Способ плазменно-дуговой поверх-ностной резки

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Сфвз Советских Социалистических Республик(51)М, Кд,3 В 23 К 31/10 с присоединением заявки йо Государственный комитет СССР но дедам изобретений и открытий(53) УДК 621791. . 947.55 (088. 8) Дата опубликования описания 300381.С.Шапиро,З.М кан и А.П.Корол 1) Заявите 4) СПОСОБ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ПОВЕРХНОСТНОРЕЗКИ Изобретение относится к способам плазменно-дуговой поверхности резки, предназначенным для целей разделки поверхностных дефектов в металле, и может быть использовано в.различных отраслях народного хозяйства.Известен способ поверхностной плазменно-дуговой резки, выполняемый на неизменном по величине значении " рабочего тока, при котором, с целью обеспечения повышения производительности обработки, обеспечивают принудительное перемещение анодного пятна по лобовой Кромке реза за счет сообщения дуговому плазмотрону меха-. нических перемещений вдоль лобовой кромки реза 111Недостатком известного способа является то, что его использование связано с необходимостью существенного усложнения исполнительного орГана процесса-плаэмотрона,вследствие необходимости его оснащения специ- альной колебательной системой, что в свою очередь обуславливает увеличение веса резательной аппаратуры. Все это ограничивает в ряде случаев технологические возможности процесса.Известен способ плазменно-дуговой поверхностной резки импульсным токомт при котором анодное пятно дуги перемещают по лобовой кромке 2. Недостатком известного способа явля-ется то, что он не обеспечивает наиболее эффективного ввода тепла,выделяемого плазменной дугой в полости реза, что в свою очередь ограничивает тех нологические возможности способа,так как при этом при данных амплитудных значениях тока не могут быть реализованы режимы, обеспечивающие максимальную глубину выплавляемой канавки. Данное:обстоятельство свя эано с тем что при этом отсутствуетсоответствующий закон изменения ра,бочего тока, обеспечивающий достнжение при резке оптимальных техникоэкономических показателей процесса 20 обработки металла. Так,например,если значения тока в импульсе завышено сверх определенного значения по сравнению с током паузы, то при существенном снижении скорости пере" мещения плазменной дуги, которое обусловлено необходимостью увеличения глубины выплавляемой канавки, может иметь место также образование козырька вследствие слабого прогрева верхней 30 части полости реза.35 8 4010 1145 12 5013 55 14 15 е 0 16 Аналогичное влияние на качество кромок реза оказывает увеличение времени горения дуги на токеимпульса сверх оптимального значения.Чрезмерное увеличение тока паузы также не гарантирует устранения образования козырька на лобовой кромке реза.При малом значении времени горения дуги на,токе паузы либо при недостаточном значении соответствующего тока, не обеспечивается достаточно эффективный прогрев верхней части, лобовой кромки, что, в свою очередь, обуславливает появление козырька на лобовой кромке при снижении скорости перемещения плазмотрона.Весьма существенной задачей при выполнении процесса поверхностной плазменно-дуговой резки является достижение при однопроходной резке максимальной производительности обработки металла, характеризуемой глубиной выплавляемой канавки, так как в случае недостижения глубиной получаемой канавки заданного значения возникает необходимость осуществления резки в несколько проходов,что существенно снижает общую производительность обработки металла, а также расход электроэнергии.Цель изобретения - повышение производительности путем обеспечения максимальной глубины выплавляемой канавки при однопроходной резке.Поставленная цель достигается тем, что в способе плазменно-дуговой поверхностной резки для периодического перемещения дуги по лобовой кромке в каждом импульсе тока производят каскадное увеличение его значений, по крайней мере в три скачка, причем момент изменения тока определяют по достижению напряжением постоянной величины для данного значения тока при данной скорости перемещения дуги.