Сущность процесса воздушно-плазменной разделительной резки заключается в локальном интенсивном расплавлении разрезаемого металла в объеме полости реза теплотой, генерируемой сжатой дугой, и удалении жидкого металла из полости высокоскоростным плазменным потоком, вытекающим из канала сопла плазматрона.
В современной технике резки применяют две схемы плазмообразования (рисунок 3).
а) — плазменная дуга; б) — плазменная струя;
1 — Подача газа; 2 — Дуга; 3 — Струя плазмы; 4 — Обрабатываемый металл;
5 — Наконечник; 6 — Катод; 7 — Изолятор; 8 — Катодный узел.
Рисунок 3. Схемы плазмообразования
В первом случае используют дугу прямого действия, возбуждаемую на обрабатываемом металле, являющемся одним из электродов разряда. При этом используется энергия одного из приэлектродных пятен дуги и энергия плазмы столба и вытекающего из него факела. Поэтому резку по такой схеме называют плазменно-дуговой.
Во второй схеме, соответствующей косвенной (независимой) дуге, объект обработки не включают в электрическую цепь. Вторым электродом сжатой дуги служит формирующий наконечник плазматрона. Поток плазмы, вытекая из сопла, образует свободную струю плазмы. Для резки используется только энергия плазменной струи (резка плазменной струей).
Энергетическая оценка обеих схем показывает, что плазменно-дуговую резку характеризует наиболее высокая эффективность, поскольку полезная мощность сжатой дуги реализуется в частях разряда, вынесенных за пределы наконечника. Поэтому для резки металлов, как правило, используют схему плазменно-дуговой резки. Плазменную струю применяют относительно редко, преимущественно для резки неметаллических материалов.
Основными элементами плазмотрона, предназначенного для плазменной резки, являются электрод (катод), сопло и изолятор между ними (рисунок 4).
1 — Корпус; 2 — Электрод (катод); 3 — Формирующий наконечник;
4 — Изолятор; 5 — Разрезаемый металл; 6 — Дуговая камера; 7 — Столб дуги;
8 — Подача охлаждающей воды; 9 — Подача плазмообразующего газа;
10 — Слив воды; 11 — Источник тока; 12 — Устройство зажигания дуги;
Vр - Направление резки.
Рисунок 4. Режущий плазмотрон
Корпус режущего плазматрона содержит цилиндрическую дуговую камеру малого диаметра с выходным каналом, формирующим сжатую (плазменную) дугу. Для возбуждения плазмогенерирующей дуги служит электрод, располагаемый обычно в тыльной стороне дуговой камеры. Столб дуги ориентируется по оси формирующего канала и заполняет практически все его сечение.
В дуговую камеру подается рабочий газ (плазмообразующая среда). Газ, поступая в столб дуги, заполняющий формирующий канал, превращается в плазму. Вытекающий из сопла поток плазмы стабилизирует дуговой разряд. Газ и жесткие стенки формирующего канала ограничивают сечение столба дуги (сжимают его), что приводит к повышению температуры плазмы до 15000 — 20000 0С. При этих температурах электрическая проводимость плазмы приближается к электропроводимости металлического проводника. Скорость плазмы в струе, истекающей из сопла режущего плазматрона, может превышать 2-3 км/с. Плотность энергии в формирующих соплах режущих плазматронах достигает 10 Вт/см.
В качестве электрода при воздушно-плазменной резке могут быть использованы бериллий, торий, гафний и цирконий. На их поверхности при определенных условиях образуются тугоплавкие оксиды, препятствующие разрушению электрода. Поскольку оксид тория радиоактивен, а оксид бериллия — токсичен, эти металлы не применяются.
Для того, чтобы катодное пятно фиксировалось строго по центру катода, в современных плазматронах применяют вихревую (тангенциальную) подачу плазмообразующего газа. При нарушении четкой вихревой подачи плазмообразующего газа катодное пятно вместе со столбом дуги будет смещаться от центра катодной вставки, что приводит к нестабильному горению сжатой дуги, двойному дугообразованию и выходу плазматрона из строя.
При воздушно-плазменной резке наиболее эффективно используется энергия в режущей дуге постоянного тока прямой полярности (анод на металле). В качестве рабочей плазмообразующей среды при воздушно-плазменной резке используется воздух.
В отличие от газокислородной резки, при которой пламя выделяет мало теплоты и имеет относительно низкую температуру, для врезания в металл требуется затратить некоторое время на местный подогрев металла до температуры его воспламенения. Сжатая дуга вследствие высокой температуры и скорости потока плазмы врезается в металл почти мгновенно.
Технология воздушно-плазменной резки
Для того чтобы осуществить плазменную разделительную резку металла, необходимо расплавить определенный объем материала вдоль предполагаемой линии реза и удалить его из полости 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 эффективной тепловой мощности дуги qи. Требуемая величина qи, зависит от многих параметров и определяется по формуле:
где Vp - скорость резки, см/с;
F — площадь поперечного сечения зоны выплавляемого металла, см2;
γ — удельный вес разрезаемого металла, г/см3;
с — теплоемкость металла, Дж/(г*0С);
Тпл - температура плавления металла, 0С;
То - температура металла до начала реза, 0С;
q — скрытая теплота плавления металла, 0С.
Произведение Vр · F · γ определяет массу выплавляемого металла за единицу времени и имеет размерность г/с.
Эффективная тепловая мощность qи для заданной толщины металла имеет определенное числовое значение, ниже которого процесс резки невозможен.
Расплавленный металл, образующийся на лобовой поверхности реза, удаляется скоростным потоком плазмы сжатой дуги.
