Резка металлов

РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Плазменная резка металлов дугой прямого и косвенного действия

Плазма представляет собой ионизированный газ, содержащий положительно заряженные ионы, электроны, нейтральные и возбужденные атомы и молекулы.

Плазма является четвертым состоянием вещества (1 - твердое, 2 - жидкое, 3 - газообразное). В электрической дуге происходит образование плазмы под действием электрического разряда и высокой температуры, Однако температура дуги при атмосферном давлении не превышает 5000-5600 °С, поэтому газовая оболочка дуги не полностью ионизирована. Если же сжать дугу давлением газа, температура в центральной части дуги возрастет до 10000-50000 °С, так как газ плазмы почти полностью ионизируется. Сжатие дуги давлением струи плазмообразующего газа и стенок сопла с образованием плазменной дуги производится в плазмотроне - специальной горелке для резки и сварки. Различаются плазменные дуги прямого и косвенного действия.

Дуга прямого действия (рис.1) горит между неплавящимся электродом и изделием. Так как для резки используют постоянный ток прямой полярности, на изделии образуется анодное пятно высокой температуры, способствующее процессу плазменной резки. Плазмообразующий газ подается под давлением в сопло. Внутренние слои газа, прилегающие к дуге, превращаются в плазму, а наружные, прилегающие к соплу и более холодные, являются тепловым и электрическим изолятором сопла. Плазма совмещается с дугой по всей длине; тепло вводится в металл струей плазмы, столбом дуги и электронным потоком, бомбардирующим анодное пятно. Диаметр канала сопла имеет большое значение для резки металла. С уменьшением диаметра сопла растет сжатие столба дуги, давление плазмообразующего газа и напряжение дуги до 140-250 В, что требует применения специальных источников питания. Эффективный КПД дуги прямого действия 70-80%. Этой дугой можно обрабатывать материалы, проводящие электрический ток, в частности для резки металлов.     

      
     Рис.1. Дуга прямого действия:

а - закрытый участок; б - сжатый; в - открытый; г - рабочий; д - факел плазмы;
1 - плазмообразующий газ; 2 - сопло; 3 - электрод; 4 - изделие

Дуга косвенного действия (рис.2) горит между катодом-электродом и анодом-соплом. Столб дуги расположен внутри сопла, формирующего плазму. Под действием подаваемой через трубку и камеру струи плазмообразующего газа столб дуги удлиняется, анодное пятно останавливается на краю сопла у выходного отверстия, а факел газа выходит из сопла. Резка происходит только под воздействием тепла и давления плазменной струи без участия столба дуги. Эффективный КПД этой дуги значительно меньше и составляет 30-40%. Дугу косвенного действия используют для обработки металла небольшой толщины и неэлектропроводных материалов.

Рис.2. Дуга косвенного действия:

а - накрытый участок; б - сжатый; в - плазменная струя; г - факел плазмы; 1 - сопло; 2 - дуга; 3 - электрод; 4 - газ

При плазменной резке может быть осевая (аксиальная) подача газа, при которой газ поступает вдоль оси электрода, конец которого заостряют и устанавливают точно по оси канала сопла. При вихревой подаче улучшается фиксация столба дуги с осью канала сопла, а сама подача достигается расположением газовых каналов по касательной к газовой камере. При такой подаче стойкость сопла увеличивается.

Устройство постов и комплектов аппаратуры для ручной плазменно-дуговой резки

Пост для ручной плазменной резки (рис.3) состоит из баллонов со сжиженным газом, газовых шлангов (рукавов), магистрали подачи окружающей воды, пульта управления или коллектора, кабель-шлангового пакета, плазмотрона, изделия, электрических кабелей от источника питания к коллектору. В баллонах может находиться один или два плазмообразующих газа: аргон, азот, их смеси с водородом или сжатый воздух.

