Плазменная резка с использованием аргона, азота и их смеси с водородом

Чистый аргон применяют довольно редко, т. е. в основном для резки тонколистового металла.

Аргоно-плазменная резка приводит к появлению повышенной литой зоны и зоны термического влияния (ЗТВ) на кромках вырезанных деталей. Форма реза характеризуется большим скосом кромок и наличием на их нижней грани трудноотделимого грата. Это обусловлено тем, что тепло плазменной дуги реализуется в основном в верхней части полости реза, вследствие чего стекающие по стенкам продукты резки в нижней части реза почти не раскисляются: они недостаточно жидкотекучи и поэтому плохо удаляются газовой струей. Плазменная резка с применением аргона имеет характерной особенностью то, что эта плазмообразующая среда не требует высокого напряжения для возбуждения дуги и обеспечивает надежный устойчивый процесс. При этом применяется наиболее простой по конструкции плазмотрон с акисиальной подачей газа. Кроме того, аргоновая плазма по сравнению с другими средами заметно снижает образование вредных газов и аэрозолей. В связи с этим аргон чаще всего используется при ручной плазменной резке.

Азотно-плазменная резка находит большее применение. Скорость резки на азоте значительно выше, чем на аргоне. Азотная дуга обладает хорошей проплавляющей способностью. Ширина реза и наличие грата на кромках при использовании азота меньше, чем при применении аргона. При резке металлов малых толщин грат отсутствует.

Проведенные исследования показали, что с применением азота обеспечивается достаточно высокое качество резки нержавеющих сталей (особенно малых толщин). Качество резки алюминиевых сплавов и сплавов меди хуже, чем при использовании азотно-водородных смесей, но лучше, чем в аргоне. Азот по сравнению с аргоном сильнее взаимодействует с вольфрамовым электродом с образованием нитридов и окислов вольфрама и тем самым снижает его работоспособность (особенно при больших значениях силы тока). Так, при силе тока 200 А длина электрода за 1 ч непрерывной работы уменьшается на 0,4 мм; при силе тока 400 А длина электрода уменьшается соответственно на 1,1 мм; при увеличении силы тока до 500 А и выше разрушение вольфрамового электрода происходит еще быстрее.

Основная причина такого быстрого разрушения катода связана с тем, что применяемый технический азот не является достаточно чистым. Он может содержать до 1 % кислорода и более.

По сравнению с аргоном плазменная резка в азоте сопровождается интенсивным выделением бурого дыма и вредных газов — окислов азота, поэтому требуются интенсивная вентиляция или индивидуальные средства защиты газорезчика. С целью повышения эффективности использования азота для плазменной резки его предварительно подогревают. Подогрев газа до температуры 200—300˚С осуществляется в медной трубке, по которой его подают в камеру плазмотрона. С помощью термопары в зоне застоя газа определяют его температуру в зависимости от степени его нагрева (до возбуждения режущей дуги и после ее возбуждении).

Установлено, что при подогреве азота, подаваемого в камеру плазмотрона, обеспечиваются существенное увеличение производительности резки и улучшение качества кромок реза при ограниченных расходах азота. Предварительный подогрев газа способствует повышению давления в камере плазмотрона, что даже при сравнительно низких расходах его позволяет получить необходимую скорость истечения газа из канала сопла и обеспечить высокую кинетическую энергию столба плазменной дуги. Выполнение резки при малых расходах плазмообразующего газа повышает эксплуатационную надежность вольфрамовых электродов.

Для повышения энергетических параметров плазменной дуги аргон и азот используют в смеси с водородом. Большая часть водорода в дуге диссоциирует с поглощением тепла при относительно низкой температуре с образованием атомарного газа. Например, водород диссоциирует НА 90 % при температуре 4700 К, а азот - при 9000 К.

При последующей рекомбинации атомов водорода на стенках полости реза освобождается дополнительное тепло, заимствованное в нерабочих частях дуги (приблизительно 105 ккал).

В аргоноводородной смеси, содержащей до 35 % водорода, оказалось возможным резать алюминий и его сплавы, получая при машинной резке качественный рез с чистыми и ровными кромками, свободными от натеков и грата.

При использовании водорода требуется поддерживать высокое напряжение. Дежурную дугу возбуждают на аргоне, а при переходе на рабочий процесс включают водород. Во избежание расплавления сопла вспомогательной дутой силу тока ограничивают балластным сопротивлением в цепи электрод - сопло до 15- 20 А. Максимальная скорость резки при аргоноводородной плазме достигается при оптимальном значении расстояния между соплом и разрезаемым листом, равном 6-7 мм. Производительность резки нержавеющей стали при силе тока 300 А (плазмообразующая среда Аг 80 % + Н2 20 %) следующая:

При большей скорости резки происходит непрорезание металла. При скорости резки меньше оптимальных значений рез получается неровным, широким и с большими натеками. Это обусловлено тем, что вследствие несоответствия между скоростью резки и мощностью плазменной дуги избыточное количество тепла, выделяемое плазменной дугой, поглощается кромками реза и при перемещении дуги вокруг нее образуется область перегретого металла.

