Всё для надежной сварки
Печатная версия материала с сайта svarkainfo.ru - портала о сварке. При использовании материалов с сайта, пожалуйста, всегда указывайте источник или гиперссылку.
показать меню

Главная / Технологии / Резка / Плазменная резка с использованием воды

Резка

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), исключите полностью обильно выделяющийся дым и аэрозоли. Металл и шлак, вы плавляемые 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 Плотный водяной экран вокруг плазмы создается за счет специальной насадки, закрепленной на плазмотроне.

При резке коррозионно-стойкой стали толщиной 12,7 мм дугой мощностью 65 кВт на расстоянии 1,83 м от плазмотрона при обычных условиях величина шума достигала 108 Дб. В случае экранизации защитными средствами (металлическим кожухом) шум уменьшился до 101 Дб. При экранизации за счет мощного водяного потока (расход воды до 1,2 л/с) шум уменьшился до 15 Дб, т.е. стал значительно ниже установленных норм. При снижении расхода воды до 0, 6 л/с интенсивность шума значительно повысилась (до 93 Дб). С помощью системы «Вота Тейбл» (Water Table) (стол, заполненный водой) удается отвести 99,5 % выделяющихся газов. Грат и расплавленный металл при этом собирают в резервуар, наполненный проточной водой.

При исследовании плазменной резки сталей толщиной 30—60 мм и более была проведена экспериментальная проверка их резки в воде, а также с водяной завесой, создаваемой вокруг столба плазменной дуги. Резка выполнялась плазмотроном ПМР-74. Для создания водяного экрана было изготовлено специальное устройство, которое устанавливалось на плазмотрон. Устройство для создания водяного экрана и схема резки показаны на рис. 2.23.

После возбуждения режущей дуги и начала резки включалась вода, подаваемая в насадку, которая создавала экран вокруг плазменной дуги. Прорезая стальной лист, столб плазмы уходил в воду. При выключенной вентиляции дым, пыль, аэрозоль не выделялись. Все поглощалось водой. При этом высокочастотный шум от плазменной резки несколько уменьшался. Преобладал шум от булькания воды.

Рис. 2.23. Устройство, предназначенное для создания водяного экрана, и схема резки

Для эффективного снижения шума требуется расход воды 1,2 л/с. На самом деле был обеспечен расход только 0,2 л/с, так как магистраль не была рассчитана на большую подачу воды. Излишки воды сливались через патрубок, находящийся в верхней части бака, а затем в канализацию. Поверхность разрезаемого листа находилась на уровне поверхности зеркала воды или выступала из воды на 5—6 мм. Режимы резки приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5. Технологические параметры при воздушно-плазменной резке в воду без водяной и с водяной защитой

Примечание. В числителе даны значения параметров при плазменной резке в воду без водяной зашиты, в знаменателе — с водяной зашитой.

Резка производилась на предельных скоростях. Из таблицы следует, что напряжение режущей дуги по сравнению с обычной резкой несколько понизилось. Соответственно на 15—30 % уменьшились скорости резки. Сказалось охлаждающее действие воды. При резке в воду с защитным водяным экраном скорость снизилась значительнее. При обоих способах резки получено хорошее качество кромок. Рез на всю глубину ровный и без оплавления кромок, но имеет некоторое расширение книзу при толщине металла более 40 мм. В случае, когда толщина металла составила 65 мм, ширина реза уменьшилась по верхней кромке на 1,0—1,5 мм и составила 5,5—6 мм, по нижней кромке — 7,3 мм. В полости реза видны прилипшие капли металла и шероховатость поверхности кромок увеличилась. На первый взгляд можно предположить, что была недостаточной скорость резки, поэтому в нижней части рез оказался более широким. Однако это не так, так как имелось отставание реза по нижней плоскости листа относительно поверхности на 15 мм. Увеличение ширины реза в нижней части толщины металла можно объяснить только влиянием и взаимодействием воды при ее диссоциации на кислород и водород, а также плотностью среды (воды), препятствующей выходу столба дуги вниз (под лист) из полости реза. Внешний вид поверхности реза серебристый, не окисленный. Однако на нижних кромках листа толщиной 65 мм большой металлический грат свисает в виде гирлянды до 50,0 мм, на меньших толщинах он соответственно значительно меньше. Грат сравнительно легко удаляется ударом молотка. Другим недостатком является некоторое увеличение шероховатости. Штрихи расположены ближе к верхней и нижней кромкам, глубина их достигает 0,2 мм. Процесс резки полупогруженного металла проходил устойчиво и может быть использован для вырезки деталей на машинах, индивидуально оснащенных водяным столом.

При резке заготовки, погруженной от поверхности воды даже на глубину 20—30 мм, возбудить дугу не удалось. В этом случае возбуждение рабочей дуги производилось вне воды, затем разрезался наклонный лис уходящий одним краем в воду. В процессе резки плазмотрон заглубляется на 30—40 мм. Процесс проходил устойчиво, но имели место при этом сильное разбрызгивание и испарение воды.

Для того чтобы осуществить резку листа, полностью погруженного воду, необходима аппаратура, обеспечивающая поддержание дежурной малоамперной дуги, т. е. необходим аргон. При погружении плазмотрон 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 требуете 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. Другой недостаток — трудность осуществления контроля за ведением процесса резки.

Плазменная резка со стабилизацией плазменной дуги водой (воде электрическая) 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 пленка Вода является наилучшей средой для резки цветных металлов и высоко легированных 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 про слойка, 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. Поэтому допустимые нагрузки ДЛЯ одного и того же диаметра сопла, ограничивающего столб плазменной дуги, в несколько раз выше, что можно проиллюстрировать следующими данными:

Применение сопла менее 3 мм невозможно ввиду того, что для зажигания водоэлектрической дуги используется алюминиевая проволока диаметром 1,5 мм и при меньших диаметрах сопла истечение воды нарушается в момент зажигания дуги.

