Плазменная резка высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Характеристика фасонных частей из высокопрочного чугуна и условия их эксплуатации

1.2 Анализ существующих методов подготовки заготовок для сварки сварных фасонных частей

1.3 Анализ существующих методов плазменной резки

1.4 Характеристика, химический состав, механические свойства и оценка свариваемости основного металла

2. Разработка технологии плазменной резки заготовок под сварку ФСЧ

2.1 Обоснование выбора способа резки

2.2 Выбор режимов резки

2.3 Выбор оборудования, источников питания и их характеристики

2.4 Разработка конструкции приспособлений для резки

2.5 Разработка технологического процесса и его нормирование

3. Экономическое обоснование выбора способа резки заготовок из ВЧШГ

3.1 Режим работы и фонд времени

3.2 Расчет потребности в оборудовании и его загрузка

3.3 Расчет технологической себестоимости

3.4 Определение годового экономического эффекта

4. Безопасность технологического процесса на участке плазменной резки

4.1 Характеристика опасных и вредных производственных факторов

4.2 Мероприятия по обеспечению безопасности и безвредности труда

4.3 Расчет сопротивления защитного заземляющего устройства сварного оборудования

Библиографический список

Введение

В настоящее время одним из наиболее перспективных материалов для строительства трубопроводов является высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Шаровидный графит меньше ослабляет металлическую основу и поэтому лучше сохраняет присущие ей свойства (прочность и пластичность). Металлическая основа высокопрочных чугунов бывает ферритная, ферритно - перлитная, перлитная. Шаровидная форма графита получается модифицированием жидкого серого чугуна перед заливкой в формы магнием, церием, кальцием, иттрием и другими элементами.

В данный момент развития промышленности встал вопрос об использование плазмы для различных видов работ с чугуном. В своём дипломном проекте я дам сравнительную характеристику некоторым аппаратам нового поколения для плазменной резки и разработаю технологию плазменной резки заготовок для изделий из высокопрочного чугуна.

1. Литературный обзор

1.1 Характеристика фасонных частей из высокопрочного чугуна и условия их эксплуатации

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом -- это особенный и уникальный по своим свойствам материал, сочетающий в себе коррозионную стойкость чугуна и высокие механические свойства, равные свойствам стали Ст. 55 (прочность), или близкие к таковым (пластичность, ударная вязкость). Эти уникальные свойства получены в результате модификации жидкого чугуна магнием.

Внутренняя поверхность труб из ВЧШГ покрыта слоем цементно-песчаного покрытия (ЦПП), исключающего явления коррозии и зашлаковывания внутритрубной поверхности и позволяющего сохранять качество транспортируемой питьевой воды, предусмотренное СанПиН 2.1.4.559-96.

Уникальное свойство покрытия цементным раствором состоит в наличии как пассивного, так и активного защитного эффекта. Пассивный защитный эффект достигается за счет чисто механической изоляции стенки трубы слоем цементного раствора. Активный защитный эффект заключается в том, что при гидратации цемента в порах возникает насыщенный раствор гидроокиси кальция, рH которого составляет около 12,6. При этих условиях низколегированное железо пассивируется за счет образования субмикроскопического покровного слоя из оксидов железа. Этот чрезвычайно тонкий пассивный слой механически изолирован цементным покрытием от протекающей по трубе воды, удерживается на месте и предотвращает дальнейшую коррозию металла.

Цементно-песчаное покрытие улучшает так же гидравлические свойства трубопровода благодаря возникновению на поверхности ЦПП гидрофильного гелиевого слоя, образованного мельчайшими частицами глины и железо-марганцевыми соединениями.

Коэффициент шероховатости внутренней поверхности трубы из высокопрочного чугуна (ВЧШГ) с цементно-песчаным покрытием составляет для отдельной трубы К = 0,03. При проектировании системы трубопроводов из высокопрочного чугуна рекомендуется брать для расчетов К = 0,1, чтобы учесть все потери на трение в собранной системе трубопроводов. То есть, трубы из высокопрочного чугуна (ВЧШГ) с внутренним цементно-песчаным покрытием позволяют резко снизить гидравлические потери на трение в трубопроводе и отвечают всем современным требованиям в области энергосбережения.

Кроме того, больший внутренний проходной диаметр труб ВЧШГ по сравнению с полиэтиленовыми трубами (при одинаковом условном диаметре) позволяет значительно снизить затраты на перекачку транспортируемой жидкости вследствие экономии электроэнергии.

Трубопроводы из полиэтиленовых труб имеют значительно меньшую аварийность по сравнению с трубопроводами из стальных и чугунных труб (из серого чугуна), но наименьшей аварийностью располагают все же трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ).

Протяженность сетей Московского водопровода составляет свыше 10 тыс. км с диаметрами трубопроводов от 50 до 2000 мм. Стальные трубопроводы составляют 72% от общей протяженности сетей, 26% -- чугунные (в том числе 1200 км из ВЧШГ), 2% -- железобетонные трубы и трубы из полиэтилена.

Трубопроводная система из высокопрочного чугуна обладает следующими свойствами:

* экономичностью, т. к. включает в себя низкие затраты на технико-эксплуатационное обслуживание и оптимальную надежность;

* сроком службы до 80--100 лет;

* ударной прочностью и хладостойкостью (трубы из ВЧШГ обладают уникально высокой хладостойкостью, ударная вязкость этих труб остается неизменной при температуре до --60 ⁰С);

* способностью выдерживать большие как внутренние, так и внешние нагрузки при резком изменении гидравлического давления в трубопроводах, а так же нагрузки, вызванные перемещением грунта в результате оседания, землетрясений и морозов.

Многочисленные испытания позволили сделать вывод, что трубы из высокопрочного чугуна наряду с расчетными допустимыми нагрузками имеют достаточный резерв надежности, что идеально подходит для сложных условий прокладки трубопроводов.

