книги / Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

		Темпера гура, °С
Материалы	Плот­	плавле­		Теплопро­	Удельное	Работа вы­
	ность,			водность,	сопротивле­	хода электро­
	г/м*	ния	кипения	Вт/(см.°С)	ние, Ом*см	нов, эВ
W	19,3	3650	6210	1,97	5,5-10-*	2,63
Hf	13,29	2225	5400	0,223	32,4-10-*	2,82
н ю 2	10,45	2900	3273	0,016	6-10-*	3,8—5,8
HfN2	13,84	3310	5427	0,1*	1 1 0 -»	3,85
Zr	6,45	1852	3577	0,167	39,6-10-«	5,8
ZrOa	5,6	2700	4300	0,02*	8-10"4*	4,1-5,8
ZrN2	7,09	2980	3505	0,1	ы о -«	2,92
• Данные	приведены для 730 °С,		остальные — для 20 °С.

катоды могут иметь коническую заточку. Срок службы т пленочного катода зависит от тока / и числа зажиганий п:

t =	- j r	- n B l .		(27.1)
Для	современных катодов Л=10®; Я = 10 -А; при токе			350 А и п=100:
10е		100-350	,	циркониевого ка-
т --------------------------------- --- 4,bo ч Средний срок службы
122500		104

тода составляет 4—5, гафниевого 5—6, вольфрамового до 30—40 ч.

Малый срок службы пленочных катодов является их основным недостат­

ком. Отечественными разработчиками				предложены машинные плазмотроны
с рабочим	электродом	(рис. 27.1,	б)	в виде полого медного цилиндра, по
внутренней	поверхности	которого	под *действием газового вихря быстро пе­

ремещается активное пятно. Заметного расплавления меди электрода при

этом	не	наблюдается, ее	эрозия	характеризуется малыми	значениями	от
10_в	до	10-7 г/К, и он	сохраняет	свою работоспособность	в пределах	3—

6смен.

Вплазмотронах с полым электродом при определенной гидродинамике течения рабочего газа приэлектродная зона разряда может самопроизвольно делиться на несколько самостоятельных приэлектродных участков. Для ста­ ционарного расщепления разряда в тело медного электрода заделывают тер­ моэмиссионные вставки. Такой перспективный плазмотрон позволяет в не­

сколько раз увеличить рабочий ток или повысить срок службы рабочих электродов,

В плазмообразующих углеводородных смесях с углекислым газом пер­ спективны графитовые самовозобновляющиеся высаживанием ионов углерода из плазмы катоды, ресурс которых составляет более 100 ч.

Формирующее сопло обеспечивает ограничение диаметра столба дуги,

введение	в	него рабочей среды с целью максимального	преобразования ее
в плазму	и	формирование скоростной цилиндрической	плазменной струи,

которая может быть использована для стабилизации дугового разряда на протяженном участке вне плазмотрона.

Корпус сопла из теплопроводной меди интенсивно охлаждают и электри­ чески изолируют от столба режущей дуги во избежание появления в ме­ талле параллельных токоведущих каналов и разрушения сопла активными

						Т А Б Л И	Ц А 27.2
		ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ		РАЗМЕРЫ СОПЕЛ
		ПРИ ВОЗДУШНО-ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКЕ
Ток	Диаметр	Длина	Расход	Ток	Диаметр	Длина	Расход
		канала				канала
дуги. А	сопла,	сопла,	воздуха,	дуги, А	сопла,	сопла,	воздуха,
	мм	м м	м*/ч		м м	м м	М 3/Ч
150—200	2,0	2,5—3,0	4,0—5,0	300—350	3.0	4,5-5,0	6,0—7,0
200—250	2,5	3,0—3,5	4,5—6,0	350—400	3,5	5,0—6,0	6,5—7,5
250—300	2,8	3,5—4,5	5,5—6,5	400—450	4,0	6,5—8,0	7,5—8,5

пятнами возникающей при этом «двойной дуги» на		участках	«катод —
сопло»	и «сопло — разрезаемый металл» интенсивным	вихревым	потоком-
плазмообразующей среды.
Срок службы сопел зависит от величины рабочего тока, диаметра и
длины	сопла, и толщины его стенки, расхода и состава	плазмообразующей

среды, интенсивности охлаждения и других факторов и может составлять несколько смен.

