Резка металла плазменной дугой. Часть 1

Для резки металла применяется плазменная (сжатая) дуга прямого действия, а не струя плазмы. В качестве плазмообразующего газа используется воздух, азот, кислород.

Плазмообразующие газы бывают одноатомные (аргон) и двухатомные (азот и др.) Азота в воздухе =79 %.

От применяемого плазмообразующего газа зависит количество тепла на аноде (изделии). Количество тепла на аноде больше, когда применяется двухатомный газ.

Двухатомные газы передают изделию больше теплоты из столба дуги в результате образования молекул газа с выделением дополнительной теплоты.

Устройство плазмотрона, возбуждение дуги аналогично описанному для плазменной сварки.

Плазменно-дуговая резка применяется для резки углеродистых и легированных сталей и незаменима при резке металлов, не поддающихся кислородной резке: хромоникелевые стали, алюминий, медь, титан.

Современные установки плазменной резки позволяют резать углеродистые стали толщиной до 100 мм.

При резке толщин до 60 мм плазменная резка экономичнее кислородной. При плазменной резке толщин 5-12 мм скорость резки выше в 3-5 раз по сравнению с кислородной резкой, а на толщине около 20 мм скорость плазменной резки примерно сравнивается со скоростью кислородной резки.

Если кислородная резка - это химический процесс сгорания металла в струе чистого кислорода, который невозможно ускорить и невозможно выполнять быстрее 1 м в минуту, то плазменная резка - это физический процесс расплавления (проплавления) металла на узком участке по линии реза с удалением металла струей плазмы и газа, образующихся в дуге.

В плазмотронах в основном используют вихревую подачу плазмообразующего газа, которая обеспечивает перемешивание газа в столбе дуги и равномерность газовой оболочки вокруг столба. При вихревой подаче на конце электрода имеются сменные медные электродные вставки различной конструкции с гафниевым или циркониевым электродом диаметром 2 мм, длиной 4+6 мм, впрессованным в электродную вставку. Полость в электродной вставке предназначена для улучшения водяного принудительного охлаждения (с циркуляцией воды).

Для осевой подачи плазмообразующего газа применяется вольфрамовый стержень диаметром 2-6 мм и длиной 100-150 мм с заостренным концом под угол 20-30º, но для резки этот вариант применяется редко, только на малых режимах резки и при работе на инертных газах. Если для резки используется окислительный газ (воздух), то электрод в зоне катода необходимо защищать неактивным газом - аргоном.

Резка металла плазменной дугой. Часть 2

Гафний и цирконий при высоких температурах образуют оксидно-нитридную электропроводную пленку при использовании воздуха как плазмообразующего газа. Она устойчива в окислительной среде (воздуха) и может продолжительное время в ней работать, уменьшая этим интенсивность износа катодной вставки. Износ вставки зависит и от рабочего тока на дуге: чем больше ток, тем быстрее износ.

Машинные плазмотроны с гафниевой или циркониевой вставкой при нормальном водяном охлаждении допускают рабочий ток до 600 А, при этом катодная вставка выдерживает 150-180 включений или 5+6 ч работы. Чаще применяются рабочие режимы тока дуги 200+350 А. Например, сталь толщиной 20 мм режут при рабочем токе дуги 230-240 А.

На теплоэлектрические показатели плазменной дуги сильно влияет конструкция сопла, точнее диаметр, форма отверстия и длина отверстия для плазменной дуги.

Чем меньше диаметр отверстия и больше его длина, тем больше концентрация энергии дуги, выше напряжение и больше скорость потока плазмы, тем выше режущая способность дуги. Но соотношение диаметра отверстия и его длины имеет технические ограничения, связанные с расходом газа и рабочим током дуги. Если отверстие сопла будет слишком малым и длинным, то может образоваться так называемая двойная дуга, когда рабочий ток, перейдя на очень близко расположенную стенку сопла, начнет образовывать еще одну дугу между наружной поверхностью сопла и изделия. Это быстро приводит к выходу из строя плазмотрона.

