Раздел 3. Дуговая резка металлов

 

ГЛАВА6Дуговые методы резки

· 6.1. Кислородно-дуговая и воздушно-дуговая резка

· 6.2. Плазменно-дуговая резка

· 6.3. Плазмообразующие среды

· 6.4. Режущие плазмотроны

· 6.5. Технологические особенности резки

· 6.6. Оборудование для плазменно-дуговой резки

 

6.1Кислородно-дуговая и воздушно-дуговая резка

Сущ­ность кис­ло­род­но-ду­говой рез­ки зак­лю­ча­ет­ся в том, что меж­ду элек­тро­дом и раз­ре­за­емой за­готов­кой воз­бужда­ет­ся элек­три­чес­кая ду­га, ко­торая и осу­щест­вля­ет рас­плав­ле­ние ме­тал­ла. Уда­ление ме­тал­ла из зо­ны ре­за осу­щест­вля­ет­ся стру­ей кис­ло­рода или воз­ду­ха. При кис­ло­род­но-ду­говой рез­ке кис­ло­род пос­ту­па­ет в зо­ну ре­за по внут­ренне­му ка­налу ме­тал­ли­чес­ко­го элек­тро­да (рис. 6.1), пок­ры­того об­мазкой спе­ци­ально­го сос­та­ва.

Рис. 6.1.Схема кислородно-дуговой резки:
1 — источник электропитания; 2 — направляющая; 3 — электропривод; 4 — разрезаемый металл; 5 — электрод

Ру­ко­ят­ка го­рел­ки обес­пе­чива­ет за­креп­ле­ние элек­тро­да и по­дачу кис­ло­рода. Про­цесс на­чина­ет­ся с воз­бужде­ния ду­ги меж­ду элек­тро­дом и ме­тал­лом, за­тем в зо­ну ре­за по­да­ет­ся кис­ло­род, осу­щест­вля­ющий окис­ле­ние ме­тал­ла в зо­не ре­за и при­нуди­тельное уда­ление про­дук­тов ре­ак­ции из по­лос­ти ре­за. Ре­жущая струя кис­ло­рода по­да­ет­ся вслед за элек­тро­дом. Ре­жимы кис­ло­род­но-ду­говой ме­хани­зиро­ван­ной рез­ки ста­ли пред­став­ле­ны в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Режимы кислородно-дуговой механизированной резки сталей
Тол­щи­на ме­тал­ла, мм	Ди­аметр элек­тро­да, мм	Си­ла то­ка ду­ги, А	Рас­ход кис­ло­рода, м3, на 1 м дли­ны ли­нии ре­за	Ско­рость рез­ки, м/ч
10	4	100	0,1	30
15	4	170	0,13	28
20	4	180	0,16	26
30	5	220	0,29	22
40	5	240	0,37	17
50	5	260	0,4	12

Кис­ло­род­но-ду­говой рез­кой мож­но ре­зать уг­ле­родис­тые, ле­гиро­ван­ные, кор­ро­зи­он­но-стойкие ста­ли, чу­гун, цвет­ные ме­тал­лы. Рез­ку ве­дут труб­ча­тыми стальны­ми и ту­го­плав­ки­ми не­метал­ли­че­ски­ми (гра­фито­выми, угольны­ми) элек­тро­дами, а так­же обыч­ны­ми стальны­ми пок­ры­тыми элек­тро­дами на пос­то­ян­ном и пе­ремен­ном то­ке.

