В чем состоит сущность технологии и процесса плазменной резки металлов?

Плазма — это четвертое, наиболее распространенное в природе состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, который содержит электроны, положительно заряженные ионы, нейтральные и возбужденные атомы и молекулы. Гигантскими сгустками плазмы являются Солнце и звезды. Внешняя поверхность земной атмосферы покрыта плазменной оболочкой— ионосферой. В земных природных условиях плазма наблюдается при темных, тлеющих и дуговых (молния) разрядах в газах. В практической деятельности человека плазма используется в светотехнике (неоновых лампах, лампах дневного света, электродуговых устройствах), а также при электросварке, плазменной резке, плазменной наплавке и в других технологических процессах.
Различают два рода плазмы: изотермическую, возникающую при нагреве газа до температуры достаточно высокой, чтобы протекала термическая ионизация газа, и газоразрядную, образующуюся при электрических разрядах в газах. Физические явления в процессе перехода вещества в состояние плазмы можно проследить на примере образования изотермической плазмы.
С повышением температуры возрастает кинетическая энергия и увеличиваются амплитуды колебаний атомов и молекул твердого вещества, расположенных в углах его кристаллических решеток, до разрушения последних и перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состояние. В результате получается газообразная смесь из атомов и молекул элементов, входящих в состав вещества, которые быстро и беспорядочно движутся испытывая случайные столкновения друг с другом.

Плазменная дуга

С повышением температуры возрастает кинетическая энергия и увеличиваются амплитуды колебаний атомов и молекул твердого вещества, расположенных в углах его кристаллических решеток, до разрушения последних и перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состояние. В результате получается газообразная смесь из атомов и молекул элементов, входящих в состав вещества, которые быстро и беспорядочно движутся испытывая случайные столкновения друг с другом.
С повышением температуры до 3000—5000 К заканчивается диссоциация молекул на атомы и начинается процесс перехода газа в состояние плазмы. При этой температуре кинетическая энергия атомов достигает значений, при которых в результате столкновений начинают разрушаться их внешние электронные оболочки, и нейтральные атомы, лишенные электронов на внешних оболочках, превращаются в положительно заряженные ионы. Освободившиеся электроны, в свою очередь, также выбивают электроны с оболочек других атомов, и процесс протекает лавинообразно. В результате в газе (кроме нейтральных атомов) появляются положительные ионы и свободные отрицательно заряженные электроны, оторванные от атомов. С увеличением температуры доля ионов и электронов в этой смеси быстро возрастает. При температуре в несколько десятков тысяч градусов подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована и нейтральные атомы практически отсутствуют.
По мере повышения температуры растет доля ионизированных атомов в водороде, а при температуре более двадцати — тридцати тысяч градусов не остается примеси нейтральных атомов. Для водорода, атом которого состоит из ядра и одного электрона, при этой температуре достигается не только полная ионизация газа, но и заканчивается процесс ионизации атомов, так как все ядра потеряли свои электроны и плазма представляет собой смесь из положительно заряженных ядер атомов и не связанных с ними отрицательно заряженных электронов.
Атомы веществ с большим, чем у водорода, атомным весом имеют большее количество электронных оболочек и электронов, а также соответственно более прочные связи электронов внутренних оболочек с атомным ядром. В связи с потерей всеми атомами электронов с внешних оболочек при температуре в двадцать — тридцать тысяч градусов процесс ионизации не заканчивается. Достигается лишь полная ионизация газа и плазма состоит не из электронов и свободных от них ядер атомов, а из свободных электронов и ионов, имеющих еще связанные с ядрами электроны на сохранившихся внутренних оболочках.
При давлении газа, равном и выше атмосферного, а также при соответствующих разности потенциалов и силе тока возникает газовый разряд в виде электрической дуги. Электрическая дуга может иметь место в любом газе при наличии силы тока, достаточной для пробоя газового промежутка между электродами. Разрядные явления сосредоточены в узком и ярко светящемся канале (столб дуги), который идет от одного электрода к другому и принимает форму дуги под действием конвекционных потоков газа, нагреваемого разрядом.
Основными элементами электрической дуги, отличающими ее от других видов разрядов в газах, являются светящийся столб дуги, ярко светящиеся катодное и анодное пятна, при подходе к которым столб дуги суживается. Температура газа в столбе электрической дуги при атмосферном давлении равна 5000 — 6000 К, она повышается по мере повышения давления и уменьшения в связи с этим площади поперечного сечения столба дуги. Газ в столбе дуги находится в состоянии плазмы.
Высокая температура, сконцентрированная на малой площади, делает электрический дуговой разряд незаменимым источником тепловой энергии во всех современных способах электросварки, плазменной резки и в других технологических процесса, требующих высокой концентрации тепловой энергии.
Различают открытые, т. е. свободно горящие, электрические дуги и так называемые сжатые, т. е. плазменные, дуги, имеющие развитый столб дугового разряда с интенсивным плазмообразованием.
Открытые дуги используют для сварки. Это электрическая дуга в её естественном состоянии, используемая без применения специальных мер для интенсификации её воздействия на обрабатываемый материал.
Плазменная дуга (в отличие от открытой) является результатом сочетания электрической дуги и специальных мер, направленных на интенсификацию ее воздействия на обрабатываемый материал.
К первой из указанных мер относится обжатие столба дуги струей газа с целью уменьшения площади его поперечного сечения, что приводит к резкому повышению температуры дуги. Второй мерой является превращение в плазму газа, подаваемого для обжатия дуги.
В связи с этим плазменная дуга формируется в специальном устройства — плазмотроне, состоящем из двух основных элементов электрода и формирующего сопла, через канал которого пропускается столб электрической дуги вместе с плазмообразующим газом, подаваемым под определенным давлением. При этом в установившейся дуге различают несколько характерных однородных участков разряда. На поверхности электрода расположена катодная область. Между катодной областью и верхним срезом цилиндрической части отверстия сопла расположен участок, называемый закрытым столбом. Этот участок находится в относительно спокойном потоке холодного газа. Между входным и выходным срезами внутри сопла расположен участок столба, который подвергается сжатию холодными стенками канала сопла. Между нижним срезом сопла и верхней плоскостью разрезаемого листа находится открытый столб дуги, стабилизированный соосными потоками собственной плазмы и оболочкой более холодного газа. В полости реза (между верхней плоскостью разрезаемого листа и анодной областью) расположены рабочий участок дуги, а также плазменная струя и факел плазмы.

