6. Расчёт режимов плазменной резки металлов

Основными параметрами режима плазменной резки металлов являются: напряжение на дуге, сила тока, состав и расход плазмообразующего газа, скорость резки.

Если при резке металла определённой толщины необходимо обеспечить его прорезание на всю глубину, то оптимальный режим резки возможен только в том случае, когда напряжение на дуге будет не ниже определённой величины. Объясняется это тем, что прорезающая способность дуги зависит от её длины, что в значительной степени будет определяться величиной напряжения на дуге. Установлено, что величина напряжения, при которой возможен оптимальный режим, практически не зависит от природы и теплофизических свойств металла и может быть определена по формуле:

,

где – толщина разрезаемого металла, мм.

Если напряжение на дуге является оптимальным, то увеличение тока ведёт к быстрому увеличению скорости резки. Однако, такое увеличение возможно только до определённой величины, пока соотношение между силой тока и диаметром канала формирующего сопла будет равно:

,

где d – диаметр канала сопла, см;

– сила тока режущей дуги, А.

При дальнейшем увеличении силы тока следует пропорционально увеличивать диаметр сопла, что приведёт к возрастанию ширины реза. При этом количество металла, выплавляемого в единицу времени, увеличивается, а линейная скорость резки остаётся неизменной. Анализ имеющихся экспериментальных данных показывает, что чем выше значение для металла и чем больше его толщина, тем при большем значении силы тока достигается максимальная скорость резки. Кроме того, учитывая, что при резке металла малых толщин силу тока необходимо ограничивать из–за того, что максимальная скорость резки не может превышать 150 м/час(максимальная скорость передвижения кареток резательных машин), то рекомендуемую силу тока при резке различных металлав для режимов максимальной производительности можно взять из таблицы 15.

Таблица 15.

Материал	Толщина, мм	Сила тока, А
Алюминий	10 20 30 50	250 400 500 700
Сталь	10 20	500 700
Медь	10 20	600 700

При этом максимальная величина силы тока будет ограничиваться техническими возможностями применяемых источников питания плазменной дуги.

После определения величины напряжения на дуге и выбора оптимальной силы тока, исходя из толщины разрезаемых металлов и внешней характеристики источников питания, подбирают диаметр канала формирующего сопла:

(см)

При установленном оптимальном напряжении и силе тока максимально возможная скорость резки может быть определена по эмпирической формуле:

(см/сек),

где – толщина разрезаемого металла, см;

– удельный вес разрезаемого металла, г/см³.

Более точно максимальную скорость резки можно определить по формуле:

(см/сек),

где – сила тока режущей дуги, А;

– напряжение на дуге, В;

– толщина разрезаемого металла, см;

– удельный вес металла, г/см³;

– ширина реза, см;

– энтальпия резки (кал/г), равная сумме энтальпий нагрева и плавления разрезаемого металла.

Можно считать, что практически для большинства металлов .

Для обеспечения надёжного прорезания и надёжного качества поверхностей реза фактические скорости резки должны быть занижены для алюминия на 10–15%, для сталей на 20–30%, для меди и её сплавов на 30–40%, по сравнению с максимальной расчётной скоростью резки.

Наиболее существенно изменяет основные технологические показатели процесса и, в первую очередь, скорость и качество резки, состав плазмообразующей среды. За счёт изменения состава среды можно в широких пределах регулировать количество тепловой энергии, выделяющейся в дуге. Кроме того, состав плазмообразующейся среды наиболее существенно влияет на максимально допустимое значение , что позволяет регулировать плотность тока в дуге, величину теплового потока в зоне реза и, в конечном итоге, ширину реза и скорость резки.

Режимы максимальной производительности, для которых , могут быть достигнуты только при использовании водородосодержащих смесей.

Установлено, что оптимальный расход водорода можно определить по формуле:

,

где – сила тока, А

– расход водорода, л/мин.

Содержание аргона в аргоно–водородных смесях должно превышать в 2 раза содержание водорода, т.е. .

При использовании озотноводородных смемей вместо аргоноводородных, что допустимо в том случае, когда требование к скорости резки и качеству реза могут быть несколько снижены, содержание азота в смеси должно в 5 раз превышать содержание водорода.

При работе на плазмотронах с дополнительной воздушной стабилизацией соотношение концентраций газов в плазмообразующей смеси с оптимальным расходом расходом водорода должно быть: аргон : водород = 1:4, азот : водород = 1:1.

Наряду с водородными смесями, плазменная резка может производиться на одном азоте, азотно–аргоновой смеси или с использованием в качестве плазмообразующего газа воздуха. В последнем случае необходимо применять плазмотроны специальной конструкции с циркониевым или гафниевым электродом.

Резка на азоте отличается меньшей производительностью, а качество реза является хуже. Поэтому её можно рекомендовать для обработки преимущественно сталей толщиной до 100 мм, когда не требуется обеспечить высокие скорости резки.

Воздушно–плазменная резка является высокопроизводительным процессом, особенно при обработке материалов, способных гореть в струе кислорода. Скорость воздушно–плазменной резки почти такая же, как и при аргонно–водородной, а при резке углеродистых сталей – даже несколько выше. Однако, воздушно–плазменная резка может быть использована только для резки металла небольших толщин (до 60 мм), в силу того, что циркониевые и гафниевые катоды допускают работу на токах, не свыше указанных в таблице 16

Таблица 16.

Толщина разрезаемого металла, мм	Диаметр сопла, мм	Сила тока, А	Расход воздуха, л/мин	Напряжение, В	Скорость резки, м/мин.
Низкоуглеродистая сталь 6–15 15–25 25–40 40–60	3	300	40–60	160–180	5,0–2,5 2,5–1,5 1,5–0,8 0.8–0,3
Низкоуглеродистая сталь 5–15 5–15 16–30 16–30 31–50 31–50	2 3 2,5 3 3 3	120–200 250–300 200–240 250–300 280–300 250–300	70 40–50 70 40–50 70 40–50	170–180 140–160 180–200 160–180 200–220 170–190	1,8–1,0 5,5–2,6 1,0–0,6 2,2–1,0 0,6–0,25 1,0–0,3
Алюминий и его сплавы 5–15 5–15 16–30 16–30 31–50 31–50	2 3 2,5 3 3 3	120–200 250–300 200–250 250–300 280–300 280–300	70 40–50 70 40–50 70 40–50	170–180 140–160 180–200 160–180 200–220 170–190	2–1 6–3 1,2–0,7 2,5–1,3 0,7–0,3 1,2–0,6
Медь 10 20 30 40 50 60	3 3 3 3 3 3,5	300 300 300 300 300 400	40–60	160–180	3.0 1,5 0.7 0,5 0,3 0,4

Примечание: режимы резки с большим расходом воздуха и меньшей скоростью резеи обеспечивают 2–ой класс неперпендикулярности кромок (ГОСТ 14792–80); режимы с меньшим расходом воздуха большой скоростью резки обеспечивают 3–ий класс неперпендикулярности кромок.

Ручная плазменная резка производится с использованием аргона, азота, либо их смесей с водородом. Скорость ручной плазменной резки в 1,5–3 раза ниже, по сравнению со скоростью машинной резки металла такой же толщины.

Приведённая методика может служить только для ориентировочной оценки и выбора параметров режима. Окончательные значения параметров режима должны устанавливаться только после резки опытных образцов и оценки качества реза на установленных режимах.