Рационализация плазменной сварки

Очевидно, что не увеличивая ток дуги, существенно повысить скорость резки путем увеличения напряжения дуги за счет напряженности поля столба дуги Е, что достигается применением высокоэнтальпийных молекулярных плазмообразующих газов (N2, Н2, О2 и др.) и интенсивным обжатием столба, т. е. повышением плотности тока. Благодаря применению вихревой системы формирования столба плотность тока в сопле плазмотронов для резки может быть повышена до 100 а/мм2. При этом скорость резки увеличивается не столько за счет роста мощности дуги, сколько за счет уменьшения средней ширины реза и повышения КПД дуги благодаря уменьшению потерь в кромки. Закономерности изменения напряженности поля столба Е и плотности тока j при изменении состава и расхода плазмообразующего газа и диаметра сопла рассматривались ранее в главе "Плазменная дуга и ее свойства". Таким образом, с увеличением Е и j повышается как производительность, так и экономичность процесса плазменной резки, т. е. уменьшаются затраты электроэнергии и потери выплавляемого металла на погонный метр реза. Однако увеличение плотности тока можно производить до предела, ограниченного стойкостью сопла плазмотрона и определяемого из условий двойного дугообразованияПо мере увеличения толщины разрезаемого металла, особенно при толщинах свыше 60-80 мм, изменение плотности тока в сопле все меньше влияет на производительность резки, что объясняется ослаблением эффекта обжатия столба, спадом температуры и скоро
сти плазменной струи по мере удлинения столба дуги. При этом прирост мощности дуги за счет увеличения длины дуги недостаточен. Поэтому появляется необходимость резкого повышения тока Iд. С повышением тока увеличивается ширина реза и уменьшается коэффициент полезного использования мощности дуги, вследствие чего, несмотря на рост мощности при увеличении толщины металла, скорость резки падает и качество реза ухудшается [2]. Повышение тока дуги имеет пределы, определяемые из условий допустимой тепловой нагрузки на катод плазмотрона. В настоящее время предельная толщина нержавеющей стали, которая может быть разрезана, достигает 150 мм, алюминия — 250 мм. Кислородная резка углеродистых сталей значительно превосходит эти пределы. На практике максимальная величина тока при плазменной резке не превышает 1000 а, напряжение дуги — 300 в, скорость резки ~5 м/мин. Качество реза и скорость определяются не только энергетическими параметрами плазменной дуги, но и в значительной степени теплофизическими и химико-металлургическими свойствами плазмообразующих газов. В последнее время в качестве плазмообразующих сред используются природные или искусственные смеси, представляющие различные сочетания четырех основных газов: аргона Аr, азота N2, водорода Н2 и кислорода O2.
Благодаря высокой теплоемкости водород обладает максимальным теплосодержанием при сравнительно низкой температуре плазмы, а благодаря высокой теплопроводности позволяет получить наилучшие условия теплоотдачи мощности плазменного столба в металл, т. е. максимальный rjn. Поэтому при одинаковой мощности дуги скорость резки в водороде и в смесях на его основе выше, чем в других газах. Плазменная струя на основе водорода сохраняет высокую энергию газа на максимальной длине дуги. Поэтому резку в водородосодержащих смесях наиболее целесообразно применять для высоколегированных сталей больших толщин и высокотеплопроводных металлов, например, меди и алюминия [2] . Применение водорода обеспечивает получение чистой поверхности реза. Экономически наиболее выгодно применение дешевых водородосодержащих газов: аммиака, состоящего из 75% Н2 и 25% N2, или так называемого "смешанного" газа, являющегося исходным сырьем для синтеза аммиака. В отличие от чистого водорода аммиак взрывобезопасный, дешевый. Расход водородосодержащих смесей зависит от величины тока резки и составляет 2-4 м/ч. Однако водородосодержащие смеси имеют существенный недостаток. Вследствие высокой теплопроводности водорода даже при сравнительно небольших мощностях нарушается тепловая