книги / Плазменные технологии в сварочном производстве. Ч

или полностью скалывается. В результате ресурс работы термо­ химического катода определяется числом включений (не превы­ шает 60-120), а также рядом других факторов. К ним относятся: чистота меди обоймы, плотность контакта вставки и обоймы, особенности конструктивного исполнения катода, ток дуги, чис­ тота воздуха и его расход, температура и расход воды или возду­ ха, охлаждающих катод. Кроме того, материал катодных вставок (цирконий, гафний) является дефицитным и дорогим.

В настоящее время ведутся работы по исследованию

ипрактическому использованию ВПР с применением плазмо­ тронов с «холодным» электродом. Плазмотрон имеет полый внутренний медный электрод и сопловой электрод (см. рис. 33). Дуга в рабочем режиме горит между внутренним электродом

иразрезаемым металлом. Плазмообразующий воздух подается

вразрядную камеру через тангенциальные отверстия в завихрителе. Вихревая подача плазмообразующего воздуха обусловли­ вает создание в камере газового циклона, который интенсивно перемещает опорное пятно дуги по внутренней поверхности электрода, не допуская локального нагрева и расплавления. Этой же цели служит соленоид, который охватывает медный полый электрод. При работе плазмотрона на обратной полярно­ сти скорость эрозии электрода снижается. Использование плаз­ мотронов с полым медным электродом позволяет повысить мощность режущей дуги увеличить количество включений дуги без разрушения электрода.

Кнедостаткам такого способа плазменной резки металлов можно отнести необходимость использования источников пита­

Рабочее напряжение при резке составляет порядка С/д « 300 В. Плазмотроны с полым электродом, из-за наличия соленоида, имеют повышенные габариты и массу. Это усложняет оборудо­ вание, снижает условия электробезопасности работ, при этом исключается возможность использования этого способа для руч­ ной резки металлов.

В настоящее время ограниченное применение находит плазменная резка металлов плазмотронами с вольфрамовым ка­ тодом и комбинированной подачей газов (рис. 35). Известен

71

способ плазменно-дуговой резки металлов в активных окисли­ тельных средах (например в воздухе) плазмотронами с исполь­ зованием вольфрамового электрода, защищенного в зоне актив­ ного пятна дуги инертным газом. Для этого цилиндрический, заостренный вольфрамовый электрод располагают в специаль­ ном внутреннем сопле плазмотрона, в которое подается инерт­ ный газ, например, аргон или азот.

аб

Рис. 35. Схема плазмотронов для плазменной рез­ ки с комбинированной подачей газов: а - с внут­ ренним формирующим соплом; б - с внутренним защитным соплом; / - катодный узел, 2 - вольф­ рамовый катод, 3 - изолятор, 4 - формирующее внутреннее сопло, 5 - наконечник, 6 - подача плазмообразующего защитного газа, 7 - подача окислительного газа в наконечник, 8 - защитное внутреннеесопло, 9- подача плазмообразующего

окислительного газа

Окислительный газ, например воздух, подается во внешнее стабилизирующее сопло (наконечник). Резка производится на прямой полярности. Такой способ резки металлов обеспечивает высокую стойкость катода в работе при большом количестве включений сжатой дуги. Напряжение холостого хода источника питания не превышает. [/хх« 250...300 В, а рабочее напряжение на дуге Ua « 110... 140 В. Однако у этого способа резки есть не­

72

достаток: для надежной работы плазмотрона (для качественной защиты вольфрамового катода) требуются большие расходы ар­ гона QAT > 20...40 л/мин, что резко повышает стоимость погон­ ного метра реза.

Резка плазмой, стабилизированной водой и воздушно­ водяной плазмой значительно усложняет оборудование и повы­ шает его стоимость, поэтому объем применения этих способов не велик.

Резка узкоструйной плазмой по качеству и скорости при­ ближается к лазерной резке. Однако она применяется только для металла малых толщин и имеет высокую стоимость.