На фиг. 1 изображено продольное сечение выплавляемой канавки при выполнении резки на минимальном (неизменном по величине) значении тока и схема горения дуги. На фиг, 2 - продольное сечение выплавляемой канавки на промежуточном значении тока и схема горения дуги при выполнении процесса резки на промежуточном, неизменном по величине значении тока;На фиг. 3 - продольное сечение выплавляемой канавки и схема горе" ния дуги при выполнении процесса резки на максимальном, неизменном по величине значении тока;На фиг. 4 - продольное сечение выплавляемой канавки и схема горения дуги при выполнении процесса резки с изменением тока от минимального до максимального значения; На фиг. 5 - влияние рабочего токана изменение напряжения на дугепри выполнении процесса резки напостоянном токе;На фиг. б - диаграммы, характеризующие определение напряженияна дуге при выборке канавок различной глубины,"На фиг. 7 - диаграммы, характеризующие изменение по величине напряжения во времени в течение одного 0 цикла. Обозначения на фигурах:- наружное (электрически нейтральное) сопло плаэмотрона 1- электрод;внутреннее (токоведущее) сопло плаэмотрона;- плазменная дуга;положение плазменной дуги приее горении в полости реза сизменением величины тока приего минимальном значении;- положение плазменной дуги приее горении в полости реза сизменением величины тока приего максимальном значении;- лобовая кромка реза при выполнении процесса резки на минимальном токе;- обрабатываемое иэделие;- полость реза (канавка), полученная при выполнении процесса резки на минимальномтоке;- лобовая кромка реза при выполнении процесса резки на промежуточном значении тока;- полость реза (канавка), полученная при выполнении процесса резки на промежуточномзначении тока 1- лобовая кромка реза при выполнении процесса резки на максимальном токе;- полость реза (канавка), полученная при выполнении процесса резки на максимальномзначении тока;- лобовая кромка реза при выполнении процесса резки с изменением величины тока 1- полость реза (канавка), полученная при выполнении процес"са резки с изменением величины тока 1- влияние глубины выборки наизменение напряжения на дугедля промежуточного значениятока;- влияние глубины выборки наизменение напряжения на дугедля промежуточного значениятока 1- влияние глубины выборки на изменение напряжения на дугедля максимального значениятока;- угол наклона оси .плазмотронак поверхности обрабатываемогоизделия;- глубина канавки, получаемойпри выполнении процесса резкина минимальном токеу 5 - глубина канавки, получаемойпри выполнении процесса резкина промежуточном значениитока;- глубина канавки, получаемойпри выполнении процесса резкина максимальном токе;глубина канавки, получаемойпрн выполнении процесса резкис изменением величины тока в .процессе резки;напряжение на дуге;- ток;- минимальное значение тока; - промежуточное значение тока; - максимальное значение тока; 20напряжение на дуге, соответствующее ее горению на токе3 при выплавке канавки глубинойнапряженйе на дуге, соответствующее ее горению на токеЭ прн выплавке канавки глубиной Ь,- напряженке на дуге, соответствующее ее горению на токе З 0Э при выплавке канавкиглубиной Ьу- напряжение на дуге, соответствующее ее горению на токе Э 1при Условии Обеспечения приэтом минимальной глубины выборки;напряжение на дуге, соответ- .ствующее ее горению натоке при условииобеспечения минимальной 40глубины выборки;напряжение на дуге, соответствующее ее горению натоке ".1 з при условииобеспечения минимальной 45глубины выборки;- КОНЕЧНОЕ НаПрЯжЕИИЕ На дугепри ее горении на токе 31 привыполнении резки с изменениемтока; 50 - конечное напряжение на дугепри ее горении на токе 3 привыполнении резки с изменением тока;конечное напряжение на ругепри ее горении на токе Э 3 привыполнении резки с изменением тока;- часть глубины полости реза,получаемая при выполненивпроцесса резки при горении 60дуги на токе 31часть глубины йолости реза,получаемая при выполнениипроцесса резки, при горениидуги на токе Э, 65. - часть глубины полости реза,получаемая при выполнениипроцесса резки, при горениидуги на токе Э 3,АВС - точки на графических зависимостях 14,15,16, характеризуемые напряжениями Оа Юаи УСЗ соответственно,.А,ВС - точки .на графических эависимостях 14,15,16, характе.риэуемые напряжениями1 1ПОПа 1 и Уо соответственно;- время;- время горения дуги на токе=) при выполнении процессарезки с изменением тока;- время горения дуги на токеЭ при выполнении процессарезки с изменением тока;- время горениядуги на токе)3 при выполнении процессарезки с изменением тока;Т - длительность следования цикла изменения тока,Способ Осуществляется следующимобразом.