Введение. Плазменная резка металлов. Плазменная резка металлов была разработана в конце 1950-х для обработки высоколегированных сталей и алюминия. Предполагалось, что она будет использоваться в тех случаях, когда металл из-за его химического состава не может быть разделён с помощью кислородной резки. Благодаря чрезвычайно высоким скоростям резки (особенно при работе с тонким материалом), а также тому, что тепловому воздействию подвергается узкая зона, данный способ в наши дни используется для резки нелегированных и низколегированных сталей. Сегодня процесс плазменной резки металла должен выполняться с соблюдением более высоких требований по качеству, всё большую важность приобретает фактор сокращения расходов. Кромки разрезаемых деталей не должны нуждаться в дальнейшей обработке. Необходимо, чтобы размеры по этим кромкам выполнялись с максимальной точностью. В результате возможности традиционных способов резки соответствовать этим требованиям всё чаще и чаще подвергаются сомнению. Резка с плавлением металла непосредственно противопоставляется другим способам: кислородной резке, лазерной резке, а также водоструйной резке. При этом, однако, она может стать альтернативой способам механической обработки, таким как маркировка, пробивка, сверление. Рисунок 1: Область применения процессов термической резки Такая резка применима ко всем материалам, обладающим электрической проводимостью, таким, например, как конструкционная сталь, высоколегированная сталь, цветные металлы, а именно, алюминий и медь, а также плакированный листовой металл. В зависимости от технологии, мощности системы резки и типа материала, может производиться резка листа толщиной от 0,5 до 180 мм. Является непревзойдённым способом, если необходимо разрезать лист из высоколегированной стали или алюминия средней или большой толщины. Она также применяется для резки обычной конструкционной стали толщиной до 40 мм, давая незначительные поводки, особенно в случае изделий малой толщины. Поскольку количество подводимой теплоты невелико, данный способ в особенности подходит для резки высокопрочных конструкционных сталей, имеющих мелкозернистую структуру. Высокие скорости резки особенно важны при выполнении заготовительных операций: величины этих скоростей могут быть в 5 – 6 раз больше, чем при кислородной резке. Рисунок 2: Сопоставление максимальных скоростей резки при выполнении фигур из конструкционных сталей 1 Автоматизация процесса резки не представляет сложности. Используя различные системы управления плазменным резаком можно изготавливать как плоские, так и трёхмерные детали разнообразных форм. Существует большое количество современных внешних устройств и принадлежностей, облегчающих работу с деталями в процессе выполнения ручной резки, упрощающих сборку и ремонт. Современная технология становится всё более и более важной, наукоемкой, но при этом простой в обслуживании. В особенности, когда возникает необходимость резать тонкий лист из высоколегированной стали, плазменная резка позволяет выполнять вертикальные резы одновременно на пакете листовых деталей, обеспечивая такое же качество, какое обеспечивает лазер, без необходимости дальнейшей механической обработки. Принципы 2.1 Нечто большее, чем просто одно из состояний вещества? Как правильно понимать источники плазменной резки? Плазма представляет собой нагретый до высокой температуры газ, обладающий электропроводимостью, который состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, а также возбужденных и нейтральных атомов и молекул. Между процессами диссоциации, ионизации и рекомбинации, присущими плазменному состоянию, устанавливается динамический баланс. В результате плазма электрически нейтральна. В физике плазму часто называют четвёртым состоянием вещества. В природе плазменное состояние вещества, обусловленное высокими температурами, имеет место внутри солнца и других звёзд. Молния также является примером перехода вещества в плазменное состояние, происходящий под действием сил электрического поля большой величины. Рисунок 1: Плазма — четвертое состояние вещества 2 Для того чтобы создать плазму для технических потребностей, газ либо сильно разогревается с помощью источника тепла, либо подвергается действию сильного электрического поля, так чтобы перевести его в ионизированное состояние. 2.2 Принцип плазменной резки Плазменная резка – это процесс термической резки, при котором плазменная дуга обжимается, проходя через сопло. Дуга прямого действия, которая возникает, когда электрический ток протекает от неплавящегося электрода (катода) на изделие (анод), используется для резки материалов, обладающих электрической проводимостью. Эта форма плазменной резки является наиболее часто используемой. В случае дуги косвенного действия, она создаётся между электродом и соплом. Даже если используется режущий газ, в состав которого входит кислород, тепловой эффект плазменной дуги преобладает. Таким образом, данный метод не рассматривается как процесс кислородной резки, а скорее как резка путём плавки. Плазменные газы в дуге частично подвергаются диссоциации и ионизации, что делает их электропроводящими. Благодаря высокой плотности энергии и температуре плазма расширяется и движется по направлению к изделию со скоростью, которая в три раза превышает скорость звука. Благодаря рекомбинации атомов и молекул на поверхности изделия потреблённая энергия сразу же высвобождается и усиливает тепловой эффект воздействия плазменной дуги на изделие. В плазменной дуге температура доходит до 30 000 К. В сочетании с высокой кинетической энергией плазменного газа такая температура обеспечивает чрезвычайно высокую скорость резки всех материалов, обладающих электрической проводимостью, которая зависит от толщины материала. Для начала процесса резки в первую очередь зажигается пилотная дуга между соплом и электродом путём подачи высокого напряжения. Эта низкоэнергетическая пилотная дуга подготавливает пространство между плазменным резаком и изделием, вызывая частичную ионизацию. Когда пилотная дуга контактирует с изделием (резка с лёта), благодаря автоматическому увеличению мощности зажигается основная плазменная дуга. Рисунок 2: Принцип плазменной резки с помощью дуги прямого действия 3 Металлический материал плавится и частично испаряется благодаря тепловой энергии дуги и плазменного газа. Расплавленный металл выдувается из реза под действием кинетической энергии плазменного газа. В отличие от кислородной резки, при которой около 70% тепловой