3. Плазменная резка

3.1. Физические процессы в зоне плазменной резки. Разделительная плазменная резка. Формирование реза.

3.2. Влияние плазменной дуги на металл, прилегающий к поверхности реза.

3.2.1. Процессы в зоне термического влияния.

3.2.2. Причины газонасыщения кромок и способы его снижения.

3.3. Параметры и показатели процесса плазменной резки.

3.4. Технологические особенности разделительной плазменной резки (резка меди, латуни, алюминия, титана, высоко- и низколегированных сталей, неметаллов).

3.5. Поверхностная плазменная резка (строжка).

__________________________________________________________________

3.1. Физические процессы в зоне плазменной резки. Разделительная плазменная резка. Формирование реза

Воздействуя на зону обработки дуговой разряд начинает самопроизвольно углубляться в металл. Поток ионизированного газа выдувает расплавленный металл, а более холодные слои газового потока, окружающие проводящий плазменный шнур, препятствуют отклонению дуги в сторону. Дуга все глубже и глубже проникает в толщу обрабатываемой детали. Сжатую плазменную дугу, обладающую такими свойствами, называют проникающей плазменной дугой.

При этом глубина образующейся полости увеличивается до тех пор, пока проводимость плазменного шнура, расположенного по оси разряда, будет более высокой, чем суммарная проводимость разряда и окружающего его газа на пути возможного отклонения тока к стенкам выплавляемого углубления. С увеличением глубины проникновения дуги в металл напряжение ее возрастает (, где - длина дуги). Напомню, что напряжение сжатой плазменной дуги зависит от ее длины, размеров канала, сжимающего столб, и свойств сжимающего его газового потока - состава и расхода газа. Если источник электропитания и газовая струя обладают заданными параметрами, то в металле может быть проплавлено сквозное отверстие цилиндрической формы, т. е. выполнен дуговой прокол. Описанная картина наблюдается при действии неподвижной проникающей дуги.

Разделительная плазменно-дуговая резка состоит в сквозном проплавлении металла и интенсивном удалении расплава сжатой плазменной дугой, перемещающейся по линии реза и проникающей на всю толщину разрезаемого элемента (рис. 1). В результате перемещения толщина газовой оболочки по сечению столба становится неодинаковой и дуга отклоняется к фронтальной поверхности реза (рис. 2).

Что происходит в зоне резки? В полость образующегося реза погружен рабочий участок дуги, состоящий обычно из части открытого столба (1), анодной области разряда (2) и плазменного факела (3). Как отмечалось ранее, условия формирования сжатого столба в значительной степени определяют размеры его сечения и структуру рабочего участка дуги, влияя тем самым на ее режущую активность в полости реза.

Рассмотрим каким образом тепло поставляется различным участкам фронта оплавления, расположенным на различном удалении от верхней плоскости разрезаемого листа.

Допустим, что при резке листа толщиной h анодная область погружена в полость реза на некотором расстоянии от верхней плоскости разрезаемого листа. В соответствии с выщесказанным, фронт оплавления может быть разделен на три участка. Первый участок расположен между верхней плоскостью разрезаемого листа и анодной областью (участок АВ), второй ограничен размерами анодной области (участок ВС) и третий находится между анодной областью и нижней кромкой разрезаемого листа (участок СЕ).

На первом участке тепловой поток в разрезаемый лист поступает от столба дуги. Во втором участке, помимо этого, выделяется, тепло, определяемое анодным падением напряжения. На третьем участке тепло в разрезаемый лист поступает как за счет перегрева расплавленного металла на первых двух участках, так и за счет тепла, поступающего в лист из газового потока, нагретого в дуге.

На первых двух участках пассивная часть теплового баланса определяется в основном теплоотводом в разрезаемый лист, активная часть - выделением тепла в столбе дуги, погруженном в полость реза, и выделением тепла в анодной области. Поэтому температура газа на первых двух участках падает не столь резко. Добавлением энергии пятна объясняется и некоторое выдвижение вперед участка анодного пятна по сравнению с первым. Анодное пятно может занимать довольно широкую область, составляющую от 0,3 до 0,6 толщины разрезаемого листа. Но за анодной областью источников нагрева нет, и температура газа падает быстрее. За анодной областью наблюдается резкий изгиб кромки фронта оплавления, что свидетельствует об изменении величины теплового потока. Начиная с этого участка, дальнейшее выплавление металла осуществляется за счет тепла, накопленного в перегретом расплавленном металле. На третьем участке начинается остывание металла, скорость выплавления уменьшается и рез сужается.

Расположение самого активного пятна дуги в полости реза зависит от параметров дуги, скорости резки и толщины и свойств разрезаемого металла. Чем мягче режущая дуга (небольшой расход газа через относительно широкий канал, сжимающий столб дуги) и чем больше скорость резки, тем ближе к верхней поверхности детали расположено основание дуги. Наоборот, чем меньше скорость резки и чем более жестким является режим газового потока (большой расход газа сквозь узкий канал, сжимающий столб дуги), тем ниже по лобовой стенке реза опускается основание дуги, приближаясь к нижней поверхности детали. Заметим, что большие напряжения источника тока позволяют резать металл значительных толщин жесткой режущей дугой, что способствует повышению скорости и качества резки.