Зная диапазон изменения рабочеготока, определяемый параметрами источника питания, устанавливают максимальное значение тока 33, при этомплазмотрон устанавливают под углом9 по отношению к наружной поверхности обрабатываемого иэделия 6 иподают в токоведущее сопло 3 плазмообразующий гаэ, в качестве которого используют технический азот,а в пространство (полость) междусоплом 3 и наружным соплом 1 -фоксирующий газ, в качестве которого используют сжатый воздух. Приэтом плазмотрон перемещают угломвперед в направлении, показанномстрелкой,В процессе перемещения плазмотрона возбуждают плазменную дугу 4 между электродом 2 и обрабатываемымиэделием 6 и подбирают соответствующее значение скорости перемещенияплазмотрона.Скорость перемещения плаэмотронаустанавливают минимально возможной дляданного тока и угла наклона плаэмотрона. Данное значение скорости определяют по форме лобовой кромки реза10.Данной скорости соответствуетпрактически вертикальное направлениелобовой кромки по отношению к наружной поверхности обрабатываемофбизделия.Дальнейшее уменьшение скоростирезки приводит к появлению козырька на лобовой кромке, что делает невозможным устойчивое протеканиепроцесса. Образование козырька на лобовой кромке связано с тем,что.диаметр активного пятна на металле будет меньшр глубины вйплавляемой канавки.Таким образом, минимально возможной скорости отвечает равенство диаметра, занимаемого активным пятном,глубине выбираемой канавки 11.В процессе выполнения резки фик- .сируют напряжение на дуге, соответствующее данной скорости 11 а, а пос-ле выполнения процесса резки замеряют глубину выплавляемой канавки ЬЗатем устанавливают минимальноезначение тока Э 1 и на вышеуказаннойскорости производят выборку канавки7, которой .соответствуют глубинаканавки Ь и напряжение на дуге Па.Промежуточное значение тока 3выбирают как среднее между токами3 и З.При выполнении резки на этом токеполучают канавку 9 глубиной Ь,выборкекоторой соответствует напряжениена дуге Пц, При этом .чем меньшевеличина тока, тем белее пологуюформу имеет лобовая кромка реза.При токе лобоваг кромка реза образует меньший угол с наружной поверхностью обрабатываемого изделия. Соответственно при резке на токелюбая кромка реза 8 образует большийугол снаружной поверхностью иэделия и этот угол возрастает еще больше при резке на токе, при которомон практически близок к 90оИзменение в процессе резки попериоднческому закону величины рабочего тока от 3 до 33 обеспечиваетвозможность .увеличения, глубины выплавляемой канавки за счет уменьшенияскорости резки. При этом обеспечивают глубину выборки большуючем Ь 5.Однако отсутствует соответствующийзакон изменения тока в процессерезки, что не позволяет соответствующим образом управлять изменениемтока.Определение напряжения на дугеиз известного уравненияОа =О+ Ь 1 а,где С( - сумма катодного и анодногопадения напряжения;Ь - напряженность столба дуги,3 д- длина дуги,не может быть сделано, несмотря наизвестность глубины выборки, котораяможет бытьизвестна. Это связано стем, что при выполнении процессарезки изменение величины тока изме- .няет угол входа дуги в обрабатываемое, изделие в различных точкахперемещения анодного пятна по лобовойкромке реза. Вместе с тем изменениеглубины выборки Д,обуславливает пропорциональное изменение длины столба, дуги. Поэтому в предлагаемом способе1напряжение на дуге определяют какфункцию изменения глубины выборки.Поэтому в координатах Ца-Ьоткладывают соответствующие значе"ния. Ь,Ь,113 и напряжения, которыепри этом имеют место и получают точки А, В и С. Затем устанавливаютмаксимально возможную скорость пере Хотя при предлагаемом способеэффективную глубину выплавляемой 45 канавки определяют значение токаЭ, соответствующие стадии процесса, обусловленные горением плазменной дуги на токах Э 1 и 3 обеспечивают получение лобовой кромки реза 5 О такой формы, которая наиболее ра"циональна для выборки глубоких канавок. При этом также вследствие того,что при каждом значении тока обеспечивают меньший эффективный объемметалла, выплавляемого из полостиреза, так как часть ее уже сформирована предыдущим (меньшим) значениемтока, то вследствие этого обеспечивают более интенсивный перегреврасплавленного металла, что в свою 60 очередь способствует повышению жидкотекучести расплава и лучшему егоудалению из полости реза.