Газовая дуговая резка металла

Газовая дуговая резка металла

За последние годы широкое распространение получили способы газо-дуговой резки; воздушно-дуговая, плазменно-дуговая и плазменная. Они применяются для резки многих металлов и сплавов. В ряде случаев находит также примене­ние кислородно-дуговая резка стали. Способы газо-дуговой резки используют сейчас на многих предприятиях, что да­ет большую экономию в народном хозяйстве. Ведутся рабо­ты по механизации и автоматизации газо-дуговой резки.

Воздушно-дуговая резка. Этот способ резки ос­нован на расплавлении металла в месте реза скользящей электрической дугой, горящей между угольным электродом и металлом, с непрерывным удалением жидкого металла струей сжатого воздуха. Применяется в качестве раздели­тельной и поверхностной резки. Для воздушно-дуговой резки используют резаки специальной конструкции. На рис. 132,а показан резак РВД-1-58 конструкции ВНИИАвтогенмаш для поверхностной и разделительной воздушно-дуговой резки. Резак имеет рукоятку 5 с вентилем 4 для подачи сжа­того воздуха. Между неподвижной 3 и подвижной 2 губка­ми зажимается угольный электрод 1. В губке 3 имеются два отверстия, через которые выходит сжатый воздух, подводимый в резак по шлангу через ниппель 6 под давлением 4 — 5 кгс/см3; струя воздуха выдувает расплавленный металл из места разреза. Положение реза к а при разделительной поверхностной резке показано на рис. 132, 6, в, г. 

Рис.132 Резак РВД-1-58 для воздушно - дуговой рез­ки

Расстояние от губок до нижнего конца (вылет) электрода не должно превышать 100 мм. Электрод по мере его обгорания выдви­гают из губок вниз. Ширина канавки при резке превышает диаметр электрода на 1—3 мм. Поверхность металла в ме­сте разреза получается ровной и гладкой. При резке при­меняют постоянный ток обратной полярности (плюс на элек­троде). В качестве электродов применяют угольные элект­роды, выпускаемые в соответствии с ГОСТ 10 720—64. Для повышения стойкости угольные электроды покрывают слоем меди толщиной 0,06—0,07 мм (электроды марки ВД),

Для воздушно-дуговой резни может применяться также переменный ток, однако он дает меньшую производительность резки, чем постоянный. Поэтому применение перемен­ного тока, по данным исследований И. С. Шапиро, наиболее целесообразно при выплавке мелких канавок (например, удалении местных дефектов сварных швов); в этих случаях переменный ток повышает эффективность использования стержня электрода по сравнению с постоянным током об­ратном полярности.

Воздушно-дуговую резку широко используют для поверх­ностной резки большинства черных и цветных металлов, вырезке дефектных участков сварных швов, срезки заклепок, пробивки отверстий, отрезки прибылей стального литья, вы­плавки литейных пороков и пр. Этим способом можно резать различные металлы (нержавеющие стали, чугун, латунь и трудноокомляемые сплавы) толщиной до 20—25 мм. Режи­мы резки приведены в табл. 38 Режимы поверхностной воздушно-дуговой резки приведённый табл. 39.

Таблица 38
Режимы воздушно-дуговой разделительной резки на постоянном толе обратной полярности

Таблица 39 

Режимы поверхностной воздушно-дуговой резки на постоянном токе

Плазменно-дуговая резка. При плазменно-дуговой резке (рис. 133) дуга 3 возбуждается между разрезае­мым металлом 4 и неплавящимся вольфрамовым электродом ВЛ-15 (с добавлением лантана), расположенным внутри электрически изолированного формирующего наконечни­ка 1. В большинстве случаев применяется дуга постоянного тока прямой полярности. Продуваемый через сопло газ обжимает дугу, обеспечивает в ней интенсивное плазмообразование а придает дуге проникающие свойства. При этом газ разогревается до высоких температур (10 000— 20 000C), что обеспечивает высокую скорость истечений и сильное механическое действие плазмы на расплавляе­мый металл, выдуваемый из места ре­за. В металле 4 образуется полость, по стенкам которой опускается активное пятно 5 дуги. При движении резака в исправлении стрелки 2 пятно 5 остается на лобовой стенке реза и вместе со столбом плазменной дуга 3 и факе­лом 6 плазмы обеспечивает непрерывное проплавление металла по всей толщин одновременное удаление расплавленного и испаренного металла. 

Рис. 133. Схеме процесса плазменно - дуговой резки ( образование полости реза). 

