Тонкоструйная плазменная резка биметаллических композиций (стр. 18 )

Рисунок 4.21 – Внешний вид поверхности реза композиции «сталь Ст3 + алюминий А5М» при раскрое по технологической схеме Hi – Focusplus  (I = 50 А, V = 1,5 м/мин); рез со стороны стали Ст3

В условиях данной обработки наблюдается небольшое количество грата на нижней кромке реза не зависимо от изменения скорости реза в исследованном диапазоне. Иной характер формирования поверхности реза композиции наблюдается при раскрое со стороны алюминиевой составляющей. Внешний вид поверхности реза показан на рисунке 4.22.

Рисунок 4.22 – Внешний вид поверхности реза композиции «сталь Ст3 + алюминий А5М» при раскрое по технологической схеме Hi – Focusplus  (I = 50 А, V = 1,7 м/мин); рез со стороны алюминия А5М

Соответствующая данному режиму раскроя геометрия реза представлена на рисунке 4.23.

Рисунок 4.23 – Геометрия реза композиции «сталь Ст3 + алюминий А5М» при раскрое по технологической схеме Hi – Focusplus  (I = 50 А, V = 1,7 м/мин); рез со стороны алюминия А5М 

Анализ морфологии поверхности реза биметалла (рисунок 4.22) на верхнем участке (алюминий) показывает на характерный для плазменного раскроя металла рельеф в виде следов воздействия плазменной дуги. На нижнем участке (сталь) подобного рельефа не наблюдается. Следует ожидать, что воздействие плазменной дуги на участке стальной составляющей будет происходить через слой неудаленного алюминиевого расплава, что и обуславливает формирование подобного рельефа поверхности в нижней части биметалла.

Наличие расплава алюминия на участке стали иллюстрирует рисунок 4.23. Исследуемая схема раскроя характеризуется отсутствием грата на нижней кромке реза. Однако снижение скорости обработки в исследованном диапазоне приводит к образованию значительных дефектов в виде вырывов в нижней части реза (рисунок 4.24).

Рисунок 4.24 – Образование дефектов на поверхности реза композиции «сталь Ст3 + алюминий А5М» при раскрое по технологической схеме Hi – Focusplus (I = 50 А, V = 1,3 м/мин); рез со стороны алюминия А5М

Это может быть объяснено тем, что неполное удаление вязкого расплава алюминия вызывает нестабильность плазменного столба в канале реза за счет двойного дугообразования через элементы расплава алюминия на участке стальной составляющей.

Если раскрой композиции со стороны стали обеспечивает высокую точность реза, то при раскрое со стороны алюминия отклонение реза от перпендикулярности минимально только на участке стали Ст3. На участке алюминия А5М отклонение реза от перпендикулярности доходит до 12 ° при обработке на максимальной скорости, что согласуется с результатами исследований по раскрою алюминия, представленных в разделе 3.2.2. настоящей работы. Низкая точность реза объясняется высоким коэффициентом теплопроводности данного материала. Относительное  повышение  точности  реза (до 7 °) на участке алюминиевой составляющей достигается на минимальной скорости обработки (рисунок 4.25). Однако при этом, как было отмечено выше, наблюдается образование вырывов на участке стали Ст3.

Рисунок 4.25 – Геометрия реза композиции «сталь Ст3 + алюминий А5М» при раскрое по технологической схеме Hi – Focusplus  (I = 50 А, V = 1,3 м/мин); рез со стороны алюминия А5М

Обработка на режимах раскроя алюминиевых сплавов

Переход к исследованию технологической схемы Hi – Focus на режимах обработки алюминиевых сплавов при неизменности токового режима и сопоставимости скоростей раскроя предполагает снижение газодинамических потоков в канале реза вследствие уменьшения давления плазмообразующего газа в 2 раза по сравнению с предыдущей схемой.

Идентичность технологических схем Hi – Focus и Hi – Focusplus с энергетических позиций позволяют предполагать схожесть в характере формирования канала реза. Действительно, в канале реза на участке алюминия (при раскрое со стороны стали Ст3) имеет место поднутрение, заполненное расплавом стали (рисунок 4.26).

Рисунок 4.26 – Геометрия реза композиции «сталь Ст3 + алюминий А5М» при раскрое по технологической схеме Hi – Focus (I = 50 А, V = 1,1 м/мин); рез со стороны стали Ст3

Использование в технологической схеме Hi – Focus для раскроя алюминиевых сплавов пониженных давлений плазмообразующего газа предопределяет снижение интенсивности газодинамических потоков и, как следствие, увеличение грата на нижней кромке реза по сравнению со схемой Hi – Focusplus на режимах раскроя углеродистых сталей. Раскрой биметалла со стороны стали Ст3, как и в предыдущей схеме, обеспечивает на верхнем участке композиции хорошую точность реза (отклонение от перпендикулярности не превышает 1,5 – 2,0 °). Геометрия и шероховатость на участке алюминиевой составляющей определяется морфологией осажденного расплава стали после его застывания.