Трубы из ВЧШГ могут укладываться непосредственно в грунт на глубину до 8-10м;

* трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом обладают также низкой чувствительностью к надрезам и поверхностным дефектам, практически не снижающим конструктивную прочность труб при статическом нагружении. В частности, для чугунов не характерна почвенная коррозия при статическом нагружении, очевидна также низкая склонность ВЧШГ (по сравнению со стальными трубами) к деформационному старению

* коррозионная стойкость труб из ВЧШГ в 4--5 раз превышает стойкость стальных труб, локальная коррозия у этих труб полностью отсутствует; они не подвержены электрической коррозии, поскольку их электрическое сопротивление в 3,6-4,8 раза больше, чем у стальных труб, а стыки уплотнены резиновыми манжетами;

* обеспечивает сохранение качества транспортируемой по трубам из ВЧШГ питьевой воды согласно требованиям СанПиН и отсутствие зарастания внутритрубного пространства благодаря внутреннему цементно-песчаному покрытию труб;

* возможностью отклонения трубы в собранном раструбном соединении до 5⁰, т. к. оно работает как шарнирное соединение при рабочем давлении до 1,6 МПа;

* высокой скоростью монтажа при незначительных затратах, т. к. простая система раструбных соединений с резиновыми манжетами и нечувствительность к сложному грунту, а также отсутствие необходимости применять электроэнергию при монтаже системы труб из ВЧШГ обеспечивают низкий уровень затрат при прокладке трубопроводов;

* монтаж системы трубопроводов из ВЧШГ не зависит от погодных условий;

* и как следствие из всех вышеназванных достоинств - минимальная аварийность системы трубопроводов из высокопрочного чугуна.

Раструбные трубопроводы из высокопрочного чугуна с использованием резиновых уплотнительных колец эксплуатируются в мировой практике уже более 45 лет. Как видно из приведенных выше данных система трубопроводов из высокопрочного чугуна обладает минимальной аварийностью по сравнению с системами трубопроводов из других конструкционных материалов, в т. ч. и из полиэтиленовых труб. Резиновые уплотнительные кольца раструбных соединений труб ВЧШГ являются составной частью системы трубопроводов и полностью обеспечивают безаварийную работу в течение всего срока службы трубопроводов из высокопрочного чугуна (80--100 лет).

Требования к трубам и фасонным частям из ВЧШГ.

Трубы и фасонные части к ним не должны иметь дефектов, ухудшающих их монтажные и эксплуатационные качества: заливов, наростов, капель металла, шлаковых наслоений на наружной и внутренней поверхностях. допускается устранение незначительных дефектов, обусловленных способом производства и не ухудшающих качества изделий.

Трубы и фасонные части к ним не должны иметь отбела по всей наружной поверхности глубиной более 1 мм, а на торцах и наружной поверхности гладких концов труб на длине 60 мм от торца и в местах разъема литейных форм на фасонных частях - глубиной более 2 мм.

Отклонения от номинальных размеров внутренних диаметров раструбов труб и фасонных частей и наружных диаметров гладких концов труб и хвостовиков фасонных частей (до нанесения на изделие антикоррозионного покрытия) не должны превышать +/- 2 мм. Отклонения от размеров строительных длин в изделиях всех типов и диаметров не должны превышать +1- 0,9%.

Рис.1.Трубы и фасонные части из ВЧШГ.

Допускается утолщение не более чем на 2 мм стенок гладких концов труб на участке длиной до 150 мм и хвостовиков фасонных частей на участке длиной до 70 мм от их торцов с соответствующим уменьшением внутренних диаметров изделий в этих местах, а также закругление с наружной стороны торцов гладких концов труб и хвостовиков фасонных частей.

Предельные отклонения от номинальных размеров отливок изделий должны соответствовать 11 т классу точности по ГОСТ 26645.

Отклонения от расчетных значений масс изделий, установленных в стандартах на конструкции, и размеры этих изделий (при подсчете которых плотность чугуна принята равной 7,1 г/см3) должны соответствовать 11 т классу точности по ГОСТ 26645.

Отклонения от прямолинейности труб D_у = 100 и D_у = 150 мм не должны превышать 2 мм на 1 м длины, а труб D_у =50 мм - 5 мм на 1 м длины.

Трубы и фасонные части в сборе после нанесения на их внутренние и наружные поверхности антикоррозионного покрытия и заделки раструбов должны выдерживать гидравлическое давление не менее 0,1 МПа (1,0 кгс/см2).

Требования к сырью, материалам и комплектующим изделиям

Трубы и фасонные части к ним должны изготавливаться из серого чугуна с пластинчатым графитом по ГОСТ 1412 и в соответствии с требованиями к отливкам по ГОСТ 26358.

Наружная и внутренняя поверхности труб и фасонных частей должны быть покрыты антикоррозионным составом на основе битумов марки БНИ 1V-3 по ГОСТ 9812 или другими составами, обеспечивающими температуру размягчения антикоррозионного покрытия не ниже 333 К (60 °С) и условия эксплуатации УХЛ 4 ГОСТ 15150.

Антикоррозионное покрытие должно быть сплошным, прочным, гладким, без трещин и пузырей, прочно сцепленным с металлом изделий и не должно быть липким.

На поверхности покрытия труб допускаются кольцевые отпечатки от опор для перекатывания труб, а на поверхности покрытия фасонных частей - следы от крючков подвесок цепных конвейеров, а также потеки, вызываемые стоком антикоррозионного состава с труб и фасонных частей, или несплошности покрытия.

Комплектность

Предприятие-изготовитель должно комплектовать трубы и фасонные части для поставки в ассортименте, определяемом заказом потребителя.

Маркировка и упаковка

Трубы и фасонные части должны иметь маркировку, отлитую или нанесенную несмываемой краской на торцевой или образующей поверхности раструба или непосредственно за раструбом и включающую:

- товарный знак предприятия-изготовителя;

- условное обозначение изделия;

- обозначение настоящего стандарта.

Трубы упаковывают в контейнеры, пакеты, в кассеты или в связки, увязанные проволокой.

При упаковке трубы укладывают раструбами попеременно в противоположные стороны. Фасонные части укладывают на ящичные поддоны или контейнеры по ГОСТ 26598, при этом грузоподъемность контейнера должна быть использована полностью.