При под­водной кис­ло­род­но-ду­говой рез­ке при­меня­ют пла­вящи­еся и неп­ла­вящи­еся элек­тро­ды. Пла­вящи­еся элек­тро­ды из­го­тав­ли­ва­ют из стальных тру­бок на­руж­ным ди­амет­ром 8 мм, с тол­щи­ной стен­ки 2,0…2,5 мм, дли­ной 400 мм. На по­вер­хность труб­ки на­носят во­до­упор­ное пок­ры­тие, ко­торое поз­во­ля­ет опи­рать элек­трод на по­вер­хность ме­тал­ла, что обес­пе­чива­ет пос­то­ян­ное рас­сто­яние меж­ду элек­тро­дом и ме­тал­лом и ста­бильность го­рения ду­ги. Рас­ход элек­тро­дов при рез­ке вы­сокий (при­мер­но 1 шт./мин), по­это­му при рез­ке ме­тал­ла под во­дой при­меня­ют кар­бо­рун­до­вое пок­ры­тие, уве­личи­ва­ющее вре­мя ра­боты од­ним элек­тро­дом до 40 мин. При рез­ке на воз­ду­хе при­меня­ют по­лые угольные или гра­фито­вые элек­тро­ды, обес­пе­чива­ющие зна­чительную эко­номию ме­тал­ла по срав­не­нию с при­мене­ни­ем ме­тал­ли­чес­ких элек­тро­дов.

Воз­душно-ду­говую рез­ку ме­тал­лов вы­пол­ня­ют сплош­ным угольным или гра­фито­вым элек­тро­дом, за­креп­ля­емым в элек­тро­додер­жа­теле. В не­под­вижной губ­ке элек­тро­додер­жа­теля прос­верле­ны от­вер­стия для по­дачи воз­ду­ха па­рал­лельно оси элек­тро­да.

Раз­ли­ча­ют два ви­да воз­душно-ду­говой рез­ки: раз­де­лительную и по­вер­хностную. При раз­де­лительной рез­ке элек­трод уг­лублен в по­лость ре­за (рис. 6.2, а) под уг­лом к по­вер­хнос­ти раз­ре­за­емо­го ме­тал­ла 60…90°. При по­вер­хностной воз­душно-ду­говой рез­ке ду­га го­рит меж­ду кон­цом элек­тро­да и по­вер­хностью об­ра­баты­ва­емо­го ме­тал­ла, а элек­трод нак­ло­нен к по­вер­хнос­ти под уг­лом 30° в сто­рону, об­ратную нап­равле­нию рез­ки (рис. 6.2, б). Рез­ку вы­пол­ня­ют на пос­то­ян­ном то­ке об­ратной по­ляр­ности; при этом нап­ря­жение на ду­ге сос­тавля­ет 45…50 В, си­ла то­ка — 250…500 А (для от­дельных ре­заков — до 1600 А), ди­аметр элек­тро­да — 6…12 мм, дав­ле­ние воз­ду­ха — 0,4…0,6 МПа, рас­ход воз­ду­ха — 20…40 м³/ч, мас­са вып­лавля­емо­го ме­тал­ла — до 20 кг/ч.

Рис. 6.2.Схема воздушно-дуговой резки:
а — разделительная резка; б — поверхностная резка; 1 — электрододержатель; 2 — струя воздуха; 3 — электрод; 4 — разрезаемый металл

Кис­ло­род­но-ду­говые и воз­душно-ду­говые спо­собы раз­де­лительной рез­ки не обес­пе­чива­ют вы­соко­го ка­чес­тва по­вер­хнос­ти ре­за, по­это­му их при­меня­ют лишь в тех слу­ча­ях, ког­да не тре­бу­ет­ся вы­сокое ка­чес­тво по­вер­хнос­ти ре­за или име­ют­ся зат­рудне­ния с го­рючим га­зом.

Не­рав­но­мер­ность дви­жения элек­тро­да мо­жет при­водить при ог­ра­ничен­ном то­ке к ка­сани­ям элек­тро­да к ме­тал­лу, что вы­зыва­ет мес­тное на­уг­ле­рожи­вание ме­тал­ла. Со­дер­жа­ние уг­ле­рода по­выша­ет­ся на по­вер­хнос­ти ре­за так­же при ма­лом дав­ле­нии воз­ду­ха (до 392 кПа). При оп­ти­мальных па­рамет­рах воз­душно-ду­говой по­вер­хностной рез­ки зо­на с по­вышен­ным со­дер­жа­ни­ем уг­ле­рода на по­вер­хнос­ти ре­за не пре­выша­ет 0,06…0,08 мм. Для по­выше­ния плас­тичнос­ти ме­тал­ла по­вер­хнос­ти ре­за пос­ле воз­душно-ду­говой по­вер­хностной рез­ки ре­комен­ду­ет­ся об­ра­бот­ка ка­нав­ки шли­фовальным кру­гом на глу­бину до 0,5 мм.

