Тонкоструйная плазменная резка биметаллических композиций (стр. 7 )

Для понимания физики процесса плазменно-дуговой резки целесообразно рассмотреть схематичное изображение взаимодействия плазменно-дугового разряда с обрабатываемым материалом (рисунок 1.7) [39]. Из схемы, видно, что формирование реза в обрабатываемом металле осуществляется тремя различными участками плазменной дуги: столбом (l1), анодным пятном (l2) и факелом (l3). Эффективность нагрева на отмеченных участках различна, что и определяет форму фронта продвижения реза при обработке.

Рисунок 1.7 – Схема плазменно-дуговой резки: 1 – плазмотрон; 2 - обрабатываемый металл; 3 – столб дугового разряда; 4 – анодное пятно; 5 – факел дуги; l1 – протяженность столба дуги; l2 – протяженность анодного пятна;  l3 – протяженность факела; V – направление резки

Ширина и форма реза определяются как режимами процесса, так и параметрами элементов плазмотрона, формирующих геометрию столба дуги. Если управление режимами  осуществляется напряжением, током, скоростью резки, составом и параметрами плазмообразующих газов, то геометрия столба в значительной мере зависит от размеров и геометрии режущего сопла. При оптимальных режимах резки и относительно небольшой толщине металла рез формируется с относительно параллельными кромками.

Однако, физика процесса, характеризуемая наличием трех участков теплового источника с разной эффективной мощностью, обуславливает формирование при плазменно-дуговой резке большей конусности по сравнению с кислородной резкой.

Главным технологическим параметром плазменно-дуговой резки является скорость, связанная с энергетическими параметрами плазменной дуги, выбор которых, в свою очередь, определяется как теплофизическими свойствами разрезаемого материала, так и его толщиной. Зависимость скорости резки от отмеченных характеристик определяется выражением [39]:

где:

V – скорость плазменно-дуговой резки, м/час;

I – сила тока дуги, А;

U – напряжение на дуге, В;

η - эффективный КПД дуги;

q – интенсивность теплоотдачи в металл, Вт;

ρ - плотность металла, кг/м3;

t - ширина реза, мм;

б – толщина разрезаемого металла, мм;

Δs – приращение удельной энтальпии металла, Дж/кг.

Анализ зависимости (1.2) показал, что при прочих равных условиях скорость реза определяется мощностью дуги за счет изменения как напряжения, так и тока. При этом следует учитывать, что напряжение дуги определяет глубину ее проникновения в металл, из чего следует, что при увеличении толщины разрезаемого металла, следует повышать напряжение дуги. Рост тока дуги при постоянном напряжении ведет к увеличению ширины реза.

Влияние теплофизических свойств материала сказывается на скорости реза следующим образом. Более легкие металлы с меньшими значениями теплоемкости и теплопроводности допускают применение больших скоростей обработки.

В тоже время, необходимым условием по уравнению (1.2) для осуществления процесса резки как таковой является соблюдение неравенства, определяющего превышение мощности режущей дуги над количеством теплоты, необходимым для плавления, передаваемого в металл, в следующем виде:

0,24IUη > q  (1.3).

Данное соотношение является необходимым условием для полного прорезания металла заданной толщины. При этом, кроме энергетических явлений при плазменно-дуговой резке необходимо учитывать и правильное развитие гидродинамических процессов в зоне резки, определяющих условие удаления расплавленного металла и в значительной мере влияющих на качество реза.

Практика плазменно-дуговой резки показывает, что характерным условием правильного назначения скорости является направление потока шлака, так называемого «хвоста», вытекающего из реза. При оптимальной, с точки зрения качества реза, скорости, направление потока отличается от нормального по отношению к поверхности листа и направлено под небольшим углом (5-10°) в сторону, обратную направлению резки. Уменьшение скорости от оптимальной, приводит к расширению реза и повышенному скоплению легко удаляемого шлака на нижней кромке реза. Повышение же скорости от оптимальной приводит к появлению сначала на нижней кромке трудно отделяемых капель расплавленного металла, а затем  к образованию непрореза с формированием перемычек в нижней части металла с выбросом расплавленного металла вверх.

Как и для всех методов термической резки, качество плазменно-дуговой в соответствии с ГОСТ 14792-80, регламентируется следующими показателями: размерным допуском, неперпендикулярностью поверхности реза, ее шероховатостью и глубиной зоны термического влияния. Допустимые отклонения размеров деталей от номинальных значений для различных классов точности были представлены в таблице 1.4, а предельные нормативные отклонения поверхности реза от перпендикулярности и допустимые значения шероховатости и глубины зоны термического влияния для различных классов качества приведены в таблицах 1.8, 1.9.

