10. Режимы поверхностной резки низкоуглеродистой

стали

Кислородно-флюсовая резка металлов и неметаллических материалов. При

кислородно-флкюовой резке в зону реакции вводят дополнительно порошкообразный флюс, интенсивно окисляющийся или плавящийся в зоне реакции и разжижающий образующие шлаки. Увеличение количества выделяющейся при этом процессе теплоты позволяет применять его для резки материалов, окисление которых связано с образованием тугоплавких и вязких соединений. Расчет состава флюса для резки конкретного металла производят по диаграммам состояния из условий получения шлакового состава с минимальной температурой плавления и вязкостью.

Кислородно-флюсовой резке подвергают высоколегированную сталь, чугун, сплавы меди и алюминия, зашлакованный металл, а также неметаллические материалы - огнеупоры и железобетон.

3 табл. И приведен состав флюсов, применяющихся при резке этих материалов.

п. Составы флюсов для кислородно-флюсовой резки материалов

Производительность и экономичность кислородно-флюсовой резки зависят и т V Р°Д режущего кислорода, состава

стали 12Х&* Р °ВДУеь.е режимы фигурной кислородно-флюсовой резки ?ыГ уве$иче \а 1 Р-олинейной резки mVt

12. Режимы кислородно-флюсовой резки стали 12Х18Н9Т

Кислородно-флюсовую резку широко применяют в тяжелом машиностроении и металлургии для обрезки прибылей литья, резки слябов и блюмов в холодном состоянии, отрезки от горячего слитка мерных заготовок (в установках непрерывной разливки стали). При кислородно-флюсовой резке очень высокие (неоптимальные) скорости истечения кислородной струи не повышают скорости процесса, так как частицы флюса не успевают окислиться в резе, они догорают ниже его. Кроме того, из-за большой кинетической энергии струи, частицы флюса отбрасываются к периферии струи, поэтому они окисляются не полностью.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РЕЗКА

Электрической резкой называют способы проплавления материала по заданной траектории с образованием разделительного или поверхностного реза за счет использования теплоты, выделяемой электрическими источниками энергии. При этом могут быть применены (табл. 13) нагрев электрической дугой, контактным сопротивлением и индукционный.

13. Принципиальная классификация способов электрической резки

Резка fo струей плазмы

Неокисляю-щей

Окисляюще!

Плазменная резка азотом, аргоном, водородом, гелием или их смесями

Плазменная резка кислородсодержащими сре дами

Индукционный нагрев при резке металлов еще не получил широкого распространения. В отдельных случаях его применяют для разделения труб на мерные отрезки (нагрев по периметру и последующий разрыв осевым усилием) или им заменяют газопламенный нагрев при резке струей кислорода.

Контактный нагрев также используют при резке кислородом. Наряду с этим юн положен в основу способов электроконтактной резки. При резке используют комплекс элементарных актов расплавления и механического удаления металла е электрическом контакте. Наряду с электроэрозионными и другими подобными процессами контактный нагрев рассматривают в составе электрофизических методов обработки.

Наибольшее практическое значение в настоящее время имеют электрические способы резки, основанные на использовании электрического дугового разряда. Теплота в электрической дуге выделяется у оснований дугового столба на поверхностях электродов (катодная и анодная области дуги), а также в плазме, заполняющей межэлектродный промежуток. Способы резки с преимущественным использованием энергии, выделяющейся в приэлектродных областях, называют дуговыми. Способы с использованием энергии плазмы объединяют термином - плазменные.

Резка угольной дугой при повышенных токах сейчас находит ограниченное применение. Она характеризуется пассивным удалением расплава из образующейся полости реза. При этом возникают большие потери энергии, а получаемый рез и?у!еет неровные сильно оплавленные кромки, загрязненные газовыми и шлаковыми включениями. Для местной подгонки свариваемых элементов металлических конструкций, удаления небольших участков дефектных швов используют дуговую резку металлическими покрытыми электродами. Выплавляя металл возвратно-поступательными движениями электрода, возможно получить заданные разъем или полость в металлическом теле, произвольно расположенном в пространстве. Предпочтительны электроды для резки со специальными экзотермическими или газообразующими покрытиями. Образующиеся при горении дуги на рабочем торце электрода козырек из покрытия и поток окисляющих газов способствуют интенсификации удаления металла. Для резки постоянным и переменным током в СССР разработаны электроды АНР-2, АНО-4 и др.