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.

Вода, поступающая концентрично столбу дуги, также частично испаряется и создает вокруг дуги водопаровую завесу, ограничивая доступ атмосферного воздуха в зону дуги. Выделяющиеся в процессе резки вредные испарения металлов и газы частично осаждаются водой. Исследования показали, что их концентрация по сравнению с обычной воздушно-плазменной резкой уменьшилась в два раза. Шум при использовании данной конструкции сопла снизился примерно на 5—8 Дб.

Применение воздушно-водяной плазменной резки позволило также уменьшить газонасыщение кромок, создаваемое за счет взаимодействия высокотемпературного столба дуги с разрезаемой углеродистой и низколегированной сталью. Особенно это газонасыщение проявилось при использовании воздушной плазмы и привело к образованию пористости в сварных швах, выполненных по этим кромкам.

Расход воды при использовании двойного сопла может регулироваться за счет уменьшения или увеличения давления воды, подаваемой в полость сопла для охлаждения. Оптимальная величина расхода воды при использовании стандартных сопл в плазмотроне ПМР-74 составляет 0,004— 0,006 л/с, в том числе внутри канала сопла — 0,001—0,0016 л/с. Уменьшение или увеличение расхода воды приводит к снижению эффективности процесса резки и увеличению газонасыщения кромок.

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.

Плазменная резка с подачей небольшого количества воды в плазму, чаще всего в азотную и воздушную, находит более широкое применение.

Зарубежными фирмами при этом способе резки в качестве основного газа чаще всего используется азот, в нашей стране — азот и воздух. Подвод воды в столб дуги осуществляют различными способами. Вода может направляться радиально в столб плазменной дуги ниже среза сопла. При этом расход, скоростной напор водяных струй, а также угол атаки радиально направленных струй воды могут быть разными. В этих условиях вода охлаждает и ограничивает столб плазмы, который при выходе из сопла стремится расшириться. Вода под действием высокой температуры не может продиссоциировать так полно и проявить свои свойства в том объеме, как при водоэлектрическом способе резки, при котором она подвергается термическому влиянию высокотемпературной дуги в замкнутом объеме полости и канала сопла.

Разработаны специальные конструкции плазмотронов, которые позволяют более полно использовать ценные свойства воды. Поскольку воду нельзя подать вместе с плаз-мообразующим газом в катодное пространство, так как это приводит к разрушению электрода и сопла, то ее подают отдельно: газ в полость сопла, а воду в канал сопла. В канале сопла под воздействием высоких температур происходит ее интенсивное испарение, т. е. диссоциация на водород и кислород. При испарении 1 см3 воды образуется около 1700 см3 водяного пара. Плазменная дуга уплотняется, удлиняется и стабилизируется. Кроме того, увеличивается движущая масса, которая обеспечивает лучший перенос энергии и служит для удаления расплавленного металла и шлака из полости реза.

Применение воды для плазменной резки или добавка ее в небольших количествах к плазмообразующему газу в значительной степени улучшает качество кромок, уменьшает их скос, снижает тепловые деформации металла.

Для обеспечения плазменной резки с использованием воды был усовершенствован ранее разработанный в НПО «Ритм» плазмотрон типа ПМР-74 (рис. 2. 24). Без каких-либо существенных переделок в плазмотрон введено дополнительное наружное сопло (насадка), которое сопряжено внутренней конусной поверхностью с основным соплом. На внутренней и наружной поверхности сопла имеются пазы для прохода воды в зону дуги (рис. 2. 25). Использование такого сопла позволяет подавать воду внутрь общего канала, образованного совмещением двух сопел, и концентрично столбу дуги, создавая вокруг нее водяную завесу.

Внутрь канала вода подается с завихрением по часовой стрелке, т. е. в том же направлении, что и завихрение газа. Попытки изменить завихрение на противоположное или направить воду по радиально расположенным каналам приводили к ослаблению вихревого потока воздуха, вследствие чего на кромках деталей увеличивался грат. В целях уменьшения влияния кольцевого потока воды, создаваемого вокруг столба плазмы, на завихрение газа сопло-насадка на нижнем срезе выполнено в виде цилиндра. Такая конструкция сопла исключает пересечение струй воды кольцевого потока со столбом плазменной дуги. Струи воды направлены параллельно столбу дуги или несколько расходятся под давлением выходящего из сопла газа, образуя перевернутый конус. Попытки направить воду непосредственно в столб дуги ниже среза сопла (в этом случае сопло-насадка не имело цилиндрической части) привели при резке сталей к образованию на кромках трудно удаляемого грата.

В процессе резки использование рассмотренной конструкции сопла создает двойной эффект. Вода, поступающая внутрь канала сопла, частично испаряется, диссоциирует на водород и кислород, которые, смешиваясь основным плазмообразующим газом, создают комбинированную высокоэффективную газовую среду. Кроме того, вода обжимает и уплотняет дуг в канале сопла, обеспечивая более высокие энергетические характеристики.

Проникающая способность дуги заметно возрастает, на что указывает уменьшение скосов кромок, полученных при этом способе резки.

Рис. 2.24. Схема головки плазмотрона ПМР-74:
а — для обычной плазменной резки; б — для воздушно-водяной плазменной резки

Рис. 2.25. Дополнительное наружное сопло-насадка

Источник: Ширшов И.Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1987