Геометрические размеры сопла — его диаметр и длина (рис. 27.1) оп­ ределяют качество поверхности и точность вырезанных заготовок, а также надежность работы плазмотрона. Рациональные соотношения диаметра и длины сопла в соответствии с величиной рабочего тока, установлены на ос­ нове сочетания этих требований (табл. 27.2).

В Германии были созданы и получили распространение в европейских и других странах так называемые тонкоструйные резательные плазмотроны, рассчитанные на резку дугами с токами величиной до 100—160 А, формируе­ мыми в соплах диаметром до 1,5 мм при подаче плазмообразующей аргоно­ водородной смеси под повышенным давлением. Такие плазмотроны исполь­ зуют для резки цветных металлов или высоколегированных сталей в диапа­ зоне толщин до 20—30 мм. Их преимущества состоят в получении узких разрезов повышенного качества. При резке цветных металлов улучшается использование потребляемой энергии. Резка сталей более целесообразна в кислородсодержащих смесях.

Для микроплазменной резки (металлов толщиной <10 мм) используют (преимущественно в зарубежной технике) плазмотроны для токов 10— 100 А с еще меньшими диаметрами сопл.

27.2. Технология

27.2.1. Материалы

Рабочие плазмообразующие среды должны обеспечивать:

—эффективное формирование режущей дуги

—получение высококачественных кромок реза

—эффективную передачу разрезаемому металлу тепловой энергии, заимствованной в столбе дуги

—длительную работу формирующих элементов плазмо­

трона

— получение дополнительной энергии для резки за счет эк­ зотермических реакций

— экономичность и безопасность работы.

Среда

N.

Аг

НяО (вода, пар при 373 К)

Н,

Воздух

о,

			и				л	,	в
					9м		ч
	•»		о	а	Я,	я	о
			L				я
3S	я	«		С	Л	.о	L	первый	второй
	>		X	JT		о	«а-*
	и*			X	'н	Я	X
	X		X	Я	CQ	и
							.*3
28,002	1,2505	1,05		231	1,23	30	714,84	14,51	29,41
39,94	1,783	0,53		280	0,702	30	_	15,7	27,64
18,016	0,598	2,02		—	_	_	485,52
2,016	0,084	14,3		91,4	3,58	65	435,96	13,54	_
—	1,293	1,01		260	2,60	30	_	_
32,0	1,43	0,92		266	0,750	25	496,44	13,57	34,75

273	П р и м е ч а	н и е : М — атомная или молекулярная	масса; V — удельный вес при
	К и 101 кПа;	с — теплоемкость при 273 К и 101 кПа;	л — вязкость при 10-10* К и
101	кПа; X — теплопроводность при 10-10* К и 101 кПа;		ст — удельная электрическая

проводимость при 101 кПа и 10-10* К; q — энергия диссоциации; и — потенциал иониза­ ции.

Рабочие среды наиболее широко используются в виде тех­ нических газов: азота, аргона, водорода, кислорода, сжатого воздуха и др.

Рабочую среду выбирают с учетом ее свойств (табл. 27.3) и свойств обрабатываемого материала. Инертные газы обеспечи­ вают получение наиболее чистых поверхностей реза, что осо­ бенно важно для резки цветных металлов. Двухатомные газы улучшают передачу энергии дуги разрезаемому металлу за счет механизма диссоциации — рекомбинации. Кислородсодер­ жащие среды повышают энергетическую эффективность резки металлов, экзотермически реагирующих с кислородом, что обес­ печивает для них наиболее высокую производительность резки.