Скорость резки оказывает влияние как на положение пятна по толщине листа, так и на его ширину и, соответственно, на ширину реза. 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 изолирующего газа в верхней части реза достаточно велика, чтобы обеспечить изоляцию, необходимую для перемещения пятна вниз до нижней поверхности разрезаемого листа. Качество реза будет хорошее, но производительность процесса низкая. При увеличении скорости резки толщина слоя изолирующего газа в верхней части полости реза уменьшается, и пробой изоляции наступает при меньшем напряжении в столбе дуги, т. е. соответственно при меньшем перемещении пятна вниз по толщине листа внутри полости реза.

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 от свойств плазмообразующей смеси.

Расплавляемый металл перемещается по фронтальной поверхности вниз под действием потока плазмы и гравитационных сил и по боковым поверхностям из зоны энерговыделения на фронте (область анодного пятна и участок столба дуги) к линии затвердевания. Объяснимо это перемещение действием сил поверхностного натяжения, величина которых зависит от температуры, сильно разнящейся на фронте плавления и линии затвердевания. Чем выше плотность вводимой мощности, выше градиент температур, тем выше составляющая потока металла (участок анодного пятна ВС, где боковое движение расплава наибольшее). В нижней часть полости реза время пребывания анодного пятна уменьшается, уменьшается тепловой поток (участок CD), ослабляются силы поверхностного натяжения и металл большей частью стекает вниз под действием потока струи и отчасти гравитационных сил.

На участке DE, где еще более снижена плотность вводимого тепла и становится значительным изменение угла наклона центральной части фронтальной поверхности полости реза в результате изменения направления потока газа, снова увеличивается составляющая потока расплавленного металла к боковым стенкам реза. В результате этого образуется поток расплавленного металла, направленный к линии затвердевания.

Контрольные вопросы:

1. Какая дуга называется проникающей?

2. Чем разделительная плазменная резка отличается от строжки?

3. Какие участки дуги прямого действия непосредственно участвуют в проплавлении материала? Каков вклад этих участков в общий энергетический баланс процесса плазменной резки?

4. Каким образом скорость плазменной резки влияет на геометрию формируемых кромок реза?

3.2. Влияние плазменной дуги на металл, прилегающий к поверхности реза

3.2.1. Процессы в зоне термического влияния

Как отмечалось ранее, процессы тепловой резки сопровождаются выплавлением метала из полости реза. В связи с быстрым перемещением источника нагрева относительно поверхности разрезаемого металла наблюдается большой перепад температур (от температуры плавления до температуры холодного металла) на сравнительно узком участке, прилегающем к поверхности реза. В результате в кромках металла происходят металлургические процессы, сопровождающиеся изменением химического состава, структурных составляющих и механических свойств металла. Зона металла, в которой происходят упомянутые процессы, именуется зоной термического влияния (ЗТВ).

ЗТВ - участок основного металла, примыкающий к резу или шву (для сварки), в пределах которого вследствие теплового воздействия источника нагрева протекают фазовые и структурные превращения. Как правило, ЗТВ имеет отличную от основного металла вторичную микроструктуру и величину зерна. Процентное соотношение элементов входящих в состав того или иного металла, может изменяться, т. е. увеличиваться или уменьшаться при участии плазмообразующей среды в зоне воздействия дуги. Например, насыщение азотом титана при применении азотосодержащих смесей при резке титана. То есть, поверхностный слой подвержен насыщению газами. Наличие ЗТВ может оказывать отрицательное влияние на физико-механические свойства металла, его свариваемость металла.

Наряду с качественным характером изменений металла в ЗТВ имеют существенное значение общая протяженность ЗТВ, глубина отдельных переходных зон: литого участка, укрупненного зерна, полной и неполной перекристаллизации.

Литая зона определяется процессами кристаллизации расплавленного металла на кромках реза, зона укрупненного зерна содержит несколько рядов крупных зерен, в том числе оплавленных, выросших под действием температурного воздействия. Перекристаллизация в кромке металла с изменением фазового состава структуры вызывает напряжения, которые могут в отдельных случаях привести к образованию трещин в поверхностных слоях кромки реза.

Протяженность ЗТВ зависит от продолжительности влияния высокой температуры на кромку реза (рабочий ток, скорость резки, т.е. вложенная в единицу длины реза погонная энергия ), от состава и толщины разрезаемого металла. Так, например, у кромки плазменного реза стали Х18Н10Т толщиной 50 мм общая глубина ЗТВ по большей части составляет 1,5-2 мм. Для аналогичной стали толщиной 20 мм протяженность, как правило, не более 0,2 мм, а для стали толщиной 10 мм глубина еще меньше. С уменьшением толщины стали за счет увеличения скорости 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.

Заметную роль играет состав плазмообразующей среды, стабилизирующий режущую дугу. Так, при резке сталей воздушно- и кислородно-плазменной дугой ЗТВ обычно меньше, чем при резке неактивными газами. Резка в водородосодержащих газовых смесях, наоборот, характеризуется увеличенной глубиной ЗТВ.

Как отмечалось ранее, при взаимодействии высокоскоростного газового потока с кромками реза происходит перемещение расплава металла на поверхности кромки, в результате чего глубина литого слоя по толщине листа становится неравномерной. Жидкий металл, образующийся на кромках при плазменной резке сталей, смывается потоком плазмы интенсивно вследствие его повышенной текучести, но не полностью. Оставшаяся часть металла кристаллизуется в виде литого участка ЗТВ, который на микрошлифах характеризуется слабой травимостью - светлая полоса (рис. 3). Этому участку соответствует высокая микротвердость (550 НV для стали ст3 толщиной 8 мм). На некотором удалении от кромки она снижается до микротвердости основного металла (150 HV). Протяженность участка с увеличенной микротвердостью соответствует глубине литого слоя.