энергии вырабатывается благодаря сгоранию железа, в процессе плазменной резки энергия, требующаяся, для того чтобы расплавить материал в резе создаётся только под действием электричества. Выбор используемого плазменного газа зависит от того, какой материал требуется разрезать. Например, одноатомный газ аргон и/или двухатомные газы, такие как водород, азот, кислород и смеси этих газов, а также очищенный воздух, используются в качестве плазменного газа и режущего газа. Резаки могут иметь как водяное, так и газовое охлаждение. В зависимости от того, где используются процессы плазменной резки, различают процессы, выполняемые над водой и на ней, а также такие, которые производятся под поверхностью воды. 2.3 Оборудование для плазменной резки 2.3.1 Источник питания для плазменной резки Источник питания для плазменной резки подаёт рабочее напряжение и ток резки для основной и вспомогательной дуги. Напряжение источника питания для плазменной резки без нагрузки находится в диапазоне между 240 и 400 В. В состав источника питания входит система зажигания пилотной дуги (вспомогательной плазменной дуги), назначение которой состоит в возбуждении основной плазменной дуги. Для того чтобы это выполнить сначала зажигают плазменную дугу косвенного действия, используя импульсы высокого напряжения. Назначение данной дуги состоит в ионизации пространства между соплом и изделием, что позволяет возбудить основную плазменную дугу. Рисунок 3: Пример установки для плазменной резки 4 Источники питания для плазменной резки либо имеют круто падающую кривую вольтамперной характеристики (рис. 6), либо постоянную токовую характеристику (рис. 7), в связи с чем при удлинении дуги мощность резки изменяется незначительно или остаётся неизменной. Рис.6: Источник питания для плазменной резки с круто убывающей (крутопадающей характеристикой) кривой напряжения и тока Рис.7: Источник питания для плазменной резки с постоянной токовой характеристикой (вертикальное падение) 2.3.2 Электрод и сопло плазменного резака Повышение эффективности плазменной резки в большой степени зависит от конструкции плазменного резака. Чем плотнее плазменная дуга обжимается, тем выше скорость резки и качество кромки реза. 5 Важнейшими деталями плазменного резака являются плазменное сопло и электрод. Как плазменное сопло, так и электрод являются быстроизнашивающимися деталями. Неправильный подбор, либо неверное использование сопла или электрода могут значительно сократить срок их службы и повредить резак. Срок службы электрода в значительной степени определяется силой тока резки, количеством зажиганий, а также типом используемого плазменного газа. Кроме того, управление газом и мощностью вначале и в конце резки, а также рассеяние тепла от электрода также играет ключевую роль. Обычно используются электроды стержневой формы из вольфрама, а также имеющие форму пальца из циркония или гафния, которые можно сделать заострёнными или плоскими. Ввиду того, что они подвержены эрозии, электроды из вольфрама могут применяться только с инертными плазменными газами и их смесями, а также с газами с низкой реакционной способностью и восстановительными плазменными газами. При использовании чистого кислорода, либо плазменных газов, в состав которых входит кислород, электроды будут служить значительно дольше, если они будут изготовлены из циркония или гафния. Эти материалы естественным образом формируют защитный слой, плавящийся при более высокой температуре (табл. 1), и, к тому же, они заключены в основную оболочку, обладающую очень большой теплопроводностью, которая интенсивно охлаждается. Если в плазменной резке используется кислород, увеличения срока службы электрода можно добиться, подавая два газа: процесс зажигания проводится с использованием газа с низкой окислительной способностью, а сам процесс резки с использованием кислорода. Ключевые факторы, влияющие на срок службы сопла: диаметр на выходе сопла масса и теплопроводность материала сопла выход (произведение силы тока резания на напряжение резания) время действия плазменной дуги количество зажиганий последовательность прожигания отверстий и интенсивность охлаждения. Водяное охлаждение является более интенсивным. Воздушное охлаждение требует большего количества газа. Таблица 1: Типовые величины для расходных деталей, применяемых с плазменными резаками Материал Вольфрам Оксид вольфрама Цирконий Оксид циркония Нитрид циркония Материал Гафний Оксид гафния Нитрид гафния Медь Оксид меди Условное обозначение W WO3 Температура плавления [°C] ≈ 3400 ≈ 1473 Zr ZrO2 ≈ 1852 ≈ 2700 ZrN ≈ 2982 Условное обозначение Hf HfO2 Используемый Теплопроводность газ при 20°С [Вт/м·К] Ar ≈ 174 Ar/H2 O2 Воздух ≈ 22 ≈ 2,5 Температура плавления [°C] ≈ 2227 1700 Используемый газ Теплопроводность при 20°С [Вт/м·К] HfN 3305 Воздух ≈ 29 Cu Cu2O 1083 1235 Все ≈ 400 O2 6 Серебро Ag 961 Все ≈ 429 2.3.3 Изделие При плазменной резке с помощью плазменной дуги прямого действия разрезаемый материал должен обладать электрической проводимостью, так как изделие является частью электрической цепи. Заземление подсоединённого изделия должно проектироваться таким образом, чтобы обеспечивалось непрерывное прохождение тока. 2.3.4 Подаваемый газ Системы плазменной резки работают с инертными, восстановительными газами или с газами с низкой реакционной способностью, а также с химически активными газами и их смесями. Подробное описание систем подачи газа и информация по выбору газов, а также рекомендации по качеству применяемого газа приведены в главе 4. 2.3.5 Системы циркуляции охладителя Поскольку плазменная резка сопряжена с большими тепловыми нагрузками, необходимо эффективное охлаждение. Различают интегрированные и внешние контуры циркуляции водяного охлаждения и газового охлаждения. Резаки, работающие с током около 100 ампер и более, обычно охлаждаются водой. 2.3.6 Система воспроизведения Требования, относящиеся к точности воспроизведения, а также характеристики систем воспроизведения устанавливаются стандартом ISO 8206. эксплуатационные 2.3.7 Стол для резки и система вытяжки Столы для плазменной резки служат стабильной основой для расположения металлического листа, который требуется разрезать. Размеры стола зависят от размера, толщины и массы листа металла. Выделения, которые сопровождают процесс резки можно значительно уменьшить, используя плазменный резак в сочетании с вытяжной системой для удаления дыма и пыли, либо с водяным бассейном. 