 

На рис. 134 показана схема комплекта для ручной плазменно-дуговой резки, а на рис. 135 —резак РДМ-1-60.

Плазмеино-дуговую резку целесообразно применять: при изготовлении из листов деталей с фигурными контурами; из­готовлении деталей с прямолинейными контурами, не тре­бующих механической обработки; вырезки проемов и отвер­стий в металлах; резке полос, прутков, труб и профилей и придания их торцам нужной фирмы; обработке кромок поко­вок i[ подготовке их под сварку; вырезке заготовок для меха­нической обработки, штамповки и сварки; обработке литъя. По сравнению с кислородной плазменно-дуговая резка имеет следующие преимущества: возможность резки на од­ном и том же оборудовании любых материалов; высокая скорость резки металлов небольших толщин (до 20 мм); ис­пользование недорогих к недефицитных газов и отсутствие потребления горючих газов (углеводородов); малые тепло­вые деформации вырезаемых деталей; относительная про­стота автоматизации процесса резки, определяемого в основ­ном электрическими параметрами.

Недостатками плазменно - дуговой резки являются бо­лее сложное и дорогое оборудование, включающее питания и регулирования дуги; более сложное обслужива­ние; необходимость применения водяного охлаждения горелки и защитных масок со светофильтрами для резчика; необ­ходимость более высокой квалификации резки.

Рис.134. Схема комплект для ручной плазменно-дуговой резки с реза­ком РДМ-1-60

Рис. 135. Резак РДМ-1-60

Плазменно-дуговую сварку целесообразно применять при обработке металлов, которые трудно или невозможно резать. Другими способами, или когда плазменно-дуговая резка оказывается наиболее экономичной, или обеспечивает скорости резки, согласующиеся с принятыми в технологии обработки того или иного изделия. Плазменно - дуговой резкой обраба­тывают алюминий и его сплавы; медь и ее сплавы; нержаве­ющие высоколегированные стали; низкоуглеродистую сталь; чугун; магний и его сплавы; гитан. Возможность резки ме­талла данной толщины и интенсивность проплавлен и я опре­деляются мощностью дуги, т. е. величиной тока и напряже­ния. Ориентировочные величина максимальной толщины резки различных металлов в зависимости от напряжения следующие:

 Скорость резки регулируется изменением тока дуги (регули­рованием источника питания). Скорость резки быстро пада­ет с увеличением толщины металла и одновременно увели­чивается ширина реза. При ручной резке равномерное веде­ние процесса обеспечивается при скорости до 2 м/мин.

В качестве источников питания дуги током применяют: сварочные преобразователи ПСО-500 на 500 а, включаемые последовательно 2—3 шт, на одну дугу; сварочные выпрями­тели ВКС-500-1 по 500 а на кремниевых вентилях ВК-200, включаемые последовательно 2—3 шт. на одну дугу; источ­ник питания плазменной дуги ИПГ-500 на 700 а; выпрями­тель ВГД-501 на 500 а дли плазменно-луговой резки и др.

В качестве электродов вместо лантанированного воль­фрама ВЛ-15 по ВТУ-ВЛ№24—5—62 можно применять, при обеспечении надлежащих гигиенических условий, торированный (с добавкой тория) вольфрам ВТ-15. Б некоторых резательных устройствах применяют штабики из вольфрама или циркония, медные втулки, графитовые стержни. Послед­ние используют при обдувке дуги активными газами, без га­зовой защиты электрода. Расход вольфрама при резке в аргоно-водородных смесях составляет 0,01 г/мин, а при резке в смесях азота с содержанием 0,5% кислорода — 0,05 г/мин.

В качестве плазмообразующих газов применяют:

химически неактивные к металлу газы; чистый аргон состава А по ГОСТ 10157—62; технический азот 1-го сорта по ГОСТ 9293—59; смеси аргона с водородом техническим 1-го сорта по ГОСТ 3022—45; гелий; аммиак;

химически активные к металлу газы: кислород или воз­дух, часто в смеси с азотом; возможно применение воды (паров).

Водород и азот диссоциируют (расщепляются на атомы) в дуге, а затем атомы их вновь соединяются в молекулы (рекомбинируют) на более холодных частях металла, выделяя при этом большое количество дополнительного тепла. Это способствует более благоприятному распределению тепла по всему объему металла, что имеет особое значение при резке металла больших толщин.

При резке обычно применяют следующие плазмообразующие газы и из смеси (табл. 40).