4.5. Требования к источникам питания для плазменной резки

Существенное влияние на процессы, происходящие при ВПР, оказывают электрические параметры системы источник тока - дуга. Схема замещения цепи источник - дуга представ­ лена на рис. 36, а, а статические вольт-амперные характеристи­ ки режущей дуги (ВАХд) и источника (ВАХ„) - на рис. 36, б. Семейство ВАХД (кривые 1-3) можно условно разделить на три характерных участка: падающий (ток дуги до 50 А), независи­ мый (ток 50-400 А) и возрастающий (ток более 500 А).

дуга (а) и семейство статических ВАХД(кривые 1-3) и ВАХИ (кривые 4 - 9) (б)

Наклон ВАХД зависит от степени сжатия столба дуги, а на­ пряжение на дуге определяется размерами камеры плазмотрона и параметра режима (состав и расход плазмообразующей среды, скорость резки, длина открытого и режущего участков столба

73

дуги). В зависимости от схемных решений неуправляемого вы­ прямителя естественная ВАХИ(см. рис. 36, б) может быть крутопа­ дающей (кривая 4) и пологопадающей (кривые 5, 6), а при введе­ нии обратных связей в управляемый выпрямитель ступенчатой (кривые 7-9). Ключевой проблемой системы источник - дуга является ее устойчивость. При рассмотрении устойчивости дуги возмущающим параметром будет изменение напряжения дуги, возникающее при изменении определяющих его величин: длины дуги, расхода газа и др. Реакцией на это возмущение является изменение тока, определяемое переходом на другую ВАХД. Ско­ рость переходного процесса определяется скоростью изменения напряжения и инерционностью системы источник - дуга. Кри­ тические условия статической и динамической устойчивости сис­ темы особенно проявляются на падающем участке ВАХЛ, напри­ мер, при запуске дежурной дуги, ток которой ограничен допус­ тимой нагрузкой на сопло, а возможность повышения напряже­ ния холостого хода ограничена условиями электробезопасности. Кроме того, в случае чрезмерной пологости ВАХ„ (кривая 6 на рис. 36, б) в неуправляемых выпрямителях при ограничении напряжения холостого хода не более 300 В технологическая ус­ тойчивость дуги становится критической и существенно ухуд­ шаются режущие свойства дуги. При этом при ручной резке вследствие колебания длины дуги наблюдаются значительные изменения тока дуги, приводящие к резкому ухудшению качества поверхности кромок реза (образованию рисок). При ручной и машинной резке металла большой толщины с погружением ду­ ги в глубь металла происходит уменьшение тока дуги и ее проре­ зающей способности.

В управляемых тиристорных выпрямителях введением от­ рицательной обратной связи по току достигается ВАХ„, изобра­ женная кривой 7 (см. рис. 36, б), т.е. обеспечивается стабиль­ ность тока дуги при колебаниях ее длины, расхода рабочего газа и напряжения питающей сети. Еще более высокие техно­ логические свойства режущей дуги наблюдаются при введении дополнительной обратной связи положительной по напряже­ нию дуги. В этом случае ВАХ„ (кривая 8) отличается возраста­

74

нием тока дуги при увеличении длины режущего участка, что обеспечивает высокое качество кромок реза и повышение про­ резающей способности дуги.

Идеальной ВАХИс учетом требований всех факторов устой­ чивости системы и высокого КПД источника является кривая 9 (рис. 36, б). Такая характеристика обеспечивается комбинацией двух выпрямителей - с рабочим участком ВАХ„, описываемым

Крутопадающие внешние статические характеристики могут быть обеспечены следующими типами источников питания: вы­ прямителями, управляемыми дросселями насыщения, тиристор­ ными выпрямителями с обратной связью по току, источниками питания на базе индуктивно-емкостных преобразователей и тран­ зисторными источниками питания. В отдельных случаях мо!ут использоваться сварочные генераторы.

Выпрямители с дросселями насыщения широко применя­ ются для плазменной обработки. Они обладают хорошими ре­ гулировочными характеристиками, просты в обслуживании и надежны в работе. Их недостатками являются низкий cos (р, значительные габаритные размеры и масса. Не вполне удовле­ творительны и динамические характеристики дросселей насы­ щения, поэтому появляются броски тока при возбуждении дуги в источнике питания для плазменной резки. Используемое в этих источниках питания начальное ограничение тока подмагничивания дросселя насыщения все же не позволяет полно­ стью избавиться от бросков тока.