Этот участок от верхней грани кромки к нижней увеличивается по глубине, т. е. имеет в поперечном сечении клиновидную форму. При этом, чем выше скорость резки, тем больше глубина литого участка. Это отчетливо видно на поперечных микрошлифах полученных при металлографических исследованиях. При резке со скоростью v_р = 3,4 м/мин размер литого участка колеблется в пределах 0,03-0,07 мм. При v_р = 1,7 м/мин литой участок уменьшается, и его размеры составляют 0,025-0,05 мм, а при v_р = 0,7 м/мин составляют 0,007-0,013 мм. Причем, в этом случае общая протяженность ЗТВ, наоборот, с увеличением скорости уменьшается.

Протяженность литого участка также зависит от вида разрезаемого материала. Доля литого участка в низкоуглеродистых сталях и алюминиевых сплавах составляет обычно 20-30 % и более от общей протяженности ЗТВ. Далее в низкоуглеродистых сталях следуют участок укрупненного зерна и т.д. Однако в аустенитных нержавеющих сталях протяженность литого слоя составляет 70-80%.

Влияние технологических параметров очевидно. Среди технологических параметров хотелось бы отметить влияние на ЗТВ длины столба дуги. С ее увеличением теряется способность режущей дуги "смывать" с кромки жидкий металл, что приводит к увеличению литого слоя.

Оптимальный расход газа (воздуха), при котором толщина литого слоя минимальная, составляет Q =1,0-1,3 л/с. С увеличением расхода воздуха толщина литого участка в начале уменьшается, что, по-видимому, вызвано усилением механического воздействия на жидкий металл высокотемпературного потока газа. При больших значениях Q толщина литого участка вновь увеличивается, что можно объяснить повышением вязкости жидкого металла на кромках вследствие охлаждения его увеличивающимся потоком газа. То есть это влияние имеет некоторый максимум.

Вследствие завихрения плазмообразующего газа плазменный столб оказывает разное термическое влияние на правую и левую кромки. При правом завихрении газа больше тепла должно выделяться на правой кромке и ЗТВ на ней больше, так как анодное пятно смещается вправо.

Кроме того, вследствие периодически протекающего разрушения металла на поверхности реза образуется своеобразный макрорельеф в виде вертикальных или наклонных к поверхности листа бороздок, определяющих шероховатость реза. Литой участок влияет на шероховатость поверхности реза. Изучение макро- и микрошлифов дает возможность утверждать, что неровности поверхности в виде 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.

Как это объяснить? Можно предположить, что удаление металла из полости реза о котором говорилось выше и перемещение на боковые кромки происходит не равномерно, а порциями, т. е. по мере его накопления на фронтальной поверхности полости реза. Удалению и перемещению каждой порции металла, по-видимому, соответствует образование одной бороздки. Величина объема порции удаляемого металла 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 меньше, а частота удалений порций металла увеличится. В первом случае количество бороздок на 1 см длины поверхности реза должно быть меньше, но они должны быть глубже. Во втором случае, наоборот, их количество увеличится, а глубина уменьшится.

Так можно наблюдать повышенную шероховатость кромок при резке среднелегированных сталей, которые за счет легирующих элементов имеют более высокий коэффициент поверхностного натяжения по сравнению с мягкими сталями. Для таких сталей толщиной 30 мм » 120 мкм, в сравнении с = 30-70 мкм для мягких.

На нижней кромке реза могут иметь место наплывы расплавленного металла не сдутого струей. Такие наплывы именуют гратом. Бороздки и грат могут иметь место при всех видах термической резки плавлением. Обычно грат легко удаляется при механической обработке.

Кроме того, из-за дефектов направляющих устройств машины, попадания на них металлических брызг (работа по копиру), возникновения двойной дуги и т.д. на поверхности реза могут образовываться глубокие бороздки (вырывы или выхваты).

3.2.2. Причины газонасыщения кромок и способы его снижения

При плазменной резке имеет место газонасыщение поверхности кромок реза газами атмосферы плазмы или газами окружающей среды. Например, в процессе резки в воздушной плазме происходит насыщение кромок азотом и кислородом.

Такие газонасыщенные слои, в которых газ вступает в соединение с химическими компонентами материала имеют физико-механические свойства уступающие массиву образца. Особенно это существенно для сварных соединений, выполненных по кромкам плазменного реза. В поверхностном слое образуются соединения, которые, попадая в сварной шов, снижают прочность соединения. Так, в литом слое при резке меди могут образовываться шлаковые включения, соединения в виде закиси меди и т.д. В результате кромки меди приходится обрабатывать механически на глубину до 1,5 мм.

Наибольшую опасность для качества кромок представляет азот. Азот может попадать в кромки двумя путями: из плазмообразующей среды (в случае применения азотосодержащих смесей) и из окружающей атмосферы за счет проникновения в столб плазменной дуги атмосферного воздуха (в случае применения аргона, кислорода и других газов, не содержащих азот).

