СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ Российский патент 1995 года по МПК B23K10/00 

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

Известен способ плазменной резки листового металла электрической дугой, стабилизированной потоком воздуха, проходящим через сопло [1]
Данный способ резки широко применяется в промышленности.

Однако способ резки имеет недостаточно высокую скорость резки.

Повышенной скоростью резки обладает способ плазменной резки, выбранный за прототип [2]
Данный способ плазменной резки осуществляют дугой, стабилизированной потоком воздуха, проходящим через сопло, причем в столб дуги после сопла подают воду в виде жидкой струи. Подача воды в плазму дуги осуществляется с помощью дополнительного сопла, соосного с основным, в зону пограничного слоя струи в количестве 0,6-0,95 от массового расхода воздуха, что приводит к охлаждению пограничного слоя. Поперечное сечение столба дуги уменьшается, плотность энергии в столбе дуги возрастает. Это приводит к увеличению скорости резки, в среднем на 10% для разных толщин металла.

Однако способ прототип имеет недостаточно высокое повышение скорости резки.

Целью изобретения является повышение скорости плазменной резки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе плазменной резки, при котором нагревают разрезаемый металл электрической дугой, стабилизированной потоком плазмообразующего газа, например, воздуха, проходящим через сопло, и одновременно подают воду в пограничный слой струи, истекающей из сопла. В соответствии с изобретением подачу воды осуществляют в дисперсном виде посредством двухфазной газо-водяной струи, причем в воде растворяют соединения легкоионизируемых химических элементов, например соли Na, K, Ca, Ba, перед подачей водо-воздушной смеси в пограничный слой.

Повышение скорости резки достигается благодаря более интенсивному охлаждению пограничного слоя стабилизированной потоком газа электрической дуги в изобретении в сравнении с прототипом и большей плотности энергии в столбе режущей части дуги.

Растворение в воде, подаваемой в струю плазмы соединений легкоионизируемых элементов, приводит к повышению концентрации электронов в зоне реза благодаря ионизации атомов металлов, что увеличивает теплоотдачу от дуги к разрезаемому металлу и увеличение скорости резки.

В первом приближении температура плазмы много больше температуры металла, тяжелые частицы плазмы и электроны передают тепло поверхности разрезаемого металла независимо друг от друга
Тогда q q_a + q_i q_e, где q_a= λ_a q_i= λ_i g_o= λ_l
q плотность теплового потока от плазмы к поверхности металла;
λ- коэффициент теплопроводности;
l длина свободного пробега;
Т_o температура плазмы;
a, i, e индексы, относящиеся соответственно к атомам, ионам, электронам.

Как известно из молекулярно-кинетической теории, коэффициент λ теплопроводности газообразной среды можно определить по следующему соотношению:
λ ρ·c_v·v_c·l где ρ- плотность среды;
с_v изохорная массовая теплоемкость;
v_c тепловая скорость частиц;
l длина свободного пробега частиц.

Учитывая, что
ρ= n ˙m n˙m_а.е.м ˙μ,
c_v=
v_c= где n концентрация частиц;
m масса частиц;
m_а.е.м атомная единица массы;
R_o универсальная газовая постоянная;
К коэффициент адиабаты;
k постоянная Больцмана;
μ- масса одного моля газообразной среды.

π= 3,14
С учетом последних соотношений получают выражение для плотности теплового потока от газообразной среды к поверхности.

q A· где A ·m_a.e.м
m масса частиц газовой среды.

С учетом полученных соотношений тепловой поток от плазмы к поверхности реза будет равен
q q_a+q_e+q_i= A + + или q A· 1+ + Коэффициент, заключенный в скобки, определяет увеличение теплового потока за счет наличия заряженных частиц. Поскольку
n_i≃ n_e≃ c·n_a
m_i≃ m_a
m_e≃ ·m_a где с доля электронов в плазме
c ≃
m_a масса атома азота, то коэффициент K в скобках равен
K (1+c+c·160) ≃ 1+161·c
Отсюда видно, что с увеличением доли с электронов в плазме тепловой поток от плазмы к поверхности реза возрастает при любой концентрации присадки. Причем, начиная с концентрации с ≳0,01, электронная теплопроводность становится определяющей.

Увеличение теплоотдачи от плазмы к поверхности реза при добавлении соединений легкоионизируемых металлов к подаваемой в струю плазмы воде приводит к увеличению скорости резки в сравнении с существующими способами резки дополнительно до 50% от значений скорости без добавок присадки. Увеличение скорости происходит вследствие увеличения КПД процесса резки, т.к. благодаря улучшению теплоотдачи от режущей струи к разрезаемому металлу увеличивается доля энергии, передаваемая от струи к металлу.

Сущность изобретения схематически поясняется фиг.1 и 2, на которых показаны примеры выполнения способа.

Как видно из фиг.1, 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 воду в пограничный слой струи, истекающей из сопла, причем в соответствии с изобретением подачу воды осуществляют в дисперсном виде посредством двухфазной газоводяной струи 4, истекающей из форсунки 5, а в воде растворяют соединения легкоионизируемых химических элементов, например соли Na, K, Ca, Ba.

