Плазменная резка металлов дугой прямого и косвенного действия

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 10 000—50 000°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 (23.1) горит  между не-плавящимся 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, чю 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

 

Дуга косвенного действия (23 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 При плазменной резке можег 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 (23.3) состоит из баллонов со сжиженным  газом, газовых шлангов (рукавов), магистрали подачи окружаюшей воды, пульта управления или коллектора, кабель-шлангового пакета, плазмотрона, изделия, электрических кабелей от источника питания к коллектору В баллонах может находиться один или два плазмооб-разующих газа: аргон, азот, их смеси с водородом или сжатый воздух.

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.

Установка КДП-1 комплектуется двумя  выпрямителями ВДУ-504 или ВДУ-505, ВДУ-506; установка КДП-2 — двумя выпрямителями  ВДУ-305. Сдвоенные выпрямители необходимы для обеспечения повышенного  напряжения плазменной дуги.

Для ручной воздушно-плазменной резки (током до 200 А) используется установка  УПР-201, укомплектованная специализированным источником питания и плазмотроном ПРВ-202УЗ (рис, 23.4). Установка предназначена  для резки стали толщиной до 40 мм, цветных металлов и их сплавов. Она входит в группу установок типа АПР, оснащенных выпрямителями ВПР-402М с дросселем насыщения. Из этих установок, в основном предназначенных для механизированной резки, используется установка АПР-401, оснащенная плазмотроном ПВР-401УЧ   для ручной резки литья, обрезки литников, выборки дефектов сварного шва и др. Плазмотрон ПРВ-202УЗ имеет воздушное охлаждение, а ПРВ-401УЧ — водяное. Для механизированной резки добавляется кислород с целью интенсификации процесса; при ручной резке кислород добавлять не следует.

 

Для воздушно-плазменной резки используется плазмотрон ОБ 1755 МА, применяемый для механизированной и ручной резки стали толщиной до 60 мм. В плазмотроне электродом является медная водоохлаждаемая державка с катодной вставкой из соединений циркония. Для облегчения зажигания рабочей дуги используется вспомогательная дуга между электродом и соплом, которая гаснет при возбуждении рабочей дуги. Этот плазмотрон, как и другие, оснащался источниками питания ВПР-402М с дросселем насыщения. По своим показателям этот источник уступает тиристорным выпрямителям и заменяется ими. В частности, для механизированной и автоматизированной плазменной резки используют тиристорные выпрямители в установках Киев-5, Киев-6, разработанных в ИЭС им. Е. О. Патона, и др.

Для ручной резки применяют  установку УРПД-67, работающую на аргоноводородной или азотно-водородной смеси для  резки цветных металлов, сплавов  и высоколегированных сталей током  до 450 А. Она работает от двух преобразователей ПД-502 или ПСО-500. В качестве электродов в плазмотронах используется при работе с аргоном, азотом, водородом и их смесями вольфрамовый лантанированный (ЭВЛ) и иттриро-ванный (ЭВИ) электроды диаметром 3—6 мм и длиной до 150 мм, закрепляемые цангами, или короткие цилиндрические электроды-вставки диаметром 2—3 мм и длиной 3—6 мм, закрепляемые медными державками. При работе с воздухом или с добавкой кислорода применяют более стойкие электроды из соединений гафния или циркония, помещенные заподлицо в медные державки. В настоящее время используются также медные полые электроды с водяным охлаждением, предназначенные для машинной резки. Сопло плазмотрона изготовляется из меди высокой чистоты и специальной расчетной формы для обеспечения стабилизации плазменной дуги. Охлаждение сопла и электрода осуществляют   водой    (при больших   токах) или плазмообразующим газом (при меньших токах) и воздухом

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 плазмообразующею 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-водородную 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 23.5. показано уменьшение скорости резки при чрезмерном увеличении давления плазмообразующего газа, что делать не следует.

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 Ю—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.

С увеличением толщины  разрезаемого металла скорость резки  быстро падает. Воздушно-плазменную резку  алюминия можно рекомендовать только с последующей обработкой разрезаемых  кромок, для чего дается припуск  на обработку не менее 3 мм. При резке меди рекомендуется применять силу тока до 400 А и плазмотрон ПРВ-401УЗ.

Технологию плазменной резки с использованием других газов  широко применяют для обработки  алюминия, меди и их сплавов, а также  углеродистых, низколегированных и  коррозионно-стойких сталей. При использовании аргона в качестве рабочего газа выделение вредных газов при резке резко снижается, и дуга горит устойчиво при сравнительно невысоком напряжении и применении наиболее простой конструкции плазмотрона с аксиальной подачей газа. Добавка к аргону 20 % водорода значительно улучшает качество и производительность резки, однако его применение из-за взрывоопасное™ на строительной площадке связано со строгим соблюдением мер безопасности. При резке с использованием азота необходимо обеспечить вентиляцию и отсос продуктов резки, выделяющихся в виде бурого дыма и вредных газов — оксидов азота. В табл. 23.1 приведены режимы резки различных материалов.

Для резки применяют универсальные  комплекты КДП-1 и КДП-2, установку  УРПД и др. При использовании аргоноводородных смесей первоначальное возбуждение дуги следует производить в среде аргона и только при переходе на рабочий режим включать водород. Силу тока в цепи вспомогательной дуги, где она используется, необходимо отрегулировать балластным сопротивлением не более 15—20 А во избежание расплавления сопла.

Плазменно-дуговую поверхностную  резку в строительстве применяют  ограниченно, главным образом для  удаления дефектных мест сварки или  дефектов металла. При этом используется то же оборудование и аппаратура, что и для разделительной резки. Для ручной поверхностной резки используют установку УПР-201 с резаком ПРВ-202, установки КДП-1 и КДП-2 с резаком РДП-2 и др. Диаметр канала сопла плазмотрона для поверхностной резкн увеличен по сравнению с соплом для разделительной резки, чтобы получить меньшие обжатие и концентрацию дуги. Охлаждение плазмотронов, как правило, воздушное, при этом охлаждающий воздух используется для удаления расплавленного металла и шлака, образующихся на поверхности канавки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

 

Алексеев Е. К., Мельник  В. И. Сварка в промышленном строительстве  — М    Стройиздат, 1977 —377 с

Алешин Н. П. Щербинский В. Г. Контроль качества сварочных работ  —М   Высш школа, 1986 — 167 с

Безопасность производственных процессов/Под ред С В Белова — М   Машиностроение, 1085 — 448 с

Блинов А. Н., Лялш К. В  Организация и производство сва-рочно-монтажиых  работ—М    Стройиздат,  1988 —343 с

Думов С. И. Технология электрической  сварки плавлением — Л   Машиностроение, 1987 —468 с

Корольков П. М., Хананетов М. В. Современные методы термической обработки сварных соединений —М Высш школа, 1986 —182 с

Мусияченко В. Ф., Миходуй  Л. Н. Дуговая сеарка высокопрочных  легированных сталей — М Машиностроение, 1987 — 74 с.

Новиков О. В Охрана окружающей среды —М Высш школа, 1987 —287 с

Рыбаков В. М, Дуговая и  газовая сварка — М Высш школа, 1986 —С  4—39, 94—127