Правила приемки

Трубы и фасонные части принимают партиями. Партией считают количество труб и фасонных частей, изготовленных в течение одной смены и оформленных одним документом о качестве.

Для проверки соответствия труб и фасонных частей требованиям настоящего стандарта предприятие-изготовитель проводит приемо-сдаточные и периодические испытания изделий.

При приемно-сдаточных испытаниях проводят проверку 0,5 %изделий от партии;

в части внешнего вида антикоррозионного покрытия -100% изделий в партии;

в части липкости антикоррозионного покрытия - не менее 2% изделий от партии. Периодические испытания проводят не реже одного раза в квартал.

Периодическим испытаниям подвергаются изделия, выдержавшие приемо-сдаточные испытания.

При периодических испытаниях проводят проверку изделий на соответствие требованиям ГОСТ 6942-98 в части определения температуры размягчения антикор-розионного покрытия и прочности сцепления его с металлом в объеме 0,5% изделий от партии.

Потребитель имеет право проводить контрольную проверку труб и фасонных частей по любому показателю качества, соблюдая порядок отбора изделий, приведенный в ГОСТ 6942-98 и применяя методы контроля, указанные ниже.

Если при проверке хотя 6ы одно изделие по какому-либо показателю не будет соответствовать требованиям ГОСТ 6942-98, то проводят повторную проверку по этому показателю удвоенного числа изделий из той партии.

При неудовлетворительных результатах повторной проверки партию изделий бракуют или проводят поштучную приемку изделий с проверкой показателей, по которым при повторной проверке были получены неудовлетворительные результаты.

Методы контроля

Глубину отбела и размеры отбеленного слоя проверяют на выбракованных по другим показателям изделиях путем их раскалывания и замера глубины и размеров отбеленного слоя линейкой или штангенциркулем по ГОСТ 166.

Внешний вид и качество поверхностей изделий и внешний вид антикоррозионного покрытия изделий проверяют визуально без применения увеличительных приборов сравнением проверяемого изделия с эталоном.

Отклонения от размеров труб и фасонных частей проверяют универсальными измерительными инструментами, обеспечивающими необходимую точность измерений. Измерения проводят в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Среднее арифметическое значение результатов двух измерений считают наружным (внутренним) диаметром. При этом результат каждого измерения должен находиться в пределах допускаемых отклонений.

Проверку массы изделий и отклонения от нее проводят путем взвешивания изделий на весах с классом точности не грубее 2-го.

Транспортирование и хранение

Трубы и фасонные части перевозят всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозки грузов, действующими на транспорте данного вида.

Трубы следует хранить рассортированными по условным диаметрам, фасонные части - по типам и типоразмерам в условиях, исключающих возможность механических повреждений изделий.

Монтаж и эксплуатация

Монтаж труб и фасонных частей должен осуществляться по технологии обеспечивающей их работоспособность и герметичность соединений, в соответствии со строительными нормами и правилами.

Трубы и фасонные части могут быть соединены между собой методом зачеканки раструбов просмоленной прядью и цементом или заливкой нагретой серой, а также с помощью резиновой уплотнительной манжеты.

Область применения напорных труб из ВЧШГ:

Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.

Канализация. Наружные сети и сооружения.

Теплоснабжение. Наружные тепловые сети с температурой воды до t=150°C.

Газоснабжение. Межпоселковые и городские газопроводы низкого давления.

Трубопроводы для транспортировки нефтесодержащих жидкостей.

Трубопроводы для нефтеперерабатывающей промышленности.

Область применения напорных труб из ВЧШГ:

Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.

Канализация. Наружные сети и сооружения.

Теплоснабжение. Наружные тепловые сети с температурой воды до t=150°C.

Газоснабжение. Межпоселковые и городские газопроводы низкого давления.

Трубопроводы для транспортировки нефтесодержащих жидкостей.

Трубопроводы для нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

Трубопроводы для морских терминалов и нефтеналивных судов (танкеров).

Строительство зданий и сооружений. Использование металлической оболочки из ВЧШГ для устройства фундаментных свай с бетонными наполнителями.

Гарантии изготовителя

Изготовитель гарантирует соответствие труб и фасонных частей к ним требованиям настоящего стандарта при соблюдении правил транспортирования, хранения, монтажа и эксплуатации. Гарантийный срок хранения - 3 года со дня изготовления.

Гарантийный срок эксплуатации - 2 года со дня ввода объекта в эксплуатацию или продажи в пределах гарантийного срока хранения.

Рис.2 Пример условного обозначения раструбов фасонных частей:

Таблица 1. (данные указаны в мм).

Условный проход Dy	D1	D2	D3	D4	D5	b	b1	S	S1	1 мин
50	65	72	76	81	90	13	8	4,0	4,5	55
100	118	123	128	133	145	14	10	4,5	5,0	55
150	168	176	182	187	202	15	12	5,0	5,5	55

1.2 Анализ существующих методов подготовки заготовок для сварки сварных фасонных частей

Подготовка кромок - предшествующая сварке плавлением технологическая операция снятия части металла кромок с приданием им заданной формы для улучшения условий сварки. Она осуществляется посредством строгания, фрезерования, кислородной резки и т. п. Относительно одной кромки говорят о скашивании кромки.

Канавка заданной формы, образуемая между собранными под сварку кромками в результате снятия части металла кромок и предназначенная для заполнения ее присадочным металлом. Тип разделки кромок определяется очертанием их поперечного сечения в собранном виде. Относительно одной кромки говорят о скосе кромки. Чаще всего разделка кромок образуется приданием каждой из кромок обычного, прямолинейного, реже - криволинейного скоса.

Качество сварочных работ во многом зависит от соблюдения режимов сварки. Наиболее важным фактором является операция сборки металлоконструкций ответственного изделия. При подготовке изделия к сварке важно соблюсти следующие параметры согласно требованиям нормативно-технической документации: угол разделки, притупление, зазор. При разделке кромок листов с помощью плазмы и тем более газа на ней образуются шероховатая поверхность, вырывы металла и образования брызг на поверхности конструкции, а также нарушения структуры металла и окисление в зоне реза.

