Задание 3            Произведите сравнительный анализ представленных на рисунках технологических особенностей способов резки металла.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ. Источником ионизации являются электрические разряды (дуговой, искровой, тлеющий и пр.). Степенью ионизации называют отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма плазмы. В зависимости от степени ионизации различают слабо, сильно и полностью ионизированную плазму. Степень ионизации плазмы зависит от многих факторов и прежде всего от температуры. Различают низкотемпературную плазму T ≤ 10⁵ K и высокотемпературную T > 10⁶…10⁸ K

Плазменная резка широко применяется для обработки конструкционных сталей всех марок толщиной 1-40 мм; коррозионностойких высоколегированных сталей толщиной 3-70 мм; алюминия и его сплавов толщиной 3-80 мм; меди и её сплавов толщиной 2-70 мм.

Процесс резки состоит в проплавлении мощным дуговым разрядом, локализованном на малом участке поверхности разрезаемого металла, с последующим удалением расплавленного металла из зоны реза высокоскоростным газовым потоком.

Струя плазмы формируется путём обжатия столба дуги в канале сопла. Под воздействием стенок канала сопла и струи плазмообразующего газа столб дуги сжимается, его поперечное сечение уменьшается, а температура в центральной части столба повышается до 10000-50000 ºС. В результате внутренний слой газа, соприкасающийся со столбом дуги, превращается в плазму, а наружный слой, обтекающий стенки канала сопла, остается сравнительно холодным, образуя электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и поверхностью сопла. Этот охлаждённый слой газа препятствует отклонению столба дуги от заданного направления и замыкания его на стенку канала сопла.

Напряжение сжатой дуги соответствует 60-200 В, что в 3-10 раз больше, чем в свободной дуге. Плотность тока сжатой дуги достигает 100 A/мм² , т. е. на порядок больше, чем у свободной, а удельная мощность достигает 2·10⁶ Вт/см².

Процесс плазменной резки, как правило, сопровождается водяной защитой (рис. 1.14). При этом используют резку листов, уложенных над поверхностью или на поверхности воды (а, б), погруженных в воду (в). Возможны сочетания одной из схем (а–г) с

круговой водяной защитой. В этих условиях вода улучшает санитарно- гигиенические условия процесса; обеспечивает повышение качества кромок вырезаемых изделий; способствует снижению тепловых деформаций материала; поглощаются водой вредные выделения.

На процесс плазменной резки оказывает влияние множество технологических факторов: сила тока, напряжение дуги, скорость резки, расход плазмообразующего газа, скорость его истечения из сопла, диаметр и длина канала сопла, плотность разрезаемого металла и др.

При резке углеродистых и низколегированных сталей толщиной 6-30 мм, исходя из нормальной стойкости электродов (около 2 ч горения дуги), силу тока дуги обычно выбирают в пределах 270±30 А. Уменьшение силы тока снижает скорость резки, увеличение – заметно ускоряет износ электродов.

Сила тока и напряжение режущей дуги не равноценны по интенсивности влияния на скорость резки. Экспериментально установлено, что повышение напряжения более эффективно влияет на скорость резки, чем увеличение силы тока.

Возбуждение дуги происходит при слабом потоке плазмообразующего газа при его расходе 3-5 л/мин. Повышение расхода сверх рекомендуемого приводит к обрыву дуги. Если расход слишком мал, плазменную дугу, горящую внутри резака, не удается выдуть наружу из сопла, или она столь коротка, что её длины не хватает для создания токопроводящего мостика между электродом и металлом. В этом случае режущая дуга не возникает.

После возбуждения дуги увеличение расхода плазмообразующего газа (60-90 л/мин) приводит к обжатию плазменного столба дуги, ширина реза уменьшается, скорость реза увеличивается, напряжение дуги повышается.

Ширину реза устанавливают с учетом суммарного воздействия ряда факторов: диаметра сопла, силы тока, скорости резки, состава и расхода плазмообразующего газа, расстояния от нижнего среза сопла до поверхности разрезаемого металла. В первом приближении ширину реза на верхней кромке можно принимать равной двум диаметрам сопла. Для обеспечения надежной работы при силе тока примерно 300 А и разрезаемой толщине 3-10 мм целесообразно использовать сопла диаметром 1-2 мм. Для стали толщиной 10-30 мм целесообразно использовать сопла диаметром 3 мм, для стали толщиной 31-50 мм применяют сопла с большим диаметром.

Кислородно-дуговая резка трубчатым электродом (электрокислородная резка - ЭКР) в настоящее время является наиболее употребляемым технологическим процессом, при разделении под водой металлоконструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей толщиной до 110 мм [100, 169]. Глубина выполнения работ до 60 м [169] (180 м [100]).

Сущность процесса заключается в способности железа сгорать в среде кислорода. Предварительный нагрев разрезаемого металла до температуры воспламенения осуществляют дугой, горящей между трубчатым покрытым электродом и изделием. После начала процесса резки дуга подогревает переднюю поверхность кромки разрезаемого металла впереди струи режущего кислорода до температуры воспламенения, обеспечивая тем самым непрерывность процесса резки [170]. Лучше всего разрезаются низкоуглеродистые и низколегированные стали. С увеличением содержания легирующих компонентов в стали (в первую очередь углерода, хрома и алюминия суммарно более 5%) повышается температура воспламенения железа в струе кислорода. При этом процесс кислородной резки существенно затрудняется. Экспериментально установлено, что, как и при резке на воздухе, с уменьшением толщины разрезаемой стали снижается эффективность процесса ее резки. Изменяется соотношение между теплотой, введенной дугой и теплотой, получаемой от сгорания железа в струе кислорода. Так, при резке стали до 5 мм почти вся теплота, идущая на образование полости реза, формируется за счет дуги. Ширина реза увеличивается практически до диаметра электрода. С увеличением толщины разрезаемого металла роль подогревающей дуги в передаче теплоты снижается. Так, при резке стали толщиной 20 мм только около 30% теплоты передается металлу дугой. Остальная теплота получается за счет реакции окисления железа в струе кислорода. Ширина реза снижается практически до диаметра внутреннего канала в электроде.

Расход кислорода, проходящего через продольный канал в электроде, зависит от глубины выполнения работ, длины электрода, сопротивления в держателе и давления на выходе из редуктора. Недостаток кислорода приводит к неполному окислению железа и удалению окислов, а избыток - охлаждает металл. Струя режущего кислорода должна вызывать непрерывное окисление по всей толщине разрезаемого металла, поэтому скорость продольного перемещения электрода должна соответствовать скорости окисления металла по всей толщине. Скорость окисления зависит от скорости истечения кислородной струи и чистоты кислорода. С понижением чистоты кислорода интенсивность окисления железа замедляется, производительность процесса резки снижается, а расход кислорода возрастает.

Экспериментально установлено, что состав обмазки, нанесенной на поверхность электрода, оказывает существенное влияние не только на стабильность дугового разряда, но и на прорезающую способность электродов. Проведенные в ИЭС им. Е.О. Патона эксперименты позволили создать электрод с повышенными режущими характеристиками. Сравнительная характеристика имеющихся на рынке СНГ электродов для резки стали 09Г2 толщиной 16 мм на глубине 10 м в горизонтальном положении при свободном выходе кислорода с обратной стороны разрезаемого металла