Наибольшее применение в СССР получила резка на основе использования плазмы кислородсодержащего сжатого воздуха (воздушно-плазменная резка). Области рационального исполь­

зования сред указаны в табл. 27.4.

Перспективно использование интенсифицирующих плазмо­ образующих сред. При воздушно-плазменной резке обогащение воздуха кислородом обеспечивает повышение производительно­ сти резки сталей без увеличения затрат энергии и способствует улучшению качества металла на кромках. Подача воды в плаз­ менную дугу также улучшает качество заготовок из сталей и способствует повышению скорости резки. Если к плазмообра­ зующему воздуху добавлять углеводороды, заметно возрастает скорость резки меди и ее сплавов.и существенно улучшается качество заготовок.

			Т А Б Л И Ц А			27А
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАБОЧИХ СРЕД ПРИ ПЛАМЕННОЙ РЕЗКЕ
Основная		Добавки	Области применения
рабочая среда
Сжатый воздух		—	Машинная и ручная резка уг­
(ГОСТ 17433—72)			леродистых, низколегирован­
			ных, коррозионностойких
			сталей, черновая		резка	цвет­
То же	Кислород		ных металлов
			Высокопроизводительная ма­
	(ГОСТ 5583—78)		шинная резка сталей				с
	Вода (ГОСТ 2874-82)		Машинная	резка	сталей
			уменьшением степени газона-
	Пропан-бутан		сыщения кромок
			Высокопроизводительная ма­
	(ГОСТ 20448—80)		шинная резка меди и резка
	с водой или без		сталей с улучшенными свой­
Кислород			ствами кромок
			Высокопроизводительная ма­
(ГОСТ 5583—78)			шинная резка сталей с умень­
			шением газонасыщения кро­
Аргон	Водород		мок	резка цветных			ме­
			Чистовая
(ГОСТ 10157—79)	(ГОСТ 3022—79)		таллов	машинная		резка
Азот (ГОСТ 9293—74)	без	добавок, с водой	Чистовая
	или	водородом	меди, ручная резка цветных
			металлов толщиной до 80 мм

27.2.2. Выбор параметров режима

Технологический процесс плазменной резки включает в себя следующие операции: врезание (с кромки листа или, при необ­ ходимости, с пробивки исходного отверстия), резку прямоли­ нейных и криволинейных участков заданного контура и завер­ шение реза. Основной операцией является прямолинейная резка заготовок с вертикальными кромками.

В составе назначаемых режимов и условий резки указы­ вают рабочую плазмообразующую среду, рабочий ток, диаметр и длину сопла, расход рабочей среды, расстояние от рабочего торца плазмотрона до поверхности металла, а также рабочее напряжение дуги и скорость резки.

Ток /, напряжение U, тепловой к. п. д. т) дуги, удельный вес у, толщина б, энтальпия плавления 5 разрезаемого металла,

ширина реза Ь определяют скорость резки:
W = 0,24lUr\/ybbS.	(27.2)
При резке стали 6=1 см, у = 7,8 г/см3, S= 13,06	кДж/г то­

ком / = 300 А при (/=180 В с т)=0,3 и 6= 0,4 см W = 4 см/с, или

S22

Рис. 27.2. Влияние скорости воздушно-

плазменной резки малоуглеродистой стали на форму сечения реэа:

а — зона	непрорезання; б — предельная
скорость	сквозного прорезання, неустой­

чивый рез со сходящимися кромками; в — высокая скорость резки, непараллельные кромки реза; г — ограниченная скорость резки, кромки реза близки к параллель­

ным;	скорости в зоне		между г и д		обес­
печивают		практическую		параллельность
кромок;		е — скорости,	при	которых рез
снова	приобретает неустойчивую				форму

сечения, но с расходящимися кромками;

ниже	е — зона	неустойчивой,	некачест­
венной	резки.	Ориентировочные	режимы:

ток 300 А, расход воздуха 90—120 л/мин, диаметр сопла 3 мм

Толщинастали, мм

2,4 м/мин. При резке в окислительных средах реакция окисле­ ния повышает скорость. При заданном режиме скорость резки можно регулировать (рис. 27.2).