7 Способы плазменной резки Способы плазменной резки постоянно улучшаются. Основная цель, которая ставится при проработке усовершенствований, состоит в уменьшении загрязнения окружающей среды, повышении производительности резки и в улучшении качества кромки реза. Конечной целью является создание двух плоскопараллельных ровно обрезанных поверхностей, которые перед передачей их на следующий этап технологической цепочки требуют минимальной окончательной обработки, либо вовсе в ней не нуждаются. В зависимости от того, какой материал требуется разрезать, какова толщина этого материала, а также исходя из характеристик, обеспечиваемых источником питания, делается выбор из многочисленных вариантов выполнения плазменной резки. Эти варианты, главным образом, различаются по конструкции применяемого плазменного резака, по системе подачи материала и по материалу, из которого выполнен электрод. На рис. 8 даётся общее представление различных опций, которые могут быть предусмотрены в конструкции плазменного резака. Рисунок 8: Исполнения плазменных резаков 8 DIN 2310-6 устанавливает различия между следующими типами плазменных резаков, исходя из типа конструкции. • Традиционная плазменная резка/ стандартная плазменная резка • Плазменная резка с вторичной средой • Плазменная резка с вторичным газом • Плазменная резка с вторичной водой • Плазменная резка с впрыскиванием воды • Плазменная резка с повышенным обжатием 3.1 Традиционная резка В стандартных машинах плазменной резки резак относительно прост, его конструкцией предусматривается использование только одного вида газа – режущего газа. В качестве режущих газов обычно применяют азот, кислород или смесь аргона с водородом (рис. 9). Плазменная дуга обжимается только по внутреннему диаметру сопла, поверхности реза, характерные для этого метода имеют скос. Обычно плазменный газ проходит вокруг электрода, 9 касаясь его. В зависимости от скорости резки охлаждение резака производится либо воздухом, либо водой. Поставляемые системы традиционной плазменной резки способны резать металл толщиной до 160 мм. Рисунок 9: Традиционная (сухая) резка 3.2 С вторичной средой Вторичная среда создаётся вокруг плазменной дуги, для того чтобы вокруг неё была особая атмосфера. В качестве вторичной среды может использоваться либо вода, либо определённый вид газа (рис. 10). Плазменная резка с водяным экраном Плазменная резка с использованием воды в качестве вторичного экрана – это ещё один вариант плазменной резки с вторичной средой. Водяной экран выпускается струёй, разрываемой плазменной дугой. Благодаря восстановительному действию водорода, выделяющегося в ходе данного процесса, получаемая поверхность приобретает металлический блеск. Таким образом, плазменная резка с использованием водяного экрана является предпочтительным методом при работе с алюминием и высоколегированными сталями толщиной до 50 мм (рис. 10). Рисунок 10: Резка с использованием вторичной струи 10 Резка с вторичным газом Подача вторичного газа вокруг плазменной дуги позволяет добиться ещё большего её обжатия и создания вокруг неё особой атмосферы. Благодаря этому повышается плотность энергии, качество реза и скорость резки. Если установить экранирующий колпачок определённым образом, то можно исключить возможность повреждения системы коротким замыканием и двойной дугой и, тем самым продлить срок службы расходных деталей. Обычно такую защитную среду называют также «вторичный газ», «экранирующий газ», «защитный газ» или «газ, образующий завихрения». Поставляемые машины, в которых применяется данный способ, в настоящее время способны резать листовой металл толщиной до 75 мм (рис. 11). Рисунок 11: Сухая резка с вторичным газом 3.3 С впрыскиванием воды При этом методе плазменная дуга подвергается дальнейшему обжатию за счёт впрыскивания воды, производящегося в радиальном направлении вокруг этой дуги. Испаряется только незначительная часть воды. Остальное количество воды охлаждает сопло и изделие. Охлаждение изделия впрыскивающейся водой, а также высокая скорость резки обеспечивает отсутствие поводок при резке, малое количество грата и, кроме того, продлевает срок службы расходных деталей. Методы 11 резки с впрыскиванием воды подразделяются на два типа, различающихся по способу впрыскивания воды: радиальное впрыскивание и вихревое впрыскивание. При вихревом впрыскивании одна кромка реза получается почти вертикальной, тогда как другая скошена приблизительно на 5 – 8 градусов (рис. 12). Рисунок 12: Плазменная резка с впрыскиванием воды При использовании резака с впрыскиванием воды важно производить резку изделия таким образом, чтобы сторона со скошенной кромкой находилась там, где материал имеет заострённую форму, для такого метода лучше подходят плоские электроды. Данный метод применим исключительно к машинам подводной резки. Таким способом можно резать листовой металл толщиной от 3 до 75 мм. 3.4 Плазменная резка с повышенным обжатием В данном варианте применяется повышенная плотность дуги, достигающаяся за счёт использования сопл с большим обжатием. Различные компании используют разные способы (некоторые из которых запатентованы) для обжатия дуги. Движение газа по кругу (рис. 13) и регулируемые сопла (рис. 14) в общем зарекомендовали себя как эффективные. Плазменная дуга, создаваемая с помощью такой системы позволяет выполнять вертикальный рез с большой точностью на листах металла толщиной от 0,5 до 25 мм. Плазменная резка с повышенным обжатием является предпочтительным методом, в случаях, когда используется вторичный газ. Рисунок 13: Резка с повышенным обжатием 12 Рисунок 14: С повышенным (регулируемым) обжатием В дополнение к описанным выше основным методам в литературе можно найти описание множества способов, являющихся собственностью компаний, при чём некоторые из них запатентованы. В табл. 2 представлены обозначения основных вариантов, принятые в компании. Таблица 2: Классификация обозначений основных вариантов резки, принятых в компании. Основные варианты плазменной резки Обозначения Тради- С вторич- С водяным С впрыскива- С повышенционная ным газом экраном нием воды ным обжатием Метод Dual flow (двойной поток) Плазменный метод FineFocus (тонкая X X 13 фокусировка) Плазменный метод HiFocus (высокая фокусировка) X X Плазменный метод High (высокий) Х Х High current (большая сила тока) X X Плазменный метод Hy Definition (высокая чоткость) X Плазменный метод LongLife (длительный срок службы) X Precision (с высокой точностью) Х X X Х Water vortex (завихрение воды) Х Плазменный метод WIPC X Плазменный