Плазменная резка. Ее особенности, преимущества и отличия.

Основным элементом энергетической части плазменного оборудования является плазмотрон. Наибольшее применение в промышленности нашли дуговые плазмотроны постоянного тока, которые в свою очередь делятся на плазмотроны прямого и косвенного действия (Рис. 28). В плазмотроне прямого действия (Рис.28а) электрическая дуга горит между электродом и обрабатываемым изделием, а в плазмотроне косвенного действия (Рис.28б) - между электродом и соплом.

Рис.28. Принципиальная схема дугового плазмотрона прямого (а) и косвенного (б) действия: 1 – изолятор; 2 – электрод; 3 – сопло; 4 – обрабатываемое изделие; 5 – электрическая дуга.

Плазменная резка представляет собой процесс местного расплавления и удаления металла из полости реза теплом концентрированной (проникающей) дуги (Рис. 28а) и струей дуговой плазмы (Рис. 28б). Дуга возбуждается между разрезаемым металлом 4 и неплавящимся вольфрамовым электродом 2, расположенным внутри электрически изолированного формирующего мундштука (сопла) 3 с выходным каналом малого диаметра (Рис. 28б).

Проникающее свойство дуга приобретает благодаря сжимающему действию потока газа. Благодаря обжатию столба дуги температура ее достигает 12000…20000°С, поэтому свойства металла практически не оказывают влияния на процессы резки.

В результате сжимающего действия струи высокотемпературного газа, истекающего с большой скоростью из узкого канала мундштука и отчасти вследствие охлаждающего действия стенок сопла, напряжение на дуге повышается.

По способу получения электрического разряда плазмотроны делятся на дуговые и высокочастотные:

- в дуговых плазмотронах электрическая дуга постоянного или переменного тока ионизирует плазмообразующий газ;

- в высокочастотных индукционных плазмотронах ионизация плазмообразующего газа осуществляется по действием переменного высокочастотного поля индуктора.

Для плазменно-дуговой резки используется только плазмотроны первого типа.

Плазмообразующие среды.

Для плазменно-дуговой резки используют следующие среды:

- газы, химически неактивные по отношению к обрабатываемому металлу (аргон, азот, их смеси с воздухом);

- газы, химически активные по отношению к обрабатываемому металлу (кислород, часто в смеси с азотом, или сжатый воздух, углекислый газ);

- возможно применение воды.

Все эти газы являются дефицитными и дорогостоящими, что препятствовало широкому распространению плазменной резки. В основном она применялась только при разделке цветных металлов и высоколегированных сталей.

Разработка принципиально новых электродов, работающих в активных смесях, позволила использовать в качестве плазмообразующего газа сжатый воздух из заводских магистралей, что способствовало широкому внедрению в производство воздушно-плазменной резки.

В первую очередь этот процесс нашел применение в трубной и судостроительной отраслях, где резка нужна в больших объемах. В настоящее время все основные предприятия этих отраслей газовую резку заменили воздушно-плазменной.

Применение воздуха при воздушно-плазменной резке имеет ряд преимуществ:

- создаются условия для резки толстых листов в результате большой мощности воздушно-плазменной струи;

- увеличивается срок службы электродов;

- значительно повышается скорость резки;

- снижается стоимость процесса резки, т.к. в качестве рабочего газа используется воздух.

Изучение влияния расхода воздуха на надежность работы основных элементов плазмотрона (катод, анод) показало, что оптимально выбранный расход воздуха обеспечивает надежную работу плазмотрона. При силе тока 250…350 А оптимальный расход воздуха 4…5 м³/час. Качество поверхностей реза при воздушно-плазменной резке выше, чем при использовании других плазмообразующих сред и в основном отвечают требованиям ГОСТ 14792 - 89.

О преимуществах воздушно-плазменной резки говорит, например, такой фактор: при резке стали одного и того же состава и одной и той же толщины скорость воздушно-плазменной резки составляет 13,3 мм/с, тогда как при ацетилено-кислородной – 6…6,5мм/с.

Конструкция плазмотронов

Все плазмотроны имеют три основных элемента:

- электрод;

- сопло;

- изолятор,

Электроды.

