СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ Российский патент 2004 года по МПК B23K10/00 

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

Известен способ плазменной резки листового металла электрической дугой, стабилизированной потоком воздуха, проходящим через сопло [1]. Данный способ резки широко применяется в промышленности, однако этот способ имеет недостаточно высокую скорость резки и низкое качество поверхности реза.

Известен также способ плазменной резки листового металла [2]. Данный способ плазменной резки состоит в том, что при образовании реза в процессе резки заготовок используют горелку с подачей газа в зону резки. Перед началом резки формируют газовый поток, состоящий из газа-восстановителя, и регулируют расход этого газа по отношению к расходу газа плазмотрона, создавая восстановительную атмосферу в области реза и окислительную атмосферу у нижней поверхности разрезаемой заготовки, причем горелка находится со стороны верхней поверхности заготовки. Регулирование расходов газов предусматривает увеличение содержания газа-восстановителя пропорционально толщине разрезаемой заготовки.

Однако этот способ имеет недостаточно высокую скорость резки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ плазменной резки листового проката, при котором разрезаемый металл нагревают электрической дугой, стабилизированной потоком плазмообразующего газа, проходящим через сопло плазмотрона круглого сечения, которое перемещают в направлении резания [3] - прототип.

Недостатком прототипа является низкое качество реза и высокий расход металла.

Технической задачей изобретения является повышение качества реза и снижения расхода металла.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе плазменное резки, при котором разрезаемый металл нагревают электрической дугой, стабилизированной потоком плазмообразующего газа, проходящим через сопло плазмотрона, согласно изобретению нагрев ведут при силе тока дуги 300-500 А, расходе плазмообразующего газа (1,8-2,2)·10^-3 м³/c и отношении диаметра канала сопла к его длине, равном 0,42-0,93.

Возможен также вариант выполнения способа, по которому скорость перемещения сопла устанавливают в зависимости от толщины листового проката по следующему соотношению: V=A·H²+B·H+C,

где V - скорость перемещения сопла, см/с;

H - толщина разрезаемого листа, мм,

А, В и С - постоянные коэффициенты, равные:

A=0,0337; B=-1,3478; С=18,59 для H≤20 мм, и

А=0,0058; В=-0,5922; С=15,98 для H>20 мм.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Плазменная обработка сжатой дугой прямого действия на постоянном токе обратной полярности (в качестве анода используется обрабатываемый материал) получила наибольшее распространение в промышленности благодаря присущим ей свойствам, позволяющим в широких пределах регулировать энергетические, электрические и технологические характеристики дуги. Сжатая дуга характеризуется развитым столбом разряда и происходящим в нем интенсифицированным плазмообразованием.

Это достигается продуванием газа сквозь столб дуги, где дуга нагревает газ и ионизирует его нейтральные частицы, используя энергию внешнего источника тока, и превращает их в поток плазмы. Сжатая дуга является результатом взаимодействия электрической дуги и струи сжатого воздуха, что усиливает ее воздействие на обрабатываемый материал.

Сжатая дуга формируется в специальном устройстве - в сопле плазмотрона. При всем разнообразии конструкций, все плазмотроны имеют три основных элемента: электрод (при прямой полярности катод), сопло с каналом и изолятор. Он разделяет электрод и сопло, находящиеся под разными электрическими потенциалами.

Через канал сопла пропускается столб электрической дуги вместе с плазмообразующим газом, подаваемым под рабочим давлением.

Экспериментальные исследования показали, что при уменьшении отношения диаметра канала сопла к его длине менее 0,42, режим резания становится нестабильным, резко снижается устойчивость работы плазмотрона и ухудшается качество реза.

Если отношение диаметра сопла к его длине более 0,93, то это приводит к увеличению ширины реза, появлению так называемых “двойных дуг”, разрушению сопла плазмотрона.

При уменьшении силы тока менее 300 А появляется дефект - непрорез металла, а увеличение силы тока более 500 А приводит к увеличению затрат электроэнергии и повышенному расходу металла.

Экспериментально установлено, что средняя по толщине металла скорость течения расплава зависит от расхода стабилизирующего дугу потока газа. Процесс плазменной резки при расходе плазмообразующего газа мене 0,0018 м³/с приводит к образованию грата, ухудшающего качество реза. При увеличении расхода газа более 0,0022 м³/с не исключено появление “двойных дуг”, увеличение ширины реза и расхода металла.

Указанные режимы плазменной резки позволяют разрезать металл толщиной до 50 мм. При настройке скорости перемещения сопла плазмотрона в начальный момент скорость устанавливают минимальную и постепенно увеличивают до оптимальной скорости, при которой достигается высокое качество реза и минимальный расход металла. Предложенное соотношение для расчета скорости резки позволяет исключить этап настройки.