метод Swirling-gas (газ завихрения) Х Процесс WMS Метод XLLife-Time (очень длительный срок службы) X X X X X 3.5 Другие варианты резки Подводная резка Данный вариант обеспечивает значительное повышение безопасности в работе. Резка осуществляется на глубине приблиз. от 60 до 100 мм под поверхностью воды (рис. 15) со значительным уменьшением шума, количества пыли и аэрозольного загрязнения окружающей среды. Уровень шума находится намного ниже величины 85 дБ (А). Вода также снижает величину ультрафиолетового излучения, имеющего место в процессе резки. Разрезанные детали имеют маленькие поводки. Рисунок 15: Резка под водой 14 Поскольку подводная резка требует больше энергии, чем необходимо для резки в атмосферных условиях, скорости при плазменной резке под водой ниже. Конструкционные стали толщиной приблизительно 15 мм, а также высоколегированные стали, имеющие толщину около 20 мм обычно экономически выгоднее резать под водой. Плазменная строжка Плазменная строжка (рис. 16) – это процесс снятия материала с поверхности изделия с помощью плазменной дуги. Тепло, подводимое плазменной дугой, позволяет удерживать материал в расплавленном состоянии. Давление плазменной дуги помогает вытеснять расплавленный металл из зоны резки. Рисунок 16: Плазменная строжка, выполняемая вручную. Как чистая альтернатива строжке с помощью угольной дуги, плазменная строжка применяется для исключения дефектов сварных швов или поверхностных дефектов конструкционных и высоколегированных сталей. Поскольку поверхность, подготовленная под сварку, получается гладкой, нет необходимости выполнять обработку абразивом. Подводится малое количество теплоты, и поводки практически отсутствуют. Оператор без затруднения может видеть, что он или она делает. Шум и дым, которые сопровождают плазменную строжку, намного меньше, чем в случае строжки с помощью угольной дуги. Плазменная маркировка 15 Используется для маркировки вырезаемых деталей. При выполнении маркировки изделий с помощью плазменной струи изделие подвергается нагреву, что может привести к изменению внешнего вида поверхности, так как при тепловом воздействии происходит образование цветов побежалости. (Плазменная машина не производит независимого переключения на более высокую силу тока, запуская тем самым процесс резки.) Сила тока дуги имеет максимальную величину 10 ампер. В качестве плазменных газов обычно применяются аргон, азот или воздух. Плазменная разметка Используется для определения положения следующих деталей. При разметке изделия плазменной струёй это изделие подвергается небольшой механической нагрузке, в результате чего на поверхности создаются выемки. Плазменная пробивка Используется для определения положения следующих деталей. При пробивке изделия плазменной струёй это изделие подвергается небольшой механической нагрузке. Однако плазменный резак не передвигается по изделию, а плазменная струя направляется на его поверхность только на короткий период времени (около 1 сек.). (Плазменная машина не производит независимого переключения на более высокую силу тока, запуская тем самым процесс резки.) Сила тока дуги имеет максимальную величину 25 ампер. В качестве плазменного газа обычно применяют аргон или воздух. Газы для резки 4.1 Определение плазменных газов Плазменный газ Это название относится ко всем газам и газовым смесям, которые могут быть использованы для создания плазмы, а также для самого процесса резки. К плазменной дуге имеют отношение два основных этапа: этап зажигания и этап резки. Таким образом, плазменный газ делится на газ зажигания и газ резки, которые могут отличаться как по типу, так и по объёмному расходу. Газ зажигания Этот газ используется для зажигания плазменной дуги. От него зависит облегчение процесса зажигания и/или продление срока службы электрода. Газ резки Этот газ требуется для резки изделия плазменной дугой. От него зависит достижение оптимального качества реза при работе с различными материалами. Вторичный газ – газ, образующий завихрения – вспомогательный газ. Этот газ охватывает плазменную струю, тем самым, охлаждая и обжимая её. Таким образом, он повышает качество кромок реза и защищает сопло при прожигании изделия и выполнении резки под водой. 4.2 Влияние плазменных газов на качество процесса плазменной резки От того, какой плазменный газ используется, в наибольшей степени зависит качество и экономическая эффективность процесса плазменной резки. Разные материалы и разные толщины материалов требуют различных сред для создания плазмы. Эти среды могут быть газами, газовыми смесями и водой. В следующем разделе определяются критерии выбора, основное внимание уделяется газам. 16 Чтобы исключить необходимость дальнейшей обработки после плазменной резки, для данного материала следует подбирать подходящий плазменный газ. При выборе газа должны рассматриваться физические и механические свойства газов. Для достижения высокой скорости резки и хорошего качества кромки реза, плазменная струя должна содержать большое количество энергии, а также обладать хорошей теплопроводностью, чтобы передавать тепло металлу, а также иметь высокую кинетическую энергию. Химические свойства: восстановительная активность, нейтральность, окислительная активность, очень сильно влияют на форму кромок реза и, таким образом, на все последующие издержки, связанные с завершающими операциями. Поскольку плазменный газ взаимодействует с расплавленным металлом, он также может в значительной мере влиять на качество кромок реза. Влиянию подвержены следующие показатели качества: • неровность реза • шероховатость поверхности • закругление верхней кромки • образование грата • свариваемость (поры) При выборе плазменного газа всегда следует принимать во внимание следующие физические свойства: • энергия ионизации одноатомного газа • энергия диссоциации многоатомного газа • теплопроводность • атомная масса и молекулярная масса • удельный вес • химическая активность В табл. 3 представлено сопоставление основных физических свойств газов, которые обычно используются для плазменной резки. Таблица 3: Сопоставление основных физических свойств газов, использующихся для плазменной резки Свойство N2 (N) H2(H) O2(O) Ar Воздух Энергия ионизации [эВ] 15,5 (14,5) 15,6 (13,5) 12,5 (13,6) 15,8 34 Энергия диссоциации [эВ] 9,8 4,4 5,1 Атомная масса [атомная единица массы] 14 1 16 40 14,4 Теплопроводность при 0°С [Вт/м·К] 24,5 168 24,7 16,6 24,5 4.3 Выбор плазменного газа, исходя из материала и используемого метода Обычно инертные и