Использование предлагаемого способа обеспечивает при однопроходной 65 резке получение канавок глубиной до 5 О 15 20 25 ЗО 35 40 мещения плазмотрона, обеспечивающую минимальное пропларление обрабатываемого металла и для токов Э 1,1 3 и Э определяют напряжения ЦО Я ,Уо соответственно. При этом для тока 11 зависимость Оа- Х(И) получают в виде прямой линии 14, для тока Э в виде линии 15, а для тока Э - 16.В случае, если значения скоростей перемещения плазмотрона не позволяет получить канавки с минимальной глубиной (Ь=О), то соответствующиея значения, характеризующие 1)о ,МоИ 1и Ца определяют при горении дуги на неплавящемся водоохлаждаемом аноде.Соответствующие значения глубин выборок, получаемых при выполнении процесса резки с изменением величины рабочего тока, при установленной скорости резки могут быть определены из уравнения.И к- )где Ь - глубина канавки,Э - ток режущей дуги;Чр - скорость резки;к - коэффициент пропорциональности.Численное значение этого коэффициента определяют из вышеуказанного уравнения подставляя в него ранее экспериментально найденные значения Ь,6 и Ь.Форма лобовой кромки реза 12 имеет различную крутизну по глубине выплавляемой канавки. В верхней своей части она имеет меньшую крутизну, а в нижней части - большую. Данное обстоятельство способствует лучшему удалению металла, расплавленного дугой в полости реза на наружную поверхность обрабатываемого изделия.25-27 мм, в то время как известныйспособ обеспечивает выборку канавокглубиной не более 20 ю. При этомотношение глубины выборки к ее ширине достигает значения 1,3"1,5, вто время как в известном способе онимеет меньшую величину.Примером выполнения предлагаемогосйособа является плаэменно-дуговаявыплавка канавок из стали марки10 ХСНД толщиной 40 мм. Резка выпол- Оняется двухпоточным плаэмотроном,установленным под углом 30 к поверхности обрабатываемого металла. Вкачестве плазмообразующего газаиспользуют технический азот, а в качестве фокусирующего газа - сжатый воздух.Используемый источник питанияобеспечивает регулирование тока от150 до 400 А, в качестве рабочегодиапазона регулирования тока былвыбран диапазон тока от 150 до 300 А. ЩПодставляя в вышеприведенноеуравнение соответствующие токи дляустановленной скорости, получим значения глубин выплавляемых канавокЬ., для тока З,Ь 1 для тока Э и3 для тока Зз .Откладывая соответствующие значения глубин выборки на. графики, характеризующие связь УО с глубинойвыплавляемых канавок, на графиках 14,15,16 получают точки А",В и С. Таким образом, установленной скоростиперемещения плазмотрона при токе 3,соответствует ,напряжение на дугеЦс, току,31- Чс и току 33 - напряжение Уа . Зная данные напряжения,обеспечивают соответствующее изменение величины рабочего тока Э вовремя С. При этом возбуждают дугУна токе э., на котором ее горениеподдерживают в течение времени , 40т,е. в течение того времени, поканапряжение надуге не достигнетзначения Ца , при этом плазменнаядуга занимает положение 4 . При,достижении напряжения на дуге Оа, 4дискретно или плавно повышает величину тока до значения 3 и поддер-.живают горение на данном токе в течение времени 1 т.е. времени, необходимого для повышения напряжения надуге до значения Оо , после чеговновь повышают значение тока до ве. личины Эз и поддерживают в данном .токе в течение времени 1. При этомплазменная дуга занимает положенйе4 . Соответственно току 31 отве- ЗЗчает положение дуги промежуточноемежду 4 и 4 ЯТаким образом, эа счет соответствующего изменения тока обеспечивают принудительное перемещение . Оактивного пятна по лобовой кромкереза. При,достижении на токе Эз напряжения Ца 3, дискретно, уменьшаютзначение тока до 3 и вновь повторяют укаэанные операции изменения Ятока в данной последовательности. При предлагаемом способе обеспечивают принудительное перемещение анодного пятна по лобовой кромке реза с определенной скоростью, опре. деляемой законом изменения напряжения на дуге, после чего дискретно вновь перемещают анодное пятно в верхнюю часть полости реза и обеспечивают снова его принудительное перемещение сверху-вниз,Таким образом, длительность одного цикла изменения токац= Й. + 1+ 1 3..При этом получают канавку 13, которая имеет глубину Н существенно большую,4,чем максимально достижимая глубина выборки Ь.