2020-05-25
122Получение плазменной дуги. Если в электрическую дугу направить поток какого-либо газа, пропуская его через небольшое отверстие плазмообразующего сопла (рис. 1), то столб дуги будет сжат, причем образовавшаяся плазма представляет собой сильно концентрированный источник тепла с высокой температурой, достигающей 20000 - 30 000°С. Газ, сжимающий столб дуги, называют плазмообразующим. В качестве плазмообразующих газов применяют либо одноатомные газы (например, аргон), либо двухатомные (водород, азот). Применяют также смеси двух или нескольких газов и воздух.
Рис. 1. Схема плазменной резки: а - плазменной струей, б - плазменной дугой; 1 - разрезаемый лист, 2 - источник питания, 3 - осциллятор, 4 - реостат, регулирующий вспомогательную дугу, 5 - плазмотрон, 6 - плазменная дуга, 7 - плазменная струя; в - установка для резки: 1 - баллон с газом, 2 - источник питания, 3 - балластный реостат, 4 - плазмотрон Двухатомные плазмообразующие газы создают плазменную дугу с большим выделением тепла на аноде, чем одноатомные. Это объясняется тем, что двухатомные газы передают изделию больше тепла из столба дуги в результате образования молекул газа с выделением дополнительного тепла. Поэтому двухатомные газы обеспечивают дугу с большей длиной, но с более низкой температурой, чем одноатомные газы (аргон, гелий и др.)
Распределение температур плазменной дуги с одноатомным газом (аргоном) при токе 400 А и расходе газа 0,6 м3/ч показано на рис. 2.
Рис. 2. Распределение температуры в плазменной струе при силе тока дуги 400 А и расходе аргона 0,6 м3/ч
Сжатая дуга может быть аналогична сварочной дуге прямого и косвенного действия В первом случае одним из электродов служит обрабатываемый металл (рис. 1, б), во втором - дуга возбуждается между независимыми от него электродами (рис. 1, а). Соответственно принято называть сжатую дугу, полученную по первой схеме, - плазменной дугой, а по второй схеме - плазменной струей.
Для разделительной резки металлов более целесообразно применять плазменную дугу, так как установлено, что она имеет более высокий к. п. д., а плазматрон менее подвержен износу.
Плазменно-дуговая резка нашла широкое применение при обработке высоколегированные стали, алюминий, титан и их сплавы, медь и др.
Плазменно-дуговая резка заключается в проплавлении металла на узком участке по линии реза и удалении расплавленного металла струей плазмы, образующейся в дуге. Плазменная дуга применяется главным образом для разделительной резки.
Оборудование для плазменно-дуговой резки. В комплект оборудования для плазменно-дуговой резки входит резак (плазмотрон), пульт управления процессом, источник питания дуги электрическим током, баллоны с плазмообразующими газами и механизм для перемещения плазмотрона вдоль линии реза.
Резак состоит из двух узлов: электродного и соплового. Различают плазмотроны с осевой и вихревой подачей плазмообразующего газа для сжатия дуги. Осевая подача плазмообразующего газа применяется в широких соплах. При вихревой подаче плазмообразующий газ вводят в зону катода и столба по каналам, расположенным по касательной к стенкам дуговой камеры плазмотрона. При этом в камере создается вихревой поток газа со спиралеобразным движением. Вихревая подача плазмообразующего газа обеспечивает перемешивание газа в столбе дуги и равномерность газовой оболочки вокруг столба.
При осевой подаче конец электрода (вольфрамовый стержень диаметром от 2 до 6 мм и длиной до 100 - 150 мм) имеет форму заостренного стержня с углом 20 - 30°, а при вихревой - на конце электрода имеются сменные гильзовые катоды.
Для охлаждения плазмотронов применяют воду, а в плазмотронах небольшой мощности - сжатый воздух.
Вольфрамовый (или с примесью окислов лантана, иттрия, тория) электрод применяется для работы в инертных газах; при резке в окислительных газах электрод в зоне катода необходимо защищать неактивным газом.
Большое значение в плазмотронах имеет конструкция сопла. Чем меньше диаметр сопла и больше его длина, тем выше концентрация энергии, напряжение дуги и больше скорость потока плазмы; дуга становится жесткой, ее режущая способность увеличивается. Однако диаметр и длина сопла обусловливаются силой рабочего тока и расходом газа. Если диаметр сопла очень мал или длина его очень велика, может возникнуть так называемая двойная дуга (рис. 3), при которой режущая дуга распадается на две части: одна между катодом и внутренней частью сопла, а другая - между наружной поверхностью сопла и разрезаемым изделием. Двойная дуга может гореть одновременно с режущей, но она существует непродолжительное время и затем пропадает. Двойная дуга действует вне зоны защитного газа и от этого металл кромок загрязняется и подплавляется; двойная дуга может вывести из строя сопло формирующего наконечника. Чаще всего двойная дуга возникает в момент возбуждения режущей дуги. Режущая дуга возбуждается с помощью осциллятора или конденсаторными устройствами. Для предотвращения двойной дуги при зажигании режущей необходимо плавно увеличивать рабочий ток. Это достигается магнитным, тиристорным и другими устройствами.