Таблица 1.8 – Допустимые нормативные отклонения (мм) поверхности реза от перпендикулярности по ГОСТ 14792 -80

Класс качества	Толщина металла, мм
5-12	13-30	31-60
1 2 3	0,4 1,0 2,3	0,5 1,2 3,0	0,7 1,6 4,0

Таблица 1.9 – Допустимые значения шероховатости поверхности реза и глубины зоны термического влияния по ГОСТ 14792-80

Класс качества	Нормы шероховатости, мм, при толщине металла, мм	Нормы глубины ЗТВ, мм, при толщине металла, мм
5-12	13-30	31-60	5-12	13-30	31-60
1 2 3	0,05 0,1 0,2	0,06 0,2 0,32	0,07 0,32 0,63	0,1 0,4 0,8	0,2 0,8 1,6	0,4 1,6 3,2

Сравнение достижимых показателей по точности и качеству кислородной и плазменно-дуговой резки показывает на их идентичность, за исключением показателя перпендикулярности поверхности реза. По этому показателю плазменно-дуговая резка (таблица 1.8) уступает кислородной резке (таблица 1.5), что объясняется разной физикой процесса формирования реза в обоих случаях.

Важным для плазменно-дугового способа резки является плазмообразующая среда, в качестве которой используются технические газы, которые по своему воздействию на катод подразделяются на неактивные (азот, аргон, водород) и активные (воздух и кислород). К плазмообразующим газам предъявляются следующие требования:

- обеспечение стабильного горения дуги;

- эффективное преобразование электрической энергии в тепловую;

- равномерная передача энергии по толщине реза;

- отсутствие негативного воздействия, как на электрод, так и на обрабатываемый материал.

Использование инертных газов в качестве плазмообразующих обеспечивает хорошую ионизацию в столбе дугового разряда, хорошо защищает вольфрамовый электрод плазмотрона, не оказывает неблагоприятного воздействия на поверхность реза. Однако высокая стоимость инертных газов и невозможность их деионизации в столбе дугового разряда сдерживает их широкое применение в данной технологии. Поэтому для повышения производительности плазменно-дуговой резки и увеличения диапазона обрабатываемых материалов по толщине в качестве добавок к аргону используют двух-трех атомные газы, являющиеся активными теплоносителями. Аргоно-водородные смеси широко используют при резке таких металлов как магниевые и алюминиевые сплавы.

Плазменно-дуговая резка с применением сжатого воздуха как плазмообразующего газа рекомендуется для конструкционных и высоколегированных сталей. Для повышения производительности в данном случае рекомендуется использовать сжатый воздух с повышенным содержанием кислорода, либо чистый кислород. Однако при этом необходимо обеспечить защиту электрода инертным газом.

Алюминиевые сплавы также рекомендуют разрезать с использованием азото-водородных смесей. При пониженных требованиях к качеству реза алюминиевые сплавы толщиной 5…20 мм допускается резать в среде воздуха или азота. Особо точные и качественные резы получаются на аргоно-водородных смесях. Рекомендуемые технологические режимы плазменно-дуговой резки алюминиевых сплавов представлены в таблице 1.10 [39].

Таблица 1.10 – Технологические режимы плазменно-дуговой резки алюминиевых сплавов

Толщина разрезаемого металла, мм	Диаметр сопла, мм	Рабочий ток, А	Напряжение на дуге, В	Расход плазмообразующего газа, м3/ч	Скорость резки, м/мин
аргон	азот	водород	воздух
10 30 80 200	5 5 5 7	450 450 450 700	85 90 110 165	- - - 0,4	5,0 1,5 1,5 -	- 1,0 1,0 4,0	- - - 1,0	6,0 1,0 0,5 0,18

Для резки конструкционных сталей в качестве плазмообразующих газов используется воздух или смеси с повышенным содержанием кислорода (до 50%). Режимы воздушно-плазменной резки конструкционных сталей представлены в таблице 1.11 [39].

Для резки высоколегированных сталей применяются те же технологические режимы, как и для низкоуглеродистых сталей, а в качестве плазмообразующих газов помимо воздуха используют смеси азота и кислорода.

Технологический режим по скорости реза для медных сплавов занижен по сравнению со сталями, что связано с более высокими значениями теплоемкости и теплопроводности. В качестве плазмообразующих газов в этом случае используется азот либо его смеси с водородом.