Максимально возможная скорость резки на прямолинейных участках ограничивается уровнем, выше которого не достига­ ется сквозное прорезание металла (рис. 27.2, а). При скорости ниже этого уровня металл прорезается полностью (рис. 27.2, б) , но качество резки характеризуется большой неперпендикулярностью кромок, шероховатостью поверхностей, большой глуби­ ной литого участка зоны термического влияния и т. д.

С ограничением скорости резки (рис. 27.2, в, г) качество за­ готовок повышается, хотя затраты энергии и материалов воз­ растают, производительность резки снижается. При скоростях резки ниже максимальних в 1,5—2,5 раза (рис. 27.2, д) кромки реза становятся параллельными между собой и перпендикуляр­ ными к Поверхности листа, шероховатость становится мини­ мальной и вырезаемая заготовка по большей части может быть использована без дополнительной механической обработки. При дальнейшем снижении скорости резки (рис. 27.2, е) процесс и качество заготовок теряют стабильность, что неприемлемо.

Ориентировочные режимы и условия резки (для машинной прямолинейной резки) приведены в табл. 27.5, 27.6. Скорость резки на криволинейных участках (с малыми радиусами кри­ визны) понижают на 30—50 % во избежание искажения формы кромок в результате отставания режущей струи (аналогично газопламенной кислородной резке). Аналогично снижают

ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ

Толщина металла, мм

Диаметр сопла, мм

Длина сопла, мм

Т А Б Л И Ц А 27.$

РЕЖИМЫ ВОЗДУШНО-ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ

	Расход	Скорость		резки,	м/мин
Ток, А
	воздуха,	стали	алюми­		меди
	л/мнн			ния

5	2,5—2,8	3—4	200—260	80—100	4—6	4,5—5	1,7-3
1 0	2,5—2,8	3—4	250—290	80—100	1,9—3,6	2,4-4,2	1 ,1 — 2
15	2,5—2,8	3—4	250—325	80—110	1,2—3	1,6—3,5	0,65—1,6
2 0	2,8—3	3—4	270—325	80—110	1—2,3	1,3—3	0,45-1,2
40	2,8—3,7	4 - 7	300—400	1 0 0 — 1 2 0	0,6—0,9	0 ,9 -1 , 2	0 ,3 -0 , 6
60	3—3,7	4—7	350—400	100—135	0,3—0,4	0,4—0,6	0,1—0,3
1 0 0	4	6 — 8	400—450	135—140	0 , 1	0 , 2	—

скорость резки при завершении реза с целью сквозного проре­ зания металла на концевом участке у нижних кромок.

Если резку начинают на поверхности листа, начальное от­ верстие в металле пробивают вне контура детали (на отходе). При механизированной резке пробивку производят в движении машины с приподниманием и последующим опусканием плазмо­ трона. Пробивка производится при скорости движения машины меньшей против заданной в 1,5—2 раза.

Врезание с кромки металла или начального отверстия при толщине металла 20—30 мм не требует специальных приемов и регулировки скорости. Контроль полноты прорезания можно вести наблюдая за отклонением от вертикали факела режущей струи на выходе из листа. Вначале врезания ось и передняя граница факела отклоняются в сторону, противоположную резке, но при правильно установленной скорости передняя гра­ ница факела вскоре занимает вертикальное положение или близкое к нему. Такое положение в процессе резки свидетель­ ствует о рациональной скорости. При слишком малой скорости

				Т А Б Л И Ц А 27.S
ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ		РЕЖИМЫ	АРГОНОВОДОРОДНОЙ		РЕЗКИ
		Расход	Расход	Скорость	резки, м/мин
Толщина	Ток, А			легирован­
металла, мм		аргона,	водорода,		алюминия
		л/мин	л/мин	ной стали