активные газы, а также их смеси подходят для использования в качестве плазменных газов. Соответствие газов для плазменной резки в отношении их обозначения, точности смешивания и чистоты устанавливается стандартом DIN EN 439. В качестве плазменных газов можно использовать аргон, водород, азот, кислород, смеси этих газов и воздух. Что касается их преимуществ или недостатков, ни один из описанных ниже плазменных газов не является оптимальной плазменной средой. По этой причине в большинстве случаев используется смесь этих газов. Перед тем как использовать определённую смесь газов, 17 следует проконсультироваться у производителя, подходит ли такая смесь для данной системы. Если смеси не подходят, то это может привести к уменьшению срока службы расходных деталей или к повреждению или поломке резака. Аргон Аргон является единственным инертным газом, который может производиться для коммерческих целей с использованием метода воздушной сепарации при объёмном проценте 0,9325. Будучи инертным газом, он химически нейтрален. Благодаря своей большой атомной массе (39,95), аргон способствует вытеснению расплавленного материала из зоны реза посредством высокой плотности импульсов создаваемой плазменной струи. При низкой энергии ионизации, которая составляет 15,76 эВ, аргон достаточно легко можно ионизировать. По этой причине чистый аргон часто применяется для зажигания плазменной дуги. После того как плазменная дуга прямого действия зажигается, подаётся тот газ, который является собственно плазменным, и, таким образом, начинается процесс резки. Из-за своей относительно низкой теплопроводности и энтальпии, аргон не является совершенно идеальным газом для плазменной резки, так как он позволяет достичь только лишь относительно небольшой скорости резки, в результате чего получаются скругления, поверхности имеют чешуйчатый вид. Водород По сравнению с аргоном, водород имеет очень маленькую атомную массу (1) и характеризуется относительно большой теплопроводностью. Водород имеет чрезвычайно высокую максимальную теплопроводность в температурном диапазоне диссоциации, что обусловливается процессами диссоциации и рекомбинации. Диссоциация водорода начинается при температуре 2 000 К и прекращается полностью при 6 000 К. Полная ионизация водорода имеет место при температурах около 25 000 К. Первоначально при рекомбинации и ионизации двухатомного водорода из дуги высвобождается большое количество энергии. Это приводит к обжатию вытекающей дуги. Когда дуга достигает поверхности материала, происходит рекомбинация заряженных частиц, которые отдают энергию в виде тепла рекомбинации, повышая температуру расплавленного материала. Вязкие оксиды хрома и алюминия при добавлении водорода восстанавливаются, что делает расплав более текучим. Из приведенного описания физических свойств следует, что водород, сам по себе, настолько же не подходит в качестве плазменной среды, насколько и аргон. Однако, если положительные свойства водорода, касающиеся тепловых показателей (большое содержание энергии и энтальпия) совместить с большой атомной массой аргона, то получаемая в результате газовая смесь даёт возможность быстро передавать кинетическую энергию (атомная масса), а также достаточное количество тепловой энергии разрезаемому материалу. Смеси аргона и водорода Смеси аргона и водорода часто применяются для резки высоколегированных сталей и алюминия. Добавив всего несколько процентов водорода к аргону, можно добиться значительного улучшения в отношении скорости резания и качества кромки реза. Кроме того, восстанавливающий эффект водорода обеспечивает гладкость и отсутствие окисленного металла на поверхностях реза. Такие смеси часто применяют для резки листов, имеющих толщину до 150 мм. Часть водорода доходит до 35% по объёму и зависит от толщины материала. Дальнейшее повышение процентного содержания водорода не даёт значительного увеличения скорости резки. Содержание водорода, превышающее 40% по объёму, может стать причиной неровностей на поверхностях реза и увеличения образования грата на нижней кромке изделия. Азот В отношении физических свойств азот занимает приблизительно промежуточное положение между аргоном и водородом. Имея атомную массу 14, азот значительно превосходит водород, однако ощутимо уступает аргону. Теплопроводность и энтальпия у азота выше, чем у аргона, однако меньше, чем у водорода. Азот и водород ведут себя сходным образом в смысле возможности обжатия дуги, а 18 также в отношении тепла рекомбинации, создающего текучий расплав. Таким образом, азот может использоваться сам по себе как плазменный газ. Азот, используемый в качестве плазменного газа, обеспечивает быструю резку изделий с тонкими стенками без образования оксидов. Недостатком является относительно большое количество бороздок. Практически невозможно добиться реза с полностью параллельными сторонами. Угол получаемого скоса в большой степени зависит от установленного настройкой объёма газа и скорости резки. Насыщение поверхности реза азотом отрицательно сказывается на свариваемости. Повышенное содержание азота при поверхностях реза является причиной пористости свариваемого металла. Смеси азота и водорода Смеси азота и водорода часто используются для резки высоколегированных сталей и алюминия. Они позволяют выполнять резы с параллельными кромками при значительно более высоких скоростях резки, чем в случае аргона. Окисление на поверхностях реза также меньше, чем когда применяется чистый азот. Такие смеси, имеющие название «формирующие газы», содержат до 20% водорода. Смеси аргона с водородом и азотом Смеси аргона с водородом и азотом используются для резки высоколегированных сталей и алюминия. Они обеспечивают хорошее качество кромок реза и в меньшей степени формируют грат по сравнению со смесями аргона и водорода. Большинство смесей, которые обычно используются, состоят на 50 – 60% из аргона, и на 40 – 50% из азота и водорода. Процентное содержание азота обычно составляет 30%. Количество водорода зависит от толщины изделия: чем толще материал, тем больше следует использовать водорода. Добавляя азот в смесь аргона и водорода при резке высоколегированных и конструкционных сталей, можно получить кромки без грата, а также добиться большой скорости резки. Кислород Кислород применяется в качестве плазменного газа для резки нелегированных и низколегированных сталей. Когда кислород смешивается с расплавом, понижается его вязкость, благодаря чему расплав приобретает большую текучесть. Это обычно даёт возможность