Наиболее высокие энергетическую эффективность и качественные результаты резки получают, дополняя плавящее действие дуги действием струи газа, ускоряющей эвакуацию расплава и способствующей необходимому для резки распределению вводимой тепловой энергии по толщине металла (газодуговые способы резки).

Для поверхностной обработки (термической строжки) металлов, в основном стали, получила распространение воздушно-дуговая резка. В специальных процессах (в основном при подводных работах) используют кислородно-дуговую резку. При этом плавящую дугу возбуждают трубчатым электродом, используя его канал, как сопло, формирующее режущую струю кислорода, а образующийся на торце козырек , - как колокол, изолирующий разряд в воде. Качество реза, выполненного таким способом, невысоко. Все более широкое применение получают плазменные способы резки.

Плазменно-дуговая резка. Сущность способа состоит в проплавленпи металла обрабатываемого объекта сжатой плазменной дугой и интенсивном удалении расплава струей плазмы. Поток плазмы получают в плазматронах. Корпус режущего плазматрона (рис. 13) содержит цилиндрическую дуговую камеру малого диаметра с выходным каналом, формирующим сжатую (плазменную) дугу. Для возбуждения плазмогенерирующей дуги служит электрод, располагаемый обычно в тыльной стороне дуговой камеры. Столб дуги ориентируется по оси формирующего канала и заполняет практически все его сечение.

В дуговую камеру подают рабочий газ (плазмообразующую среду). Газ, поступая в столб дуги, заполняющий формирующий канал, превращается в плазму. Вытекающий из сопла поток плазмы стабилизирует дуговой разряд. Газ и жесткие стенки формирующего канала ограничивают сечение столба дуги (сжи-

ри,гКсмс)

Рис. 13. Режущий плазматрон:

t - корпус; 2 - электрод (катод);

5 - формирующий наконечник; 4 - изолятор; 5 - разрезаемый металл;

6 - дуговая камера; 7 - столб Дуги; 5 - подача охлаждающей воды; 9 - подача рабочего газа; 10 - слив воды; - источник тока; 12 - устройство зажигания дуги

Г 2млг

Рис. 14. Распределение температуры Т (1), скорости течения азотной плазмы (2) и массового расхода pU (3) по сечению столба в формирующем канале плазматрона

зажигания дуги

В современной технике резки применяют две схемы плазмообразования (рис. 15). В первом случае используют дугу прямого действия, возбуждаемую на обрабатываемом металле, являющемся одним из электродов разряда. При Этом используется энергия одного из приэлектродных пятен дуги и энергия плазмы столба и вытекающего из него факела. Поэтому резку по такой схеме

плазмы столба и выгекснищ! .w

называют плазменно-дуговой.

Во второй схеме, соответствующей косвенной (независимой) дуге, объект обработки не включают в электрическую цепь. Вторым электродом сжатой дуги в этом случае служит формирующий наконечник плазматрона. Поток плазмы совпадает со столбом дуги лишь внутри сопла, а вытекая из него, образует свободную струю плазмы. В этом случае энергия активных пятен и части столба поглощается стенками формирующего канала. Для резки используется только энергия плазменной струи (резка плазменной струей).

Энергетическая оценка обеих схем показывает, что плазменно-дуговую резку характеризует наиболее высокая эффективность, поскольку полезная мощ-

мают его), что приводит к повышению температуры плазмы до 20 000-30 000° С. При этих температурах электрическая проводимость плазмы приближается к электропроводности металлического проводника. Скорость плазмы в струе, истекающей из сопла режущего плазматрона, может превышать 2-3 км/с.

Распределение температуры, проводимости, плотности и скорости течения плазмы по сечению столба в формирующем канале и вне его характеризуется высокими градиентами (рис. 14). Режущая дуга является концентрированным источником теплоты. Плотность энергии в формирующих соплах режущих плазматро-нов достигает 10 Вт/см.

ность сжатой дуги реализуется в частях разряда, вынесенных за пределы наконечника. Поэтому для резки металлов, как правило, используют схему плазмен-но-дуговой резки. Этот вид плазменной резки наиболее распространен и его промышленное применение непрерывно расширяется. Плазменную струю применяют относительно редко, преимущественно для резки неметаллических материалов.

При плазменно-дуговой резке наиболее эффективно используется энергия в режущей дуге постоянного тока прямой полярности (анод на металле). Этот способ применяют преимущественно для разделительных операций и, в значительно меньшей степени, для поверхностной обработки. Разделительная резка состоит в сквозном проплавлений металла по линии реза с целью вырезки деталей заданной конфигурации и получения отверстий или надрезов в заготовке. Поверхностная резка состоит в расплавлении и снятии с поверхности заготовки слоя металла заданной толщины.