При применении аргоноводородной смеси уменьшается окисление и исключается прилипание частичек расплавленного алюминия и окислов к поверхности реза. Качество поверхности реза получается более высоким, чем при резке с использованием воздуха.

Добавка водорода в смесь тем эффективнее, чем больше толщина разрезаемых листов. Более того, толстые листы металлов с высокой теплопроводностью (медь, алюминий и их сплавы) вообще невозможно резать в аргоновых смесях, не содержащих водород, так как необходимые плотности тепловых потоков порядка 103 кВт/см для их резки возможно получить только при использовании водородосодержащих сред. При силе токл до 400 А скорость резки не зависит от того, какой применен состав газа — лргон с водородом или азот с водородом. При силе тока более 700 А скорость резки в аргоноводородной среде при тех же мощностях выше.

Смесь азота с водородом в настоящее время чаще всего применяется для резки алюминия, меди, их сплавов и высоколегированных сталей. Повышенное напряжение при резке обеспечивает более высокий уровень энергии при меньшем значении тока.

Качество кромок при резке малоуглеродистых и нержавеющих сталей в аргоно- и азотно-водородных смесях при соблюдении оптимальных режимов удовлетворительное. В случае резки в азотно-водородной смеси можно использовать кромки под сварку без дополнительной механической обработки. Однако, как правило, на нижней кромке реза стальных листов толщиной свыше 20 мм по всей длине возникает характерный валик (наплыв) округлой формы, который плохо поддается обработке. Применение для резки 50 %-ной смеси азота с водородом позволило почти полностью исключить появление наплывов на кромках листов толщиной 20—25 мм. Скос кромок, шероховатость поверхности, наличие грата на кромках зависят от состава плазмообразующей среды, а также от скорости резки, расстояния от плазмотрона до листа, величины тока.

Существенное влияние на процесс плазменной резки и качество кромок деталей оказывают конструктивные элементы плазмотрона, и в частности катодного и соплового узлов, а также способ подачи газа в полость сопла. При исследовании процесса резки алюминиевого сплава марки Д16 толщиной 25 и 60 мм подавался плазмообразующий газ — аргон + водород. Аргон подавался аксиально вдоль вольфрамового электрода, водород — тангенциально. При этом сила тока достигала 260—280 А, расход аргона составлял 0,13—0,23 л/с, водорода — 0,08—0,15 л/с. При работе плазмотрона дежурную и основную дугу возбуждали на аргоне, а после этого одновременно автоматически повышали силу тока и расход водорода. При уменьшении размера каналов для подачи аргона в 1,4 раза и увеличении каналов для поступления водорода примерно в 1,3 раза (при тех же расходах газов) скорость резки изменилась с 38,3 до 52,8 мм/с; качество поверхности реза улучшилось, уменьшился грат на кромках.

При аксиально-тангенциальной подаче плазмообразующих газов в прикатодную зону дуги положительное влияние на повышение скорости резки оказывает увеличение расстояния между электродом и каналом сопла. Увеличение прикатодного участка столба дуги приводит к возрастанию  мощности дуги за счет повышения напряжения При этом увеличивается объем газа в прикатодной камере вследствие подогрева, что приводит к снижению его расхода. Скорость резки и качество реза повышаются также при концентрации и увеличении кинетической энергии потока плазмообразующего газа за счет приближения завихрителя к каналу сопла.

Исследования показали, что при аксиально-тангенциальной подаче аргона и водорода с ростом толщины разрезаемого металла расход этих газов для получения оптимальных производительности и качества резки до определенных пределов следует уменьшать. Например, при резке металла толщиной 25 мм, силе тока 310 А и скорости резки 83,3 мм/с поток плазмы должен быть более «жестким», чем при резке металла толщиной 60 мм при силе тока 300 А и скорости резки 20,0 мм/с. Для толщины 60 мм более важны тепловые характеристики плазменной дуги, так как скорость плавления металла и его выдувание по сечению реза при одинаковом токе значительно ниже, чем при резке листа толщиной 25 мм. При резке металла толщи-ной 60 мм скорость растет с увеличением суммарного расхода аргона и водорода с 0,18 до 0,25 л/с, а затем при большем увеличении расхода падает. Напряжение при этом увеличивается со 130 до 150 В, а сила тока снижается с 300 до 280 А, мощность дуги возрастает с 39 до 42,8 кВ-А.