При токе 300 А обеспечивается предельная глубина выборки, равная 17 мм, соответственно скорость перемещения при этом составляет 680 мм/мин. Дальнейшее уменьшение скорости с целью обеспечения увеличения,глубины выплавляемой канавки являлось невозможным вследствие образования козырька на ,лобовой кромке реза. Соответственно при данной. скооости глубины выборок при токе 150 и 250 составили 4 и 14 мм соответственно. Напряжения на дуге составили для тока 150, 250 и 300 А - 125, 140 и 150 В соответственно.Затем при данном угле наклона плаэмотрона к поверхности обрабатываемого иэделия.и принятой геометрии разрядного промежутка дуга возбуждается на неплавящемся водоохладительном аноде. При этом фиксируют направления на дуге.Данные, характеризующие напряжения,представлены в табл. 1Таблица 1 Ток, А Напряжение дуги, В122 150128 250131300После получения соответствующих данных, характеризующих напряжения на дуге для скорости 680 мм/мин и для условий горения ее на ненлавящем ся аноде (Ь = 0) в координатах Ца= Г(Й) для,каждого тока строили соответствующие функциональные зависнмости, При этом данные зависимости строили в виде прямых линий, которые приводили через две точки, одна иэ которым отвечает условию го" рения дуги на неплавящемся аноде, а,Таблица 215 0 5 9,5 3,2 Хотя графики, характеризующие связь глубины выплавляемых канавок, могут быть построены по различныМ значениям Ь,выбор при этом скорости резки, при которой при максимальном значении тока обеспечивают предельную глубинУ канавки, преследует две цели:1. Повышается точность опред ния соответствующих значений на жения на дуге, соответствующих цессу резки с изменением рабочтока ( Ос, Оо , Юо ), так как при данной скорости обеспечивают максимально возможное значение АЬ, характеризуемое предельно возможной глубиной выплавляемой канавки при однопроходной резке (Ь 3-0 = п 3)2, Устанавливается то значение скорости резки, соответствующее данным режимным параметрам, начиная с которого рационально. выполнение уменьшения скорости резки. При больших скоростях отсутствует необходимость реализации предлагаемого способа, так как данные глубины выборок могут быть получены известным сцособом.Используя соответствующие значения Ь в качестве аргумента, опреде" ляли по графическим зависимостям Оа=й(Ь) соответствующие значения напряжения для каждой из указанных елепря про- его 40 другая - условию выполнения резки ,при скорости 620 ьи/мин.Затем, пользуясь соотношением ,Ь = К ф- определяли значения глубинФвыборок, соответствующие данным токам при заведомо меньшей скорости перемещения плазмотрона, которая была выбрана равной 400 мм/мин.Численное значение коэффициента К было принято равным 0,125 р,Данные, характеризующие зйачения глубин выплавляемых канавок при выбранной скорости перемещения плазмотрона привержены в табл. 2Формула иэобретени Способ плазменно-дуговой поверхностной резки импульсным током, при котором анодное пятно дуги перемещают по лобовой кромке, о т л и ч а ю щ и й с я тем; что, с целью повышения производительности путем обеспечения максимальной глубины выплавляемой канавки при однопроходной резке, для периодического перемещения дуги по лобовой кромке в каждом импульсе тока производят каскадное увеличение его значений по крайней мере в три скачка. причем момент изменения тока определяют по достижению напряжением постоянной величины для данного значения тока при данной скорости перемещения дуги. сточиики ин во внимание мацки,и экспертизе риняты 1. А 48385 2 Ы поверхн роизводторское свид кл, В 23 пиро И.С. Ел стная резка ство , ф 2 фглубин выборов ( 7,0; 19,5;28,2 мм), пользуясь ранее построенными графическими зависимостями для каждого тока.После этого производили выплавку канавки на скорости 400 мм/мин, последовательно увеличивая значения тока со 150 до 250 и с 250 до 300Это изменение тока производили при достижении напряжения на дуге заданного значения, т.е. ток со 150 до 250 А повышали при напряжении на дуге 125 В, а с 250 до 300 В при напряжении на дуге 145 В. При достижении на дуге напряжения 164 В вновь дискретно уменьшали величину рабочего тока до 150 А и данные опе-, рации повторяли вновь.В результате выполнения предлагаемого способа достигнута при однопроходной резке глубина канавки, равная 27 мм.При известном способе такая глубина канавки обеспечивается только за 3 прохода. Сопоставление по производительности предлагаемого способа и известного показало, что предлагаемый способ обеспечивает повышение производительности в 2 раза по сравнению с известным.Эака ППППатент,г.Ужгород, ул.Проектная,л аа ю 115/16 ВНИИПИ Госуд по делам 113035 уМосква