После термического воздействия на металл, необходима операция зачистки кромки до металлического блеска изделий шлифовальными кругами. Для получения необходимого качества кромки необходимо снять 2-3 мм металла. В процессе обработки шлейфмашинками невозможно выдержать угол разделки и величину притупления по всей длине кромки.

При обработке с помощью плазмы или газа листов с небольшой толщиной и большой протяженностью в результате термического воздействия наблюдается остаточная деформация (коробление).

Более прогрессивным способом обработки кромки является холодный способ обработки кромки: снятие кромки с помощью кромкообрабатывающего оборудования. Холодный метод обработки кромки позволят сформировать чистую (без окислов) кромку выдержать все геометрические параметры кромки: углы, величины притупления на всей длине конструкции согласно нормативам. К тому же, в отличие от всех остальных способов обработки кромок, этот вид обработки позволяет делать черновую и чистовую обработку кромки на одном и том же оборудовании. Подготовка кромки под сварку холодным способом (с помощью механической обработки) обеспечивает более высокое качество сварного шва при более низких затратах по сравнению с другими способами подготовки.

Благодаря механической обработке кромки, в зоне будущего сварного шва отсутствуют изменения кристаллической решетки, вызываемые обезуглероживанием поверхностного слоя, которое возникает при плазменной или газовой резке кромки. Кроме того, механическая обработка исключает сторонние внедрения оксида алюминия или карбида кремния, которые образуются при обработке кромки сварного шва с помощью абразива.

Срезание кромки механическим способом производится на строгальных, фрезерных, кромкоскалывающих станках. Криволинейные кромки обрабатываются на фрезерных станках с ЧПУ. Обработка кромки ручным инструментом отличается низкой производительностью и большими затратами физического труда. Станки для скашивания кромки, строгальные или фрезерные, потребляют много энергии, имеют большие размеры, требуют много места для установки, специальные фундаменты, высококвалифицированный обслуживающий персонал. При скалывании кромки на стационарных кромкоскалывающих машинах, как правило, не учитываются избыточные связи, возникающие в системе машина-заготовка, отсюда частые поломки.

Подготовка кромок к сварке фасонных частей из ВЧШГ производится на универсальном металлорежущем оборудовании. Станках токарной группы 16К-20, 1К-62 (детали диаметром от 100 до 200 мм),163М, 163 (детали диаметром от 200 до 400 мм), 165 (детали диаметром от 400 до 1000 мм).

Формирование кромки под сварку на данных видах оборудования осуществляется режущим инструментом, резцами с напаянными или со сменными твердосплавными пластинами. За счет технологических возможностей станка резец может разворачиваться под разным углом к обрабатываемой детали, что позволяет формировать сварную кромку различных профилей.

Формирование кромок может производиться на фрезерных и расточных станках с применением специального режущего инструмента (фрезы, расточные головки)

В полевых условиях при монтажных работах формирование кромки под сварку может производиться с помощью абразивных кругов, закрепляемых на электрических или пневматических шлифовальных машинках.

Данные виды обработки кромок под сварку требуют больших производственных площадей для установки оборудования,использования грузоподъемных механизмов, транспортные перевозки, большие затраты электроэнергии. Более прогрессивными, энергоемкими и малогабаритными являются разъемные труборезы серии SD. Предназначены для резки и обработки торцов труб стационарных и монтажных условиях. Разъемный корпус позволяет устанавливать труборез на уже смонтированных трубопроводах. Труборезы позволяют отрезку труб, торцевание, снятие наружной и внутренней фаски. Для выполнения этих задач используются различные резцы. Полученная поверхность не требует дальнейшей обработки



Рис.3. Разъемные труборезы серии SD.

Компактные труборезные агрегаты серии PIPE предназначены для механической отрезки труб толщиной до 10мм. Рабочий инструмент - фреза. Возможно обрезка труб, снятие фаски, обрезка со снятием фаски, в зависимости от выбранной фрезы. Обрезка производиться за 1 оборот вращением трубореза вокруг трубы. Подача фрезы производиться оператором вручную, что позволяет контролировать процесс.

Рис.4. Труборезные агрегаты серии PIPE.

1.3 Анализ существующих методов плазменной резки

Плазма и ее применение.

Если любое вещество накалить до очень высокой температуры или пропускать через него сильный электрический ток, его электроны начинают отрываться от атомов. То, что остается от атомов после отрыва электрона, имеет положительный заряд и называется ионом, сам процесс отрыва электронов от атомов называется ионизацией. В результате ионизации получается смесь свободных частиц с положительными и отрицательными зарядами. Эту смесь назвали плазмой. При отрыве электронов разрываются и все связи, которые удерживают частицы в кристалле или жидкости. Казалось бы, в движении частиц не должно остаться никакого порядка. И действительно, плазма во многом похожа на газ. Иногда ее так и называют - газом из заряженных частиц или ионизованным газом. Но самые замечательные свойства плазмы проявляются тогда, когда на нее действует магнитное поле. При этом в движении частиц плазмы проявляется некоторого рода порядок и свойства плазмы становятся совсем другими, чем у газа. По этому плазму и называют четвертым состоянием вещества. Порядок, который вносит магнитное поле в движение частиц плазмы - совсем особенный порядок. Его можно назвать винтовым. Заряженная частица может свободно двигаться вдоль направления магнитного поля. Но при этом она быстро вращается вокруг направления магнитного поля. Это вращение происходит по тому же закону, что и в круговом ускорителе заряженных частиц - циклотроне. Поэтому вращение частиц плазмы вокруг направления магнитного поля так и называют -циклотронным вращением. Из сочетания свободного движения вдоль поля и циклотронного вращения поперек поля получается винтовое движение частиц плазмы. Если плазма не слишком плотная, то частицы редко сталкиваются между собой: каждая движется по своему винту. В поперечном направлении такая плазма может двигаться только вместе с магнитным полем. Для наглядности говорят, что магнитное поле как бы вморожено в плазму. Но снаружи магнитное поле не может проникнуть в плазму. Если снаружи возникает сильное магнитное поле, оно давит на плазму с силой, которую так и называют - силой магнитного давления. Отсюда следует, что плазму можно удерживать "магнитной стенкой", толкать "магнитным поршнем". Можно сказать: если вдоль магнитного поля плазма движется как газ, то при движении поперек магнитного поля она обретает в известной степени свойства твердого тела. На этих свойствах плазмы основаны многие природные явления, которые начинают использовать в технике. Плазма с каждым годом все чаще применяется в технике. Уже вошли в употребление плазменные горелки для сварки и резки металлов.