Как уже отмечалось, в дуге происходит диссоциация и ионизация азота. А атомарный азот может растворяться в жидком металле. Хотя растворимость азота в жидком железе невелика при атмосферном давлении, спектроскопически установлено, что максимальное содержание азота в кромке воздушно-плазменного реза приблизительно в 50 раз больше, чем в исходном металле. Растворимость азота в железе усиливается в присутствии кислородосодержащих смесей. Причин такого интенсивного растворения много. По-видимому, условия плазменной резки сталей таковы, что насыщение кромок происходит различными способами.

Растворимость азота в железе понижает углерод. В области аустенитного состояния влияние углерода (до 0,8 %) на растворимость азота возрастает с повышением температуры. В железоуглеродистых расплавах, отвечающих по химическим составам соединению Fе_зС (6,7 %С), азот практически не растворяется. Установлено, что содержание азота в материале кромки реза снижается и присутствием водорода. Предполагается, что при этом происходит образование аммиака, плохо растворимого в жидкой стали газа.

С увеличением толщины разрезаемой детали содержание азота снижается. Причина снижения объясняется термическим циклом плазменной резки. С увеличением толщины скорость снижается. Соответственно на единицу длины реза приходится больше тепла, охлаждение кромок более медленное и возрастает пребывание металла при высокой температуре, что способствует выделению азота из поверхностного слоя реза.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение зоны термического влияния (ЗТВ).

2. На какие участки подразделяется ЗТВ? Какие технологические параметры процесса плазменной резки влияют на протяженность этих участков?

3. Как выглядит на микрошлифах ЗТВ и какова ее микротвердость в сравнении с основным металлом?

4. Охарактеризуйте физические процессы на кромках реза. Что является основной причиной появления шероховатости на кромках реза?

5. Какой газ нерекомендуется использовать в качестве плазмообразующего, ососбенно при резке титановых сплавов? Ответ обоснуйте.

3.3. Параметры и показатели процесса плазменной резки

Целью плазменной резки, как и любого технологического процесса, является получение изделия требуемого качества при заданной производительности и максимальной экономичности. Говоря простым языком, вырезанные детали должны иметь перпендикулярные кромки, поверхности резов должны быть гладкими, а качество металла у кромок – равноценно качеству массива металла.

Производительность процесса плазменной резки предопределяется ско-ростью резки, а экономичность - затратами на электроэнергию, плазмо-образующие газы, электроды и другие технологические материалы и запасные части, а также затратами на оборудование и его амортизацию.

Показателями качества детали, вырезанной как плазменной, так и другими способами термической резки, являются значения размеров, характеризующих габариты и форму детали, а также параметры, характеризующие свойства металла детали. Отклонения от номинальных значений размеров приводят к появлению дополнительных трудозатрат при сборке и сварке конструкции, а изменения свойств металла в ЗТВ могут вызвать порообразование, трещинообразование и другие дефекты в сварном шве по кромкам реза, снижение прочности детали при наличии свободных, т. е. несвариваемых кромок. Отклонения от номинальных значений показателей качества возникают вследствие воздействия погрешностей, которые можно разделять на три основные группы: погрешности программы и программоносителя (программоноситель: ручная и полуавтоматическая резка – линия разметки, наносимая по линейке, шаблону, фотопроекционное изображение на детали; автоматическая резка – перфолента или дискетта), погрешности работы машины; отклонения, возникающие при выполнении технологического процесса (неграмотная подготовка технологического процесса).

Все параметры технологического процесса плазменной резки, т. е. точность, производительность и экономичность, связаны также со свойствами и толщиной разрезаемого металла. Оптимальные значения перечисленных параметров определяются режимами резки, которые определяются при проведении серии исследований по резке металла каждой марки и толщины или математическим моделированием.

В Российской Федерации принята система оценки точности резки качества поверхности, положенная в основу ГОСТ 14792-80. В ней указаны требования к предельным значениям нескольких основных показателей: допуску на размер (его соблюдение определяется шириной реза), перпендикулярности реза (клиновидности) j, радиусу оплавления верхней кромки R, шероховатости поверхности , количеству грата на нижней кромке разрезаемого металла и глубине ЗТВ (рис. 4.). Первые три показателя характеризуют точность резки, а остальные - чистоту поверхности и структурные изменения в металле соответственно.

Эта система пригодна и для оценки качества других термических способов резки.

Для каждого показателя в зависимости от назначения и условий использования резов установлены три нормируемых класса точности и качества: 1-й класс - соответствует высшим требованиям к показателям (допускаемые отклонения от нормативных минимальны); 2-й класс (качественная резка) - требованиям, реально достижимым в производственных условиях (выполнение только основных требований), и 3-й класс (экономичная резка) - минимальным требованиям к показателям (высокие требования к качеству реза не предъявляются).

ГОСТ применим для деталей из низкоуглеродистой, низколегированной, высоколегированной коррозионо-стойкой, жаропрочной и жаростойкой стали, а также деталей из алюминия и его сплавов. Требования по ГОСТу к отклонениям размеров деталей и показателей качества поверхности реза листов сталей приведены в табл. 1 и табл. 2. Нормы по ЗТВ соответствуют резке сталей аустенитного класса. Нормы для других сталей, алюминиевых сплавов удваиваются. Показатели точности оценивают после удаления с заготовок шлака и грата.

