Якісне плазмове різання
Сучасне плазмове різання не перестає дивувати якістю. Адже її результат - товстостінні металеві плити з блискучою, наче відполірованою поверхнею різу (Рис.1 ). Важко навіть уявити, що це зроблено за допомогою газу, розпеченого до плазми. Як це виходить? За відповіддю ми попрямували до Німеччини, де над процесом плазмового різання працюють з 1959 р. Спеціаліст компанії Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH пан Торстен Юніор (Torsten Junior) та власник компанії IHT Automation GmbH & Co. KG пан Курт Нахбаргауер (Kurt Nachbargauer) люб'язно погодилися розкрити секрети вузькоструминної плазми.
Мал. 1. Різання вуглецевої нелегованої сталі,
товщиною 120 мм, установкою плазмового різання FineFocus 1600
з регулятором висоти M 4000 PCS.
Плазма як четвертий стан речовини людям відома досить давно. Електрична дуга – це окремий випадок плазми. Ще 1802 р. український професор В.В. Петров відкрив електричну дугу та описав її у своїй книзі. Пізніше у другій половині ХІХ ст. англійський вчений сер Вільям Крукс досліджував електричну провідність у газах при зниженому тиску. У процесі цих досліджень було виявлено стан газу, коли він перетворювався на електропровідний. У 1879 р. У. Крукс назвав це плазмою. Через три роки український вчений М.М. Бенардос застосував вільну електричну дугу для зварювання. З цього часу вона стала широко використовуватися зварювальниками. Зварювання як новий технологічний процес почало завойовувати світ. У 1922 р. німецькими та шведськими партнерами на чолі з Оскаром Келбергом під Берліном було закладено завод з виробництва генераторів, що повністю підходять для зварювання електродами ЕСАБ. Компанія Kjellberg і зараз працює вобласті зварювання та різання металів і носить ім'я цього видатного промисловця та винахідника.
У середині 1950-х років. німецькі, радянські та американські вчені для збільшення питомої потужності дуги стали пропускати її через отвір. Однак це експериментальне різання не набула поширення через дуже швидке зношування сопла, за рахунок його розплавлення шунтуючої дугою. З цього моменту було започатковано роботу над створенням досконалого плазматрона для різання. Так і в компанії Kjellberg з 1959 р. спільно з Дрезденським інститутом Manfred von Ardenne розпочалася активна робота над створенням першого промислового зразка для плазмового різання. У 1962 р. було створено та запатентовано перший промисловий зразок плазмового різака. З цього моменту плазма вийшла з лабораторії та почала служити людству.
Сучасні рішення, звичайно ж, беруть початок із тих часів, але керуються зовсім на іншому рівні. Процесу запалення дуги передує безліч попередніх етапів; зовсім по-іншому розрахована аеродинаміка пальника; є додаткові потоки, що стискають дугу. Складний процес є управління газами. Така технологія дозволяє створити та стабілізувати плазму температурою до 60 тис.° С (наприклад, температура плавлення вольфраму 3422° С). Розрізаючи матеріал такими температурами, метал просто випаровується, без утворення грата та окалини. При цьому сопла та електроди, які формують плазму, працюють дуже довго.
Сучасна плазма – дуже високотехнологічний комплекс. Це можна побачити, розглядаючи один із етапів комплексного управління плазмою. Наприклад, узгодженість роботи плазми та переміщення пальника. Якщо таке узгодження буде порушено, якість різання знизиться, і електродів стійкість значнозменшиться.
Так, наприклад, на початку різання дуги потрібно чітко витримати необхідний алгоритм роботи, дистанцію. Підпал дуги потрібно зробити на правильній відстані (Мал. 2 ). Ця відстань розраховується та перевіряється експериментально. Потім йде етап пропалювання металу. У цей момент вже стабілізовану дугу можна витягнути так, щоб пальник пішов від бризок розплавленого металу, що видувається плазматроном. На великих товщинах на початку процесу поки що немає наскрізного пропалювання, метал видмухується назад у бік пальника. Занадто інтенсивна дія бризок значно зменшує ресурс встановлюваних на пальник видаткових елементів. Тому збільшення дистанції до пальника з невеликим з'їздом убік сприятливо позначається на стійкості знімних елементів пальника. Після пропалювання металу необхідна стабілізація процесу різання, а після стабілізації – вихід за задану відстань до аркуша. Подібне переміщення дозволить продовжити термін служби витратних матеріалів пальника на момент підпалу плазми та пропалення листа.