В процессе экспериментов были определены оптимальные скорости реза листов различных толщин:

Математическая обработка результатов экспериментов позволила получить следующую зависимость:

V=A·H²+B·H+C,

где V - скорость перемещения сопла, см/с;

H - толщина разрезаемого листа, мм;

А, В и С - постоянные коэффициенты, равные:

A=0,0337; В=-1,3478; С=18,59 для H≤20 мм, и

A=0,0058; В=-0,5922; С=15,98 для H>20 мм

Если значение скорости перемещения сопла меньше рассчитанного по предложенной зависимости, то на поверхности реза появляется грат. Если значение скорости перемещения сопла больше рассчитанного, то не исключен непрорез.

Пример реализации способа.

Из раската толщиной 20 мм (сталь марки 09Г2С) необходимо вырезать плазмотроном ПВР - 402 М штрипс прямоугольной формы для сварки трубы. Разрезаемый металл нагревают электрической дугой, стабилизированной потоком плазмообразующего газа. Для плазменной резки металла применяют следующие технологические режимы резания: сила тока I=400 А, расход воздуха Q=0,0020 м³/с. Плазмотрон имеет сопло с диаметром канала D=3,7 мм при длине L=5,4 мм. Отношение диаметра к длине канала D/L=0,68. Скорость резки определяют экспериментально, затрачивая машинное время. Она составляет 5,1 см/с.

Кроме того, скорость резки может быть рассчитана по предложенной формуле без потери машинного времени на настройку плазмотрона:

V=0,0337·H²-1,3478·Н+18,59,

где V - скорость перемещения сопла, см/с;

H - толщина разрезаемого листа, мм.

Для толщины 20 мм рассчитанная скорость резки также составила

V=0,0337·20²-1,3478·20+18,59=5,1 см/с

Резку ведут при перемещении сопла по периметру штрипса. Указанные технологические режимы обеспечивают получение высокого качества реза при минимальном расходном коэффициенте.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в таблице.

Как следует из данных, приведенных в таблице, при реализации предложенного способа (варианты 2-4) достигается повышение качества реза и снижение расхода металла. В случае запредельных значений заявленных параметров (варианты 1 и 5) и реализации способа-прототипа (вариант 6) качество реза снижается и увеличивается расход металла.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что регламентированные параметры плазменной резки обеспечивают получение высокого качества резания при одновременном снижении расходного коэффициента металла. Кроме того, определение скорости резания по предложенной зависимости сокращает время на настойку плазмотрона.

Источники информации

1. Авт. свид. СССР №287214, МПК В 23 К 10/00, 1970 г.

2. Патент US 5558786A, МПК В 23 К 10/00, 1996 г.

3. Д.Г. Быховский. Плазменная резка. - Л.: Машиностороение,1972, с.142 - прототип.

Изобретение может быть использовано для плазменной резке листового проката в различных областях. Разрезаемый металл нагревают электрической дугой, стабилизированной потоком плазмообразующего газа, проходящим через сопло плазмотрона круглого сечения. Сопло перемещают в направлении резания. Нагрев ведут при силе тока дуги 300-500 А, расходе плазмообразующего газа (1,8-2,2)·10^-3 м³/с и отношении диаметра канала сопла к его длине, равном 0,42-0,93. Скорость перемещения сопла устанавливают в зависимости от толщины листового проката по следующей зависимости: V=А·Н²+В·Н+С, где V - скорость перемещения сопла, см/с; Н - толщина разрезаемого листа, мм; А, В и С - постоянные коэффициенты, равные А=0,0337; В=-1,3478; С=18,59 для Н≤20 мм, и А=0,0058; В=-0,5922; С=15,98 для Н>20 мм. Данная технология резки позволяет повысить качество реза и снизить расход металла. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ плазменной резки листового проката, при котором разрезаемый металл нагревают электрической дугой, стабилизированной потоком плазмообразующего газа, проходящим через сопло плазмотрона круглого сечения, которое перемещают в направлении резания, отличающийся тем, что нагрев ведут при силе тока дуги 300-500 А, расходе плазмообразующего газа (1,8-2,2)·10^-3 м³/с и отношении диаметра канала сопла к его длине, равном 0,42-0,93.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость перемещения сопла устанавливают в зависимости от толщины листового проката по следующей зависимости:

V=А·Н²+В·Н+С,

где V - скорость перемещения сопла, см/с;

Н - толщина разрезаемого листа, мм,

А, В и С - постоянные коэффициенты, равные А=0,0337; В=-1,3478; С=18,59 для Н≤20 мм и А=0,0058; В=-0,5922; С=15,98 для Н>20 мм.