Таблица 1

Класс точности	отклонения от номинальных размеров, мм
	до 630	630-1250	1250-2000	2000-2500	2500-3150	3150-4000	4000-4500	4500-6300	6300-10000
1 2 3	±0,9 ±1,4 ±3,5	±1,0 ±1,5 ±4,0	±1,0 ±1,5 ±4,0	±1,1 ±1,8 ±4,0	±1,1 ±2,0 ±4,5	±1,1 ±2,0 ±4,5	±1,1 ±2,0 ±4,5	±1,4 ±2,5 ±4,5	±1,4 ±2,5 ±4,5

Таблица 2

показатель	класс качества	нормы показателя при толщине разрезаемого металла
		5-15	16-30	31-50
неперпендикулярность	1 2 3	0,2 1,0 2,3	0,3 1,2 3,0	0,4 1,6 4,0
шероховатость	1 2 3	0,04 0,08 0,16	0,08 0,16 0,32	0,16 0,32 0,64
глубина ЗТВ	1 2 3	0,05 0,2 0,4	0,1 0,4 0,8	0,2 0,8 1,6

Достигнуть первый и второй класс точности возможно только при автоматизированной резке, особенно при использовании станков с ЧПУ.

Неперпендикулярность реза объяснима, тем, что различные участки режущей дуги вводят в металл неодинаковое количество теплоты, а, следовательно, и на различной глубине реза расплавляется разное количество металла.

В верхней части реза, в которой металл расплавляется под воздействием тепла дуги рез имеет параллельные кромки. Тепло в нижнюю часть вводит только плазменный факел и перегретые потоки расплава, теплопередача снижается и кромки сходятся книзу. Вообще наиболее интенсивно тепло материалу передает анодное пятно. Как отмечалось его положение зависит от скорости резки. Поэтому в зависимости от его положения и рез может иметь разную ориентацию клина. При уменьшении скорости резки и увеличении расхода растет общая ширина реза, особенно в его нижней части, поверхности реза становятся параллельными и могут расширяться книзу. Добиться идеальной параллельности кромок практически невозможно.

В виду некоторого отклонения дуги от оси плазмотрона при движении (отставания) по криволинейному контуру происходит искажение контура вырезанной детали в нижней части листа. Поэтому, при вырезке контура, в котором прямолинейные участки сопрягаются под углом, в месте сопряжения скорость резки должна быть уменьшена до такой величины, при которой образуется рез с параллельными кромками. Это же относится к резке деталей с криволинейными контурами средней и большой кривизны. Обычно при криволинейной резке скорость уменьшают на 25-30%. При прямолинейной резке скорость также уменьшают при завершении реза, так как в противном случае возможно неполное прорезание по толщине металла. Вариации скорости на различных участках могут выполняться вручную, но наиболее логично задавать эти изменения пролграммно, используя станки с ЧПУ.

Неперпендикулярность по 3 классу точности измеряют угольником или универсальным угломером. При этом рассчитывают величину неперпендикулярности , где - толщина листа, - угол отклонения.

Шероховатость поверхности оценивают визуально путем сравнения с эталонами 4, 3, 2, 1 и 0,5 чистоты или оптически с помощью прибора теневого сечения ПТС-1.

Для измерения ЗТВ на нижней поверхности детали у кромки выполняют макрошлиф. После травления глубину измеряют микроскопом обеспечивающим минимум 10-кратное увеличение с ценой деления 0,1 мм.

Контрольные вопросы:

1. Перчислите эти показатели. Какие из них харктеризуют точность термической резки, а какие чистоту поверхности реза и физико-химические изменения в металле на кромках реза?

2. Назовите погрешности, приводящие к отклонениям от оптимальных значений показателей точности и качества плазменной резки.

3. С какой целью снижают скорость термической резки на криволинейных участках и местах сопряжения прямолинейных участков?

3.4. Технологические особенности разделительной плазменной резки

Процесс разделительной плазменной резки листа может начинаться с кромки или с середины листа.

Резка с середины листа, в свою очередь, может производиться начиная с кромки предварительно просверленного отверстия, диаметр которого должен быть не 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 стационарных машинах. При ручной резке стали, меди и сплавов на медной основе сверление отверстий обычно применяют при толщине более 40 мм, при резке алюминиевых сплавов - более 50 мм. При автоматизированной резке предварительное сверление производится при толщине разрезаемого металла более 28 мм для всех металлов.

Пробивка металла плазменной дугой является наиболее сложной операцией плазменной резки.

Капли расплавленного металла в момент пробивки выдуваются режущей струёй из кратера, образующегося в листе, и загрязняют наружную поверхность сопла и кожуха резака. В некоторых случаях они могут создать сплошной мостик между соплом и разрезаемым листом, что приведет к образованию двойной дуги. Для предотвращения этого резак в момент пробивки должен быть поднят над листом на 25-50 мм, т. е. значительно выше, чем при резке. С другой стороны, для обеспечения электрического контакта с разрезаемым листом факела вспомогательной дуги, обеспечивающего возбуждение режущей дуги, резак должен 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 положение после того, как металл будет пробит струёй плазмы насквозь. Момент прошивки насквозь устанавливается визуально по появлению снопа искр под заготовкой. При автоматической пробивке ее осуществление контролируется по времени, затрачиваемом на пробивку металла определенной толщины (2-5 с в зависимости от толщины металла).