Пол воздействием стенок канала сопла и струи плазмообразующего газа столб дуги сжимается, его поперечное сечение уменьшается, вследствие чего температура плазмы в центральной части столба дуги повышается до 10 000—50 000 К (в зависимости от степени обжатия, состава и расхода плазмообразующего газа). В результате внутренний слой газа, соприкасающийся со столбом дуги, превращается в плазму, а наружный слой, омывающий стенки канала сопла, остается сравнительно холодным, образуя изоляцию (электрическую и тепловую) между потоком плазмы и каналом сопла. Являясь электрическим изолятором, этот охлажденный слой газа препятствует отклонению столба дуги от заданного направления и замыканию его на стенку канала сопла, а также внутри полости реза на некотором расстоянии от верхней поверхности листа.

Различают плазменные дуги прямого и косвенного действия.
В дуге прямого действия в качестве анода используется разрезаемый металл, что обусловлено стремлением иметь для резки высокую температуру анодного пятна.
В этом случае разрезаемый металл, выполняющий функции анода, является токоведущим элементом и плазменная струя, истекающая из сопла плазмотрона, совмещена со столбом дуги по всей его длине, начиная от входного среза канала сопла и кончая анодным пятном на фронтальной поверхности полосы реза. В результате тепловая энергия вводится в разрезаемый металл струей плазмы, столбом дуги и электронным потоком в столбе дуги, бомбардирующим анодное пятно. Вследствие действия перечисленных факторов эффективный КПД прямой плазменной дуги составляет 60—70%. К недостатку дуги прямого действия следует отнести невозможность обработки не проводящих электрический ток материалов.
Дуга косвенного действия возбуждается и горит между электродами, которые не связаны с обрабатываемым материалом. Катодом служит электрод плазмотрона, а в качестве анода используется его формирующее сопло. Объект обработки не включен в электрическую цепь. Столб дуги расположен внутри плазмотрона, начинаясь на электроде и заканчиваясь анодным пятном на внутренней поверхности канала сопла. Под действием давления плазмообразующего газа, подаваемого в камеру плазмотрона, столб дуги проходит через канал сопла, а анодное пятно перемещается по его внутренней поверхности лишь до выходного среза канала сопла плазмотрона. В связи с этим плазмообразующий газ и его плазма лишь на коротком участке (протяженностью от конца электрода до выходного среза канала сопла плазмотрона) контактируют со столбом дуги, а затем существуют независимо от него. Этот вид резки называется резкой плазменной струей, так как нагревание изделия осуществляется только воздействием тепла плазменной струи. Вследствие этого температура и скорость истечения струи плазмы по мере удаления от выходного среза сопла резко уменьшаются и КПД нагрева изделия при использовании дуги косвенного действия не превышает 30—40%. Плазменную струю используют при обработке не проводящих электрический ток материалов и для резки металлов небольшой толщины.
В технике плазменной резки применяются две системы стабилизации и обжатия столба дуги осевая и вихревая, отличающиеся одна от другой направлением подачи плазмообразующего газа в дуговую камеру плазмотрона, где начинает формироваться дуга.
При осевой (или аксиальной) системе газ подается вдоль продольной оси электрода, охлаждает его и выходит через канал сопла, обжимая в нем и за его пределами столб дуги. В плазмотроне с осевой системой стабилизации электрод участвует в формировании дуги и поэтому имеет форму стержня с заострением на конце, чтобы обеспечить точное совпадение оси столба дуги с осью канала сопла, а также равномерность толщины газовой оболочки, обжимающей столб дуги в канале сопла. В связи с этим требования к точности обеспечения соосности электрода и канала сопла очень высокие. Это является недостатком осевой системы стабилизации.