Плазменная резка

Плазменная резка металла - высокоэффективный, производительный и перспективный способ обработки металла.

Процесс плазменной резки основан на локальном расплавлении металла и выдуванием жидкого металла потоком плазмообразующего газа. Расплавление металла осуществляется совместным воздействием электрической дуги, горящей между плазмотроном и обрабатываемой деталью и потоком плазменного газа. Плазменная резка позволяет обрабатывать прокат черных и цветных металлов и сплавов толщиной до 60 мм, тем не менее резать листы толще 30 мм экономически выгоднее газовой резкой. Она находит все более широкое применение при обработке нержавеющих сталей и цветных сплавов на основе меди, алюминия, титана. В производстве металлоконструкций плазменная резка позволяет получить точные детали, не нуждающиеся в дальнейшей обработке. Применение плазменной резки позволяет отказаться от последующей обработки кромок для сварки.

Рис.5.Плазменная резка.

Плазменная резка использует сжатую электрическую дугу, которую обдувает газ. Обдувая дугу, газ нагревается и распадается на положительно и отрицательно заряженные частицы (ионизируется). заряженные частицы преобразуются в плотный поток плазмы с температурой до 30000°С.Поток плазмы получают в плазмотронах. Корпус плазмотрона(рис.6) содержит дуговую камеру малого диаметра с выходным каналом, формирующим плазменную дугу. Количество тепла, необходимое для выплавления реза, поступает из столба плазменной дуги и определяется выражением

Qp=Vp*Fг*c*[(Т_пл-Т0)+q] *4,19,

где V_р - скорость резки; F - площадь поперечного сечения зоны Выплавляемого металла; у -плотность металла; с - теплоемкость; Т_пл - температура плавления металла; Т - температура металла до начала резки,q- скрытая теплота плавления. Произведение Vp*Fг определяет массу выплавляемого металла за единицу времени. эффективная тепловая мощность q_р для заданной толщины металла имеет определенное числовое значение, ниже которого процесс резки невозможен. Скорость потока плазмы, удаляющего расплавленный металл, возрастает с увеличением расхода плазмообразующего газа и силы тока и уменьшается с увеличением диаметра сопла плазмотрона. Она может достигать 800м/с при силе тока 250А. Сама резка может осуществляться плазменной дугой и плазменной струей. На рис. 5 показано, в чем заключается различие этих двух видов плазменной резки. В первом случае (плазменная дуга прямого действия) разрезаемое изделие (деталь) включено в электрическую цепь и дуга образуется между металлом и вольфрамовым электродом резака. Во втором случае дуга возникает в резаке между двумя электродами, а деталь (разрезаемый металл) в электрическую цепь не подключена. Плазменная резка более производительна, чем кислородная. Но когда речь идет о резке металлов большой толщины или о резке титана, плазменная резка уступает свои позиции кислородной резке.

Рис.6.Режущий плазмотрон

1-корпус,2-катод,3-формирующий наконечник,4-изолятор,5-разрезаемый металл,6-дуговая камера,7-столб дуги,8-подача охлаждающей воды,9-подача рабочего газа,10-источник тока,12-устройство зажигания дуги

Рис.7.Плазменная резка

А - резка плазменной дугой:1-дуга,2-газ,3-струя плазмы,4-металл,5-электрод из вольфрама;

Б - резка плазменной струей:1-дуга,2-сопло,3-катод,4- электрод из вольфрама,5-плазмотрон,6-плазменная струя.

Узкоструйная резка плазмой.

В настоящее время для термической резки металлов используют в основном три технологии: автогенную, плазменную, лазерную резку. Каждая имеет свои преимущества и области применения.

Автоген используют при резке металла средней и большой величины. Способ отличается низкими затратами на установку, но и выполняется при низких требованиях к допускам деталей, кроме того имеет низкую скорость резки.

Плазменную резку применяют при средних и высоких требованиях к точности реза. Также этот вариант дает высокую скорость резки, но имеет уже более высокие по сравнению с автогеном затраты на установку.

Основной плюс лазерного способа - точность кромки реза. Но есть и минусы - высокая стоимость, меньшая скорость резки, чем у плазмы.

Поэтому естественно появление новой технологии резки - узкоструйной (точной) плазменной резки, сочетающей в себе относительную дешевизну и скорость плазмы и точность лазера. В частности, затраты на узкоструйную плазменную машину на ток 150А в 2 раза меньше, чем стоимость сопоставимой лазерной установки мощностью 2,5 кВт. А при толщинах разрезаемого металла от 1 до 15 мм точная плазма с успехом может конкурировать с лазером по точности реза. Кроме того, узкоструйная плазма незаменима при резке алюминия, в отличие от лазера, чей луч отражается от поверхности.

Необходимо отметить, что выбор газа для плазменной резки, изменение его потока, тока электрической дуги, скорости подачи, сечения сопла, а также добавление защитного газа позволяют приспособить свойства луча плазмы к различным технологическим требованиям. При обработке конструкционных сталей применяют воздушную плазму. Она дает хорошее качество и высокую скорость резки, но имеет недостаток: при дальнейшей сварке кромок реза могут возникнуть поры из-за насыщения кромок азотом.

Эту проблему с успехом решает кислород, используемый в качестве плазменного газа. Он дает больший нагрев плазменного луча, тем самым обеспечивая более высокую скорость резки, кроме того, происходит очень малое закаливание кромок реза, не образуются поры и сам разрезаемый лист нагревается незначительно. В сочетании с технологией точной плазмы обеспечивается отличное качество и точность реза.