Для резки алюминиевых сплавов целесообразнее при­менять азотноводородные смеси. Резку сплавов толщиной 5—20 мм рекомендуется производить в азоте, а толщиной 20—100 мм в азотоводородной смеси. Аргоноводородные смеси при резке алюминиевых сплавов применяют при необходимости получения особо чистых резов. При ручной резке содержание водорода в аргоноводородной смеси снижают до 20%, так как при более низком содержании водорода легче поддерживать дугу при колебаниях расстояния между мундштуком и металлом.

При резке нержавеющих сталей до 50 мм толщиной при­меняют смесь кислорода с азотом, который, протекая вдоль электрода, защищает его от окисления, а также азот и азотоводородную смесь. При скоростной безгратовой резке нержавеющих сталей следует применять смесь кислорода с 20—25% азота.

Нержавеющие стали малой толщины (до 20 мм), кройки которых не требуют высокой стойкости против межкристаллитной коррозии, можно резать в азоте, а нержавеющие ста­ли толщиной 20—50 мм — в азотно-водородной смеси. При повышенных требованиях в отношении стойкости кромок к межкристаллитной коррозии нержавеющие стали режут в азотно-водородной смеси. Полученные при этом кромки можно сваривать встык без присадочной проволоки.

Смеси с аргоном при резке нержавеющих сталей приме­няют реже. При резке латуни а азоте скорость резки выше на 25—30%, чем при резке меди в азоте. Для резки низкоуг­леродистых сталей наиболее целесообразно применять кисло­род или его смесь с содержанием азота 25—60% который, протекая вдоль вольфрамового электрода, защищает его от окисления. При необходимости низкоуглеродистые стали можно резать в одном азоте.

Таблица 40. Плазмообразующие газы и их смеси

Расходы гадов при резке дань: в табл. 41—42 и зависят только от рода газа и разрезаемого металла. В пределах до 100 мм толщины металла расход газа в большинстве случаев остается постоянным. В некоторых случаях резки металла малой толщины применяют повышенные расходы газов, что способствует устранению натеков па нижних кромках реза. Для сопел диаметром 3—6 мм расход газа, как правило, не должен быть меньше 1,5—2 м3/ч во избежание возникнове­ния «двойной» дуги, т. е. второй дуги между электродом и мундштуком.

Плазменно-дуговой резкой обычно разрезают нержавею­щие и углеродистые стали толщиной до 40 мм, чугун до 90 мм, алюминий и его сплавы до 300 мм, медь и ее сплавы до 80 мм. Для больших толщин указанных металлов (кроме алюминия и его сплавов) этот способ применяется значи­тельно реже, так как экономичнее использовать другие спо­собы резки (кислородную, кислородно-флюсовую).

Плазменно-дуговая резка может производиться вручную и с помощью газорезательных машин. Общая схема установ­ки для ручной плазменно-дуговой резки приведена на рис. 134. Установка включает баллоны с газами, источник постоянного тока, распределительное устройство для управ­ления процессом и резак. Второй провод от источника тока подключают к разрезаемому металлу. На рис. 135 показан внешний вид резака РДМ-1-60 для ручной плазменно-дуго­вой резки, техническая характеристика которого дана в табл. 41.

Резак снабжен сменными наконечниками и сменными опорными роликами. Дугу возбуждают факелом вспомога­тельного разряда путем кратковременного замыкания воль­фрамового электрода и медного наконечника угольным стер­жнем зажигалки. Ток вспомогательного разряда ограничи­вает нихромовая спираль добавочного сопротивления в во­доотвода тем шланге.

Сменные сопловые вставки заменяются через каждые 2— 4 ч работы, а резиновые прокладки между наконечниками п головкой — через 10—12 смен,

Аппаратура для плазменно-дуговой резки выпускается промышленностью по ГОСТ 12 221—66 «Аппаратура для плазменно-дуговой резки. Типы и основные параметры. Краткие технические характеристики некоторых марок этой аппаратуры см. в табл. 41.

Прямолинейную плазменно-дуговую резку удобно произ­водить с помощью тележек ХТТ-1-58, спроектированных для этого процесса и снабженных электроприводом. Скорость передвижения тележки регулируется реостатом (118—8000 мм(мин), вес тележки 26 кг. Машинный резак для плазменно-дуговой резки укре­пляется на верхней свободной платформе тележки.