При вихревой системе стабилизации газ поступает в дуговую камеру по каналам, продольные оси которых расположены по касательным к окружности поперечного сечения дуговой камеры, или по каналам винтообразной формы. Вследствие эгого газ в камере движется по спирали, охватывая столб дуги вихревым потоком. При этом катодное пятно и столб дуги автоматически и точно фиксируются в точке пересечения оси канала сопла с поверхностью катода, что позволяет применять электроды с плоской или другой формой рабочей поверхности. Возрастет стойкость сопла за счет обеспечения равномерности толщины газовой оболочки, обжимающей столб дуги в камере и в канале сопла.
Для выяснения природы явлений, имеющих место при расплавлении металла в полости реза плазменной дугой, и разработки мер, обеспечивающих получение реза требуемого качества при наибольшей производительности процесса, выполнены исследования, в результате которых выявлено влияние на форму фронтальной и боковых поверхностей реза вертикальных перемещений анодного или катодного пятен, перемещении расплавленного металла в полости реза, вида плазмообразующего газа, применяемой полярности тока и других факторов.
При резке плазменной дугой прямого действия имеется три источника тепла: пятно дуги, столб дуги и струя плазмы. Каждый из них вносит свою долю тепла либо по всей высоте реза, либо на отдельных ее участках. При этом изменение формы фронтальной поверхности реза по высоте отражает распределение количества вводимого тепла по высоте полости реза. При резке только плазменной струей форма фронтальной поверхности по высоте полости реза изменяется по экспоненциальному закону. При резке же дугой прямого действия в верхней части фронтальной поверхности обычно имеется углубление, что свидетельствует о вводе тепла в данном районе за счет дополнительного действия анодного пятна.
Посредством измерения яркости дуги по высоте реза и анализа полученных значений установлено, что частность расположения пятна в верхней части реза выше, чем в нижней. Верхнее предельное положение пятна ограничено верхней кромкой полости реза, а нижнее — непрерывно меняется в пределах толщины листа. Поэтому среднестатистическое положение пятна смещено к верхней части полости реза и проплавление здесь больше, чем в нижней части. Этим объясняется появление выемки во фронтальной поверхности реза.

Вся полость реза может быть разбита на три участка по высоте. Первый (верхний) участок характеризуется тем, что плавление основного металла осуществляется в основном за счет теплоты, поступающей из столба дуги. Второй участок, расположенный в средней части толщины листа, является основной областью распространения пятна. На этом участке основной металл плавится
за счет энергии столба дуги и энергии пятна. Добавлением энергии пятна объясняется некоторое выдвижение вперед этого участка по сравнению с первым. При прямой полярности пятно существует в основном в центральной части фронтальной поверхности и может занимать довольно широкую область, составляющую от 0,3 до 0,6 толщины разрезаемого листа. На третьем (нижнем) участке плавление металла по фронтальной поверхности осуществляется в основном за счет тепла, которое несет высокотемпературная плазменная струя. По мере уменьшения количества тепла, поступающего из высокотемпературной плазмы, форма фронтальной поверхности реза становится все более покатой.