получить кромки реза без грата и верхние края без скруглений. Появляется возможность достичь более высоких скоростей резки, чем в случае с азотом и воздухом. В отличие от азота или воздуха, при использовании кислорода поверхности реза не насыщаются азотом, а значит, риск возникновения пор при последующей сварке сводится к минимуму. Благодаря высокой скорости резки ширина зоны, подверженной воздействию тепла очень мала, поэтому механические свойства разрезаемого металла не ухудшаются. Высокая скорость резки объясняется протеканием химической реакции кислорода с материалом изделия. Углекислый газ Углекислый газ обычно не используется в качестве плазменного газа для плазменной резки. В редких случаях его используют как вторичный или охлаждающий газ. Воздух Основными составляющими воздуха являются азот (объёмное содержание 78,18%) и кислород (объёмное содержание 20,8%). Сочетание этих двух газов представляет собой очень богатую энергией смесь. Воздух применяется в качестве плазменного газа для резки нелегированных, низколегированных, высоколегированных сталей и алюминия. Обычно воздух используется для ручной резки, а также для резки тонкого листа. Если резка нелегированной стали выполняется с применением в качестве плазменного газа воздуха, то кромки реза получаются прямыми и достаточно гладкими. Однако, как газ для резки, воздух повышает содержание азота на поверхностях реза. Если такие кромки реза далее не подвергаются механической обработке, в сварном шве могут создаться поры. При резке алюминия кромки реза могут изменить свой цвет. Вода (пар) 19 При определённой температуре вода распадается на водород и кислород. Если добавляется большее количество энергии, вода подвергается диссоциации и ионизации. В случае плазменной резки с впрыскиванием воды и плазменной резки с водяным экраном, часть воды используется для передачи тепла, тогда как другая часть помогает выполнять обжатие плазменной дуги и охлаждать сопло. Рисунок 17: Влияние температуры на теплопроводность газа Таблица 4: Рекомендуемые сочетания газов и их влияние на качество кромки реза Материал/толщина Конструкционная сталь от 0,5 до 8 мм Плазменный газ Кислород Вторичный Примечание газ Кислород или - Допуск неровности сходен с кислород/ азот обеспечиваемым лазером или азот - Гладкие кромки без грата 20 Конструкционная сталь от 4 до 50 мм Кислород Высоколегированная сталь от 1 до 6 мм Азот Высоколегированная сталь от 5 до 45 мм Аргон Водород Азот Материал/толщина Плазменный газ Алюминий от 1 до 6 мм Воздух Алюминий от 5 до 40 мм Аргон Водород Азот - Допуск неровности до 25 мм Кислород/азот сходен с обеспечиваемым или воздух или лазером азот - Гладкие поверхности реза - До 20 мм без грата - Узкий допуск неровности Азот или - Гладкие кромки без грата азот/водород (1,4301) - Узкий допуск неровности Азот или - Гладкие поверхности реза азот/водород - До 20 мм без грата (1,4301) Вторичный газ Примечание - Почти вертикальные резы Азот или азот/водород - Резы без грата (AlMg3) - Шероховатость, зернистость - Почти вертикальные резы Азот или азот/водород - До 20 мм без грата - Шероховатость, зернистость 4.4 Подача газа для машин плазменной резки Машины плазменной резки работают с одним из нескольких отличающихся друг от друга газов. Требуемое давление в линии нагнетания и расход зависят от типа используемого оборудования. Должны неукоснительно соблюдаться условия, определённые производителем. Газ может подаваться в разных формах, например, он может быть в баллоне, в группе баллонов, либо содержаться в баках в сжиженном состоянии. Форма, в которой подаются нужные газы, газообразное или жидкое состояние, в первую очередь зависит от того, какое количество газов необходимо. Из тех же соображений подбирается размер и тип сосуда для хранения газа. Не следует упускать из виду и экономические факторы, касающиеся конструкции системы подачи газа для плазменной резки. Количество требующейся плазмы и вторичных газов зависит от различных факторов. Оно зависит от диаметра плазменного сопла, давления газа и тока резки, и может быть в пределах от 20 до 100 л/мин. При таких условиях, в зависимости от рассматриваемой работы (работ), для подачи достаточного количества газа может оказаться достаточно и одного газового баллона, а могут потребоваться и стационарные баки. Если потребление газа составляет 200 – 300 м3/неделя, газ подаётся в газообразной форме, если же потребное количество больше этой величины, то используется сжиженный газ. Если расход газа в системе плазменной резки опускается ниже величины, определённой производителем, резак может получить серьёзные повреждения. Для исключения этого первостепенную важность имеет настройка давления на величину, определённую производителем. Необходимо иметь возможность устанавливать давление, по меньшей мере, на 12 бар. В табл. 5 приведены минимальные требования по чистоте для газов, применяющихся для плазменной резки нелегированных, низколегированных и высоколегированных сталей и алюминия. Несоответствие этим величинам может отрицательно повлиять на качество и экономическую эффективность из-за снижения скорости резки. Примечание: В случаях, когда воздух подаётся от компрессора, а не от баллонов с техническим воздухом, наиболее важным является соблюдение требований, указанных в табл. 5, которые касаются максимального размера частиц, содержания остаточного масла и точки росы, так как повышение содержания масла и влаги может сократить срок службы расходных деталей, а также повысить вероятность поломки резака. 21 Таблица 5: Требования к чистоте газов, использующихся для плазменной резки Вид газа Требования к газам Кислород 99,5% (2,5) Аргон 99,996% (4,6) Водород 99,95% (3,5) 99,999% (5,0) для плазменного газа или 99,996% (4,6) для газа, образующего завихрения Сухой, без грязи, масла и воды. Максимальный размер частиц: 0,1 мкм, класс 1 согласно ISO 8573. Воздух Максимальное содержание остаточного масла: 0,1 мг/м3, класс 2 согласно ISO 8573. Максимальная точка росы: +3°С, класс 4 согласно ISO 8573 Азот Качество процесса Европейский стандарт качества EN ISO 9013 «Термическая резка» определяет классификацию видов термической резки, геометрические параметры изделий и качество. Стандарт применим к материалам, которые могут быть подвергнуты кислородной резке, плазменной резке и лазерной резке, имея при этом толщину, в случае кислородной резки, от 3 до 300 мм, в случае плазменной резки на станках с ЧПУ или ручных, от 1 до 150 мм, и в случае лазерной резки, от 0,5 до 40 мм. Данный стандарт включает в себя требования к геометрическим параметрам изделия и допуски на размеры (качество). Рисунок 18: Параметры качества плазменной резки 22 Важно определить правильное качество для каждого изделия, подвергаемого резке. Данный раздел содержит описание наиболее важных параметров качества. 