Тип и конструкция катода плазмотрона определяются составом плазмообразующей среды. В плазмотронах работающих в среде инертных газов (Аr , N₂ , Аr + N₂ , N₂ + Н₂ , Аr + Н₂) применяются катоды из вольфрама.

Основной характеристикой материала катода являются эмиссионные свойства, которые определяются работой выхода электронов. Чем выше эмиссионные свойства материала катода (чем меньше работа выхода) тем стабильнее дуга . Для улучшения эмиссионных свойств применяют вольфрам, легированный окислами металла и лития (вольфрам марок ВЛ и СВИ).

Конструктивно катоды из вольфрама выполняются в виде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закрепленным в электродном узле, и в виде медной державки, с запрессованным в нее стержнем вольфрама, закрепленной в электродном узле. Последняя конструкция предпочтительней, т.к. позволяет получать более высокие плотности тока на катоде, и более экономична с точки зрения расхода вольфрама.

Для катодов, работающих в кислородсодержащих средах , применяют элементы группы IV А (например гафний или цирконий), т.к. его соединения обладают более высокими эмиссионными свойствами, являются термически устойчивыми и в меньшей степени подвержены колебаниям токового и газового режимов в условиях охлаждения. Это связано с тем, что гафний имеет более низкую теплопроводность и температуру плавления, чем у вольфрама. Активную катодную вставку помещают заподлицо в медную державку.

Изготавливается такой электрод методом совместной холодной штамповки вставки и державки, для обеспечения лучшего электрического контакта и теплопередачи (Рис. 29).

Сопла.

Назначение сопла - управление геометрическими и энергетическими параметрами дуги, оно формирует и стабилизирует прикатодную область дугового столба. К основным параметрам сопла относятся диаметр и высота, канала, геометрия рабочей поверхности, или, точнее, рабочей камеры плазмотрона (Рис.30).

Диаметр и высота канала сопла зависит от величины рабочего тока, состава и расхода плазмообразующего газа. В плазмотронах для резки необходимо стремиться к уменьшению диаметра и увеличению высоты канала, при этом увеличивается скорость реза, уменьшается ширина реза.

Сопло выполняет роль вспомогательного электрода, обеспечивающего зажигание вспомогательной, так называемой дежурной, дуги. С ее помощью осуществляется переход к возбуждению основной дуги, горящей между катодом плазмотрона и обрабатываемым изделием.

Стабильное возбуждение дежурной и основной дуги возможно только при определенной величине тока дежурной дуги. Поэтому стремятся увеличивать ток дежурной дуги, что, в тоже время, приводит к увеличению теплового потока в сопло (как в промежуточный электрод), вызывая его эрозию.

Следовательно, приходится находить оптимальное сочетание параметров, обеспечивающих стабильное возбуждение дежурной и основной дуги, при минимальном износе сопла плазмотрона.

Рис. 29. Комбинированный электрод-катод: 1-медный стакан; 2-гафниевая или циркониевая вставка

Рис.30. Схема подбора пары электрод-сопло и установка технологических зазоров между соплом и электродом плазмотрона: 1-кольцо резиновое; 2-электрод-катод; 3- гафниевая или циркониевая термовставка; 4- сопло.

Изолятор.

Использование сопла в качестве промежуточного элемента для возбуждения дежурной дуги вызывает необходимость его изоляции от основного электрода плазмотрона.

Материал изолятора должен обладать:

· высокой электрической прочностью, т.к. возбуждение дежурной дуги осуществляется с помощью высоковольтного высокочастотного разряда осциллятора;

· высокой механической прочностью, т.к. он выполняет функции несущей части конструкции;

· возможность обработки обычным режущим инструментом;

· термостойкостью, т.к. отдельные части изолятора подвержены действию теплового и светового потока;

· герметичностью, т.к. через изолятор проходят коммуникации плазмообразующего газа и охлаждения.

Изоляторы изготавливают как из материалов обрабатываемых резанием: фторопласт Ф-4, капролон, эбонит, так и из материалов, подвергаемых специальной обработке с использованием пресс-форм, заливочных форм: эпоксидная смола холодного отверждения ЭД - 5 с кремнийорганическим отвердителем.