5	50	1 2	8	1 , 0	1,5
5	1 0 0	1 2	8	1 ,8	2,5
1 0	1 0 0	1 2	8	0 , 8	1 .2
2 0	1 0 0	1 2	8	0,4	0 , 6
2 0	250	15	1 2	0 , 8	—
40	250	15	1 2	0,3	0,5
60	250	15	1 2	0,15	0,15
85	250	15	1 2	—

весь факел ориентируется по вертикали, а его передняя гра­ ница неустойчива и отклоняется в направлении движения ре­ зака.

27.2.3. Точность и качество резки

В СНГ требования к качеству и точности заготовок, вырезае­ мых плазмой, установлены ГОСТ 14792—80. Он распространя­ ется на детали и заготовки, вырезаемые механизированной плазменной резкой из конструкционных углеродистых сталей, нержавеющих сталей или из алюминиевых сплавов толщиной 5—60 мм. Он устанавливает предельные отклонения размеров вырезанных заготовок от заданных (или отклонения от прямо­ линейности), отклонения от заданной формы (перпендикуляр­ ности, плоскостности) кромок, предельные нормы шероховато­ сти поверхностей резов и наибольшие допустимые значения зоны измененного металла (зоны термического влияния — ЗТВ резки) у кромки реза.

Нормативные требования по каждому из четырех указанных показателей установлены для трех классных уровней, соответ­ ствующих условиям использования вырезанных заготовок. Нормы установлены в соответствии с размерами вырезаемых

заготовок	и их толщиной (табл. 27.7 и 27.8).	Фактические по­
казатели	определяют после удаления грата	с поверхностей
реза.

Упомянутые отклонения, как правило, связаны с особенно­ стями процесса резки. Причинами неточности размеров контура вырезаемых заготовок могут быть: неточность резательной ма­ шины и управляющих ею копира, чертежа или программы, не­ стабильность и отклонения режущей дуги, неправильный выбор скорости резки, особенно на криволинейных участках, а также

термические деформации			раскраиваемого		объекта.
					Т А Б Л И Ц А 2 7 .7
	ТРЕБОВАНИЯ	К	ВЫРЕЗАЕМЫМ ЗАГОТОВКАМ
	Предельные отклонения при номинальных размерах, мм
Класс	Толщина			от 500	от 1500	от 2500
точности	заготовки,	до 500
	мм			до 1500	до 2509	до 5000
1	5—30	± i »		±1,5	± 2	± 2,5
	31—60	± i		±1,5	± 2	±2,5
2	5—30	±	2	±2,5	± 3	±3,5
3	31—60	±2,5		± 3	±3,5	± 4
	5—30	±3,5		±3,5	± 4	±4,5
	31—60	± 4		± 4	±4,5	± 5

ПОКАЗАТЕЛИ	КАЧЕСТВА ЗАГОТОВКИ,	ММ
	Нормы при толщине разрезаемого
Показатель	металла,		мм
	Класс
	5—12	13—30	31—60

Отклонение от	перпендику­	1	0,4	0,5	0,7
лярности		2	1,0	1,2	1,6
Шероховатость	поверхности	3	2,3	3,0	4,0
		1	0,05	0,06	0,07
		2	0,1	0,2	0,32
Зона термического влияния		3	0,2	0,32	0,63
		1	0,1	0,2	0,4
		2	0,4	0,8	1,6
		3	0,8	1,6	3,2

Отклонения формы кромок от заданной происходят в основ­ ном в результате различной интенсивности теплопередачи при резке от активных пятен дуги, ее столба и факела плазмы, осо­ бенно при нерациональном выборе скорости и других парамет­ ров резки; причиной отклонений формы кромок могут быть также неправильная установка или неисправность плазмотрона. Повышенная шероховатость поверхностей реза может быть вы­ звана вибрацией плазмотрона или нерациональными условиями резки.

