, которая удаляет расплавленный металл из места реза. Дуга 1 возбуждается между разрезаемым металлом 4 и неплавящимся вольфрамовым электродом 5, расположенным внутри головки резака 6. Дуговую газоразрядную плазму 3 называют низкотемпературной (ее температура 5000— 20 000°С).
Применяемые при плазменно-дуговой резке плазмообразующие газы должны обеспечивать получение плазмы и необходимую защиту вольфрамового электрода от окисления. В качестве таких газов применяют аргон, азот и смеси аргона с азотом, водородом и воздухом. В качестве электродов используют лантанированный вольфрам ВЛ-15. Вольфрамовый электрод располагают с соплом плазмотрона. Струя плазмы имеет большую скорость истечений и форму вытянутого конуса, сечение которого на выходе соответствует сечению сопла. Плазменно-дуговую резку применяют при резке металлов, которые невозможно или трудно резать другими способами, например, при резке коррозионно-стойких легированных сталей, алюминия, магния, титана, чугуна и меди. При резке плазменной струей разрезаемый металл не включается в электрическую цепь дуги. Дуга горит между концом вольфрамового электрода и внутренней стенкой охлаждаемого водой наконечника плазмотрона. Сущность резки плазменной дугой заключается в выплавлении металла струей плазмы и выдувании расплавленного металла из зоны реза.
http://info-svarka.ru/images/62.jpg
Схема процесса плазменной резки: а — плазменной дугой, б — плазменной струей
На рисунке схематически представлен процесс резки плазменной струей. Питание осуществляется от источника постоянного тока 3. Минус подводится к вольфрамовому электроду 4, а плюс — к медному соплу 2, которое охлаждается водой. Дуга 6 горит между электродом и соплом и выдувается газовой смесью из внутренней полости мундштука 5 с образованием струи плазмы которая проплавляет разрезаемый металл 7. В качестве плазмообразующего газа используют в основном аргон и смесь аргона с азотом. Плазменную струю применяют при резке тонкого металла. Скорость резки плазменной струей зависит от свойств разрезаемого металла и от параметров режима резки (сила тока, напряжение, расход газа). Плазменной струей режут как ручным, так и механизированным способом. Для плазменно-дуговой резки применяют специальное оборудование, которое питается электрической энергией. Основным элементом при плазменной резке является устройство для управления рабочим циклом резки — подачей и перекрытием газов, зажиганием вспомогательной дуги.
Для ручной плазменной резки применяют плазмотрон РДМ-2-66. Плазмотрон состоит из головки 4, мундштука с формирующим соплом 3 и рукоятки 5. Головка резака имеет водоохлаждаемый корпус, вода к которому подводится и отводится через рукава 8. Мундштук изолируют от токоведущего корпуса резиновой прокладкой. Клапанно-вентильный блок, смонтированный на рукоятке, состоит из вентиля для подачи аргона 10 со штуцером 9, рычажного клапана 6, позволяющего осуществлять резку в смеси аргона с водородом или азотом и штуцера 7. Резак имеет опорный ролик 2 и щиток 1. В кабельно-шланговый пакет входят два газовых рукава — для аргона и водорода или азота и два рукава водяного охлаждения. В одном из рукавов охлаждения проходит кабель рабочего тока сечением 10 мм2, который соединяется с минусом источника питания.
Плазмотрон РДМ-2-66 предназначен для ручной разделительной резки алюминия и его сплавов толщиной до 25 мм и нержавеющих сталей толщиной до 20 мм.
http://info-svarka.ru/images/63.jpg
Плазмотрон РДМ-2-66
Институт ВНИИавтогенмаш на базе ручного плазмотрона РДМ-2-66 создал ручной плазмотрон РДП-1 с водяным охлаждением и плазмотрон РДП-2 с воздушным охлаждением.