Надежным серийным оборудованием для воздушно­ плазменной резки являются установки УПР-201, АПР-401, АПР-402 и АПР-403.

Источники питания с дросселями насыщения постепенно вытесняются более экономичными, компактными и легкими ти­ ристорными выпрямителями. Тиристорные выпрямители, напри­ мер, установок «Киев-5» и «Киев-6», в которых для получения

75

крутопадающих внешних статических характеристик исполь­ зуется обратная связь по току нагрузки, в настоящее время наиболее соответствуют требованиям, предъявляемым к источ­ никам питания для плазменной обработки. В источниках пита­ ния этого типа достаточно просто реализуются режимы плавно­ го увеличения и уменьшения тока, импульсные режимы, что значительно расширяет и улучшает технологические возможно­ сти выпрямителей. К числу их недостатков можно отнести большую величину пульсаций при глубоком регулировании. Уменьшение пульсаций за счет увеличения индуктивности сглаживающего дросселя приводит к ухудшению условий зажи­ гания дуги.

В момент возбуждения дуги, когда сигнал обратной связи отсутствует, тиристорный выпрямитель фактически является нерегулируемым выпрямителем с жесткими характеристиками. Увеличение угла открывания тиристоров при возбуждении дуги приводит к снижению напряжения холостого хода и уменьше­ нию вероятности возбуждения дуги.

Источники питания на базе индуктивно-емкостных преобра­ зователей можно отнести к сравнительно новым типам. Несмотря на то, что индуктивно-емкостные преобразователи имеют верти­ кальные характеристики, соответствующие требованиям плаз­ менной технологии, они не получили широкого распространения из-за сложности регулирования тока. Практически ток в индук­ тивно-емкостном преобразователе может регулироваться только изменением питающего напряжения. Область применения индук­ тивно-емкостных преобразователей ограничивается плазменной резкой, которая может производиться при 2-3 фиксированных значениях токов.

Несмотря на указанный недостаток, а также на необходи­ мость применения в индуктивно-емкостных преобразователях силовых конденсаторов и дросселей, эти источники питания весьма перспективны.

Транзисторные источники питания имеют высокие техни­ ческие характеристики. Поскольку транзистор является полно­ стью управляемым полупроводниковым прибором и к тому же имеет высокие частотные параметры, транзисторные источники питания позволяют получить любую форму статической харак­

76

теристики, идеально сглаженный ток и прекрасные динамиче­ ские свойства. Однако они сравнительно дороги, имеют низкий КПД и ограниченную мощность из-за небольшой мощности рассеяния транзисторов.

4.6. Технология плазменной резки

Для того чтобы осуществить плазменную разделительную резку металла, необходимо расплавить определенный объем ма­ териала вдоль предполагаемой линии реза и удалить его из по­ лости реза скоростным потоком плазмы.

Для выплавления зоны металла вдоль линии реза нужно подвести определенное количество теплоты. Это количество поступает в металл из столба сжатой дуги и носит название эф­ фективной тепловой мощности дуги q„. Требуемая величина q„ (Вт), зависит от многих параметров и определяется по формуле

Яи = VMCTnn -Г0) +<7)4,19,

где vp - скорость резки, см/с; F - площадь поперечного сечения зоны выплавляемого металла, см2; р - плотность разрезаемого металла, г/см3; с - теплоемкость металла, Дж/(г*°С); Гпп - темпе­ ратура плавления металла, °С; Г0 - температура металла до на­ чала реза, °С; q - скрытая теплота плавления металла, °С.

Здесь произведение vPFp определяет массу выплавляемого металла за единицу времени и имеет размерность г/с.

Эффективная тепловая мощность qHдля заданной толщины металла имеет определенное числовое значение, ниже которого процесс резки невозможен.