При использовании азота область распространения пятна наиболее широкая. Скорость резки оказывает влияние как на расположение области распространения пятна по толщине листа, так и на ее ширину. Это происходит по той причине, что при малой скорости перемещения плазмотрона имеется время для нагревания до температуры плавления и расплавления металле на достаточно большом расстоянии от оси сопла плазмотрона до верхней кромки фронтальной поверхности реза. Вследствие этого толщина изолирующего газа в верхней части реза достаточно велика, чтобы обеспечить изоляцию, необходимую для перемещения пятна вниз до нижней поверхности разрезаемого листа. Качество реза будет хорошее, но производительность процесса низкая. При увеличении скорости резки толщина слоя изолирующего газа в верхней части полости реза уменьшается и пробой изоляции наступает при меньшем напряжении в столбе дуги, т. е. соответственно при меньшем перемещении пятна вниз по толщине листа внутри полости реза. Полученная картина не меняется при изменении величины электрического тока, типа плазмообразующей среды и свойств основного металла.

Из изложенного выше можно предположить, что перемещение пятна вниз зависит от напряжения пробоя изоляции, создаваемого слоем газа между фронтальной поверхностью полости реза и столбом дуги, а также от напряжения в столбе дуги. Особенно большое влияние оказывает первый фактор, зависящий от скорости протекания газа, скорости резки и оn свойств плазмообразующей смеси.
Установлено, что характер перемещений анодного пятна внутри полости реза влияет не только на форму фронтальной поверхности, но и боковых стенок полости реза, т. е. на форму кромок вырезаемых деталей. Характер перемещения анодного пятна влияет и на поведение расплавленного металла в полости реза. В результате исследований выяснилось, что несмотря на очень высокую скорость вылетающего из сопла плазменного потока, в верхней части реза, т. е. в месте пятна, имеют место перемещения расплавленного металла, направленные из центральной области фронтальной поверхности в сторону линии затвердевания. За счет этого происходит выплавление основного металла и выброс его из полости реза.
Перемещение расплавленного металла по боковой поверхности в верхней части полости реза, объясняется действием сил поверхностного натяжения, появляющихся вследствие большой разности температур в центральной части фронтальной поверхности и на участке затвердевания, где объем металла уменьшается. При этом чем выше локальная плотность вводимого тепла, тем больше составляющая потока расплавленного металла, направленная к боковым стенкам реза. В связи с этим на участке, являющимся областью существования пятна, расплавленный металл в большей степени перемещается в направлении поверхности затвердевании. Поэтому снижается разность температур между центральной частью фронтальной поверхности и участком затвердевания на боковой поверхности. Это приводит к ослаблению сил поверхностного натяжения, в результате чего на данном участке расплавленный металл большей частью стекает вниз. На участке ниже точки, где еще более снижена плотность вводимого тепла и становится значительным изменение угла наклона центральной части фронтальной поверхности полости реза в результате изменения направления потока газа, снова увеличивается составляющая потока расплавленного металла к боковым стенкам реза. В результате этого образуется поток расплавленного металла, направленный к линии затвердевания.
Из вышеизложенного следует, что характер распределения анодного пятна в значительной степени влияет и на форму боковых поверхностей полости реза.

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

Чистый аргон применяется 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 среза 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. Характерной особенностью резки с применением аргона является 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. используется
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 но лучше чем в аргоне. Азот по сравнению с аргоном сильнее взаимодействует с вольфрамовым электродом с образованием нитридов и окислов вальфрама и тем самым снижает его работоспособность (особенно при больших значениях силы тока). Так, при силе тока 200 А длина электрода за 1 час непрерывной работы уменьшается на 0,4 мм; при силе тока 400 А длинна электрода уменьшается на 1,1 мм.

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 сильным выделением бурого дыма и вредных газов — окислов азота, поэтому тре6уются интенсивная вентиляция или индивидуальные средства защиты газорезчика. С целью повышения эффективности использования азота для плазменной резки его предварительно подогревают. Подогрев газа до температуры 200 — 300о С осуществляется в медной трубке по которой его подают в камеру плазмотрона. С помощью термопары в зоне застоя газа определяют его температуру.
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 способствует повышению давления в камере плазматрона, что даже при сравнительно низких расходах его позволяет получить необходимую скорость истечения газа из капала 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 аргон водородной 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 дугой 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 Аr 80 % + Н2 20 %) следующая:

Толщина металла, мм6810152026
Скорость резки, мм/с35302617128

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 тока до 400 А скорость резки не зависит от того, какой применен состав газа — аргон 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 стилей. Повышенное напряжение при резке обеспечивает более высокий уровень энергии при меньшем значении тока.