5.1 Параметры качества • Неровность и угловой допуск (u) • Средняя высота от впадин до вершин (Rz5) • Интервал борозд (n) • Оплавление краёв вершин (r) • Возможность образования грата или капли расплавленного металла в нижней части кромки реза Для того чтобы определить u, следует сместиться на величину ∆a от верхней и нижней кромки реза. ∆a зависит от толщины листа. 5.2 Обозначения и определения Качества кромки реза в материале, подвергаемом плазменной резке, определяется следующими величинами: • Неровность (см. рис. 19) и угловой допуск (см. рис. 20) • Средняя высота от впадин до вершин (Rz5) (см. рис. 21) Рисунок 19: Допуск неровности Рисунок 20: Допуск на угловой размер Рисунок 21: Средняя высота от выступов до впадин Следующие величины могут также быть использованы для визуального контроля качества: 23 • Интервал борозд (n) (см. рис. 22) • Оплавление краёв вершин (r) (см. рис. 22 внизу) Рисунок 22: Борозды и оплавление на верхней кромке 5.3 Другие критерии качества Образование грата в нижней части реза и брызги в верхней части реза Грат представляет собой затвердевший металл и оксид металла, приставший к нижней части поверхности после выполнении плазменной резки. На верхней кромке поверхности, прошедшей плазменную резку могут также быть брызги. На формирование грата оказывает влияние множество переменных значений, относящихся к процессу, например, скорость резки, расстояние, на котором находится резак, сила тока, напряжение, плазменный газ и технология плазменной операции. Имеется также зависимость от таких переменных значений как сам материал, его толщина, состояние поверхности и перепады температуры материала во время резки. Грат может также образовываться, если скорость резки слишком велика или слишком мала. Обычно в середине диапазона между этими двумя предельными величинами находится та величина, при которой отсутствует грат. Способ плазменной резки и используемый газ являются важными факторами по недопущению образования грата. Угловое отклонение Во время плазменной резки поверхность реза обычно выходит под небольшим углом из-за температурного градиента в плазменной дуге. Наибольшая передача температуры происходит в верхней части реза, что заставляет плавиться большее количество материала, чем в нижней части. Чем большему обжатию подвергается дуга, тем меньше получается угловое отклонение реза. Угол реза также зависит от расстояния, на котором находится резак и от скорости резки. В традиционной плазменной резке угол резки с обеих сторон обычно составляет от 4 до 8 градусов. При использовании плазменной технологии с повышенным обжатием, угол резки может быть уменьшен до величины меньше 1 градуса, так что вырезаемые детали имеют общие кромки реза. 24 Ширина реза Действует практическое правило, по которому ширина реза при плазменной резке составляет от полутора до двух величин диаметра выхода сопла. Ширина реза зависит от скорости резки. Если уменьшить скорость резки, то рез становится шире. Металлургический эффект (зона, подверженная тепловому влиянию) По сравнению с кислородной резкой, зона, подверженная тепловому влиянию, меньше приблизительно на одну треть, если для нелегированных сталей используется плазменная резка. При обработке с помощью плазменной резки других материалов зона подверженная тепловому влиянию, варьирует, смотря по тому, что это за материал. Насыщение азотом В случае выполнения плазменной резки воздухом или азотом создаются такие условия, при которых на поверхности реза накапливается большое количество азота. В результате сварочный шов может иметь поры. При использовании кислорода образование пор может быть намного уменьшено. Плазменная резка с повышенным обжатием даёт возможность добиться очень хорошего качества реза и высокой точности. Данная технология обеспечивает для элементов допуск ±0,2 мм и высокую точность повторения, позволяя, таким образом, получить резы сопоставимые по качеству с теми, которые даёт лазер. Качество реза, которого можно добиться Если выдерживаются определённые технические параметры резки, то можно на наиболее популярных марках конструкционных и высоколегированных сталей получить качество реза, которое соответствует стандарту. Изделия из алюминия также могут резаться в соответствии со стандартами, однако, у них высота от вершин до впадин несколько больше, чем у стали. Качество, которого можно добиться, обычно определяется разрезаемым материалом. Состояние кромки реза зависит от составляющих сплава: титан, магний и их сплавы, а также латунь и медь имеют зернистую структуру с такой высотой от вершин до впадин, которую нельзя посчитать, а также оценить на основании стандарта EN ISO 9013. Плазменная резка с повышенным обжатием даёт возможность обеспечить хорошие результаты (см. рис. 23 и 24): Грат либо не образовывается вовсе, либо создаётся в ограниченном количестве Высокая точность контура при острых углах и кромках Узкий допуск неровности поверхностей реза Высокая точность подгонки (напр., разъёмов) Узкая зона, подверженная тепловому воздействию, незначительное искривление Минимальная высота от вершин до впадин, гладкая поверхность реза Возможность выполнения отверстий малых диаметров Рисунок 23: Материалы с разным качеством поверхностей, подвергаемые плазменной резке с повышенным обжатием 25 Рисунок 24: Результаты плазменной резки по качеству сходны с теми, которые обеспечивает лазер 5.4 Выявление причин неисправностей и их устранение Переменные значения процесса, которые могут повлиять на качество реза, включают в себя скорость резки, расстояние до резака (расстояние до изделия), тип плазменного и вторичного газа, размер сопла, а также ток резки. В табл. 6 предоставлены советы по выявлению причин неисправностей и их устранению. Таблица 6: Наиболее распространённые отклонения по качеству, связанные с плазменной резкой, и способы их устранения Критерий Отклонение Слишком большое угловое отклонение Возможная причина Решение 1. Резак не установлен 1. Установите резак под под требуемым углом. правильным углом. 2. Расстояние слишком 2. Уменьшите 26 Грат из-за высокой скорости. Рез слишком узкий, бороздки по диагонали или в виде буквы S. Незначительное образование грата, грат твёрдый. велико. 