Достаточно сложно подобрать оптимальное время прошивки и поэтому желательно "зарезаться" в стороне от контура вырезаемой детали на отходе. При резке стали для времени равном приблизительно 2 с расстояние от места прошивки до контура должно равняться:

Толщина разрезаемого металла, мм 15 16-20 21-30 31-50

Расстояние от места прошивки, мм 5-6 6-7 7-8 20-25.

Существует технология прошивки глубоких отверстий (40-50 мм), предполагающая смещение резака на малой скорости по контуру. Одновременно применяют дополнительные воздушные сопла. Вытекающие из них струи сдувают выбрасываемый из реза металл, предотвращая налипание расплава на резак (рис. 5).

Основной предпосылкой развития плазменной резки как технологического процесса явилась проблематичность разрезания кислородом некоторых металлов. Поэтому, в первую очередь, плазменная резка применяется для резки цветных металлов: меди и ее сплавов (ввиду высокой теплопроводности), алюминия и его сплавов (частично в связи с высокой теплопроводностью и, главное, с образованием тугоплавких окислов Аl₂О₃), и нержавеющих сталей (из-за образования тугоплавких окислов Сr₂О₃).

Рассмотрим отдельно технологические особенности каждой группы сплавов.

Медь. Медь и ее сплавы наиболее широко применяются на заводах химического машиностроения, электротехнической промышленности и в электрометаллургии и на транспорте. Как правило, из меди и ее сплавов изготовляются изделия относительно простой конфигурации: мощные токоподводы, теплообменники, изложницы для дуговых и шлаковых печей и т.д. Требования к качеству резки, как правило, невысокие, т. к. практически все детали дополнительно подвергаются механической обработке.

Медь и медные сплавы характеризуются высокой теплоемкостью и теплопроводностью. Поэтому при резке медных листов мощность дуги должна быть выше, чем при резке сталей. Соответственно, основной особенностью плазменной резки меди является необходимость работы на больших токах. Это значит, что при малых токах и малых скоростях резки коэффициент полезного использования тепловой мощности дуги для меди значительно ниже, чем для стали. По мере увеличения тока (и соответственно скорости) эффективность использования тепловой мощности при резке меди растет значительно быстрее, чем при резке стали.

В связи с необходимостью работы на больших токах при резке меди в основном применяются в качестве плазмообразующего газа: аргоно-водородные смеси (у водорода выше напряженность поля и выше тепловыделение в плазме), сжатый атмосферный воздух (тоже и для азота) и азотные смеси с высоким содержанием водорода. Качество поверхностей реза при резке в этих средах приблизительно одинаковое. Замечено, что при воздушно-плазменной резке меди на поверхности реза образуется легкоудаляемый хрупкий стекловидный грат. Кромки реза медных листов при необходимости зачищают на глубину ЗТВ - 0,8-1,5 мм. Для резки меди малых и средних толщин предпочтительнее воздушно-плазменнная рабочая среда.

Латунь. При резке латуни (сплав меди с цинком, часто с добавками алюминия, марганца, никеля) используют те же рабочие газы, что и при резке меди. Кромки резов получаются достаточно гладкие, как правило, не требуют дополнительной механической обработки.

Алюминий. Алюминий и его сплавы склонны к образованию тугоплавких окислов (для алюминия Т_пл=960 К, для оксида Т_пл=2340 К). Окислы при сварке по кромке реза могут перейти в сварной шов, нарушив однородность и снизив механические свойства металла. Поэтому, необходимо обеспечить защиту от окисления металла и выбрать условия, способствующие образованию оплавленной оксидной пленки минимальной толщины. Помимо окисления алюминий в расплавленном состоянии активно поглощает водород. Поэтому очень важно, чтобы литой участок на кромке реза алюминия был минимальных размеров (меньше вероятность газонасыщения).

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 поддерживать плазменную дугу при небольших напряжениях и малом токе. Недостатком аргона является относительно малая проплавляющая способность плазменной струи и, как следствие, наименьшая по сравнению со всеми другими газами скорость резки. Однако при ручной резке физиологические возможности резчика ограничивают скорость ведения процесса. В связи с этим при резке тонколистового алюминия малая проплавляющая способность аргоновой плазмы практически не оказывает влияния на производительность резки. В связи с этим аргон применяется, главным образом, при ручной резке листов алюминиевых сплавов сравнительно небольшой толщины (до 12-20 мм).

Добавка к аргону водорода резко повышает скорость резки. Однако водород, диссоциируя на атомы в приэлектродной области, отбирает у катода значительное количество теплоты, т. е. оказывает на дугу гасящее действие. Он может охладить катодное пятно настолько, что термоэлектронная 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, или азотом и водородом зависит от вида резки и толщины разрезаемого металла.

По мере увеличения толщины разрезаемого металла рекомендуется увеличивать содержание водорода в смеси, доводя ее при толщинах 80-100 мм до 60 %. При малом содержании водорода в аргоно-водородной смеси поверхность получается шероховатой, у нижней кромки скапливается стекающий металл. Высокое качество поверхности обеспечивается при использовании аргоновой смеси, содержащей 35-50% Н₂. При содержании в смеси более 60% Н₂ на поверхностях реза появляются штрихи. Алюминиевые сплавы толщиной 5-20 мм можно резать в азоте или воздухе, но при больших толщинах качество резки серьезно ухудшается. Алюминий толщиной 30-160 мм целесообразно резать в азотно-водородных смесях.