Плазмотрон РДП представлен на рисунке. Он состоит из головки с формирующим соплом, рукоятки с опорным роликом и щитком и узла управления, который крепится на входной газовой коммуникации. По оси головки расположено цанговое зажимное устройство, в котором крепят вольфрамовый электрод. В хвостовой части рукоятки укреплена кнопка для дистанционного включения и выключения источника тока и расположен вентиль для подачи рабочего газа.
http://info-svarka.ru/images/64.jpg
Резак РДП из комплекта универсальной аппаратуры КДП
Источником питания служат сварочные выпрямители типа ВКС-500. Универсальный комплект аппаратуры КДП-1 с плазмотроном РДП-1 рассчитан на наибольший рабочий ток 400 А и предназначен для резки алюминия и его сплавов толщиной до 80 мм, нержавеющих сталей толщиной до 60 мм и меди толщиной до 40 мм. В качестве газов используют аргон и смеси аргона с азотом или водородом.
Комплект универсальной аппаратуры КПД-2 с плазмотроном РДП-2 рассчитан на наибольший рабочий ток 200 А и предназначен для резки алюминия и его сплавов толщиной до 50 мм, нержавеющих сталей толщиной до 40 мм и меди толщиной до 25 мм. Резаком РДП-2 можно работать на монтажных и строительных площадках на открытом воздухе при любых температурах.
http://info-svarka.ru/images/65.jpg
Схема внешних соединений комплекта КДП-1
Схема установки КДП-1 для плазменно-дуговой резки представлена на рисунке. Она состоит из баллонов ), источника тока 2, охлаждающей воды 3, коллектора 4, кабельного пакета 5 и резака 6. Установка КПД работает по следующему принципу: устанавливают рабочее давление на баллонах с газами, открывают вентиль подачи воды для охлаждения резака и включают рубильник источника питания. Открывают вентили газов на плазмотроне и нажатием кнопки на рукоятке замыкают электрическую цепь с электродом. Затем в сопло резака, из которого вытекает струя аргона, вводят стержень зажигалки и замыкают зазор между электродом и наконечником. В момент удаления стержня возникает вспомогательная дуга между электродом, и наконечником сопла и из сопла выдувается струя дуговой плазмы. Острие плазменного факела подводят к началу реза, в момент соприкосновения с металлом 7 возбуждается режущая дуга. Одновременно нажатием рычага клапана на плазмотроне открывают подачу рабочего газа и перекрывают канал вспомогательного газа. Для прекращения резки необходимо отвести головку плазмотрона от поверхности разрезаемого металла. Источником питания во всех установках КДП служат два выпрямителя ВДГ-501, которые включают последовательно, что обеспечивает напряжение холостого хода 180 В.
Для полуавтоматической плазменно-дуговой резки применяют полуавтоматы типа ПРП. Установка состоит из плазмотрона ПРП-1, выпрямителя ВДГ-500 и тележки. Плазмотрон полуавтомата состоит из цилиндрического корпуса с цанговым креплением вольфрамового электрода. Внутреннее сопло изолируют от катодной системы и включают в цепь вспомогательной дуги. Параллельно этой цепи включена разрядная цепь высокочастотного осциллятора. Это позволяет нажатием пусковой кнопки не только подать напряжение, но и возбудить дугу между катодом и внутренним соплом. Одновременно с возбуждением вспомогательной дуги включают двигатель передвижной тележки и вспомогательную дугу подводят к кромке разрезаемого металла, в момент соприкосновения с металлом возникает основная дуга. Резку прекращают нажатием кнопки.
Для плазменно-дуговой резки цветных металлов и сплавов, а также нержавеющих сталей применяют установку УРПД-67. Установка работает на аргонно-водородной или азотно-водородной смесях. В качестве источников питания применяют два сварочных преобразователя ПСО-500, которые включают последовательно. Плазмотрон для ручной резки снабжается тележкой.
ГОСТ 12221—79 устанавливает для плазменно-дуговой резки четыре типа аппаратуры: Плр — для ручной резки, Плрм — для ручной или машинной резки, Плм — для машинной резки, Плмт — для машинной точной резки. Для машинной резки применяются аппараты типов Плм-10/100, Плм-60/300, Плм-160/630, Плмт-50/300.
Аппараты типа Плм-10/100 называют аппаратами для микроплазменной резки. Для этого типа резки нашел применение также аппарат АВПР-3, разработанный институтом электросварки им. Е. О. Патона. Аппарат АВПР-3 состоит из блока питания и микроплазменной горелки ВПРМ-1. Горелка может устанавливаться на машинах АСШ, СГУ, сварочном тракторе или переносной тележке.