Первоначальное повышение скорости при увеличении расхода газов объясняется возрастанием степени обжатия и концентрации дуги. При дальнейшем увеличении расхода газов падение скорости резки связано с охлаждающим действием столба дуги газом (особенно водородом), которое происходит несмотря на повышение мощности дуги.

В настоящее время плазменная резка с использованием водорода ограничена, так как это связано с целым рядом трудностей. Водород взрывоопасен и легко воспламеняется, его не легко обнаружить, так как он не имеет запаха, транспортировка водорода затруднена. Наиболее доступным химическим соединением, содержащим водород, является природный газ, состоящий в основном из метана. Однако (как показали исследования) углерод, входящий в состав метана, оказывает отрицательное действие на электрод. Она образует с вольфрамовым электродом карбиды вольфрама, что приводит к довольно быстрому износу катода. Опыт использования химически связанного водорода показал, что газ, содержащий водород, должен подаваться в катодную область дуги. Например, в качестве водородной добавки используют «смешанный газ», который состоит из следующих компонентов: 19,8 % N2, 79,9 % Н2, 0,3 % СН4, или 24 % N2, 72—74 % Н2, 1,5 % СН4, 1 % С02, 0,03 % СО.

Смешанный газ содержит водород в несвязанном молекулярном виде, что особенно важно для выполнения основной функции плазмообразующего газа. Смешанный газ — основное сырье азотно-тукового предприятия. Он имеет низкую стоимость, транспортабелен, производится в большом количестве.

Исследования показали, что скорости и качество резки в аммиаке и при использовании смешанного газа получаются такие же, как и при применении азотно-водородных смесей в тех же соотношениях между азотом и водородом и при тех же расходах газа. При этом аммиак подается непосредственно в дуговое пространство плазмотрона, где он диссоциирует на исходные элементы — азот и водород.

Систематических исследований с использованием гелия в качестве добавки в плазмообразующую среду не проводилось. Однако на основе отдельных опытов можно иметь некоторое представление о свойствах дуги с использованием гелия. В аргоногелиевой дуге при силе токи 500 А была получена скорость резки медного листа толщиной 50 мм, равная 0,35 мм/с. При использовании чистого аргона такой лист разрезать не удалось. Это свидетельствует о том, что добавка гелия к аргону позволила повысить энергетические параметры дуги таким же образом, как и добавка водорода. Однако для ионизации гелия необходима высокая температура. А так как гелий имеет большую теплопроводность, то при высоких температурах могут произойти перегрев и расплавление сопла. В связи с этим гелий может быть использован в качестве добавки к аргону или азоту. По-видимому, наиболее целесообразно гелий использовать в смеси с аргоном для плазменной резки такого металла, как титан, для которого взаимодействием с водородом, азотом, кислородом является нежелательным.

Основным требованием при плазменной резке является обеспечение высокого качества кромок вырезаемых деталей при минимальных теплоэнергетических затратах. Одним из способов выполнения этих требований является создание более совершенной аппаратуры для плазменной резки, надежной в работе, обладающей меньшей электрической мощностью источников питания режущей дуги и плазмотронов с малыми диаметрами сопел. Для таких плазмотронов не требуются большие токи, поэтому скорость резки и толщина разрезаемого металла ограничены, хотя скорость значительно выше, чем при кислородной резке. Качество реза, получаемое при использовании аппаратов с такими плазмотронами, во многих случаях такое же или даже лучше по сравнению с автоматической кисло-родной резкой.

Выбор плазмообразующей среды определяется разрезаемым материалом, его толщиной, используемым оборудованием. В настоящее время зарубежными фирмами выпускаются самые различные аппараты для плазменной резки с токовыми параметрами от 50 до 750 А. Аппараты последних лет характеризуются широким разнообразием для резки на малых, средних и больших токах.

Первые аппараты разрабатывались и предназначались на большой диапазон разрезаемых толщин и обладали, как правило, большой мощностью. Резка металлов малых толщин с их использованием не обеспечивала необходимого качества. Новые аппараты предназначены для резки металла сравнительно небольшого диапазона толщин.

Рекомендуемыми плазмообразующими газами для плазменной резки сталей и цветных сплавов, по данным зарубежных фирм, являются в основном аргоно- и азотно-водородные смеси. Для резки сталей, по их мнению, следует применять для малых толщин аргоно-кислородную смесь, для средних и больших толщин—воздух, азот, азот + вода Для резки алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей рекомендуется применение аргоно-, азотно-водородных, аргоно-азотных смесей, а также азот+ вода.

Остались вопросы? Вы можете получить информацию по интересующим вопросам, связавшись с менеджерами нашей компании по телефону +7 951 895 82 77, по электронной почте info@inmet16.ruили отправив сообщение через форму обратной связи.