В оплавленном слое алюминиево-магниевых сплавов наблюдается равномерное по толщине реза выгорание магния. Внешний признак выгорания – интенсивное выделение белого дыма. Резы высокого качества могут быть получены при максимально возможной скорости резки и содержании в аргоновой смеси 50% водорода. Для резки алюминиево-марганцевых сплавов и сплавов типа дуралюмина используют смеси с меньшим содержанием водорода, а также азот, его смеси и воздух.

Титан. После плазменно-дуговой резки титана, рекомендуемой только в качестве заготовительной, необходима механическая обработка. Наибольшей производительности достигают при применении азотно-воздушной смеси и чистого азота. Кромки реза - ровные, чистые, без грата и натеков. В металле, прилегающем к кромкам, на глубине 0,1-0,2 мм наблюдается повышенное содержание газов по сравнению с содержанием в основном металле в 1,5 раза кислорода, в 7-10 раз азота, в 4-8 раз водорода. Оплавленный слой необходимо снимать на глубину 0,3-0,8 мм.

Высоколегированные стали. Если в случае меди и алюминия плазменная резка пришла на смену механическим способам резки (высверловка по контуру, фрезерование), то при переходе к коррозионно-стойким, жаростойким и плакированным сталям плазменной резке необходимо было конкурировать с кислородно-флюсовой, которая обеспечивала относительно высокие скорости, особенно при резке больших толщин.

Проблема еще более осложнялась тем, что при плазменной резке этих сталей, особенно при резке листов малой толщины, требовалась дополнительная механическая обработка из-за образования трудноудаляемых подплывов на нижних кромках разрезаемых листов. В области больших толщин свыше 120 мм кислородно-флюсовой резкой обеспечиваются более высокие скорости, так как при плазменной резке сталей работать на токах свыше 800 А было практически невозможным.

Итак, основная область применения плазменной резки высоколегированных сталей - это листы толщиной до 120 мм. Особенно заметны преимущества плазменной резки при резке листов толщиной приблизительно 30 мм.

Например, сталь 12Х18Н10Т и большинство других хромоникевых сталей хорошо поддаются резке плазменной дугой. При резке листов толщиной 30-120 мм можно получить практически вертикальные стенки без подплывов на нижних кромках на обычных режимах в аргоно-водородных или азотно-водородных смесях. В качестве рабочих газов могут также быть сжатый воздух, смесь азота с кислородом, воздуха с водой, кислорода с водой.

При резке в кислородсодержащих смесях проблема ликвидации подплывов на нижних кромках реза решается полностью. Так, безгратовая плазменная резка обеспечивается смесью кислорода, содержащего 20-25% N₂. Подобные резы хромоникелевых сталей можно после зачистки металлической щеткой сваривать без дополнительной механической обработки.

Если кромки реза будут работать в особо агрессивных средах или при повышенных температурах, интенсифицирующих коррозию, а также, если в этих условиях предполагается использование сварных соединений, выполненных по кромкам, подготовленным плазменно-дуговой резкой, предпочтительнее применение аргоно-водородных смесей.

Низколегированные стали. Вполне очевидно, что объем резки низкоуглеродистых сталей в десятки раз выше, чем объем резки цветных металлов и сплавов. В первый период внедрения плазменной резки, характеризовавшийся использованием аргоно-водородных смесей и работой на токах порядка 500 А, плазменная резка не была целесообразной при разделке низкоуглеродистых сталей. Объясняется это тем, что на токе 500 А скорость плазменной резки становится соизмеримой с кислородной при толщине листов ниже 40-50 мм.

Но, уже начиная с толщины 20 мм и ниже, плазменная резка в водородсодержащих смесях не обеспечивает такого высокого качества, как кислородная. Таким образом, только в диапазоне 20-40 мм плазменная резка низкоуглеродистых сталей могла конкурировать с кислородной благодаря более высокой скорости. Но выигрыш в скорости в столь узком диапазоне толщин не мог быть решающим фактором для внедрения плазменной резки при разделке низкоуглеродистых и низколегированных сталей взамен кислородной.

Однако в последние годы кислородная резка существенно потеснена плазменной благодаря созданию плазмотронов, надежно работающих на токах свыше 1000 А, что значительно повысило верхний предел толщин, при резке которых благодаря существенному увеличению скорости плазменная резка становится более рациональной.

Так, уже при токе 800 А скорость плазменной резки почти вдвое превышает скорость кислородной резки при толщине листов до 80 мм.

В качестве рабочих газов при плазменно-дуговой резке низкоуглеродистых сталей толщиной до 40-50 мм применяют сжатый воздух, кислород или кислородосодержащие смеси. Стали больших толщин можно также резать в азоте или в азотно-водородных смесях. При использовании водородсодержащих плазмообразующих смесей плазменно-дуговая резка низкоуглеродистых сталей практически не отличается от резки коррозионностойких сталей. Однако при этом скорость резки уменьшается примерно на 20% в виду более низкой теплопроводности нержавеющих сталей. При резке сталей толщиной менее 20 мм в азоте и азотно-водородных смесях качество поверхностей резов низкое.

В связи с тем, что одной из основных областей использования плазменной воздушной резки является обработка труб, в процессе которой (в случае неподвижной трубы) плазмотрон последовательно проходит все пространственные положения, были проведены исследования влияния пространственного положения плазмотрона по отношению к листу на режим резки. Исследования показали, что при переходе от горизонтального положения к вертикальному скорость резки снижается на 10-15%, а при переходе к потолочному (плазмотрон под листом) на 10-15%.