Скорость потока плазмы возрастает с увеличением расхода плазмообразующего газа и тока и быстро уменьшается с увеличением диаметра сопла. Она может достигать примерно 800 м/с при токе 250 А.
Скорость течения расплава зависит от скорости потока плазмы на границе раздела фаз, т. е. на границе жидкий металл — поток плазмы. Так, например, при резке металла толщиной 5-20 мм со скоростью 0,75-6 м/мин и ширине реза 3-6 мм скорость течения расплавленного металла 20-40 м/с.
Задача плазменной разделительной резки — вырезка контуров с перпендикулярными кромками в соответствии с заданными размерами.
Предполагается, что поверхности резов должны быть ровными и гладкими, а качество металла у кромок равноценно качеству основного металла. Однако из-за несовершенства процессов резки не всегда удается выполнить указанные требования.
Наиболее характерными отклонениями от этих требований являются неплоскостность и неперпендикулярность поверхностей реза из-за непостоянства сечения плазменно-дугового реза по высоте. Это вызвано тем, что различные участки режущей дуги вводят в разрезаемый металл неодинаковое количество теплоты, а следовательно, на различной глубине реза расплавляется неодинаковое количество металла.
В верхней части реза, в которой металл может расплавляться за счет излучения столба разряда, теплопередача равномерна и рез имеет параллельные кромки. Тепловую энергию в нижнюю часть реза может вводить факел дуги. Температура плазмы в факеле и интенсивность теплопередачи постепенно уменьшаются по высоте нижней части реза, поэтому его кромки на этом участке сходятся книзу. Наиболее интенсивно передает тепловую энергию активное пятно дуги. В зависимости от его расположения по глубине реза или зоны его перемещения, а также от толщины разрезаемого металла рез может получиться уширенным кверху или книзу или бочкообразную форму. Расположение активного пятна дуги в полости реза зависит от параметров дуги, характера ее формирования, скорости резки, толщины и свойств разрезаемого металла. При изменении этих параметров изменяется и форма сечения реза. Так, при уменьшении скорости резки общая ширина реза увеличивается, особенно в нижней его части, поверхности реза становятся почти параллельными относительно друг друга, при очень малых скоростях в нижней части расширяется.
С увеличением силы тока режущей дуги ширина реза увеличивается, особенно в нижней его части, а поверхности реза становятся почти параллельными относительно друг друга. При увеличении расхода газа уменьшаются общая ширина реза и непараллельность его поверхностей. Подъем режущего сопла над металлом сопровождается уширением реза, особенно в верхней его части, и увеличением непараллельности кромок.
Форма сечения реза зависит от толщины разрезаемого металла и от рабочего напряжения режущей дуги. При резке металла небольшой (5 — 20 мм) толщины резы имеют, как правило, сходящиеся кромки. Если резать металл такой толщины жесткой режущей дугой (рабочее напряжение 140 — 150 В и более), то формы поверхностей реза близки к плоским формам и их непараллельность незначительна. Форма кромок резов, выполненных мягкой режущей дугой, зависит от скорости резки. При малых скоростях резки могут быть получены кромки, близкие к вертикальным, однако с увеличением скорости сечение реза получается неправильной формы: вертикальная плоскость верхней части исчезает или становится вогнутой, а затем выпуклой в сторону реза.
При резке металла большой (40 — 50 мм и более) толщины наряду со сходящимся книзу сечением реза наблюдается уширение в средней его части (бочкообразный рез). Однако и в этом случае режущая дуга с высоким рабочим напряжением обеспечивает получение резов с поверхностями более плоскими и параллельными, чем при резке мягкой дугой.
Максимальная параллельность кромок достигается смещением анодного пятна в нижнюю часть реза за счет увеличения расхода рабочей среды и ограничения скоростей резки, а также применения источников тока с вертикальной вольт-амперной характеристикой.
При плазменной разделительной резке кроме отклонений от заданных размеров и форм кромок вырезаемых деталей происходят видимые и невидимые изменения качества поверхностей реза. После резки кромки могут быть гладкими и шероховатыми, матовыми и блестящими, темными и светлыми. У нижних кромок реза часто образуются наплывы, которые имеют форму небольшого валика вдоль нижних кромок реза, цепочки застывших натеков в виде капель металла («бороды»), приварившегося к кромкам грата (многочисленные нитеобразные натеки различной длины).
На поверхностях реза появляются различные микронеровности; на боковых поверхностях — риски, соответствующие мгновенным положениям режущей дуги, по которым можно измерить отставание дуги во время резки. Кроме рисок из-за дефектов направляющих устройств машины, попадания на них металлических брызг, возникновения двойной дуги и т.д. на поверхностях реза могут образоваться глубокие бороздки (вырывы или выхваты). Наличие указанных дефектов, а также неровностей, появившихся в результате удаления наплывов на нижних кромках, может сделать вырезанную деталь непригодной для работы в условиях динамических нагрузок и трения или для использования в декоративных целях.
В процессе резки у кромки реза возникает зона термического влияния из двух участков: литого, состоящего из неудаленного с твердых поверхностей расплава металла, который образовался при резке, и с измененной структурой, в котором металл не расплавился, но в результате быстрого нагрева и охлаждения в нем произошли рост или уменьшение зерен и другие структурные превращения.
Тепловое воздействие плазменной резки на металл у кромок и вызванные им изменения свойств металла в зоне термического влияния могут быть уменьшены применением рациональных режимов резки. Так, глубина литого участка зоны влияния может быть уменьшена повышением напряжения режущей дуги, а глубина участка с измененной структурой — увеличением скорости резки. В то же время увеличение скорости сопровождается увеличением глубины литого участка.