Тонкоструйная плазменная резка биметаллических композиций (стр. 19 )

Рисунок 4.30 – Изменение характера стоков расплава стали на участке меди на скоростях: а – V = 2,0 м/мин; б - V = 1,5 м/мин

Повышение скорости реза также приводит к увеличению угла наклона стоков, что объясняется изменением направления гидродинамических потоков в канале реза.

Анализ микрогеометрии поверхности реза на участках биметалла показал, что шероховатость на участке стали – Ra = 1,5-2,5 мкм, меди - Ra = 3-6 мкм, что является характерным для плазменного раскроя отдельных составляющих данной композиции. Также следует отметить отсутствие грата на нижней кромке реза, чему способствуют низкие значения кинематической вязкости обрабатываемых металлов.

Изменение верхней стороны раскроя биметаллической композиции со стальной на медную приводит к существенному изменению, как геометрии реза, так и состояния его поверхности. Следует отметить, что попытка раскроя на максимальной (2,0 м/мин) скорости сопровождалась непрорезом пакета на всю толщину. Подобная картина наблюдалась при раскрое композиции «сталь Ст3 + алюминий А5М» со стороны алюминия при максимальной скорости (V = 1,7 м/мин). В обоих случаях раскрой начинался со стороны составляющей биметалла с максимальной теплопроводностью, что и определило интенсивный характер оттока тепла от плазменной дуги на верхнем участке композиции, что вызвало перераспределение мощности дуги по толщине реза. В таком случае произошло снижение верхней границы скорости раскроя, гарантирующей сквозной прорез материала.

Изучение геометрии реза (рисунок 4.31) показало, что на верхнем (медном) участке наблюдается формирование узкого канала реза со значительным отклонением его от перпендикулярности. Это полностью соответствует характеру раскроя модельного материала – меди (раздел 3.2.2), при котором наблюдается значительная разница ширины реза по верхним и нижним кромкам (рисунки 3.19, 3.20), обуславливающая отклонение реза от перпендикулярности от 4,55 ° до 5,7 ° в исследованном диапазоне скоростей [88].

Рисунок 4.31 – Геометрия реза композиции «сталь Ст3 + медь М1» при раскрое по технологической схеме Hi – Focusplus (I = 50 А);  рез со стороны меди М1: а – V = 1,75 м/мин; б - V = 1,5 м/мин

На нижнем (стальном) участке реза биметалла наблюдается расширение канала реза на ~ 0,25 мм на сторону, при этом отклонение реза от перпендикулярности практически отсутствует. Действительно, при одних и тех же технологических параметрах раскроя для углеродистых сталей характерно формирование канала реза большей ширины по сравнению с медью. При этом показатели точности для стали существенно выше. Последнее можно объяснить таким сочетанием технологических параметров процесса (в первую очередь, плотность мощности дуги) и теплофизических свойств углеродистых сталей (теплопроводность, температура плавления) при котором достигается более менее равномерная теплонапряженность процесса нагрева по всей длине канала реза.

Изучение состояния поверхности реза позволяет определить особенности формирования канала реза при раскрое композиции со стороны меди (рисунок 4.32). Если на верхнем участке (меди) четко просматриваются следы взаимодействия плазменной дуги с обрабатываемым металлом [88], то на участке стали топография поверхности иная. Последняя представляет собой чередование следов в виде волн с гораздо большим шагом, чем на верхнем участке. Вероятно, формирование подобного  рельефа связано с тем, что на

Рисунок 4.32 – Особенности формирования рельефа поверхности реза композиции «сталь Ст3 + медь М1» при раскрое со стороны меди на скоростях:  а – V = 1,75 м/мин; б - V = 1,5 м/мин

нижнем участке непосредственного взаимодействия плазменной дуги с обрабатываемым материалом не происходит, а процесс теплопередачи осуществляется через потоки расплава меди, стекающие с верхнего участка. В таком случае тепловой источник на участке стали представляет собой жидкую ванну медного расплава. Этим можно объяснить подобный рельеф в нижней части биметалла. Варьирование скоростью реза в целом не меняет картины формирования рельефа.

Образование волнообразного рельефа на поверхности реза приводит к ухудшению микрогеометрического его состояния и наличию определенной доли грата на нижних кромках реза.

Выводы
При выборе для раскроя листовых материалов из возможных технологических схем следует назначать обработку на токовых режимах, обеспечивающих минимальную ширину реза. Использование высокопроизводительной схемы Hi-FocusF на максимальном токовом режиме (I = 130 А) при обработке незначительных толщин (до 10 мм) реза не обеспечивает достаточного качества реза и требует введения дополнительной операции механической обработки. Экспериментально установлено, что из возможных технологических схем раскроя композиции «сталь Ст3 + сталь 12Х18Н10Т» наиболее привлекательной является схема Hi – Focusplus с токовым режимом I = 50 А для углеродистых сталей при обработке пакета со стороны стали Ст3. Это обеспечивает достижение максимальной точности реза, как на отдельных участках биметалла, так и для пакета в целом, высокое качество поверхности реза (Ra = 1,5-2,0 мкм), полное отсутствие грата на нижних кромках реза при высокой скорости раскроя (V = 1,5 м/мин).