Для механизированной резке применяют также газорезательных машины ЛСШ-2 и СГУ-61, переоборудованные для плазменно-дуговой резки. Машина ЛСШ-2 комплектуется плазменно-дуговым резаком с плавающим суппортом и шка­фом управления и автоматики установки УДР-2М. В редукто­ре ведущей головки однопроходная червячная пара заменяется двухзаходной и к магнитному пальцу диаметром 12 мм допол­нительно изготовляют пальцы диаметром 14 и 16 мм. Эти из­менения расширяют диапазон скоростей до 2 м/мин, необхо­димых при плазменно-дуговой резке.

Для питания электромагнит­ной катушки машина АСШ-2 комплектуется селеновым вы­прямителем БСА-10, Машина СГУ-61 также снабжена допол­нительными устройствами и уз­лами, необходимыми для осу­ществления процесса плазменно-дуговой резки.

При резке на машинах применяют плазменно-дуговые машинные резаки марок УДР, РПД-2-65, АСШ-2 (типа П по ГОСТ 12221—66) и резаки марок РПД-1-64 и Т-12 (типа Ш по ГОСТ 12221—66). Резаки типа III предназ­начаются для резки больших толщин: алюминия до 300мм, стали до 200 мм и меди до 100 мм. Применяемый ток у резаков типа III достигает 600—900 а, диаметр вольфрамово­го электрода — 5—8 мм.

Рис 136. Резак РПД-1-64 для машинной плазменной дуговой резки.

На рис. 136 показано устройство резака РПД-1-64 для высокопроизводительной машинной резки металлов сред­ней и большой толщины в среде химически неактивных (азот, водород} и активных (кислород, воздух) газов. Ре­зак состоит из двух узлов — цангового / и соплового 3. изолированных друг от друга неэлектропроводной втул­кой 7; узлы имеют раздельное водяное охлаждение. В цан­говый узел входят водоохлаждаемый корпус 4 с зажатой в нем разрезной цангой 5, крепящей вольфрамовый элек­трод 2, а также изолированная от корпуса латунная втул­ка б с отверстиями для подачи защитного газа, к которой крепится вспомогательная насадка 9. В сопловой узел входят корпус головки 8 и наконечник 12, укрепляемый к корпусу накидной гайкой 10. В корпусе расположено смен­ное сопловое кольцо 11 с отверстиями для газового по­тока. Применение активных газов возможно благодаря защите электрода азотом, подаваемым отдельно через кольцевую полость и отверстие в цанговом корпусе в про­странство между электродом 2 и вспомогательной насад-кон 9. Рабочий газ поступает череп сопловое кольцо //в дуговую камеру. При использовании для плазмообразования неактивных газов наружный газ подается вихревым потоком, а при использовании активных газов—прямо-струйным. Резак снабжается сменными цангами для элек­тродов диаметром 5; 6 и 8 мм. Вспомогательная насадка обеспечивает зажигание дуги без применения аргона. Ре­заком РПД-1-64 можно резать медь и ее сплавы толщи­ной до 150 мм, нержавеющую сталь — до 200 мм и алюми­ний и его сплав — до 200 мм. Напряжение дуги; рабочее 200 а, холостого хода 350—500 в. Рабочий ток: при диа­метре электрода 5 мм — до 400 а: 6 мм — 400—600 а, 8 мм — 600 — 900 а. Расход азота до 6 м3/ч; водорода до 3 м3/ч, кис­лорода — до 5 м3/1ч, охлаждающей воды —15 л/мин. Вес резака 2,5 кг.

Скорость (м/ч) плазменно-дуговой резки можно опре­делить по формуле:

М — коэффициент, учитывающий вид металла; он ра­вен для алюминия и его сплавов — 5,03; сталей — 0,95; меди и латуни — 2,49.

По этой формуле получают скорости» близкие к мак­симальным, что характерно для прямолинейном машинной резки. Для фигурной чистовой резки скорости в 2—3 ра­за, а для ручной —в 1,5—2 рала ниже по сравнению с по­лученными по формуле Значения коэффициента К, приве­дены в табл. 42.
Таблица 41. Аппаратура для плазменной дуговой резки

Таблица 42 Значения коэффициента К  при плазменно - дуговой резке некоторых металлов и сплавов

Режимы плазменно-дуговой резки рекомендуется под­бирать опытным путем в соответствии с конкретными ус­ловиями и требованиями в отношении производительности резки н качества кромок. Для ориентировки в табл. 43, 44 и 45 даны некоторые режиму прямолинейной механизиро­ванной резин для алюминия и его сплавов, нержавеющих и низкоуглеродистых сталей. Для фигурной и ручной резки режимы должны быть откорректировали с учетом сниже­ния скоростей резака и в пределах 30—50% от указанных в этих таблицах Скорости при ручной резке не должны пре­вышать 90—120 м/ч, Устойчивый процесс резки возможен up и длине сопла 2,5—4 мм и следующем его диаметре: 

Таблица 43 Режимы плазменно-дуговой резки алюминия и его сплавов

Таблица 44 Режимы плазменно - дуговой резки нержавеющих сталей

При увеличении диаметра сопла на 1—2 мм по сравне­нию с указанным оно подлежит замене или ремонту.