На­ибольшее рас­простра­нение по­лучи­ла по­вер­хностная воз­душно-ду­говая рез­ка при вы­бор­ке де­фек­тов свар­ных швов, уда­лении де­фек­тов на стальных, чу­гун­ных и цвет­ных от­ливках. По­верх­нос­тная воз­душно-ду­говая рез­ка вы­соко­леги­рован­ной ста­ли и чу­гуна кон­ку­риру­ет с по­вер­хностной кис­ло­род­но-флю­совой рез­кой вы­соко­леги­рован­ных ста­лей и чу­гуна, так как при ее при­мене­нии не тре­бу­ют­ся флюс, го­рючий газ и кис­ло­род.

В ка­чес­тве ис­точни­ков то­ка для воз­душно-ду­говой рез­ки ис­пользу­ют сва­роч­ные пре­об­ра­зова­тели, вып­ря­мите­ли по­вышен­ной мощ­ности, ис­точни­ки пе­ремен­но­го то­ка с жес­ткой вольт-ам­перной ха­рак­те­рис­ти­кой. Это обес­пе­чива­ет ус­тойчи­вое ве­дение про­цес­са за­чис­тки в элек­тро­им­пульсном ре­жиме при то­ке си­лой до 2000 А.

Для по­дачи воз­ду­ха при­меня­ют ком­прес­со­ры про­из­во­дительностью до 20…30 м³/ч. На ли­нии по­дачи воз­ду­ха ре­комен­ду­ет­ся ус­та­нав­ли­вать вла­го- и мас­ло­от­де­лите­ли. Ка­чес­тво и про­из­во­дительность руч­ной воз­душно-ду­говой рез­ки во мно­гом за­висят от ква­лифи­кации рез­чи­ка, так как из-за не­рав­но­мер­ности по­дачи элек­тро­да во вре­мя рез­ки мо­жет из­ме­няться глу­бина ка­нав­ки.

 

6.2Плазменно-дуговая резка

Низ­ко­тем­пе­ратур­ная плаз­ма пред­став­ля­ет со­бой наг­ре­тый до 10000…50000°С элек­троп­ро­водя­щий газ, сос­то­ящий из по­ложи­тельно и от­ри­цательно за­ряжен­ных га­зовых час­тиц, со­дер­жа­щих­ся в рав­ных ко­личес­твах. Низ­ко­тем­пе­ратур­ную плаз­му для рез­ки по­луча­ют обыч­но в элек­три­чес­кой ду­ге, соз­да­ва­емой в спе­ци­альном инс­тру­мен­те — плаз­мотро­не, про­пус­кая че­рез не­го тех­ни­че­ские га­зы.

Раз­ра­бота­ны две схе­мы плаз­менно-ду­гово­го раз­ря­да: плаз­менная ду­га (рис. 6.3, а), воз­бужда­емая меж­ду ка­тодом плаз­мотро­на и об­ра­баты­ва­емым ме­тал­лом (ду­га пря­мого действия), и плаз­менная струя (рис. 6.3, б), воз­бужда­емая меж­ду не­зави­симы­ми от об­ра­баты­ва­емо­го ма­тери­ала элек­тро­дами (не­зави­симая ду­га). В обе­их схе­мах ду­говой раз­ряд воз­бужда­ет­ся в уз­ких ка­налах плаз­мотро­нов, ко­торые поз­во­ля­ют при от­но­сительно не­больших рас­хо­дах плаз­мо­об­ра­зу­ющей сре­ды по­лучать зна­чительные ско­рос­ти по­токов плаз­мы.

Сущ­ность про­цес­са плаз­менно-ду­говой рез­ки зак­лю­ча­ет­ся в рас­плав­ле­нии вы­соко­тем­пе­ратур­ным по­током га­зов ме­тал­ла в ог­ра­ничен­ном объеме с пос­ле­ду­ющим уда­лени­ем рас­пла­ва из по­лос­ти ре­за стру­ей.

