Плазменная резка

Плазменная резка была изобретена для того, чтобы можно было подвергать термической резке металлические материалы, которые невозможно было резать кислородной резкой. Главными областями применения были соответственно прежде всего высоколегированные хромо-никелевые стали, а также алюмииниевые материалы. Плазменная резка нелегированных материалов не стояла на первом месте, т. к. их можно было без проблем резать кислородной резкой. Однако принципиально большой интерес представляла плазменная резка тонких листов из нелегированных сталей:

-При этом методе деформация значительно ниже по сравнению с кислородной резкой.
-Скорость резки значительно выше, чем у кислородной резки.

Плазменные резы листов из StE 355; наверху - режущий газ - азот внизу - режущий газ - кислород

Рис. 1: Плазменные резы листов из StE 355;
наверху - режущий газ - азот внизу - режущий газ - кислород

В качестве проблемы при этом выявилось образование крепко сцепляемых шлаков. При разработанных прежде всего методах плазменной резки вольфрамовым электродом и с режущим газом азотом и, еще больше - с аргоно-водородными смесями часто образуется шлак, который, в отличие от кислородной резки не до конца окислен.Таким образом он приваривается к нижней кромке реза и удаляется с очень большим трудом. Водно-иньекционная техника с азотом в качестве режущего газа дала больше преимущества в форме меньшей предрасположенности к образованию шлаков.

Расстояние от поверхности реза (мм)

Рис. 2 Расстояние от поверхности реза (мм)

Предотвращение образования шлака или создание окисленного, легко удаляемого шлака оказалось легко доступным при применении кислородосодержащего режущего газа, рис. 1. Их применение предполагает другой материал электрода, т. к. вольфрамовые электроды для кислородосодержащих газов не подходят. Первым шагом в этом направлении была плазменная техника на сжатом воздухе с применением электродов из циркония, а позднее - из гафния. Хотя стойкость этих материалов значительно ниже, чем у работающих в инертном газе или даже в азоте вольфрамовых электродов, однако при соответствующем исполнении горелки технологическими средствами может быть достигнута еще вполне достаточная стойкость.

Влияние кислорода и азота в зоне кромок реза

Переход с сжатого воздуха к чистому кислороду приводит к еще большей нагрузке на электрод, однако при этом возникают различные технологические преимущества за счет исключения забираемого из сжатого воздуха азота.

Так еще больше уменьшается предрасположенность к образованию шлака, даже стали с большим содержанием кремния, например, более 0,2%, имеющие при использовании сжатого воздуха большую предрасположенность к образованию шлака, могут резаться без образования шлака. При применении кислорода также получаются более чистые поверхности реза, чем при сжатом воздухе, листов из StE 355; наверху - режущий газ - азот внизу - режущий газ - кислород
Содержание кислорода на различном расстоянии от от поверхности реза у разрезанных воздушной плазмой сталей (1).

 Для сварочно-технической последующей обработки существует еще одно значительное замечание. Азото-содержащие режущие газы делают возможным сильное поглащение азота в зоне кромок реза. При сварке таких кромок возможно значительное образование пор. Об этом писалось в /1/ относительно сварки под флюсом. Здесь видна зона толщиной<0,5 мм с сильно повышенным содержанием азота, рис. 2, и при сварке получается значительно повышенное порообразование, рис. 3.

Количество пор на 100 мм длины сварного шва у нелигированных стальных листов в зависимости от вида плазменного режущего газа по (1)

Рис. 3: Количество пор на 100 мм длины сварного шва у нелигированных стальных листов в зависимости от вида плазменного режущего газа по (1).  

На рис. 4 изображен сваренный под флюсом шов, на котором образовалось большое количество открытых пор за счет разрезанных сжатым воздухом кромок, из-за чего кромки перед сваркой пришлось зачистить.

Открытые поры на листе толщиной 6 мм (St 37-2), сваренного под флюсом; подготовка шва: воздушно-плазменная резка

Рис. 4: Открытые поры на листе толщиной 6 мм (St 37-2), сваренного под флюсом; подготовка шва: воздушно-плазменная резка.

Если, однако, при преобладающих электродуговых методах сварки, сварке МАГ до сих пор сравнительно редко возникали проблемы из-за пор, то решающими для этого были две причины:

- У сильно преобладающих раньше тавровых швов проблема пор не так выражена, как у стыковых швов.
- Для обеспечения точности кромки перед сваркой довольно часто шлифовались.