К аппаратам типа Плм-60/300 относится установка воздушно-плазменной резки УВПР «Киев». Она состоит из блока питания, шкафа управления и режущего плазмотрона марки ВПР-9 с втулочным циркониевым катодом. Плазмотрон имеет вихревую систему стабилизации дуги. В качестве плазмообразующего газа используют сжатый воздух. Плазмотрон ВПР-9 можно устанавливать на портально-консольных и портальных резательных машинах.
Мощность режущей дуги в аппаратах типа Плм-160/630 достигает 180 кВт. Они состоят из источника питания, шкафа управления и режущего плазмотрона. К аппаратам этого типа относятся установки ЭДР-2, УПР-601 и ОПР-6-2М. В качестве плазмообразующих газов используют аргон и азотно-водородную смесь. Режущие плазмотроны устанавливают на крупных режущих машинах или на тяжелых самоходных тележках типа ППЛ-1, скорость перемещения которых можно регулировать в пределах 50—10 000 мм/мин.
Аппараты типа Плмт-50/300 обеспечивают вырезку деталей по первому классу точности. Они рассчитаны для работ с жестко стабилизированной дугой при повышенных напряжениях. Режущий плазмотрон СА-142 работает на смеси аргона, водорода и азота.
Сущность процесса плазменно-дуговой резки и области применения
К высоколегированным сталям относятся стали, содержащие более 10% легирующих элементов. Высоколегированные стали кроме обычных примесей углерода С, кремния Si, марганца Мg, серы S и фосфора Р содержат в различных количествах такие примеси, как хром Сr, никель Ni, титан Ti, вольфрам W, молибден Мо, ванадий V, ниобий Nb, медь Сu, алюминий Аl и др. Такие стали не могут подвергаться обычной кислородной резке, так как на поверхности их образуется пленка тугоплавких окислов.
Высоколегированные стали в зависимости от содержания легирующих элементов по структуре подразделяют на основные три группы: аустенитные, ферритные и мартенситные. Легирующие элементы по-разному влияют на процесс резки высоколегированных сталей. Одни из них не влияют на процесс резки, другие вызывают способность кромки реза воспринимать закалку, третьи замедляют процесс резки и образуют карбиды хрома.
Стали аустенитного и ферритного класса перед резкой не подвергают подогреву, а стали мартенситного класса подогревают до 250—300°С. Высоколегированные стали обладают низкой теплопроводностью, а процесс кислородно-флюсовой резки вызывает интенсивное тепловое воздействие на разрезаемый металл, так как одновременно с кислородом вводится железный порошок, который, сгорая, выделяет дополнительную теплоту. В результате низкой теплопроводности и большого выделения теплоты в зоне реза в металле возникают большие внутренние напряжения, которые приводят к образованию деформаций разрезаемых листов, а при жестком закреплении — трещин.
Перед резкой линию реза тщательно очищают от грязи, ржавчины и масла, а флюс просеивают и прокаливают. Резку начинают от края листа или от предварительно сделанного отверстия. Режимы кислородно-флюсовой резки высокохромистых сталей отличаются от режимов резки низкоуглеродистых сталей. Мощность подогревающего пламени берется на 15—25% больше, чем при резке низкоуглеродистых сталей такой же толщины. Расстояние от конца мундштука до поверхности разрезаемого металла также больше, чем при обычной кислородной резке. Делается это для того, чтобы частицы флюса успели нагреться до температуры воспламенения, при этом уменьшается возможность засорения выходных каналов подогревающего пламени.
На процесс кислородно-флюсовой резки влияют правильный выбор давления и расхода режущего кислорода, марка и расход флюса, мощность подогревающего пламени, скорость резки и другие параметры. Техника кислородно-флюсовой резки в основном такая же, как и при обычной кислородной резке. Резку осуществляют как ручными, так и машинными резаками. В качестве горючего газа применяют ацетилен и газы-заменители ацетилена (пропан-бутановая смесь и природные газы).