Разделительная плазменно-ду-говая резка. Резку выполняют разномерно с заданной скоростью,

Рис. 15. Схемы плазмообразования:

я - плазменная дуга; б - плазменная CTt-уя; л ~ -ЯУгa, 3 - струя плазмы;

4 - обрабатываемый металл; 5- накг-течп;гк-6 - катод; 7 - изолятор; 8 - катодный узел

перемещая режущий плазматрон по заданнойр; ктоии ГпГ fuulTZ РУ плазмы выдувает расплавлный металл Гокр

щии ее поток более холодного газа препятствует отклонениям пуг sacrlnlf.Z проникать в толщу обрабатываемой детали. Сжатую дугу! обдаюшую такими свойствами, называют проникающей плазменной lyrof. Ее 2дное пятно часть

Рис. 16. Схема разделительной плазменно-дуговой резки:

/ - плазматрон (сопло); 2 катод; <i - подача газа; 4 - режущая дуга; 5 - выполненный рез

Рис. 17. Схема формирования реза:

/ - столб режущей дуги; 2 - лобовая поверхность реза; 3 - зона теплопередачи столба; 4 - анодное пятно; 5 - зона скольжения пятен; 6 - факел дуги; 7 - зона теплопередачи факела; 8 - плазматрон

столба и вытекающий из него факел плазмы по мере расплавления металла и формирования полости реза погружаются в нее (рис. 16),

В полости реза анодное пятно ориентируется на лобовой поверхности, непрерывно скользя от верхних кромок к нижним, где отмирает. Скольжению дуги сопутствуют процессы электрического пробоя изолирующего газового слоя в верхней части реза и шунтирования радиального участка столба. Электрический пробой происходит на некотором расстоянии от верхних кромок реза, а отмирание нижнего радиального участка дуги - на некотором расстоянии от нижних кромок (рис. 17).

В связи с этим энергетическое строение режущей проникающей дуги помимо наличия приэлектродных областей характеризуется неоднородностью столба разряда, в котором можно различить три зоны с различными условиями теплоотдачи: закрытый столб, сжатый столб и открытый столб. Анодная область, участок открытого столба и факел дуги являются режущими частями (рис. 18).

В полости реза существуют три характерных участка передачи энергии режущей дугой обрабатываемому металлу. В верхней части реза действует теплообменный источник - погруженный в образующуюся полость участок высокотемпературного столба дуги. На среднем участке наряду с теплопередачей от столба и факела тепловая энергия вводится преимущественно заряженными частицами, локализующими свою энергию в активном пятне разряда. В нижней части реза теплота вводится плазменным факелом, являющимся аналогично столбу теплообмен-ным источником. По мере удаления от анодного пятна интенсивность теплового потока от факела снижается.

Форма и поперечные размеры реза определяются интенсивностью теплопередачи в каждом из сечений по глубине реза. В пределах участка действия столба ширина реза сохраняется практически постоянной. По мере перехода в область скольжения пятна ширина реза возрастает, достигает наибольшего значения, а затем, переходя в область действия факела, уменьшается.

Изменения ширины реза по его глубине сильно влияют на форму кромок реза, наблюдаемая неперпендикулярность которых является одним из показателей качества вырезаемых деталей и заготовок, определяемых ГОСТ 14792-69. Для получения наиболее благоприятной формы кромок резку нужно вести хорошо отлаженным плазматроном, исключающим отклонения режущей дуги от оси сопла, и при выборе режимов обеспечивать наибольшее возможное напряжение дуги.

От напряжения дуги 1] и рабочего тока / зависит режущая способность дуги, определяющая максимальную скорость v резки металла толщиной б, плотностью 7 и теплосодержанием S (при температуре плавления):

0,24т1/(;

Рис. 18. Основные участки режущей дуги:

ъс сс ос рс- напряже-ния участков столба соответственно закрытого, сжатого, открытого, режущего; t/ и (7 -

анодное и катодное падения потенциала; Я - плазматрон; Э - катод; М. - разрезаемый металл; Ф - факел дуги

ybbS

где т - полный тепловой КПД процесса резки; b - ширина реза.

Напряжение режущей дуги определяется длиной и диаметром формирующего канала плазматрона, видом и расходом газа, толщиной металла, скоростью