Изменение лобовой стороны раскроя композиции (со стороны стали 12Х18Н10Т) приводит к ухудшению морфологии поверхности реза, что выражается в наличии следов осаждения части расплава нержавеющей составляющей на нижнем участке низкоуглеродистой стали.

Использование технологической схемы Hi – Focus с режимами раскроя легированных сталей приводит к снижению скорости обработки до 1,2 – 1,3 м/мин.

Наилучшие показатели точности и качества раскроя биметаллической композиции «сталь Ст3 + алюминий А5М» достигнуты при обработке пакета со стороны стали Ст3 по технологии Hi – Focusplus с режимами для углеродистых сталей (I = 50 А, V = 1,5 м/мин). Высокая точность реза (отклонение от перпендикулярности ~ 1,5 °) и низкая шероховатость (Ra ~ 2,5 мкм) наблюдаются на верхнем участке биметалла. На нижнем (алюминиевом) участке имеет место расширение канала реза до 0,1 – 0,2 мм на сторону, что является следствием существенной разницы в температурах плавления составляющих композиции. Осаждение расплава на нижнем участке вызвано ослаблением газодинамических потоков в зоне расширения канала реза.

Изменение схемы обработки на рез со стороны алюминия привело к ухудшению показателей точности и качества реза биметаллической композиции.

Попытка применения технологической схемы Hi – Focus с режимами для раскроя алюминиевых сплавов не изменила характера формирования канала реза в композиции, а привела к снижению скорости обработки, вплоть до появления непрореза пакета при раскрое со стороны алюминия.

Использование высокопроизводительной схемы Hi – Focusplus на режимах раскроя углеродистых сталей (I = 50 А, V = 1,75 м/мин) обеспечивает приемлемое качество реза композиции «сталь Ст3 + медь М1». Так, при раскрое пакета со стороны стали Ст3 минимальное отклонение реза от перпендикулярности (α = 3,3 °) в исследованном диапазоне скоростей наблюдается при V = 1,5 м/мин. При этом в канале реза на участке меди формируется наплыв размером 0,15 – 0,17 мм на сторону, появление которого можно объяснить тем, что часть расплава стали Ст3 с верхнего участка осаждается на нижнем. Исследование микрогеометрии поверхности реза показало на низкое значение шероховатости. Так на участке стали - Ra = 1,5-2,5 мкм, меди - Ra = 3,0 - 6,0 мкм, что является характерным для раскроя этих материалов, как модельных, с использованием тонкоструйной плазмы. Экспериментально установлено полное отсутствие грата на нижних кромках реза даже при высоких (до 2,0 м/мин) скоростях обработки.

Изменение схемы обработки на раскрой пакета со стороны меди привело к непрорезу биметалла при максимальном (2,0 м/мин) значение скорости, что можно объяснить интенсивным оттоком тела от плазменной дуги на верхнем участке с высокой теплопроводностью, и, как следствие, недостатком мощности для расплавления пакета в нижней его части, материал которого в композиции обладает максимальной температурой плавления.

ГЛАВА 5. СТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЙ

В разделе 1.1 представлен анализ возможных технологий создания биметаллических соединений. Показана перспектива использования сварки взрывом как технологического метода соединения разнородных металлических материалов, к которым не применимы традиционные методы -  сварка плавлением и диффузионная сварка. Представлена расчетная схема исследуемого метода и рассмотрен механизм формирования высокопрочного соединения, в основе которого лежит схема волнообразования, получившая название Бахрани-Кроссланда (рисунок 1.4).

Металлографические исследования, представленные в настоящем разделе работы, направлены на экспериментальное подтверждение механизма образования сварного соединения применительно к рассматриваемым в работе биметаллическим композициям с целью выявления особенностей структурного состояния материалов, подвергаемых тонкоструйной плазменной резке. Для более полного представления о механизмах формирования точности и качества реза необходимо изучение влияния процессов тонкоструйной плазменной резки на структурное состояние биметаллического соединения.

Особенности структурного состояния сварного шва биметаллических композиций

Справедливость теоретической модели Бахрани-Кроссланда, объясняющей возникновение волнообразования при соединении металлических материалов при помощи взрыва, подтверждена рядом исследований [3, 4, 95-97].

Действительно, во всех исследуемых в настоящей работе биметаллических композициях присутствует волнообразный характер сварного соединения (рисунок 5.1). Режимы сварки взрывом, выраженные кинематическими параметрами соударения метаемых пластин, ограниченные развитием соответствующих процессов (согласно диаграмме Уитмана), соответствовали области реализации сварки взрывом исследуемых биметаллических соединений.