Сегодня, однако, также и при сварке МАГ все чаще возникают проблемы при сварке разрезанных сжатым воздухом листов, т. к. возрастает применение метода МАГ также и при сварке стыковых швов, а повышенная точность резов благодаря улучшенным современным установкам для плазменной резки часто делает возможной сварку без механической обработки кромок. Чтобы больше ограничить эту проблему была проведена большая серия опытов:

Материал: St 37-2
Метод: МАГ
Толщина листа: 3, 5, 8 мм
Шоб: I- и Т-образные
Подготовка:
Шлифованные кромки
Кислородная резка
Плазменная резка при помощи
- O2
- Н2
- Ar/N2
- сжатого воздуха

Рентгенный контроль не дал у тавровых соединений значительных отличий. В отличие от этого при сварке стыковых соединений выявились явные отличия, таблица 1.


Таблица 1: Поробразование при сварке МАГ нелегированной стали (стыковое соединение, толщина листа 5 мм) в зависимости от вида подготовки сварочных кромок.

Различное порообразование в зависимости от вида стыка объясняется значительно меньшим расплавлением насыщенных азотом частей поверхности у тавровых швов по сравнению со стыковыми швами: очевидно в тавровом соединении насыщение расплава азотом настолько ограничено, что граница растворимости азота при застывании еще не значительно превышена. Однако здесь тоже принципиально надо исходить из повышенной предрасположенности к порообразованию.
Дальше были проведены исследования в зоне кромок реза на листе толщиной 6 мм из St 37-2 со следующими вариантами:
- кислородно-плазменная резка
- воздушно-плазменная резка

Рис. 5: Снимки поверхностей 1 реза, сделанные растровым электронным микроскопом а) воздушно-плазменная резка б) кислородно-плазменная резка

На рис. 5 изображены снимки соответстствующих макрошлифов, сделанные растровым электронным микроскопом. На кислородно-плазменном резе видна байнитная структура и ограниченная зона закала. В отличие от этого у воздушно-плазменного реза к "нормальной" для термических методов резки байнитной структуре взонетемпературно-го воздействия добавляется неструктурированный двойной слой, на котором виден сильный закал. На верхнем слое много пор, раковин и микротрещин. Очевидно этот слой состоит из оставшегося расплава, который не был выбит из реза режущей струей.
Как сильный закал, так и образующиеся вследствие его трещины объясняются нитрированием. Температура плазменной дуги настолько велика, что большая часть азота находится в атомарном состоянии и поглаща-ется оставшимся на поверхностях реза расплавом - в отличие, например, от применения азота в качестве защиты корня при сварке ВИГ, где поглащение не зафиксировано /2/

Рис. 6: Установка для подводной резки двумя 260-амперными горелками.



Этим нитрированием кромок реза очевид-но можно также объяснить различную усталостную прочность разрезанных азотной и кислородной плазмой кромок: как показало новое, еще не опубликованное исследование в овласти судостроения, значения усталостной прочности у разрезанных кислородной плазмой листов значительно выше, чем у разрезанных азотной плазмой /3/.

Таблица 2: Производительность установки для кисло-родно-водно-иньекционной плазменной резки (St 37-2)
3. Экономическое сравнение с другими термичесими методами резки.

На рис. 6 показана установка для плазменной резки с двумя 260-амперными горелками при работе под водой. В таблице 2 приведены приведены параметры резки для нелегированных сталей. У толщины листов до 20 мм возможна полностью безшлаковая резка. При толщине листа 25 мм хотя и появляется грат, но его таже легко удалить, как и при автогенной резке. На рис.7 показаны затраты при резке на этой установке в зависимости от толщины листа.

Рис. 7: Составные части затрат (ориентировочные значения) при кислородно-водно-иньекционной плазменной резки двумя горелками.


Интересным является сравнение кислородно-плазменной резки с одной стороны с лазерной и автогенной резкой с другой стороны. Исходя из принципиальных возможностей резки различных толщин разными методами, рис. 8, сравнение в диапазоне толщины до 10 мм особенно важно с лазерным методом, а в диапазоне более 10 мм толщины листа - с автогенной резкой.

Рис. 8: Диапазоны толщин для резки различными термическими способами



Рис. 9 показывает мощность резки для
- 200 А кислородно-плазменной сухой резкой
- резка лазером 1 кВт
- автогенная резка
(12 бар высокопроизводительное сопло, ацетилен).
Рис.9: Диапазоны скорости и мощности резки различных термических способов резки в зависимости от толщины листа для нелегированной стали

Естественно, сравнение затрат возможно только в очень условном виде, т. к. условия на конкретных предприятиях, например, в отношении гаммы толщин листов, вида разрезаемых деталей и различных требований к качеству могут очень сильно различаться. Для экономичности очень важно количество применяемых горелок. Здесь надо исходить из стандартного оснащения режущими головками, как это является обычным для практики: одна режушая головка на установку при лазерной резке, две - при водяной плазменной резке и четыре - при кислородной резке.