и электрическая изоляция сопла плазмотрона от столба дуги, что приводит к разрушению сопла. Нормальная работа сопла при использовании водородосодержащих плазмообразующих газов обеспечивается только тогда, когда к ним добавлено не менее 20% аргона. Предполагают, что вследствие термодиффузии аргон, как значительно более тяжелый по сравнению с водородом газ, скапливается у стенок сопла и, имея сравнительно низкую электрои теплопроводность, обеспечивает тепловую защиту сопла. К сожалению, эта защита не вполне надежна, так как малейшее отклонение столба от оси сопла приводит к разрушению последнего. Аргон дефицитный и дорогостоящий газ, используется и транспортируется в баллонах. Поэтому использование его даже в качестве примеси снижает экономичность процесса резки в водородосодержащих смесях. При резке углеродистых, нержавеющих сталей и алюминия средних толщин часто применяется технический азот. Качество плазменной резки в азоте несколько хуже, а скорость значительно ниже, чем в водородосодержащих смесях (вследствие меньшего теплосодержания азотной плазмы). Кроме того, наблюдается заметное повышение содержания азота в оплавленном слое кромок реза на глубине до 0,15 мм. Технический азот дешев, однако использование его в большинстве случаев также связано с необходимостью применения баллонов, что не всегда удобно. Наиболее простой и экономичной является созданная в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР аппаратура для которой — плазмотрон с циркониевым катодом специальной конструкции — работает на сжатом воздухе. Воздух является кислородосодержащим газом (78% N2 и 21% O2). Как видно из табл. 2, по своему теплосодержанию он близок к азоту. Максимальная теплопроводность его Хщах (при Т=7000°К) выше, чем Хтах водорода (при Т=3800°К). Поэтому воздушноплазменная струя обладает большей концент рацией энергии и более высоким ги по сравнению с водородной. При наличии кислорода в плазме тепло поступает в полость реза не только от дуги, но и вследствие теплоотдачи, возникающей в результате реакции окисления железа. Кроме того, при наличии кислорода наблюдается существенное уменьшение гратообразования на нижней кромке разрезаемого листа. Скорость воздушно-плазменной резки сталей в 1,5- 2,5 раза выше, чем скорость резки при использовании азота в качестве плазмообразующего газа. Качество реза повышается. Исследования показали, что при большем, чем в воздухе процентном содержании кислорода в смеси кислорода с азотом можно несколько повысить скорость резки. Однако с экономической точки зрения применение искусственной азотнокислородной смеси нецелесообразно. По предварительным подсчетам воздушноплазменная резка углеродистых сталей толщиной до 50 мм в полтора-два раза экономичнее по сравнению с газокислородной. Качество реза при воздушно-плазменной резке выше, почти полностью ликвидируется грат, уменьшаются деформации при резке тонколистовых материалов и полностью отпадает необходимость применения газов в баллонах. Воздушно-плазменную резку можно успешно применять для резки цветных сплавов, однако чистота поверхности реза получается несколько ниже, чем при резке водородосодержащих смесей. При толщине меди свыше 40- 50 мм, алюминия свыше 80-100 мм воздушноплазменная резка вследствие понижения скорости не может конкурировать с резкой в водородосодержащих смесях. Идеальной плазмообразующей средой, представляющей удачное и дешевое сочетание водорода с кислородом, является вода. Несмотря на продолжительные исследования, проведенные с целью определения целесообразности использования воды для резки, плазмотроны с водяной стабилизацией дуги в силу сложности и ненадежности в настоящее время еще не нашли широкого промышленного применения. Экономически наименее эффективным плазмообразующим газом является, дорогостоящий и малоэнтальпийный аргон. Однако благодаря низкому напряжению дуги он еще находит широкое применение при ручной разделительной резке цветных и легированных сталей малых и средних толщин, как самостоятельный газ или в смеси с техническим азотом.