Рис. 3. Схема двойной дуги: 1 - катод, 2 - сопло, 3 - металл, 4 - столб режущей сжатой дуги, 5 и 6 - столб двойной дуги на участках наконечник (сопло) - металл и катод - наконечник
Для плазменно-дуговой резки применяют источники питания дуги постоянного тока с крутопадающими вольтамперными характеристиками. При резке больших толщин (больше 80 мм) применяют только специальные источники питания с повышенным напряжением холостого хода.
Согласно ГОСТ 14935 - 691 выпрямители для плазменно-дуговой резки должны иметь напряжение холостого хода 180 - 500 В и ток 130 - 1000 А.
Технология плазменно-дуговой резки. Параметрами режима плазменно-дуговой резки являются: диаметр сопла, сила тока, напряжение плазменной дуги, скорость резки и расход газа. Плазмообразующий газ выбирают по характеру разрезаемого металла (табл. 1).
1. Выбор плазмообразующего газа в зависимости от условий резки
Выбор режима резки.
Диаметр вольфрамового катода равен диаметру формирующего сопла
Максимальные допускаемые толщины металла, разрезаемого плазменной дугой, даны в табл. 2.
2. Допускаемые максимальные толщины, мм, металлов, разрезаемых плазменной дугой
Б. Дуговая резка может выполняться дугой, горящей под флюсом, стальными покрытыми электродами и с участием какого-либо газа. Хорошее качество и более высокую производительность, чем другие способы, обеспечивает автоматическая дуговая резка проволокой марки Св-08 под флюсом, например, марки АН-348. При использовании проволоки диаметром 4 мм, напряжении дуги 42 - 44 В и рабочем токе 1200 А режут сталь толщиной 20 мм со скоростью 30 м/ч.
Стальными покрытыми электродами можно резать сталь толщиной до 15 мм, а угольными электродами - до 100 мм при рабочем токе порядка 1000 А.
При дуговой резке дуга расплавляет металл, а струя газа удаляет его из зоны реза. В качестве газа употребляют сжатый воздух, азот, кислород, аргон и их смеси.
Аргонодуговую резку неплавящимся электродом целесообразно применять для обработки листов толщиной до 5 мм из алюминия, меди и их сплавов, нержавеющей стали и других металлов.
Режимы кислородно-дуговой резки низкоуглеродистой стали стальными электродами следующие:
Воздушно-дуговая резка неплавящимся электродом основана на плавлении металла по линии реза дугой, горящей между угольным или графитизированным электродом и разрезаемым листом при непрерывном удалении жидкого металла струей сжатого воздуха. Этот способ применяют для разделительной и поверхностной резки.
В. Рез должен начинаться у какой-либо кромки изделия. При вырезке в изделии внутренних частей в металле, идущем в отходы, следует просверлить отверстие и от него начинать резку; тонкий металл (δ<10 мм) пробивают с помощью резака. Начало резки по контуру 1 (рис. 1, а) должно всегда находиться на прямой, что обеспечивает получение чистого реза на закруглениях. В контуре 2 начало резки может быть выбрано в любом месте, кроме углов. При вырезке фланцев (рис. 79, б) вначале вырезается внутренняя часть 1 в металле, идущем в отходы, а затем вырезается контур 2. Место начала резки внешнего контура 2 (рис. 4, б) следует выбирать таким образом, чтобы происходило легкое отделение металла, идущего в отходы.
Рис. 4. Приемы резки внутри контура изделия: а - начало резки, б - вырезка фланцев; 1, 2, 3, 4 - последовательность резов
Наружный контур 4 вырезается в последнюю очередь. Это обеспечит вырезку деталей с меньшими отклонениями от размеченных до резки контуров. Внутренние напряжения, имеющиеся в прокатном листе, искажают контуры реза. Их устранения достигают резкой по внутреннему контуру.
При резке со скосом кромки (рис. 2) поверхности реза не одинаковы по качеству. Поверхность " b " всегда лучше, чем поверхность " а ". Острый угол на поверхности " а " оплавляется сильнее, так как на нем концентрируется большая часть подозревающего пламени. Тупой угол поверхности " а " (нижняя кромка) омывается жидким шлаком и кислородной струей, вследствие чего также оплавляется. Поэтому лучше, если позволяет характер реза, располагать резак таким образом, чтобы была использована отрезанная часть с поверхностью " b ".
Рис. 2. Вид поверхностей (а, б) наклонного реза
Для подготовки скоса кромок под сварку можно одновременно резать двумя или тремя резаками, как это показано на рис. 5.
Рис. 5. Резка кромок одновременно двумя и тремя резаками: а - двумя резаками, б - тремя резаками
Вопросы:
1. Какая плазменная дуга является плазменной дугой, а какая плазменной струёй?
2. Для каких металлов и сплавов плазменную резку?
3. Какую плазменную дугу применяют для разделительной резки?
4. Что входит в состав оборудования для плазменной резки?
5. Что используют для охлаждения плазмотрона?
6. Когда может возникнуть двойная дуга?
7. Что является параметрами режима плазменной резки?
8. Какой толщины можно резать сталь стальными покрытыми электродами?
9. Какой толщины можно резать сталь угольными электродами?
10. Где должно находиться начало резки по контуру, для получения чистого реза на закруглениях?