Качество кромок при резке малоуглеродистых и нержавеющих сталей в аргоно- и а зотно-водородных смесях при соблюдении оптимальных режимов удовлетворительное. В случае резки в азотно-водородной смеси можно использовать кромки под сварку без дополнительной механическом 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. Авторы работы отмечают, что 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 толщиной 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.
По влиянию состава плазмообразующих газов проводились исследования на стали толщиной 65 мм. Резка выполнялась на установке обеспечивающей напряжение холостого хода 400 В. В качестве плазмообразующего газа использовался азот, а также смеси азота с водородом и элегаз. Элегаз шестифтористая сера (SF6); при смешивании его с аргоном для сварки была обеспечена большая проплавляющая способность дуги. С этой же целью элегаз был опробован для плазменной резки в качестве добавки к азоту.
Плазмообразующая среда, состоящая из двух газов, подавалась в плазмотрон двумя способами: 1) через смеситель как один однородный газ; 2) раздельно — азот через завихритель как основной газ, а вспомогательные газы — в канал составного сопла.

Однако использование смесей азота с водородом, подаваемых через завихритель и раздельно по указанным выше схемам, не дало положительных результатов. При совместной подаче элегаза до 5% с азотом скорость резки возросла на 50—70 %. Но при этом в считанные секунды гафниевая вставка электрода была разрушена, электрод прогорел насквозь. При раздельной подаче этот газ существенного влияния на процесс резки не оказал.
На кромках реза при использовании элегаза образовывался бурый налет вследствие термохимической реакции. Выделяющийся обильный дым при резке был очень едким и вызвал кашель. В связи с этим дальнейшие работы в этом направлении были прекращены.
Особого внимания заслуживает поведение водорода в составе азотно-водородной смеси. При проведении экспериментов было обнаружено, что водород ври увеличении его расхода сильно уменьшает яркость дуги. Последняя, как и скорость резки, особенно заметно снижалась при расходе водорода белее 30 % в составе азотно-водородной смеси. При проведении экспериментов ставилась задача получить наиболее концентрированную дугу за счет повышения расхода плазмообразующей среды и обжатия дуги газом в канале сопла. Расход газа был достаточно высокий 1,4 — 1,6 л/с, доля водорода в смеси составляла 20—40 % т. е. она была значительно выше, чем при исследованиях по резке алюминиевого сплава, рассмотренных выше. При больших расходах газа возросли напряжение и мощность электродугового разряда, что, казалось, должно было способствовать увеличению проплавляющей способности дуги, однако этого не произошло. Охлаждающее действие водорода оказало более сильное влияние на дугу, чем обжатие на повышение ее тепловой концентрации. Аналогичное действие водорода проявилось при использовании аргоноводородной смеси при резке алюминиевого сплава и резке высоколегированной коррозионно-стойкой стали типа Х18Н9. Следовательно, для того чтобы увеличить кинетическую энергию столба дуги и его приникающую способность при оптимальных расходах газа, необходимо повышать его давление в полости сопла, но только не за счет увеличения общего расхода.

Увеличение давления может быть достигнуто или за счет предварительного подогрева газа, или за счет увеличения расстояния между электродом и соплом. Увеличение прикатодного пространства приводит к повышению катодного напряжения и увеличивает нагрев газа в полости сопла, а следовательно, и его давление.
В настоящее время использование водорода при плазменной резке ограничено, 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».

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.

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 кислородной резкой.
Выбор плазмообразующей среды определяется разрезаемым материалом. его толщиной, используемым оборудованием. В настоящее время 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.

Воздушно-плазменная и кислородно-плазменная резка

Разработки и исследования резки сталей кислородосодержащими плазмообразующими средами, показали высокую эффективность применения этих газов для плазменной резки. Возможность широкого применения воздуха и кислорода в чистом виде (а также в смеси с другими газами) появилась после разработки катодов из циркония и гафния, на поверхности которых в процессе резки в кислородосодержащих средах образуется окисная пленка. Температура плавления этой пленки выше, чем основного металла. Она предохраняет катод от быстрого разрушения.
Проникающая способность воздушной плазмы более высокая, чем у азота, так как содержащийся в составе воздуха кислород обладает высоким теплосодержанием и, кроме того, он (вследствие взаимодействия с расплавленным металлом и протекания термохимических реакций) окисляет металл с выделением значительной тепловой энергии. Продукты окисления и часть неокисленного металла выносятся из полости реза. Характерными при этом являются заметное сокращение ширины реза и уменьшение скоса кромок, что является высоким критерием оценки качества процесса резки.