Изменение схемы обработки на раскрой со стороны алюминия по технологической схеме Hi – Focus на режимах обработки алюминиевых сплавов привело к непрорезу на всю толщину биметалла на скорости 1,5 м/мин. Это объясняется тем, что в данной схеме исследования участок стали Ст3 находится в зоне действия факела плазменной дуги (рисунок 1.7), обладающего наименьшей энергоэффективностью.

В целом, характер формирования реза, его точность и микрогеометрия оказался подобным результатам раскроя исследуемой композиции по технологической схеме Hi – Focusplus.

Низкоуглеродистая сталь Ст3 + медь М1

Еще одним представителем сварного соединения разнородных металлов, исследуемых в диссертационной работе, является биметаллическая композиция «углеродистая сталь Ст3 + медь М1». Как и в случае соединения углеродистой стали с алюминием, в данной биметаллической композиции материалы обладают резко различающимися теплофизическими свойствами. Так у стали Ст3 температура плавления Тпл = 1539 ° С,  а  теплопроводность  λ = 37 ккал/м⋅час⋅град при 500 ° С (таблица 2.3), а у меди Тпл = 1083 ° С, λ = 309 ккал/м⋅час⋅град при 500 ° С (таблица 2.12). Существенная разница в теплофизических свойствах материалов в композиции предполагает их различное поведение при термической резке биметалла.

Следуя принятым в работе рекомендациям по выбору технологической схемы тонкоструйной плазменной резки материалов, установленными при исследовании предыдущих композиций, и принимая во внимание результаты обработки модельных материалов (разделы 3.1.1, 3.1.3), возможными технологическими вариантами для раскроя пакета толщиной 5 мм могут быть признаны схемы Hi – Focus и Hi – Focusplus со следующими режимными параметрами:

● Hi – Focus – I = 45 A, V = 0,9 м/мин (рисунок 3.1);

● Hi – Focusplus – I = 50 A, V = 1,75 м/мин (рисунок 3.2).

Учитывая факт, что в исследуемой биметаллической композиции при общей толщине пакета 5 мм участок углеродистой стали Ст3 составляет 3 мм, и принимая во внимание результаты исследований по раскрою модельного материала – меди М1 (раздел 3.2.2), представляется перспективным изучение возможности использования высокопроизводительной схемы Hi – Focusplus для раскроя рассматриваемого сварного соединения.

Как и предполагалось, экспериментальные исследования подтвердили, что существенная разница в теплофизических свойствах составляющих биметалла определила специфику в формообразовании канала реза. Так на рисунке 4.27 представлена геометрия поперечного сечения реза биметаллической композиции при раскрое со стороны стали Ст3 по технологической схеме Hi – Focusplus на режимах, предназначенных для обработки углеродистых сталей.

Рисунок 4.27 – Геометрия реза композиции «сталь Ст3 + медь М1» при раскрое по технологической схеме Hi – Focusplus (I = 50 А, V = 1,75 м/мин); рез со стороны стали Ст3

В целом геометрия реза исследуемой композиции на участке стали Ст3 подчиняется общим закономерностям формирования канала реза при раскрое углеродистых сталей при использовании технологий тонкоструйной плазменной резки. Это относится к показателям точности, шероховатости реза и гратообразованию. На рисунке 4.28 показана зависимость отклонения реза от перпендикулярности от скорости обработки.

Рисунок 4.28 – Влияние скорости реза композиции «сталь Ст3 + медь М1» на точность реза при раскрое со стороны стали Ст3 по технологической схеме Hi – Focusplus с I = 50 А для углеродистых сталей

Полученные результаты в целом согласуются с данными по точности реза модельного материала – стали Ст3 (рисунок 3.7). Следует отметить образование наплыва размером 0,15 - 0,17 мм на медном участке композиции (рисунок 4.27). Причину образования подобного дефекта на поверхности реза можно объяснить тем, что определенная часть расплава материала верхнего участка (стали Ст3), попадая на поверхность реза меди, вследствие высокой теплопроводности последней, резко остывает до температур ниже Тпл, осаждаясь в виде наплава. Внешний вид поверхности реза композиции представлен на рисунке 4.29.

Рисунок 4.29 – Внешний вид поверхности реза композиции «сталь Ст3 + медь М1» со следами расплава стали на участке меди при раскрое

со стороны стали Ст3

Варьирование скоростью раскроя в исследованном диапазоне (1,5 – 2,0 м/мин) не приводит к заметному изменению геометрии и размеров наплыва расплава стали на участке меди. Изменяется лишь характер стоков от более грубых следов на максимальных скоростях до мелких – на минимальных (рисунок 4.30).