Правильный выбор расхода флюса устанавливают визуально. На кромках реза остаются небольшие валики расплавленного железного порошка. Большой расход флюса вызывает увеличение размеров валиков и замедляет процесс резки. Малый расход флюса также замедляет процесс резки из-за недостаточного количества выделившейся теплоты. При кислородно-флюсовой резке вентиль подачи флюса на резаке необходимо открывать после зажигания подогревающего пламени. При выключении необходимо сначала закрыть вентили подачи флюса и режущего кислорода, а затем — вентили горючего газа и кислорода. Продолжительность подогрева металла при кислородно-флюсовой резке меньше, чем при обычной кислородной. Резак относительно разрезаемого металла должен перемещаться равномерно, по окончании процесса резак необходимо задержать, чтобы прорезать металл по всей его толщине. При прямолинейной разделительной резке резак устанавливают или перпендикулярно поверхности металла, или углом вперед. При кислородно-флюсовой резке высоколегированных сталей давление кислорода выбирается так же, как и для обычной резки. Расход кислорода складывается из расхода кислорода на окисление разрезаемого металла и флюса и выдувание образующихся в процессе резки оксидов. Расход кислорода и его давление определяются в зависимости от толщины разрезаемого металла и скорости резки. Процесс кислородно-флюсовой резки будет проходить устойчиво только тогда, когда скорость перемещения резака будет согласована с количеством подаваемого в зону реза кислорода и флюса. Ширина реза зависит от диаметра выходного отверстия внутреннего мундштука для режущего кислорода, давления режущего кислорода и скорости резки.
При резке высоколегированных сталей больших толщин необходимо, чтобы происходила равномерная подача режущего кислорода и флюса по всей глубине разреза. Стали больших толщин разрезают при низком давлении кислорода, что увеличивает время соприкосновения кислорода с поверхностью разрезаемого металла.
Для механизированной резки высоколегированных сталей толщиной до 1000 мм применяют разработанную ВНИИАвтогенмашем установку ПМР-1000.
Источником тепловой энергии во всех способах электрической резки служит электрический дуговой разряд, происходящий в газовом промежутке между металлическими или угольными электродами и характеризующийся высокой плотностью тока и относительно низким напряжением. Температура газа, заполняющего столб дуги, составляет 4000— 5000°С. Газ содержит большое количество положительно и отрицательно заряженных частиц, соотношение которых таково, что общий заряд их равен нулю, такой газ принято называть низкотемпературной плазмой. Под действием напряжения, которое подается на электроды от источника тока, заряженные частицы в столбе дуги с большой скоростью устремляются к электродам, электрический заряд которых противоположен по знаку заряду частиц. Наряду с процес-сом ионизации газовых частиц в столбе дуги происходит слияние ионов с электронами — рекомбинация. Столб электрической дуги является мощным источником тепловой энергии. Передача тепловой энергии от столба дуги происходит за счет теплопроводности окружающего газа. Интенсивное плазмообразование достигается продуванием через столб дуги неионизированного газа. Дуговой разряд, используя энергию источника тока, нагревает газ, ионизирует его и превращает в плазму.
Дуговой разряд возбуждается в узких выходных каналах плазменных головок — плазмотронах. В сварочной технике используют две схемы плазмообразования. Первая схема соответствует сварочной дуге прямого действия, возбуждаемой между электродом и обрабатываемым изделием. В этом случае изделие является токоведущим электродом. По второй схеме дуга возбуждается между независимыми электродами (дуга косвенного действия), а обрабатываемое изделие в электрическую цепь не включено. Сжатую дугу, полученную по первой схеме, принято называть плазменной дугой, а по второй схеме — плазменной струей. Плазменно-дуговая резка заключается в проплавлении металла плазменной дугой по линии реза и удаления расплавленного металла струей плазмы, образующейся в дуге.
Плазменную дугу применяют для разделительной и поверхностной резки металлов. При поверхностной резке режущий плазмотрон устанавливают под острым углом к обрабатываемому изделию. Питание плазменной дуги можно осуществлять как постоянным, так и переменным током. Современные режущие плазмотроны работают на постоянном токе прямой полярности. Плазменно-дуговую резку применяют для металлов, которые нельзя разрезать другими способами резки, например для резки высоколегированных сталей, алюминия, меди, латуни, бронзы И их сплавов.
