способ плазменной резки

Формула изобретения

1. Способ плазменной резки, при котором разрезаемый металл нагревают электрической дугой, стабилизированной потоком плазмообразующего газа, проходящим через сопло плазмотрона, а в столб дуги после сопла подают дополнительное плазмообразующее рабочее тело, отличающийся тем, что в качестве дополнительного рабочего тела используют газ, который пропускают через емкость с мелкодисперсным порошком соединений легкоионизируемых металлов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного рабочего газа используют воздух.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сварочной технике и технологии, а более конкретно к плазменной резке.

Известен способ плазменной резки металла электрической дугой, стабилизированной потоком воздуха, проходящим через сопло [1]

Недостатком данного способа резки является насыщение азотом кромок реза и последующее образование пор в сварном шве, заполняемых газообразным азотом при сварке по кромкам реза.

Известен способ плазменной резки, снижающий насыщение азотом кромок реза [2] Данный способ плазменной резки осуществляют дугой, стабилизированной потоком воздуха, проходящим через сопло, причем в столб дуги после сопла подают дополнительное плазмообразующее рабочее тело, а именно воду в виде жидкой струи. Подача воды в плазму дуги осуществляется с помощью дополнительного сопла. При этом вода в пограничном слое дуги испаряется и диссоциирует на атомы.

Происходит диффузия атомов водорода в центр столба дуги и частичное замещение ими при перезарядке в плазме дуги ионов азота, активно адсорбируемых поверхностью реза. Это приводит к снижению насыщения азотом кромок реза, меньшему образованию пор в сварном шве и повышает прочность сварного шва.

Недостатком прототипа является сужение диапазона разрезаемых толщин металла, подвергаемого резке данным способом, которое проявляется в виде непрорезов металла свыше 40 мм, а также в виде образования неотделяемого грата на кромках реза на металле толщиной свыше 16 мм. Это обусловлено тем, что подача воды в плазму дуги повышает напряженность электрического поля в дуге, дуга становится короче и не прорезает большие толщины. Кроме того, присоединенная масса воды замедляет вращение газового вихря, стабилизирующего дугу, и этот вихрь не может отбросить от зоны реза капли расплавленного металла, зависающие на нижней кромке реза. При застывании эти капли и образуют грат.

Целью изобретения является расширение диапазона толщин разрезаемого металла.

Это достигается тем, что в способе плазменной резки, при котором разрезаемый металл нагревают электрической дугой, стабилизированной потоком плазмообразующего газа, например воздуха, проходящим через сопло плазмотрона, в столб дуги после сопла подают дополнительное плазмообразующее рабочее тело, в качестве которого используют газ, например воздух, который частично или полностью пропускают через емкость с мелкодисперсным порошком соединений легкоионизируемых металлов, например К, Na, Ca, Ba.

Расширение диапазона разрезаемых толщин при этом происходит по следующей причине.

Электрическая проводимость плазмы дуги при наличии легкоионизируемых присадок увеличивается, а удельное сопротивление уменьшается, поэтому напряжение стандаpтного источника питания обеспечивает горение дуги увеличенной длины.

В то же время наличие легкоионизируемых присадок в плазме дуги обусловливает также как и присутствие атомов водорода в прототипе резкое снижение из-за перезарядки на атомах металлов присадки концентрации ионов азота, легкорастворимых в расплавленном металле кромок реза. При этом также происходит снижение насыщения азотом кромок реза и порообразования при последующей сварке.

В МГД-генераторах легкоионизируемая присадка, вводимая в зону взаимодействия электрического разряда с поверхностью электродов, приводит к снижению теплового воздействия на электроды, что увеличивает срок их службы.

В изобретении действие присадки приводит к противоположному результату. Ее введение в зону взаимодействия дуги и разрезаемого металла, служащего анодом, приводит не к снижению, а к повышению тепловой мощности, выделяемой в металл в зоне реза, уменьшает способность разрезаемого металла противостоять действию режущей дуги, что и позволяет разрезать листы металла повышенной толщины.

На чертеже показан пример выполнения способа резки.

Способ плазменной резки выполняют следующим образом.

Разрезаемый металл 1 нагревают электрической дугой 2, стабилизированной потоком плазмообразующего газа, например воздуха, проходящим через сопло плазмотрона 3 и одновременно подают дополнительный поток 4 воздуха на форсунок 5 в дугу между соплом плазмотрона и разрезаемым металлом. Причем в соответствии с изобретением дополнительный поток воздуха, проходящий через форсунки 5, частично или полностью пускают через емкость 6 с мелкодисперсным порошком соединений легкоионизируемого металла, например K₂CO₃, Na₂CO₃, Ca, CO₃, BaCO₃.

При этом регулирование расхода дополнительного потока воздуха и расхода порошка осуществляется с помощью вентилей 7, 8 и 9.