Рис. 6.3.Схемы плазмообразования:
а — плазменная дуга; б — плазменная струя; 1 — газ; 2 — дуга; 3 — струя плазмы; 4 — обрабатываемый металл; 5 — наконечник; 6 — катод; 7 — изолятор

Тол­щи­на раз­ре­за­емо­го ме­тал­ла за­висит от мощ­ности ду­ги, и в пер­вую оче­редь от нап­ря­жения на ду­ге. На глу­бину про­реза­ния вли­яют ха­рак­те­рис­ти­ки ис­точни­ка то­ка, раз­ме­ры ка­налов ре­жущих сопл, сос­тав и рас­ход га­зов. Си­ла то­ка за­да­ет­ся та­кой, что­бы обес­пе­чить вы­деле­ние в стол­бе ду­ги элек­три­чес­кой мощ­ности, при ко­торой ин­тенсив­ность рас­плав­ле­ния ме­тал­ла со­от­ветс­тву­ет за­дан­ной ско­рос­ти рез­ки.

Срав­не­ние энер­ге­тичес­ких па­рамет­ров рез­ки плаз­менной стру­ей и плаз­менной ду­гой по­каза­ло, что эф­фектив­ная мощ­ность наг­ре­ва воз­раста­ет с уве­личе­ни­ем си­лы то­ка, рас­хо­да плаз­мо­об­ра­зу­ющих га­зов (до оп­ре­делен­но­го пре­дела), при­чем у плаз­менной ду­ги она зна­чительно вы­ше. Удельный теп­ло­вой по­ток в цен­тре пят­на наг­ре­ва при рез­ке плаз­менной ду­гой сос­тавля­ет 10⁸…10⁹ Вт/см², что на по­рядок вы­ше, чем при рез­ке плаз­менной стру­ей. Теп­ло­вой КПД плаз­менной ду­ги при оп­ти­мальных ре­жимах рез­ки сос­тавля­ет 70…80%, что на 10…30% вы­ше КПД наг­ре­ва ме­тал­ла плаз­менной стру­ей, по­это­му схе­ма рез­ки плаз­менной стру­ей при­меня­ет­ся лишь при рез­ке не­метал­ли­чес­ких ма­тери­алов и в ря­де слу­ча­ев при рез­ке тон­ко­го ме­тал­ла. На­ибольшее рас­простра­нение по­лучи­ла плаз­менно-ду­говая рез­ка.

При плаз­менно-ду­говом спо­собе рез об­ра­зу­ет­ся тре­мя раз­личны­ми учас­тка­ми плаз­менной ду­ги: стол­бом, анод­ным пят­ном и фа­келом (рис. 6.4), ко­торые име­ют раз­личную эф­фектив­ность наг­ре­ва ме­тал­ла, при­чем на­именьшая — у фа­кела. На­личие в стол­бе ду­ги трех раз­личных учас­тков с раз­ной эф­фектив­ной теп­ло­вой мощ­ностью вли­яет на ко­нус­ность ре­зов при плаз­менно-ду­говой рез­ке зна­чительно больше, чем при кис­ло­род­ной рез­ке.

Рис. 6.4.Схема строения плазменно-дугового разряда прямого действия:
1 — плазмотрон; 2 — разрезаемый металл; 3 — анодное пятно; 4 — столб дугового разряда; 5 — факел дуги; l ₁ — зона теплопередачи столба; l ₂ — зона скольжения пятен; l ₃ — зона теплопередачи факела

 

6.3Плазмообразующие среды

В ка­чес­тве плаз­мо­об­ра­зу­ющих сред при плаз­менно-ду­говой рез­ке ис­пользу­ют раз­личные тех­ни­чес­кие га­зы, ко­торые по сво­ему воз­действию на ка­тод под­разде­ля­ют­ся на не­ак­тивные (ар­гон, азот, во­дород) и ак­тивные (воз­дух, кис­ло­род). Плаз­мо­об­ра­зу­ющие сре­ды дол­жны обес­пе­чивать на­деж­ное за­жига­ние ду­ги и хо­рошую ста­били­зацию ду­ги, эф­фектив­ное пре­об­ра­зова­ние элек­три­чес­кой энер­гии в теп­ло­вую и на­ибо­лее рав­но­мер­ную пе­реда­чу энер­гии по тол­щи­не раз­ре­за­емо­го ме­тал­ла, от­сутс­твие неб­ла­гоп­ри­ят­но­го воз­действия на элек­трод и по­вер­хность раз­ре­за­емо­го ме­тал­ла.