Рис.3. Дуга косвенного действия:

1 - баллон с плазмообразующим газом; 2 - газовые шланги (рукава); 3 - подача охлаждающей воды; 4 - коллектор; 5 - кабель-шланговый пакет; 6 - плазморез; 7 - изделие; 8 - кабели; 9 - источники питания

Для комплектования постов используют универсальные комплекты аппаратуры КДП-1 (на ток до 400 А) и КДП-2 (на ток до 250 А), куда входят: плазмотроны (резаки) РДП-1 с водяным и РДП-2 с воздушным охлаждением, кабель-шланговые пакеты, коллекторы, графитовые зажигалки и запасные части. Эта аппаратура предназначена для резки высоколегированных сталей и цветных металлов с использованием плазмообразующих газов аргона и азота под давлением до 0,4 МПа и водорода до 0,3 МПа, применяемых в качестве добавки к аргону или азоту.

Для ручной воздушно-плазменной резки (током до 200 А) используется установка УПР-201, укомплектованная специализированным источником питания и плазмотроном ПРВ-202УЗ (рис.4).

Рис.4. Плазмотрон ПРВ-202УЗ

Технология ручной плазменной резки металлов

Ручную разделительную резку применяют при необходимости вырезки отверстий, раскроя листов, обрезки профилей и для других мелкосерийных работ по термической резке цветных металлов и сплавов, высоколегированных нержавеющих сталей, к которым неприменима газокислородная или керосинокислородная резка. Резку производят постоянным током прямой полярности. Источники питания должны иметь крутопадающую вольтамперную характеристику. В качестве рабочего плазмообразующего газа рекомендуется применять: для резки низколегированных, легированных и углеродистых сталей - воздух; для резки высоколегированных, коррозионно-стойких сталей - азот, азотно-водородную смесь, воздух; для резки алюминия, меди и их сплавов - азот, азотно-водородиую смесь, аргон, аргоноводородную смесь.

При выборе режима ручной резки руководствуются характеристикой плазмотрона. Например, при работе плазмотроном КДП-2 величина тока может быть не более 250 А, а при работе на установке УПР-201 - не более 200 А и т.д. Давление (расход) газа устанавливают также в соответствии с паспортной характеристикой плазмотрона. Эффективность резки во многом зависит от напряжения, которое в свою очередь растет с увеличением расхода газа и уменьшением диаметра канала сопла. Однако этот рост ограничен источником, у которого напряжение холостого хода не может быть больше 180 В. Особенностью режима плазменной резки является неизменность режима для металла различной толщины; в пределах толщин, установленных для данного плазмотрона, меняется только скорость резки. На рис.5 показано уменьшение скорости резки при чрезмерном увеличении давления плазмообразующего газа, что делать не следует.

Рис.5. График изменения скорости резки, мм/с, при увеличении давления плазмообразующего газа в МПа:

/, //, /// - изменение скорости резки для металла толщиной 20, 16 и 8 мм

Перед резкой необходимо проверить правильность подсоединения аппаратуры (источника тока, газа, воды) к коллектору и плазмотрону и отрегулировать ток, расход газа и воды. После этого произвести пробное зажигание дуги зажигалкой, с помощью осциллятора или дежурной дуги.

В начале резки или в ее перерывах и возобновлении, когда еще не установился режим резки, наблюдаются так называемые "броски" тока, т.е. ток нарастает не постепенно, а резко увеличивается до режимной величины, что сопровождается разбрызгиванием металла и образованием неровностей на разрезаемых кромках. Это характерно для плазменной резки, поэтому при ручной резке резчик после возникновения режущей дуги немедленно приподнимает сопло плазмотрона до 25 мм от металла, а затем опускает его на расстояние 3-10 мм и производит резку.

Технологию воздушно-плазменной резки черных и цветных металлов все чаще используют вследствие простоты получения плазмообразующего газа - воздуха и достаточно высокой производительности и качества резки. Для воздушно-плазменной резки применяют дугу прямого действия и стабилизацию дуги путем вихревой системы подачи плазмообразующего газа. Ориентировочный режим воздушно-плазменной резки углеродистых и легированных сталей толщиной 10-25 мм следующий: сила тока 200-250 А, напряжение на дуге 160-165 В, скорость резки 1,5-2 м/мин, расход воздуха 40-50 л/мин. Для алюминия толщиной 10-30 мм сила тока 150-250 А, напряжение на дуге 160-165 В, скорость резки 1-2 м/мин, расход воздуха 40-50 л/мин.