Точная плазма может применять технологию двойного (защитного) газа, которая дает дополнительные преимущества: во-первых, сопло защищено изолированным защитным колпаком. Это препятствует появлению короткого замыкания между соплом и заготовкой. Во-вторых, срок службы сопла увеличивается за счет избежания повреждений от брызг шлака при пробивке отверстий, и улучшения охлаждения сопла. В-третьих, происходит дополнительная стабилизация дуги благодаря подаче вторичного газа.

Плазмообразующие газы.

Плазмообразующая среда оказывает непосредственное влияние на все основные узлы оборудования для плазменной резки. Изменение качественного состава плазмообразующей среды позволяет наиболее существенно изменять основные технологические показатели процесса(скорость и качество резки).

Отсюда следует, что для правильного выбора плазмообразующей среды необходимо выяснить сущность ее влияния на технологию резки и функционирование оборудования. Влияние состава плазмообразующей среды на технологию резки определяется следующими характеристиками.

1.Состав среды определяет при заданной геометрии сопла и данном токе напряженность поля столба дуги как внутри,так и вне сопла, следовательно, за счет изменения состава среды можно в широких пределах регулировать количество тепловой энергии, выделяющейся в дуге.

2. Состав плазмообразующей среды наиболее существенно влияет на максимально допустимое значение отношения тока к диаметру сопла, что позволяет регулировать плотность тока в дуге, величину теплового потока в полости реза и в конечном итоге ширину реза и скорость резки.

Зависимость теплопроводности плазмообразующей смеси от ее состава позволяет существенно влиять на эффективность передачи разрезаемому листу тепловой энергии. Плазмообразующая среда, взаимодействуя с выплавляемым металлом, дает возможность изменять его вязкость, величину поверхностного напряжения, химический состав.

Изменяя состав среды, можно создавать наиболее благоприятные условия удаления расплавленного металла из полости реза и предотвратить образование подплывов на нижних кромках разрезаемого листа или делая их легко увлажняемыми.

Состав плазмообразующей среды сильно влияет на физико-химические процессы на стенках реза; от состава среды зависит степень насыщения стенок реза различными газами, а также глубина газонасыщенного слоя.

Большое влияние на выбор плазмообразующей среды оказывают природа разрезаемых металлов и толщина листов. При этом чем выше теплопроводность материала и чем больше толщина листов, тем более жесткие требования предъявляются к составу плазмообразующей среды тем более сужается диапазон смесей, которые могут использоваться.

В прямой зависимости от состава среды находится материал катода. В инертных или нейтральных смесях нерасходуемый катод. В химически активных средах катод рассчитан либо на относительно частую замену, либо на непрерывную подачу. В результате от состава плазмообразующей среды зависит не только материал катода, но и способ его крепления в плазмотроне, а также интенсивность его охлаждения, что в свою очередь полностью определяет конструкцию катодного узла.

В зависимости от состава среды изменяется величина тепловых потоков в сопла плазмотрона при прочих равных условиях и, следовательно, конструкция системы охлаждения сопел. Состав плазмообразующей среды оказывает существенное влияние на напряженность поля столба дуги, поэтому при заданных параметрах разрезаемых листов (природа и толщина) выбранная смесь определяет мощность дуги и, следовательно, мощность источника питания.

Как показали исследования, от состава плазмообразующей среды зависит величина частоты и амплитуды колебаний в кривой напряжения на дуге, от которых зависит устойчивость системы "дуга - источник питания". Это значит, что состав плазмообразующей среды обуславливает форму внешних статических характеристик и динамические свойства источника питания.

Состав и расход плазмообразующего газа полностью определяют циклограмму формирования рабочей дуги и, следовательно, схему управления установкой. Таким образом, технологические возможности процесса и характеристики основных узлов оборудования определяются прежде всего плазмообразующей средой.

Для ручной плазменной резки наилучшим плазмообразующим газом является воздух, он доступен и прост. Воздух показывает хорошие результаты на листах толщиной 25,4 мм. Отрицательной характеристикой применения воздуха является незначительное обесцвечивание и нитрирование кромки реза.

Для автоматической плазменной резки обычно используют двойной газ. Наиболее эффективная комбинация для резки листов толщиной ~25,4 мм - азот в качестве основного газа и водяной туман в качестве дополнительного. Но на тонких листах водяные пары могут охлаждать рез слишком быстро, не обеспечивая достаточный нагрев, в результате чего кромка реза получается грубой, а на нижней поверхности образуется шлак. Для устранения этого дефекта необходимо увеличить силу тока и (или) уменьшить скорость резки.

При резке листов толщиной более 25,4 мм многие производители удачно используют в качестве основного газа аргон или водород, а в качестве дополнительного - азот или двуокись углерода. Смесь водород-азот позволяет минимизировать нитрирующий эффект. Применение углекислого газа пока более дорого, чем использование азота, однако он позволяет получать более чистые резы и уменьшает вредные испарения, возникающие в процессе резки. Важное значение при плазменной резке играет не только выбор плазмообразующего газа (газов), но и определение оптимального давления, обеспечивающего высокое качество реза и продолжительность службы электрода и сопла. При повышенном давлении возникают проблемы в начале процесса резки и уменьшается срок службы электрода. При пониженном давлении плазмотрон охлаждается недостаточно, что может привести к раздвоению дуги и разрушению сопла.

Таблица 2. Плазмообразующие газы.

Газ	Обрабатываемый материал	Преимущества	Недостатки
Воздух	Углеродистые стали Нержавеющие стали	Чистый быстрый рез на углеродистых сталях. Приемлемость. Удобство.	Быстрое выгорание электрода Нитрирование поверхности реза Окисление нержавеющих сталей, алюминия
N2	Нержавеющие стали Алюминий Углеродистые стали	Отлично разрезает: нержавеющие стали, алюминий. Высокий ресурс электрода.	Нитрирование поверхности реза
Ar-H2	Нержавеющие стали Алюминий	Отличное качество реза и скорость на материалах толще 12,7 мм Малое задымление	Дорогой Не применим на углеродистых сталях
O2	Углеродистые стали	Чистый рез Отсутствует нитрирование поверхности реза Самый быстрый способ резки углеродистых сталей	Короткий срок службы электрода Окисление нержавеющих сталей, алюминия

Технология резки

Ток дуги.