Важнейшей технико-экономической характеристикой процесса воздушно-плазменной резки является производительность, которая определяется интенсивностью выплавления металла и зависит от совершенства применяемого оборудования, условий организации труда.
Если в ранние периоды развития плазменной резки технологические процессы приспосабливались к характеристикам электрических дуг, то в период широкого развития — технические параметры плазменной резки приспосабливают к технологическим процессам, т. е. создаются специализированные источники питания с заранее заданными характеристиками. Электрическая дуга превратилась в новый источник тепла с широким диапазоном изменения основных параметров.
Применение источников питания, обеспечивающих повышенное напряжение дуги, а также плазмотронов с вихревой стабилизацией газа позволило увеличить расход плазмообразующего газа и повысить мощность дугового разряда. Поскольку сжатый воздух — дешевый и используется прямо из магистрали цеха, то его расход ничем не лимитируется. За счет увеличения расхода воздуха рабочее напряжение столба плазменной дуги значительно возросло.

В ранние периоды развития плазменной резки мощность дуги при низких напряжениях источника тока обеспечивалась только за счет увеличения силы тока при относительно низких расходах плазмообразующего газа. При этом, чтобы получить необходимую мощность дуги за счет увеличения тока, требовалось увеличение диаметра канала сопла. Ширина реза увеличивалась пропорционально величине силы тока. Объем выплавленного металла составлял значительную величину, а необходимая скорость резки при этом не обеспечивалась.
Повышение расхода газа с 0,67 до 1,3—2,0 л/с позволило резко увеличить рабочее напряжение дуги с 60-100 В до 140-250 В. Повышение мощности дуги при этом обеспечивается за счет возрастания напряжения, это привело к уменьшению диаметров сопл и повысило концентрацию столба плазменной дуги.

При этих условиях особенно эффективным стал процесс резки в кислородосодержащих смесях с использованием воздуха.
При использовании технического воздуха появился и отрицательно влияющий на процесс плазменной резки фактор — это наличие влаги в составе воздуха. Присутствие влаги в катодном пространстве (в полости сопла) вызывает возникновение серии мелких замыканий электрод — сопло — разрезаемый металл, появление мелких дуговых разрядов, которые происходят чаще всего в момент возбуждения дуги при выходе на рабочий режим резки. При наличии влажного воздуха не всегда удается возбудить рабочую дугу с одного раза. При этом на наиболее близко расположенных друг к другу участках электрода и сопла происходит выплавление меди в виде эрозии и образование отдельных наплывов расплавленного металла, которые могут вызвать уменьшение гарантированного зазора между электродом и соплом и привести к полному разрушению последних, вследствие возникновения при уменьшенном зазоре между электродом и соплом мощной двойной дуги.
Если даже не произойдет полного разрушения электрода и сопла, то возникающая серия мелких электродуговых разрядов приводит к оплавлению нижнего торца сопла, изменению формы его канала, что безусловно отрицательно сказывается на качестве реза, возникновении грата на кромках и на снижении скорости плазменной резки.

Учитывая изложенное, сжатый воздух, поступающий на резку из магистрали цеха, должен быть осушен от влаги, не должен содержать масла и твердых частиц.
При обеспечении необходимого качества воздуха и надежной аппаратуры для плазменной резки возбуждение дуги и рабочий процесс резки при использовании воздуха не вызывают каких-либо трудностей.

В отличие от воздуха кислород в качестве плазмообразующего газа делает процесс резки менее стабильным, особенно при возбуждении дуги и в момент переходного режима на рабочие параметры резки. Двойная дуга возникает значительно чаще, чем при использовании сухого воздуха. Возникновение двойной дуги приводит к оплавлениям сопла, а иногда и к выгоранию всего катодно-соплового узла.
Стойкость электродов при использовании кислорода более низкая (в течение смены расходуется от трех до пяти электродов). Сгорание электрода очень часто приводит одновременно к повреждению и замене сопла. Для предупреждения полного разрушения электрода необходимо своевременно заменять его на новый.