3. Слишком маленькая сила тока. 4. Слишком высокая скорость. 5. Направление движение резака. 6. Сопло разрушено эрозией. расстояние. 3. Увеличьте силу тока. 4. Отрегулируйте скорость. 5. Измените направление. 6. Замените сопло. 1. Слишком высокая скорость. 2. Слишком маленькая сила тока. 3. Слишком большое расстояние. 1. Отрегулируйте скорость. 2. Увеличьте силу тока. 3. Уменьшите расстояние. Грат из-за низкой скорости. 1. Слишком низкая Рез широкий, бороздки скорость. направлены вертикально. 2. Слишком высокая Образование грата в большом сила тока. количестве, грат с пузырьками. 3. Слишком маленькое расстояние. 1. Отрегулируйте скорость. 2. Уменьшите силу тока. 3. Увеличьте расстояние. Скруглённые верхние кромки 1. Вторичный газ не подходит. 2. Слишком большое расстояние. 3. Слишком высокая скорость. 1. Используйте другой газ. 2. Уменьшите расстояние. 3. Отрегулируйте скорость. Брызги на верхней кромке 1. Слишком низкая скорость. 2. Слишком большое расстояние. 3. Сопло разрушено эрозией. 1. Отрегулируйте скорость. 2. Уменьшите расстояние. 3. Замените сопло. Техника безопасности Как и в случае с другими способами сварки и резки, плазменная резка также требует соблюдения основных производственных правил техники безопасности. В каждой стране устанавливаются свои собственные правила техники безопасности. Особым образом следует рассмотреть следующие факторы, которые могут иметь место при ручной и машинной плазменной резке: • Электрический ток • Дым, пыль и газы 27 • Шум • Излучение • Брызги расплавленного металла • Влияние окружающей среды 6.1 Электрический ток Способы плазменной резки сопряжены с особой опасностью, исходящей от электричества, так как без нагрузки и при резке в данном процессе действуют высокие напряжения. Эту опасность можно избежать благодаря мерам защиты, предусмотренным в конструкции машины производителем, а также при условии, что операторы будут носить соответствующую защитную одежду. Если машина имеет дефект (недостаточная изоляция), электрический ток может пройти по частям человеческого тела. Как следствие определённого типа тока, его силы и цепи, по которой он протекает, а также длины воздействия и высоких напряжений, характерных для плазменной резки, могут иметь место: • судороги мышц, • учащение сердцебиения, • остановка или дрожание сердца. Чтобы избежать этих опасностей, следует носить перчатки на обеих руках во время выполнения плазменной резки, и эти перчатки должны соответствовать DIN 4841-4. Защитные перчатки должны быть в хорошем состоянии (не иметь повреждений) и соответствовать EN 345. 6.2 Дым, пыль и газы Загрязняющие вещества, включая газы, которые могут выделяться во время плазменной резки, - это оксиды азота, озон и угарный газ. Количество оксида азота, выделяющегося при проведении плазменной резки, зависит от силы тока и применяемого плазменного газа. Сила тока напрямую влияет на объём оксида азота. Иными словами, чем выше сила тока, тем выше уровень оксида азота. Количество оксида азота становится наибольшим, когда чистый азот применяется в качестве плазменного газа. Поэтому азот в чистом виде едва ли используется в качестве плазменного газа для ручной плазменной резки. Количество озона (O3) и угарного газа (СО), выделяющихся во время плазменной резки значительно ниже предельно допустимого уровня. Если нет возможности использовать такую вытяжную систему, операторы должны носить респираторную маску или шлем с фильтром для отделения загрязняющих частиц, который соответствует EN 146. Газы, используемые в плазменной резке, не являются горючими. Однако когда создаются газы, с содержанием водорода по объёму 4% и / или обработка производится при температуре 560°С, может образоваться гремучий газ. Газ этого типа может также быть создан при выполнении плазменной резки под водой. В любом случае следует неукоснительно соблюдать следующие правовые нормы. Воздух для технических нужд, предельная величина для рабочего места (Немецкие правила: TA-Luft APG). Под предельной величиной для рабочего места (APG) подразумевается средняя концентрация частиц определенного материала, присутствие которой допускается в воздухе на рабочем месте на заданный период времени, исходя из определённой базовой продолжительности. Указывается, какие 28 концентрации материала обычно не создают угрозы острого или хронического вредного воздействия на здоровье. 6.3 Шум Поскольку плазма выходит с очень большой скоростью из сопла резака, уровень шума, создающегося в процессе резки очень велик. Его частота может находиться в пределах от 8 до 20 Гц. На уровень шума влияет форма сопла, толщина материала, расход газа и сила тока. Уровень шума, создающегося во время ручной плазменной резки, обычно находится в пределах от 90 до 115 дБ (А). Величины меньше 80 дБ (А) могут быть получены только при ручной резке с низкой силой тока, либо при использовании машины плазменной резки под водой. Требуется носить защиту органов слуха. Концентрация дыма и пыли, которые создаются при выполнении плазменной резки, зависит от разрезаемого материала, используемого плазменного газа, а также от состояния поверхности метала (грязь, грунтовка или оксидированная поверхность). Чем меньше толщина разрезаемого металла, тем меньше дыма и пыли создаётся. При плазменной резке под водой также выделяется меньше дыма и пыли. Данные загрязнители следует также удалять из воздуха с помощью специальных вытяжных вентиляторов (либо подвижных, либо стационарных). 6.4 Излучение Во время выполнения ультрафиолетовый свет. плазменной резки создаётся очень сильный видимый и Для того чтобы защитить глаза и кожу, оператор должен надевать соответствующую защитную одежду, закрывающую всё тело, а также защитный щиток и защитные очки (EN 166 и EN 175). Защитные очки должны соответствовать EN 166 и EN 169. При подводной плазменной резке создаётся меньше света. 6.5 Брызги расплавленного металла Для защиты от брызг расплавленного металла необходимы средства индивидуальной защиты: защитная обувь, гамаши, кожаный фартук и перчатки. При подводной плазменной резке опасность получить травму из-за брызг расплавленного металла не настолько высока. 6.6 Окружающая среда Грат, который создаётся в процессе плазменной резки, и собираемая пыль должны удаляться в соответствии с действующими правилами, такими как «Акт по управлению отходами при замкнутом цикле употребления материалов, действующий в Германии» (германские правила: KrW-/AbfG) от 27 сентября 1994. 29