Ток дуги напрямую определяет толщину разрезаемого металла и срок службы электрода и сопла.

Для каждого комплекта электрод-сопло существует свой номинальный ток. При резке металла рекомендуется устанавливать ток дуги не более чем 95%, от номинального значения. При повышении тока дуги следует увеличить диаметр выходного отверстия сопла.

Факельный зазор.

Факельный зазор влияет на перпендикулярность кромок реза, плотность плазменной дуги и устойчивость дуги. Чем больше факельный зазор, тем больше угол наклона кромки реза. Оптимальный зазор - 1,5…10мм.

Поддержание постоянной величины факельного зазора обеспечивает получение качественного реза без дефектов на кромках. Уменьшение оптимальной величины зазора приводит к преждевременному сгоранию сопла и электрода. Особенно значительно это проявляется при контакте сопла с разрезаемым листом. Для устранения этой ситуации многие машины оборудуют стабилизаторами высоты, автоматически поддерживающими оптимальный факельный зазор.

Скорость резки.

Скорость резки оказывает существенное влияние на качество реза, в первую очередь на наличие шлака на нижней поверхности и на легкость его удаления.

При пониженной скорости резки плазмообразующий газ будет расходоваться нерационально, на нижней стороне листа образуется "низкоскоростной" шлак, который легко удаляется.

При повышенной скорости резки дуга начинает осциллировать, в результате чего линия реза получается волнистой. На нижней стороне листа образуется так называемый, "высокоскоростной" шлак, отделение которого затруднено

Скорость резки должна быть такой, чтобы угол отставания прорезания нижней кромки от верхней не превышал 5.

Ширина реза и угол наклона кромок.

Решающее влияние на точность и качество резки оказывает ширина реза и угол наклона кромок. Размеры реза и форма кромок определяется многими параметрами, такими как: ток и напряжение дуги, расход плазмообразующего газа и скорость движения плазмотрона.

Размер выходного отверстия сопла и ток дуги напрямую влияют на ширину реза. Увеличение любого из этих параметров повлечет увеличение ширины реза. Оценить величину ширины реза, можно увеличив размер выходного отверстия сопла в 1,5 раза. Для вырезки деталей с требуемыми размерами необходимо сдвигать плазмотрон на полуширину реза в "металл". На станках с ЧПУ это осуществляется с помощью компенсаторов реза или корректоров, которые автоматически пересчитывают эквидистантную траекторию движения инструмента.

Широкий рез (размеры детали меньше требуемых) может получиться вследствие частичного разрушения электрода, большой величины факельного зазора, повышенного тока дуги, несоответствующий расход плазмообразующего газа или низкая скорость резки.

Узкий рез (размеры детали больше требуемых) является следствием небольшого факельного зазора, пониженного тока дуги, большого расхода плазмообразующего газа или высокой скоростью резки.

Угол наклона кромок - это угол между обработанной поверхностью и перпендикуляром к поверхности листа. При тангенциальном подводе плазмообразующего газа левая и правая кромки реза имеют различный угол наклона.

При закручивании потока газа по часовой стрелке угол правой кромки, если смотреть по ходу движения плазмотрона, равен 1…3, а левой - 3…8. Угол кромки, превышающий 5, сигнализирует о возникновении проблем с параметрами резки.

Положительный угол наклона (верхний размер больше нижнего) является следствием повреждения сопла, растяжения дуги, пониженного тока дуги или высокой скорости резки.

Типичные ошибки при плазменной резке.

При выполнении плазморезательных работ можно выделить несколько наиболее типичных ошибок, которые ведут к повышению себестоимости работ.

Первой ошибкой является запоздалая или преждевременная замена сменных элементов плазмотрона (сопел, электродов и т.п.). Использование дефектных элементов, типичное при запоздалой замене сменных элементов, ведет к снижению качества реза, сокращению срока службы остальных деталей и самого плазмотрона. При преждевременной замене элементов, нет таких негативных последствий, как при запоздалой замене, но сменные элементы не вырабатывают свой ресурс полностью, что также увеличивает стоимость работ. Опытный резчик способен предотвратить или устранить эту ошибку путем периодического визуального осмотра состояния сменных элементов и оценки их годности к дальнейшей работе.

Второй достаточно существенной ошибкой является использование некорректных режимов резки, которые могут существенно сократить срок службы сменных элементов. Так, например, не рекомендуется использовать оборудование на токе превышающем 95% от максимального значения.

Небрежное отношение к состоянию плазмотрона. При работе плазмотрона на него попадают брызги расплавленного металла, нагар при контакте с обрабатываемым листом, грязь, металлическая пыль и т.п., что также может привести к преждевременному выходу плазмотрона или его отдельных элементов из строя. Для устранения влияния этих негативных факторов на плазмотрон часто надевают защитный кожух, который периодически зачищают напильником для устранения вышеперечисленных повреждений. Плазмотрон также необходимо периодически очищать от загрязнения и пыли.

Отсутствие контроля расхода плазмообразующего газа и охладителя. Для надежной работы плазмотрона плазмообразующий газ должен удовлетворять некоторым параметрам влажности, замасленности и давления. Несоответствие первых двух параметров требуемым значениям может привести к электрическому пробою в плазмотроне, а пониженное давление приведет к увеличению диаметра дуги, что уменьшит срок службы электрода и сопла, ухудшит качество поверхности реза и снизит точность вырезки. При недостаточном охлаждении либо при неправильном подключении охладителя произойдет перегрев плазмотрона, что также может привести к выходу из строя плазмотрона или отдельных элементов.

Непрорез. При пробивке и непрорезе брызги расплавленного металла летят вверх, на плазмотрон. Кроме того, при непрорезе плазмотрон работает в режиме "пробивки" то есть на повышенном токе, что сокращает срок его службы и может привести к разрушению плазмотрона.

Повышенная или пониженная скорость резки. Характерным признаком неправильно выбранной скорости резки является наличие трудноотделимого грата на нижней кромке реза. Кроме того, при заниженной скорости реза увеличивается ширина разреза, что может привести к снижению точности вырезаемой детали. Завышение скорости резки увеличивает вероятность непрореза детали и ведет к отставанию дуги, из-за чего кромки могут получиться не перпендикулярными.