Расплавленный металл, образующийся на лобовой поверх­ ности реза, удаляется скоростным потоком плазмы сжатой дуги. Скорость потока плазмы возрастает с увеличением расхода плазмообразующего газа и тока и быстро уменьшается с увели­ чением диаметра сопла. Она может достигать примерно 800 м/с при токе 250 А.

Скорость течения расплава зависит от скорости потока плаз­ мы на границе раздела фаз, т. е. на границе жидкий металл - по­ ток плазмы. Так, например, при резке металла толщиной 5-20 мм со скоростью 0,75-6 м/мин и ширине реза 3-6 мм скорость тече­ ния расплавленного металла 20-40 м/с.

77

Плазменная резка позволяет с высокой скоростью произво­ дить раскрой любых металлов толщиной до 50-60 мм (рис. 37). С дальнейшим ростом толщины разрезаемых металлов скорость резко снижается.

К м/мин 5

4

3

2

I

0

Рис. 37. Скорость ВПР малоуглеродистых и низколегированных сталей: а - плазмотронами с воздушным охлаждением при использовании установок «Киев-5» (rfc = 2,2 мм; / - /д = 100... 120 А; 2 - /д ® 120... 140 А; 3 - 1а= 140... 160 А); б - плазмотронами с водяным охлаждением, качественная резка при 1а = 200 A, dc - = 2 мм (4); /д = 300 A, dQ=3 мм (5); /д = 400 A, dQ= 4 мм (б); кисло­

родная резка (7)

При плазменной резке поверхность реза претерпевает структурные изменения, которые наблюдаются в основном в литом участке зоны термического влияния у кромок реза. Для уменьшения толщины литого участка необходимо повы­ шать напряжение на дуге и скорость потока плазмы.

Это может быть достигнуто при увеличении расхода плаз­ мообразующего газа, использовании сопел малого диаметра с повышенной длиной канала, применении рабочего газа с по­ вышенным содержанием кислорода. Толщина литого участка ниже у верхней кромки, чем в нижней части реза.

78

При плазменной резке кроме насыщения поверхности реза газами и изменения твердости металла наблюдаются и дефекты формы кромок.

Плазменная резка алюминия и его сплавов выполняется с использованием в качестве плазмообразующего газа сжатого воздуха или кислорода. Скорость резки алюминиевых сплавов в среде кислорода уменьшается на 10-12 %.

При осуществлении плазменной резки титана и его сплавов необходимо обеспечивать специальные технологические меро­ приятия с целью получения поверхности реза, не требующей последующей механической обработки, которая предполагает высокую трудоемкость. Трудности механической обработки воз­ никают вследствие интенсивного окисления и газонасыщения поверхностных слоев металла. В результате такие элементы, как азот, кислород и водород, проникая в металл, образуют твердые растворы внедрения, обладающие повышенной твердостью, низ­ кой пластичностью и ударной вязкостью. Эти особенности титана и его сплавов обусловливают ведение процесса резки с возможно большой скоростью для обеспечения его минимальной длитель­ ности. Если по каким-либо причинам это невозможно обеспечить, следует место реза защищать дополнительно инертным газом или осуществлять резку в среде инертного газа.

Титан толщиной 5 мм можно резать при следующих пара­ метрах: диаметр канала сопла 1,4 мм, ток 100 А, расход воздуха 13,5 л/мин, напряжение 95 В и скорость резки 2,6 м/мин. При этих параметрах режима средняя ширина реза 1,6 мм.

Скорость резки различных металлов и качество кромок мо­ гут быть повышены при использовании водоинъекционной плазменной резки.

При водоинъекционной резке плазмообразующий газ тан­ генциально подается в пространство между электродом и со­ плом (рис. 38). Вода в дугу вводится радиально с помощью дополнительного сопла. Она охлаждает сопло и способствует идеальному сжатию плазмы. Температура плазмы может дос­ тигать 50 000 К. Несмотря на такую высокую температуру, испаряется не более 10 % воды. Оставшиеся 90 % выходят из сопла в виде струи конической формы. Эта струя при над­ водной эксплуатации охлаждает поверхность детали и препятствует образованию оксидов на поверхности реза.

79