Воздействие процесса резки на металл заготовки у ее кро­ мок выражается в его кратковременном интенсивном нагреве до температур, достигающих точки плавления, и в оплавлении поверхностного участка металла. Участок металла у кромок, подвергавшийся нагреву наряду с изменениями структуры влияет на величину термических деформаций вырезаемой заго­ товки и раскраиваемого объекта.

Оплавленный металл на поверхности реза, взаимодействуя

сплазмой и окружающей средой, насыщается газами, образует

сними химические соединения и приобретает другие изменения

втак называемом литом участке ЗТВ. Глубина этого участка при резке титана и некоторых других металлов соответствует

глубине дефектного слоя. При воздушно-плазменной резке уг­ леродистых сталей она связана с насыщением кромок реза азо­ том, вызывающим возникновение пористости швов при после­ дующей сварке, в связи с чем стремятся обеспечить минималь­ ные величину ЗТВ и газонасыщения кромок. Это может быть достигнуто рациональным выбором рабочей среды, тока дуги, ограничением диаметра сопла и скорости резки, повышением напряжения дуги и плотности тока.

Ручную плазменную резку можно применять для обработки не поддающихся кислородной резке изделий из легированных

27.4. Промышленное применение метода

Области применения и экономическая эффективность плазщен. ной резки определяются ее универсальностью в отношении раз­ резаемых металлов, диапазона обрабатываемых толщин, Дости­ гаемыми скоростями резки и другими ее особенностями. При

резке	материалов малой толщины		(металлы толщиной до з_
5 мм)	плазменная	резка по качеству уступает газолазерной.
В то же время по		используемому	оборудованию плазменная

резка существенно доступнее и проще в эксплуатации, может выполняться как с помощью машин, так и вручную. В Диапа­ зоне толщин изделий из стали до 40—50 мм скорость плазмен­ ной резки превышает газопламенную. При толщинах, превы­ шающих эти значения, плазменная резка уравнивается по скорости, а затем уступает газопламенной. Соответственно в диапазоне толщин до 40 мм резка плазменным резаком эконо­ мичнее, чем кислородным. При 40 мм стоимости обоих резов уравниваются, а при резке углеродистых сталей большей тол­ щины использование газопламенного резака экономичнее.

Высоколегированные стали наряду с плазмой разрезаются кислородно-флюсовым способом, связанным с несколько боль­ шими затратами. Поэтому равные стоимости резов при этом со­ ответствуют толщинам 50—60 мм. Цветные металлы (алюми­ ний, медь и др., а также их сплавы) плохо поддаются газопла­ менным способам резки, поэтому область применения плазмы для них ограничивается только наибольшей доступной плаз­ менной резке толщиной. Сейчас эта толШина Для алюминиевых сплавов лежит в пределах до 130—ПО мм, для меди и ее спла­

вов она не превышает 75—100 мм.

Возможна плазменная резка неметаллических материалов, прибылей, отливок и других объемных объектов, резка в соче­ тании с механической обработкой (плазма-прессы), а также поверхностная строжка и обточка, плазменная резка под водой

ит. д., но их практический опыт недостаточен.

27.5.Техн ика безопасности, санитария и гигиена

Плазменная резка сопровождается действием вредных факто­ ров: интенсивным высокочастотным шуМ°м> выделением пыле­ газовых смесей, содержащих конденсат паров и оксиды метал­ лов, озон и оксиды азота, интенсивным излучением в оптиче­ ском диапазоне, тепловым излучениемОборудование для плазменной резки требует использован5151 электрического тока высокого напряжения, сжатых газов, включая горючие газы и интенсифицирующий горение кислород 51 т- Д- Мерами по сни­ жению действия вредных факторов явЛяются применение зву­ коэкранирующих устройств, средств вентиляции, соблюдение