Растяжение дуги. Данная ошибка обычно возникает в начале и в конце процесса резки, а также при переходе дуги через рез. Она приводит к не перпендикулярности кромок реза, увеличению шероховатости поверхности, а в некоторых случаях к нестабильному горению дуги. Самой неприятной ошибкой, пожалуй, является механическое повреждение плазмотрона, зачастую вместе с элементами крепления, при механическом контакте с препятствием на траектории движения плазмотрона, чаще всего с поверхностью неровного листа. Для устранения этой поломки применяются стабилизаторы высоты, принцип их работы может быть основан на измерении напряжения дуги, емкости межэлектродного промежутка и т.п., но из-за высокой скорости резки такие устройства зачастую не успевают срабатывать.

Современное оборудование для плазменной резки

Современное оборудование для плазменной резки характеризуется рядом особенностей. Так, появление в последнее время множества установок для ручной плазменной резки как отечественного производства, так и различных зарубежных фирм обусловлено следующими причинами:

- технология ручной плазменной разделительной резки, являясь достаточно простым способом разделки металлолома, не требует ни дорогостоящих газов, ни специального оборудования, в том числе и для разделки цветных металлов т. е. является универсальной и относительно дешевой;

-- в необходимых случаях процесс плазменной резки позволяет осуществлять фигурную резку с минимальными затратами энергии;

-- многие отечественные фирмы по производству сварочного оборудования при минимальных затратах расширяют номенклатуру своего оборудования.

Некоторые отечественные фирмы предлагают плазмотроны и их узлы для ручной и механизированной резки как отечественного так и зарубежного производства далеко не идеального качества.

Работники отечественных фирм, использующих комплектующие изделия или представляющих оборудование иностранных фирм, как правило, затрудняются объяснить техническую суть предлагаемого оборудования. Более того, это не всегда может сделать и иностранный изготовитель, так как он заимствует готовые узлы (например плазмотрон) другой страны.

Критерием оценки качества плазменного оборудования для резки является качество реза во всем заявляемом диапазоне толщин. Практически все составные части оборудования (источники питания, плазмотрон, катод, сопло) и процесса (газовая среда, стабилизирующие устройства, смесители) оказывают влияние на конечный результат -- качество реза. Высококачественный раскрой различных материалов и толщин возможен и достигается на механизированных установках с программным управлением.

В таблице 3 приведены основные технические характеристики оборудования для плазменной резки.

Оборудование фирмы REHM основано на запатентованном транзисторном модуле, о6еспечивающем точное регулирование тока. Вероятно именно благодаря указанному модулю фирма сумела создать оборудование для резки с минимальными значениями рабочего тока 10 А. С применением резака (плазмотрона) фирмы REHN при токе 60 А возможна резка толщин до 15 мм (чистовая резка), а с использованием ручного плазмотрона ST37152 -- до 22 мм (разделительная резка). При токе 150 А чистовая резка возможна для толщин 40 мм, а разделительная -- 50 мм. Установка РДХ85 PLASMA фирмы Megatronic, разработанная на основе новых стандартов износоустойчивости и собственных технологий,ноу-хау в электронике и резке металлов, а также новейших разработок в области плазменно-дугового разряда, обеспечивает высококачественную резку толщин от 0,5 до 18 мм, а разделительную --до 35 мм.

При рабочем токе от 20 до 140 А установки фирмы Selco позволяют разрезать толщины от 1 до 50 мм. Питание установки осуществляют как о трехфазной сети 380 В, так и однофазной -- 220 В.Характерной особенностью о6орудования фирмы Kjellberg является использование балонного газа и при желании заказчика -- серебряного катода с гафниевой вставкой. Отечественная фирма "Вектор" (Екатеринбург) производит многофункциональные плазменные источники питания для плазменной резки и сварки покрытыми электродами. Диапазон разрезаемых толщин от 0,2 до 25 мм. Плазмотрон (рис. 8) собственного изготовления с контактным возбуждением дуги, катод -- гафниевый,итальянского производства.

Установки концерна "Электротехника" на рабочие токи от 60 до 150 А снабжены плазмотронами и катодами фирмы Trafimet (рис. 9) (Италия). Разрезаемые толщины в указанных пределах рабочих токов 18-50 мм.

Аналогичными плазмотронами комплектуется оборудование ЗАО "АНТЕК" Р-75, Р-142, "Плазма-М81, -М141".140-амперный инвертор АПР 201140 ПРО ЗАО НПО "Тепломаш" применяется в качестве источника питания для плазменной резки. Оперативное регулирование тока дуги от управляющей системы обеспечивает постоянство ширины реза независимо от изменения скорости резки.

Рис.8.Установка ручной плазменной резки с отечественным плазмотроном (ОАО "Уральское производственное предприятие "Вектор")

Рис.9.Плазмотроны ручной плазменной резки фирмы "Трафимет" (Италия).



Рис.10.Портальная резательная машина,оснащенная плазменным оборудованием фирмы Kjellberg

НПО "Флагман" выпускает серию установок АП РМ на ток от 100А микропроцессорной системой управления для работы с использованием в качестве плазмообразующего газа не только воздуха, но и кислорода, и азота.

В установках производственного кооператива "Спектр плюс" для механизированной плазменной высококачественной резки металлов толщиной от 1,5 до 100 мм использованы специальные программы циклов начала и конца процесса резки для диапазона больших и малых токов. Установка соответствует классу оборудования фирм ESAB, Hypertherm,Kjellberg. В то же время используемый в установке плазмотрон ПВР-402 никак нельзя отнести к классу плазмотронов фирмы Kjellberg.

000 "КСТ-Авиа" производит установки "ПУРМ" с плазмотронами собственной конструкции для ручной резки с автономной системой охлаждения при ПВ = 100 %.

Установки для ручной резки УВПР-0901 У31 и УВПР-2001, изготовленные фирмой "СЭЛМА", содержат фильтры и влагоочистители воздуха. В качестве режущего инструмента применен плазмотрон PSB-1215 фирмы BINZEL.