Обычно диаметр отверстия сопла равен 1,0-1,2 мм при диаметре электродной вставки 2 мм, длина отверстия в пределах 2-4 мм.

Часто двойная дуга возникает в момент возбуждения основной, режущей дуги, когда резко увеличивают рабочий ток.

Рабочий ток должен увеличиваться плавно. Это выполняется различными электроустройствами (тиристорным, магнитным и другими).

Источники питания для резки больших, более 80 мм, толщин, например, ИПГ-500, ВПР-602 и подобные, имеют повышенное напряжение холостого хода.

Для ручной плазменной резки выпускаются специальные резаки с вольфрамовым электродом диаметром 3 мм, которые позволяют резать металл толщиной до 25 мм.

Промышленностью выпускаются комплектные установки для ручной плазменной резки.

Для механизированной резки широко применялись и применяются установки АПР-401, АПР-404, УВПР для резки черных и цветных металлов до толщины 80 мм.

Резка металла плазменной дугой. Часть 3

Ориентировочная скорость резки алюминиевого или нержавеющего листа толщиной 10 мм равна 4+4,5 м/мин, низкоуглеродистого листа толщиной 50 мм - 0,3+0,4 м/мин. Скорость резки толстого листа сопоставима со скоростью кислородной резки черных металлов, но алюминий и нержавеющая сталь не поддаются обычной кислородной резке, поэтому плазменная резка таких металлов является незаменимой.

Выпрямители для плазменно-дуговой резки выпускаются по ГОСТу 14935-77Е, в котором предусмотрено напряжение холостого хода до 180+500 В и рабочий ток 100+1250 А. Машины для плазменной резки отличаются от машин для кислородной резки только сравнительно более высокой скоростью перемещения резака.

На плазмотроны также имеется ГОСТ 12221-79, по которому предусматриваются конструкции для машинной и ручной резки. В настоящее время в России выпускаются комбинированные автогенно-плазменнорезательные машины, например, типа "Кентавр", "Пелла", "Рубин", "Ритм" и другие, которые управляются микропроцессорной техникой и имеют высокую точность резки.

На точность механизированной кислородной и плазменно-дуговой резки имеется ГОСТ 14792-80, в котором предусмотрены классы: точности, неперпендикулярности кромки в зоне реза, шероховатости, зоны термического влияния. Указанные классы устанавливают определенные требования к качеству вырезаемых деталей в зависимости от толщины листовой углеродистой стали в пределах от 5 до 100 мм. Этим же ГОСТом установлен порядок условного обозначения в чертежах вида резки и классов качества. Плазмообразующий газ выбирается в зависимости от состава разрезаемого металла. Углеродистые стали режут с использованием воздуха, подаваемого в плазмотроны под давлением 3+6 кг/см², нержавеющие стали, медь и ее сплавы - азота, а алюминий и алюминиевые сплавы - с использованием аргона.

Толщина разрезаемого металла зависит от электрической мощности машин. Современные плазменно-дуговые установки имеют мощность 180 кВА.

При использовании плазменно-дуговой резки в потоке воздуха пли азота нужно помнить одну особенность этого процесса - насыщение кромок реза азотом с образованием твердых игольчатых кристаллов - нитридов глубиной 0,5+1 мм. Кромки с насыщением азота не должны допускаться под сварку ответственных конструкций, например, стыков труб нефте- и газопроводов и подобных поднадзорных ответственных объектов, без предварительного механического снятия слоя азотирования.

Экономический анализ зарубежной плазменно-дуговой (воздушной) резки показывает, что затраты на 1 м реза в долевом участии следующие: амортизация машины, т. е. компенсация капитальных затрат на резательное оборудование - 50%, затраты на зарплату - -20%, стоимость электроэнергии - -12%, стоимость катодов и сопел - 10%, стоимость сжатого воздуха - 8%.

В России капитальные затраты, электроэнергия составляют значительную долю затрат, поэтому в последнее время сокращается применение плазменной резки, особенно из-за стоимости электроэнергии.