Мал. 2. Алгоритм керування висотою під час пропалювання металу та вихід на режим різання
Від правильної дистанції залежить і якість різання. Це наочно показує схема (Мал. 3 ), на якій видно, що плазма не по всій довжині однакова і має різні зони. Вузькоструминна плазма додатково обтискається захисним газом. Таке обтискання дозволяє сконцентрувати введення тепла та збільшити температуру плазми до 60 тис.° С. Закони аеродинаміки не дозволяють обтиснуту дугу, що рухається в чохлі захисного газу, відразу використовувати для різання. Для стабілізації дуги потрібен час. Внаслідок цього є зона стабілізації плазми після обтиснення. Коли дуга стабілізувалася, плазмовий потік високою мірою ламінарний. Саме цією зоною і потрібноробити різання. Коли пальник знаходиться на правильній відстані і в канал різання входить стабілізована плазма, ми маємо найбільш якісне та продуктивне різання. Ніщо не може існувати вічно. Чохол захисного газу під впливом нерухомого повітря з часом порушується і виникає турбулентність. Якщо пальник розташовується надто високо, то нижче за стовпом плазми дія захисного газового чохла слабшає. Тому занадто велика висота пальника над металом, що розрізається, призводить до зниження якості. У зв'язку з цим дуже важливою є правильна висота різання, що дає можливість отримати найвищу якість.
Мал. 3. Основні зони вузькоструминної плазми.
Залишається питання: «Як виставити необхідну висоту різання, якщо прокат має неплощинність?» Багато фахівців вважають, що правильна висота різання гарантується правильною установкою напруги плазми. Це було б так за можливості заміряти напругу прямо з плазмового стовпа. Однак температура плазми велика, і нам доводиться вимірювати напругу в електричному ланцюзі. Напруга на дузі, згідно із законом OMA, U=IR. А в електричному ланцюзі у нас сума опорів: R плазми + R інше. Тому наша формула виглядає як U=I (R плазми + R решта). При цьому решта - це, наприклад, опір контакту листа, що опір, опір поверхні (іржавий або очищений лист), опір столу для різання, віддаленість різака від заземлювального кабелю і багато іншого. В результаті можна отримати ситуацію, коли, маючи правильну напругу в ланцюзі, отримуємо некоректну напругу плазми. Різання виконується на іншій висоті, і не досягається максимальної якості.
Для високоякісного плазмового різання рекомендується проводити монтаж регулятора висотипальника, який точно встановить задану висоту різака в момент, коли процес різання стабілізувався (точна висота = правильна напруга плазми з корекцією падінь напруги електричного ланцюга), виміряє сумарну напругу і підтримуватиме його в процесі вирізки заготовки. Така система може трохи нівелювати неточність установки швидкості різання, брудну поверхню листа, а також багато іншого.
Сучасна установка плазмового різання, правильно налаштована, може докорінно змінити технологію всього виробництва. Йдуть у минуле припуски, економиться метал, значно зменшується частка зачистки, механічна обробка листів часто взагалі не потрібна. Трудомісткість процесу може зменшитися до 30%.
Нові технології плазмового різання, з якими ми познайомилися в Німеччині, дозволяють отримати якісний різ поверхні. Завдяки цьому зменшуються роботи з механічної обробки деталей, що зрештою знижує загальну собівартість.
Жданов Віталій
ТОВ «НТСварка», СанктПетербург, Україна
Тел./факс +7(812) 67 67 072
http://ntwelding.ru
Курт Нахбаргауер
IHT Automation GmbH & Co. KG, БаденБаден, Німеччина
http://www.ihtautomation.com
Торстен Юніор
Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH, Німеччина