Если в случае применения азота допустимо использование плазмотронов с аксиальной подачей газа, то при применении воздуха, и особенно кислорода, процесс плазменной резки указанными плазмотронами невозможен вследствие его нестабильности и неустойчивости. Для получения сконцентрированного столба дуги для воздушно- и кислородно-плазменной резки применяются плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги. Завихренный плазмообразующий газ обеспечивает надежность работы плазмотрона, повышает стабильность процесса резки, стойкость электрода и сопла, а также улучшает качество кромок реза (безгратовая резка). Резка с использованием воздуха и кислорода осуществляется при давлениях 0,3—0,5 МПа. Давление газа зависит от сечений каналов завихрителя плазмотрона.

На процесс плазменной резки оказывает влияние большие количество различных технологических факторов, в том числе: расход плазмообразующей среды, скорость ее истечения из сопла, диаметр и длина канала сопла, сила тока и напряжение режущей дуги и другие. Большинство из них влияет на качественные показатели плазменной резки: ширину реза; величину скоса кромок; шероховатость кромок и наличие грата; величину тепловых деформаций, связанных с напряжениями в кромках роза; структурные и химические изменения металла; изменения механических свойств металла кромок.

На интенсивность процесса плазменной резки, а следовательно, и на форму кромок в значительной степени оказывают влияние конструктивные размеры канала сопла, а также расстояние между соплом и электродом. При увеличении длины канала сопла и удалении сопла от электрода обеспечивается лучшая фокусировка столба дуги. Высокая кинетическая энергия в дуге в том и другом случае достигается не за счет прохождения большого объема газа, а вследствие увеличения скорости истечения плазмы при повышении давления газа в полости сопла. В случае использования сопла с удлиненным каналом происходит задержка газа в канале сопла и в межэлектродном пространстве. Дуга оказывает более интенсивное воздействие на его ионизацию, т. е. полнее используются теплофизические свойства газа. В случае увеличения расстояния между электродом и соплом увеличенный отрезок столба дуги, находящийся в полости сопла, создает более интенсивный тепловой обмен с находящимся в прикатодном пространстве газом. Происходит предварительный подогрев газа. Попадая в канал сопла, газ уже имеет начальную температуру, поэтому он легче и полнее ионизируется, обеспечивая высокие тепловые параметры столба плазменной дуги. В практических условиях использование сопл с удлиненными каналами или увеличение расстояния между электродам и соплом вызывает определенные трудности, связанные с возбуждением дуги в начальный момент плазменной резки. Для нормальной работы сопел с удлиненным каналом необходимы источники тока, обеспечивающие рабочее напряжение на дуге до 300 В и выше.
При использовании кислородосодержащих смесей (в том числе воздуха или кислорода) не обеспечивается стойкость катодов при больших токах 500 — 600 А. которые необходимы для резки металла толщиной 80—100 мм. Целесообразность использования в прикатодной зоне азота, по-видимому, в данном случае должна быть более предпочтительна, так как стойкость вольфрамового электрода при указанных токах значительно выше.

Если кислород не смешивать с азотом и подавать его раздельно в канал сопла, то скорость резки увеличивается с увеличением доли кислорода до 20 %, а затем рост ее практически прекращается. По-видимому, результат использования кислорода (как добавки к азоту) при раздельной подаче во многом зависит от конструктивных особенностей сопла, а также от общей величины расходов азота и кислорода.

При совместной подаче кислорода и азота непосредственно в катодную зону эффективность использования кислородно-азотной смеси возрастает. При этом скорость резки находится в прямой зависимости от увеличения доли кислорода в этой смеси. В данном случае значительно улучшается качество кромок, уменьшается величина скоса, натеки и грат на кромках отсутствуют.
Увеличение доли кислорода в азотно-кислородной плазме приводит к значительному увеличению скорости резки при сохранении постоянной мощности дуги не только простых углеродистых сталей, но и сталей коррозионностойких, т. е. типа 1X18Н9.
Оптимальным содержанием кислорода в кислородно-азотной смеси следует считать значение, равное 60—65 %. При таком содержании кислорода скорость резки по сравнению с воздушной плазмой возрастает в 1,5 раза, причем обеспечивается удовлетворительная стойкость катодов. При увеличении доли кислорода в смеси более 60—65 % резко возрастает износ циркониевых и гафниевых катодов.