П р и м е р 1. Проводилась плазменная резка (см. фиг.1), включающая нагрев разрезаемого листа низкоуглеродистой стали 1 толщиной 10 мм электрической дугой 2 с величиной рабочего тока I 300 A, стабилизированной потоком воздуха, подаваемым из магистрали с давлением Р_o 4,5 ати, проходящим через сопло плазмотрона 3 типа ПМР-7 и с диаметром, равным d_c 3 мм. При этом в пограничный слой стабилизирующей дугу струи, истекающей из сопла плазмотрона 3, в соответствии с изобретением подавалась вода в дисперсном виде посредством трех двухфазных воздушно-водяных струй 4 из форсунок 5, направленных в сторону столба дуги 2.

Количество воды m, подававшейся в пограничный слой струи, было равно m_п.с. (0,60-0,95) ˙m_*, где m_* расход плазмообразующего воздуха через сопло плазмотрона.

Общий расход m_п.с.о воды, подававшейся через форсунки, был равен
m_п.с.о (1-2) ˙m_*
Расход m_д.в. диспергирующего воздуха через форсунку равен m_д.в. (1 ±0,2) ˙m_*, т.е. расходу плазмообразующего воздуха.

Средний измеренный размер капель диспергированный воды находился в пределах 10^-7 м < d_cp < 10^-6 м.

Расход плазмообразующего воздуха был равен m_* (1,2±0,2) г/с.

Скорость воздушно-водяной резки в прототипе 2600 мм/мин.

Скорость воздушно-водяной резки с подачей воды в соответствии с изобретением 3400 м/мин.

Таким образом, увеличение скорости резки составило 30%
П р и м е р 2 (фиг.2). Проводилась плазменная резка стандартным плазмотроном ПМР-74, включающая нагрев разрезаемого металла 1 толщиной 10 мм, электрической дугой 2 с величиной рабочего тока I 300 A, стабилизированной потоком воздуха, подаваемого в плазмотрон из воздушной магистрали с давлением Р_о 4 ати, проходящим через сопло плазмотрона 3 диаметром 3 мм. При этом в пограничный слой стабилизирующей дугу струи 2, истекающей из сопла плазмотрона 3 подавалась вода в соответствии с изобретением в виде дисперсной струи 4 в сторону столба дуги 2 из форсунки 5, соосной соплу плазмотрона. Количество воды, подаваемой в пограничный слой струи плазмы, равно 0,6-0,9 от расхода плазмообразующего воздуха. Расход плазмообразующего воздуха через сопло плазмотрона ≈1,2 г/с.

Средний измеренный размер капель распыленной воды находился в пределах 10^-7 м < d_cp < 10^-6 м.

Скорость воздушно-водяной резки в прототипе 2600 мм/мин.

Скорость воздушно-водяной резки с подачей воды в соответствии с изобретением в плазму 3400 м/мин.

Таким образом, увеличение скорости резки 30%
П р и м е р 3. Проводилась плазменная резка стандартным плазмотроном типа ПМР-74, включающая нагрев разрезаемого металла 1 толщиной 10 мм, электрической дугой 2 с величиной рабочего тока I 300 A, стабилизированной потоком воздуха, подаваемого из магистрали с давлением Р_o 4,5 ати, проходящим через сопло плазмотрона 3 с диаметром d_c 3 мм. При этом в пограничный слой стабилизирующей дугу 2 струи, истекающей из сопла плазмотрона 3, в соответствии с изобретением подавался раствор CaNO₃ в воде в дисперсном виде посредством нескольких двухфазных воздушно-водяных струй 4 из форсунок 5, направленных в сторону столба дуги 2.

Количество воды m_п.с., подаваемой в пограничный слой струи, было равно m_п.с. (0,60-0,95) ˙m_*, где m_* расход плазмообразующего воздуха через сопло плазмотрона.

Общий расход m_п.с.о воды, подаваемой через форсунку, m_п.с.о (1-2) ˙m_*.

Расход m_д.в диспергирующего воздуха через форсунку m_д.в (1±0,2)˙ m_*, т. е. равен расходу плазмообразующего воздуха.

Расход соли CaNO₃ в расчете на сухой вес
m_c≈0,1 г/с.

Средний измеренный размер капель диспергированной воды находился в пределах
10^-7 м < d_cp < 10^-6 м
Расход плазмообразующего воздуха был равен
m_* (1,2±0,2) г/с
Скорость воздушно-водяной резки в прототипе 2600 м/мин.

Скорость воздушно-водяной резки с подачей раствора в соответствии с изобретением 5200 м/мин.

Таким образом, увеличение скорости резки 100%
Способ воздушно-водяной плазменной резки может быть использован для резки листового металла тех же толщин, что и способ воздушно-водяной плазменной резки по ОСТ 5.9526-87, табл. 41, т.е. толщин 5-30 мм.

Эффективность использования изобретения определяется увеличением скорости резки в 1,3-2 раза.

Использование: при плазменной резке металлов. Сущность изобретения: разрезаемый металл нагревают электрической дугой, стабилизированной потоком плазмообразующего газа, например воздуха, проходящим через сопло плазмотрона, одновременно подают водо-воздушную смесь в пограничный слой струи, истекающей из сопла. Подачу воды осуществляют в дисперсном виде посредством двухфазной газоводяной струи, причем в воде растворяют соединения легкоионизируемые химические элементы. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ, при котором разрезаемый металл нагревают электрической дугой, стабилизированной потоком плазмообразующего газа, а в пограничный слой плазменной струи подают водовоздушную смесь, отличающийся тем, что перед подачей водовоздушной смеси в пограничный слой струи в воде растворяют легкоионизируемые химические элементы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующего газа используют воздух.