П р и м е р 1. Для проверки эффективности заявляемого способа проводилась плазменная резка металлических плит 1, включающая нагрев металла электрической дугой 2 с величиной рабочего тока I 400 A, стабилизированного воздушной струей, истекающей из сопла диаметром d_c 3,5 мм плазмотрона 3 типа ПМР-74. При этом рабочее давление воздуха в магистрали перед плазмотроном было равно Р_о 4,5 атм. Массовый расход воздуха через плазмотрон был равен (1,80,2) г/с.

В соответствии с заявляемым изобретением в дугу 2 между соплом плазмотрона 3 и разрезаемым металлом подавали из трех форсунок 5, направленных в сторону дуги, дополнительный поток 4 водорода, который частично пропускали через регулировочный вентиль 7 и емкость 6 с мелкодисперсным порошком поташа К₂СО₃, а частично через регулировочный вентиль 8.

При этом регулирование общего расхода дополнительного потока воздуха осуществлялось с помощью вентиля 9, а расхода порошка с помощью вентилей 7 и 8.

Суммарный расход M_.в. дополнительного потока воздуха, проходящего через форсунки 5, находился в пределах

= (0,1-0,5) 0,18-0,90 г/с

Средний размер твердых частиц порошка поташа находился в пределах

10^-6 м < d_ср < 510^-5 м

Мольный расход порошка регулировался в пределах

= (0,01-3,0)10 где мольный расход плазмообразующего газа.

Для каждого значения расхода присадки устанавливалась максимальная толщина разрезаемого металла. Сравнительные результаты приведены в табл. 1.

Таким образом, установлено, что при любых количествах присадки, подаваемой в зону реза, достигается увеличение толщины разрезаемого металла.

П р и м е р 2. Для проверки эффективности заявляемого способа для снижения порообразования при сварке по кромкам реза проводилась плазменная резка металлических листов толщиной 4 мм. Такая толщина металла обусловлена тем, что она является наименьшей, на которую распространяется стандарт на плазменную резку ОСТ5.9526-87, а также тем, что насыщение азотом кромок реза зависит от плотности тока резки в зоне реза и для тонколистового металла проявляется в наибольшей степени.

Резка включала нагрев металла 1 электрической дугой 2 с величиной рабочего тока I 250 А, стабилизированной воздушной струей, и стекающей из сопла диаметром d_c 2,8 мм плазмотрона 3 типа ПМР-74. При этом рабочее давление воздуха в магистраль перед плазмотроном 3 было равно Р_о= 4,5 атм.

Массовый расход воздуха через плазмотрон равен = (1,2 0,2) г/с.

В соответствии с изобретением в дугу 2 между соплом плазмотрона 3 и разрезаемым металлом 1 подавали из трех форсунок 5, направленных в сторону дуги, дополнительный поток 4 воздуха, который частично пропускали через регулировочный вентиль 7 и емкость 6 с мелкодисперсным порошком поташа К₂CO₃, а частично через регулировочный вентиль 8. При этом регулирование общего расхода дополнительного потока воздуха осуществлялось с помощью вентиля 9, а регулирование расхода порошка с помощью вентилей 7 и 8.

Суммарный расход дополнительного потока воздуха, проходящего через форсунки, находился в пределах

M_д.в.= (0,1-0,5) 0,12-0,60 г/с

Средний размер твердых частиц порошка находился в пределах

10^-6м < d_cp < 510^-5 м

Мольный расход порошка регулировался в пределах

= (0,01-3,0)10 где мольный расход плазмообразующего газа.

Для каждого значения расхода присадки вырезалось по две детали, которые затем сваривались между собой с целью выявления образования пор в сварном шве.

Сравнительные результаты сварки приведены в табл. 2.

Таким образом, установлено, что при расходе порошка поташа, подаваемого в зону реза, свыше 10^-3 от мольного расхода плазмообразующего газа газонасыщение кромки реза ослабляется и поры при последующей сварке деталей по кромкам реза не образуются.

Эффективность использования изобретения определяется следующим образом.

Заявляемый способ позволяет использовать для резки любые стандартные плазмотроны во всем диапазоне толщин, подвергаемых воздушно-плазменной резке.

В сравнении с воздушно-водяной резкой средних и малых толщин (до 16 мм) не требуется использовать быстрорасходуемые вторые сопла сложной геометрии для подачи дополнительного рабочего тела воды. Устраняется зависимость потребителя от завода-поставщика водяных сопл, не требуется использовать дефицитный электроклапан подачи воды.

Для резки металла большой толщины (свыше 70 мм не требуется использовать специализированные источники питания дуги с повышенным напряжением холостого хода.

Оснащение стандартных стационарных машин тепловой резки типа "Кристалл" специализированной оснасткой и оборудованием для резки малых и больших толщин с целью расширения технологических возможностей машины проводится по хоздоговорам. Стоимость такого хоздоговора не меньше трети стоимости машины.

Оснащение машины простой в изготовлении и использовании оснасткой для реализации заявляемого способа позволяет отказаться от закупки дорогостоящей технологии воздушно-водяной резки и источников питания повышенного напряжения холостого хода.