Повышенная производительность плазменной резки при сохранении преимуществ, свойственных воздушно-плазменной резке, обеспечивается применением для стабилизации режущей дуги сжатого воздуха, обогащенного кислородом в селективно-диффузионном устройстве. Последнее имеет две полости, разделенные полимерной мембраной. В качестве материала мембраны используют вещество с асимметричной газопроницаемостью (достаточно высокой по отношению к кислороду и меньшей — к азоту).

Плазменная резка с использованием воды

Плазменная резка с использованием воды находит все большее применение. Вода имеет следующие преимущества: во-первых, улучшает гигиенические условия труда рабочих, во-вторых, обеспечивает повышение качества кромок вырезаемых деталей, в-третьих, при плазменной резке с использованием воды уменьшаются тепловые деформации деталей. Кроме того, при определенных условиях применение воды для плазменной резки обеспечивает высокую концентрацию энергии и увеличение скорости резки.
В зависимости от поставленной цели плазменную резку с использованием воды можно разделить на три основных способа: 1) резка металла погруженного или полупогруженного в водяную ванну; 2) использование воды в качестве плазмообразующей среды (водоэлектрическая резка). 3) подача небольшого количества воды в столб плазмы.

Способ резки с погружением разрезаемого листа в воду позволяет уменьшить до минимума вредные газы (озон, окислы азота), исключить полностью обильно выделяющийся дым и аэрозоли. Металл и шлак, выявляемые из полости реза, попадают в воду и в виде мелких частичек и капель оседают на дно ванны. Разновидность этого способа заключается в создании дополнительного водяного экрана вокруг плазменной дуги. В этом случае разрезаемый лист обычно полупогружен в водяную ванну.
Для того чтобы осуществить резку листа, полностью погруженного в воду, необходима аппаратура, обеспечивающая поддержание дежурной малоамперной дуги, т. е. необходим аргон. При погружении плазмотрона в воду до разрезаемого металла дежурная дуга вызывает возбуждение основной дуги, при этом включается рабочий газ, а аргон отключается. Резка металла, полностью погруженного в воду, способствует устранению вредных выделений от плазменной резки, уменьшается шум, не требуется защитных средств от яркого излучения дуги, обеспечивается защита окружающей среды. Недостатком указанного способа резки является снижение производительности резки или (при повышении мощности плазменной дуги) дополнительный расход электроэнергии, что влияет в на цену резки металла за метр. Другой недостаток — трудность осуществления контроля за ведением процесса резки.
Плазменная резка со стабилизацией плазменной дуги водой (водоэлектрическая) применяется для резки различных металлов и сплавов. В плазмотроне с водяной стабилизацией дуги обеспечивается завихрение воды с помощью канала, ограниченного двумя соплами. При этом используется только вода, газ в плазмотрон не подается. Кромки сопла защищены от теплового воздействия дуги с помощью тонкой водяной пленки. Вода является наилучшей средой для резки цветных металлов и высоколегированных сталей больших толщин. Вода в дуге диссоциирует на кислород и водород, а затем на атомарный кислород и водород. Концентрация водорода и кислорода в столбе дуги оптимальная, т. е. такая при которой получается наилучшее качество реза при высокой производительности резки.

Теплоизоляционные свойства воды более высокие, чем у газов, так как между столбом дуги и слоем воды, непосредственно прилегающим к внутренним стенкам сопла, образуется постоянно обновляемая паровая прослойка, на образование которой расходуется большая часть тепла дуги, отходящего в радиальных направлениях от столба дуги. В связи с этим, подобрав соответствующий расход воды, можно создать на внутренней стенке сопла водяную прослойку. Стабилизация столба дуги и его изоляция от стенок сопла осуществляются водой.

Резы, выполненные плазменной резкой с использованием воды, отличаются высоким качеством кромок, которые имеют незначительный скос, металлический блеск, т. е. выгорания с поверхности кромок наиболее активных элементов разрезаемого металла не происходит. Металл сохраняет естественный, свойственный ему цвет. На кромках несколько увеличены бороздки, но они имеют плавные переходы от гребешка к впадине.

Недостатком водоэлектрической резки является сложность возбуждения дуги и начала процесса. Применяется графитовый электрод, который быстро расходуется. В связи с этим необходимо для вертикального перемещения графитового электрода в направлении сопла в процессе резки дополнительное устройство. Все это делает процесс недостаточно технологичным и надежным. Его нельзя пока использовать на машинах с программным управлением. Процесс водоэлектрической резки при соответствующем усовершенствовании аппаратуры может найти более широкое применение.