Плазменная резка металла. При плазменной резке обра­батываемый материал не включается в электрическую цепь дуги. Острое кинжалообразное пламя дуговой плазмы используют для расплавления обрабатываемого материала, при сварке и резке металлов, в том числе тугоплавких, а также при резке и плавлении неэлектропроводных мате­риалов.

Схема процесса изображена на рис. 137. Постоянный ток источника 3 подводится: минус — к вольфрамовому электро­ду 4, плюс —к формирующему дугу медному соплу 2, ох­лаждаемому водой. Возникающая между электродом и соп­лом дуга 6 под действием потока газа (аргона, гелия, азота, водорода или их смесей), продуваемого через мундштук 5, образует язык плазмы 1, проплавляющий разрезаемый ма­териал 7. Установка для резки (рис. 138) состоит из балло­на с рабочим газом, источники постоянного тока 2, рас­пределительного устройства 3 с аппаратурой управления процессом и резака 4.

Наиболее эффективно резка протекает при использовании смеси 80% аргона и 20% азота. При резке нержавею­щей стали толщиной 5 мм током 300 а скорость резки до­стигает 65 л/ч. Резку ведут при минимальном зазоре между мундштуком и металлом, в некоторых случаях даже касаясь торцом мундштука поверхности металла рез получа­ется очень узкий, равный вверху диаметру канала сопла.

Таблица 45. Режимы плазменно - дуговой резки низкоуглеродистой стали в азотно - кислородной смеси. 

В нижней части ширина реза меньше, чем в верхней. Дугу возбуждают кратковременным касанием концом электрода кромок сопла, для чего в головке имеется устройство для осевого перемещения элек­трода вниз. Сначала в мундштук пуска­ют газ, затем опусканием электрода воз­буждают дугу. В первоначальное положе­ние, электрод возвращается под действием пружины. Резка производится ручным способом или меха­низированным, на резательных машинах, применяемых для плазменно-дуговой резки.

Рис. 137. Схема плазменной разки

Рис. 138. Схема установки для плазменной разки

Кислородно-дуговая резка. Кислородно-дуго­вую резку применяют для углеродистой стали. Металл рас­плавляется электрической дугой, а струя кислорода служит для сжигания металла и выдувания шлаков из места разре­за. В качестве электродов используют стальные трубки на­ружным диаметром 8 мм, длиной 340—400 .мл, изготовляе­мые протяжкой из стальной полосы. Снаружи трубки-элект­роды покрывают обмазкой для устойчивости горения дуги. При резке электрод опирают концом о поверхность .металла под углом к ней 80—85°, с наклоном в сторону направления резки, Образующийся на конце электрода козырек из об­мазки обеспечивает необходимую длину дуги при резке.

Недостатком стальных электродов является их большой расход вследствие быстрого сгорания—за 40—50 сек. Более стойкими являются керамические трубчатые электроды из карбида кремния (карборунда) или карбида бора, покры­тые металлической оболочкой и обмазкой. Карборундовый электрод диаметром 12 мм и длиной 300 мм может работать 30—40 мин при токе 300—350 а. Недостатком керамических электродов является tix высокая стоимость. Трубчатые электроды можно применять при еыреэке отверстий в стали толщиной до 100 мм, резке профильного проката, пакетной резке листов и других работах.

Применяют также последовательно-струйный способ кислородно-дуговой резки стали толщиной до 50 мм. При этом способе к обычному электрододержателю для дуговой сварки присоединяют резательную приставку, с помощью которой подается струя кислорода на металл, расплавлен­ный дугой. При резке мундштук перемещают вслед за электродом. Резка этим способом может производиться на постоянном или переменном токе. Для этого способа резки пригодны электроды любых марок. Можно использовать также углеродистую проволоку любой марки диаметром 5 мм, покрытую обмазкой из 20% мела и 80% каменноуголь­ного шлака. При диаметре проволоки 5 мм ток берут 200 — 250 а. Качество реза и производительность при этом способе резки примерно такие же, как ар и ручной ацетилене-кисло-родной резке.