Структура затрат в принципе у всех методов похожа, поскольку она образуется из преобладающей доли отнесенных к рабочему месту, т. е. ко времени затрат, состоящих из амартизационных затрат на установку и зарплаты рабочих, в то время как затраты на расходные материалы значительно ниже. Затраты на расходные материалы образуются с одной стороны из рабочих газов, а с другой -быстроизнашивающихся деталей, которые при плазменной резке должны быть учтены в виде сопл и электродов, в то время как при лазерной резке, и в общем при автогенной резке, износ при рассмотрении общих затрат, как это здесь необходимо, он может остаться неучтенным. Типичные для разных методов почасовые затраты не очень сильно отличаются друг от друга, при кислородной резке -между 100 и 150 марками ФРГ, при плазменной резке -между 150 и 200 марками ФРГ, а при лазерной резке около 300 марок ФРГ. Однако, если учесть количество режущих головок, почасовые затраты будут различаться гораздо значительнее, таб.З.

Таблица 3: Машинные почасовые затраты при различных термических методах резки (ориентировочные значения).

Если оставить в стороне вопросы качества, то плазменная резка выигрывает с точки зрения затрат перед кислородной при толщине примерно до 15 или 20 мм. Лазерная резка при оценке только производительности не дает никаких преимуществ по затратам по отношению к кислородно-плазменной резке.Но именно это ясно показывает, что с точки зрения одной производительности могут быть сделаны только определенные ориентировочные соображения.

Преимущество лазерной резки лежит в области качества. Если должны производиться детали с большим количеством сложных резов, рис. 10, абсолютная способность лазера производить угловые резы при наименьшей тепловой деформации является решающим преимуществом.

 Рис. 10: Лазерные резы на листах из нелегированной стали: вверху: лист толщиной 2 мм внизу: лист толщиной 10 мм

Здесь плазменная резка однозначно отстает, т. к. она создает закругления кромок. Эти закругления могут быь настолько большими, что здесь уже обладает преимуществом автогенная резка, рис. 11.

Рис. 11: Различные закругления кромок у автогенной (вверху) и плазменной резки (внизу), обусловленные более большим инерционным выбегом режущей струи при плазменной резке.


В целом надо сказать, что в диапозоне толщин примерно до 20 мм кислородно-плазменная резка представляет интерес особенно для таких деталей, которые не имеют слишком маленьких радиусов. Нижняя граница применения лежит при 2...5мм.

Заключение.

Технологические преимущества кислородной техники позволяют ожидать в будущем более широкое применение, чем до сегодняшнего дня. При разработке установок важным является повышение стойкости электродов. В то время как сегодня во многих случаях сопла могут работать в течение одной смены, электроды при большой продолжительности включения около 70%, возможной благодаря технике с числовым управлением необходимо заменить несколько раз за смену. Последние разработки дают надежду, что здесь возможен дальнейший прогресс.

Рис. 12: Преимущества плазменной резки


С помощью систем плазменной резки можно резать все токопроводящие металлы, как то:
□ конструкционную сталь
□ легированную и теплоустойчивую сталь
□ алюминий и его сплавы
□ медь и цинковые сплавы, титан

Рис. 13: Применение плазменной резки


Узкоструйной плазменной резкой был закрыт значительны с технологической и экономической точки зрения пробел между двумя известными способами резкитонких-листов-лазерной и воздушно плазменной резкой. С применением кислорода в качестве плазменного газа узкоструйная плазма производит резку:

ПРОЦЕСС ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ
При плазменной резке материал в отличии от кислородной резки не сгорает, а расплавляется. Плазма возникает между электродом в резаке и проводящей электричество деталью. Для этого зажигается дуга, ионизирующая подводимый режущий газ. Плазменный луч разогревается до более ЗОООО К, разжижает материал и выбивает его за счёт своей кинетической энергии из места реза. Плазменная резка находит применение при качественных и разделительных резах на всех электропроводящих материалах. При столкновении резака, например, с выступающей вырезанной деталью, специальная система аварийного отключения защищает резак от повреждения.
ПОДВОДНАЯ ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА.
При водно-инъекционной плазменной резке [WIPC] вода впрыскивается в сопло резака, где она производит дополнительное уплотнение дуги. Это увеличивает плотность энергии дуги, а вместе с ней и скорость резки и точность реза. При резке деталь полностью находится в воде, при этом пыль улавливается водой, значительно уменьшается шумовая нагрузка и деталь не подвергается тепловой деформации. Регулировка высоты резака при подводной плазменной резке производится по дуге с механической индуктивной системой нахождения первоночальной высоты.
СУХАЯ ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА
При сухой плазменной резке применяется ёмкостная система регулировки высоты резака, а при повышенных требованиях  - регулировка по дуге.
Пыль и газы отводятся через вытяжной стол при помощи комбинированных фильтро-вентиляционных систем.

Рис. 14: Механизм плазменной резки