На­чало раз­ви­тия плаз­менно-ду­говой рез­ки свя­зано с при­мене­ни­ем в ка­чес­тве плаз­мо­об­ра­зу­ющей сре­ды ар­го­на. Он обес­пе­чива­ет хо­рошую за­щиту вольфра­мово­го элек­тро­да, лег­ко и­они­зиру­ет­ся под действи­ем ду­гово­го раз­ря­да и не ока­зыва­ет вред­но­го воз­действия на ме­талл по­вер­хнос­ти ре­за. Од­на­ко ар­гон и дру­гие инер­тные га­зы яв­ля­ют­ся до­рогос­то­ящи­ми. Кро­ме то­го, они не мо­гут дис­со­ци­иро­вать в стол­бе ду­гово­го раз­ря­да, по­это­му не вы­деля­ют до­пол­ни­тельное ко­личес­тво теп­ло­ты в по­лость ре­за.

Ак­тивны­ми теп­ло­носи­теля­ми яв­ля­ют­ся двух- и тре­хатом­ные га­зы, по­это­му их при­меня­ют в ка­чес­тве до­бав­ки к ар­го­ну. До­бав­ка во­доро­да к ар­го­ну в ко­личес­тве 15…20% обес­пе­чива­ет уве­личе­ние про­реза­ющей спо­соб­ности ду­ги и про­из­во­дительнос­ти рез­ки. Дальнейшее по­выше­ние со­дер­жа­ния во­доро­да в сме­си при­водит к рез­ко­му по­выше­нию нап­ря­жения на ду­ге. Ар­го­ново­дород­ные сме­си при­меня­ют при рез­ке та­ких лег­ких ме­тал­лов, как алю­миний, маг­ний и их спла­вы. В прак­ти­ке плаз­менно-ду­говой рез­ки цвет­ных ме­тал­лов ши­роко ис­пользу­ют ме­нее до­рогос­то­ящие азо­тово­дород­ные сме­си. Ка­чес­тво ре­зов, вы­пол­ненных эти­ми сме­сями, нем­но­го ни­же, чем при ис­пользо­вании ар­го­ново­дород­ных сме­сей.

Про­цесс воз­душно-ду­говой рез­ки с ис­пользо­вани­ем в ка­чес­тве плаз­мо­об­ра­зу­ющей сре­ды сжа­того воз­ду­ха ши­роко при­меня­ет­ся при рез­ке конс­трук­ци­он­ных и вы­соко­леги­рован­ных ста­лей. Для по­выше­ния про­из­во­дительнос­ти рез­ки при­меня­ют так­же плаз­мо­об­ра­зу­ющие сре­ды с бо­лее вы­соким со­дер­жа­ни­ем кис­ло­рода, чем в воз­ду­хе, или чис­то кис­ло­род­ную смесь. Од­на­ко в этом слу­чае при­ходит­ся осу­щест­влять за­щиту элек­тро­да ка­ким-ли­бо не­ак­тивным га­зом (ар­го­ном, азо­том). В табл. 6.2 при­веде­ны ука­зания по при­мене­нию ря­да плаз­мо­об­ра­зу­ющих сред для рез­ки раз­личных ме­тал­лов. Об­щей за­коно­мер­ностью яв­ля­ет­ся ис­пользо­вание ак­тивных га­зовых сме­сей пре­иму­щес­твен­но для рез­ки чер­ных ме­тал­лов, а не­ак­тивных га­зов и их сме­сей — для рез­ки цвет­ных ме­тал­лов и их спла­вов.