Неметаллы. Одной из областей использования плазменной резки является разделка неметаллических материалов. Естественно, что при плазменной резке неметаллических материалов обычная схема, которая используется при резке металлов, неприменима. Если при резке металлов анодом режущей дуги является разрезаемый лист, то при резке неэлектропроводных материалов анодом является сопло плазмотрона. При плазменной резке неметаллов возможно только использование дуги косвенного действия.

Плазменная резка неметаллических материалов может производиться на двух режимах:

1) как и при резке металлов, процесс может осуществляться за счет выплавления материала из полости реза;

2) резка осуществляется путем локального термомеханического воздействия высокоскоростного высокотемпературного газового потока. В этом случае процесс резки аналогичен процессу разрушения горных пород термобурами с той лишь разницей, что высокотемпературный поток заданной скорости формируется не за счет теплоты химической реакции, а за счет нагрева газа в плазмотроне.

Плазменная резка неметаллических материалов пока не нашла широкого промышленного применения. Одной из причин этого является недостаточное знание специалистами возможностей метода.

Установлено, что скорости резки неметаллов меньше, чем при резке металлов, несмотря на то, что теплопроводность разрезаемых пород во много раз ниже. Такие низкие скорости объясняются более низким коэффициентом полезного использования тепловой мощности дуги.

С помощью плазмы разделяют плиты различных пород: гранит, туф, базальт. Ширина реза для различных материалов колеблется в пределах 8-13 мм. На нижних кромках также как и для металлов могут образовываться подплывы, которые легко удаляются. Резание горных пород может выполняться как в производственных, так и в декоративных целях.

Контрольные вопросы:

1. Выполнение дугового прокола для начала плазменной резки с произвольной внутренней точки листа металла большой толщины является сложной операцией. Опишите ее этапы и обоснуйте целесообразность их выполнения.

2. Как определяется момент сквозной прошивки листа и начала резки для ручного и автоматического режима?

3. Назовите основные технологические особенности процесса плазменной резки сталей и цветных металлов.

3.5. Поверхностная плазменная резка (строжка)

До этого речь шла о разделительной плазменной резке, предполагающей сквозное прорезание материала. Помимо нее используют также поверхностную плазменную резку или строжку, предполагающую выплавление материала на некоторую глубину с целью получения пазов, выравнивание неровностей на поверхности деталей.

В ходе строжки источник устанавливают под острым углом к поверхности детали (a_п - угол подъема оси плазмотрона; a_а - угол атаки (направление резки - справа налево)) (рис. 6). Металл расплавляется и удаляется направленной струей газа. В итоге, на поверхности обрабатываемой детали образуется канавка.

В отличие от разделительной плазменной резки данный процесс выполняют соплом с большим диаметром канала, т. е. с меньшим и обжатием и концентрацией дуги. Охлаждение плазмотрона, как правило, воздушное. Охлаждающий воздух используют одновременно для удаления расплавленного металла и шлака, образующихся при резке. Поток воздуха направляют концентрично плазменной дуге.

С помощью строжки с поверхности детали могут быть сняты выступы, усиления сварных швов или какие-либо другие неровности, разделаны кромки деталей под сварку и получены пазы различного назначения на поверхности деталей. Выборку дефектов под сварку удается выполнять в угловых соединениях и труднодоступных для механических способов обработки местах. Применение поверхностной строжки позволяет значительно облегчить условия труда рабочих. Этот процесс заменяет пневморубку и наждачную обработку ручными пневмомашинками на предприятиях по производству сварных конструкций, на участках литейных цехов.

Однако наряду с положительными 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 интенсивная вентиляция помещения. Плазмотрон имеет относительно большие габаритные размеры, что ограничивает доступ в зауженнные места для обработки.

Контрольные вопросы:

1. Проанализируйте преимущества и недостатки процесса строжки. На основе анализа изложите свое видение перспектив широкого внедрения этого процесса в современное производство.

Литература

_________________________________________________________________

Обязательная литература

1. Быховский Д.Г. Плазменная резка.- Л.: Машиностроение, 1972.- 167с.

2. Васильев К.В. Плазменно-дуговая резка.- М.: Машиностроение, 1974.- 111с.

3. Ширшов И.Г., Котиков В.Н. Плазменная резка.- Л.: Машиностроение, 1987.- 192с.

4. Плазменная технология: Опыт разработки и внедрения/ Д.Г. Быховский, А.Я. Медведев, В.Н. Богданов и др.; Сост. А.Н. Герасимов.- Л.: Лениздат, 1980.- 152с.

Дополнительная и специальная литература

1. Васильев К.В., Кохликян Л.О. О литом участке зоны термического влияния и гидромеханике плазменно-дуговой резки// Автоматическая сварка. 1973. №9. с.32-36.

2. Морозов А.Н. Водород и азот в стали. – М.: Металлургия, 1978.- 282с.

3. Соколов И.И. Газовая сварка и резка металлов.- М.: Высшая школа, 1981.- 320с.

4. Технологический процесс резки углеродистых и низколегированных сталей, обеспечивающий минимальное газонасыщение кромок и исключающий пор в сварных швах/ В.С. Головченко, В.Н. Котиков, Н.Д. Желтобрюх, Н.Д. Иванов// Плазменные методы обработки металлов. Л.: ЛДНТП. 1977. с.109-113.