Возможность качественной сварки деталей, полученных после плазменной резки, имеет большее значение по сравнению со скоростью резки. Таким образом, одно из основных преимуществ плазмы — скорость — потеряет всю свою привлекательность, если в результате мы будем иметь проблемную сварку деталей.
В плазменной резке многое зависит от дуги, формирующейся между электродом и разрезаемым металлом. Среди многочисленных факторов, влияющих на характеристики дуги, основными являются газ, превращаемый дугой в струю плазмы, вещество, охлаждающее форсунки, а также сам поток газа или жидкости, превращаемые в плазму.
Высококачественный рез характеризуется небольшим углом скоса кромки, отсутствием шлака, заусенцев, минимальной зоной термического влияния, гладкой поверхностью. На степень гладкости реза влияет стабильность горения плазменной дуги, конструкция факела плазмы, а также точность стола для плазменного раскроя или робота.
В процессе плазменной резки металла важно подобрать оптимальную скорость резания, что минимизирует количество облоя. Если факел плазмы режет слишком быстро, то угол скоса увеличивается, что в конечном счете приводит к образованию «высокоскоростного» шлака на нижней кромке реза. Этот облой впоследствии сложно удалить. Если же горелка движется слишком медленно, образуется пористый и толстый слой «низкоскоростного» облоя, который легче удаляется. Однако при низкой скорости возрастает температура и, соответственно, увеличивается зона термического влияния. Помимо этого возникает закругление верхнего реза.
Любой неаккуратный или загрязненный химически рез — это проблема для сварщика. Для того, чтобы гарантировать целостность шва, сварщику, возможно, придется прибегнуть к таким процедурам, как шлифовка, использование альтернативного сварочного наполнителя, изменение скорости сварки. Обширная шлифовка подготавливает поверхность к процессу сварки плавящимся электродом. Без такой шлифовки режим переноса металла может быть проблематичным: сварочный шов слишком быстро застывает, и на него могут попасть загрязнители, например, азот.
Выбор рабочего газа для плазменной резки
В 70-е годы при плазменной резке плит из углеродистой стали предпочитали использовать не кислород, а водно-азотную смесь из-за ее надежности и широких возможностей. В принципе, таким способом можно было порезать любой металл, и этот метод был лучшим в то время. При этом загрязнение азотом поверхности реза, которое негативно сказывается на последующей сварке, считали всего лишь следствием увеличения скорости резания.
Однако, время, потраченное на тщательную подготовку к процессу сварки, может легко превзойти время, сэкономленное за счет высокой скорости плазменной резки металла. Если в результате нельзя качественно сварить швы, скорость резания не имеет значения. Вместе с тем, к настоящему моменту случились настолько значительные подвижки в использовании кислорода при плазменной сварке, что в настоящее время этот газ является фактически безальтернативным при работе с углеродистой сталью.
Углеродистая сталь: почему кислород лучше
При плазменной резке углеродистой стали азотом, азот абсорбируется на резе металла, при использовании кислорода — абсорбируется кислород. Азот, однако, является химически менее активным, чем кислород. Кислород эффективнее вступает в реакцию с кремнием, алюминием, марганцем, попадая в зону, наполнитель, защитный газ или флюсы. Азот с большей вероятностью остается в зоне сварки, что может привести к образованию островков нитридов в виде кристаллических зерен, из-за чего поверхность впоследствии нужно механически обрабатывать и шлифовать.
Плазменная резка с подачей магистрального воздуха может еще негативнее сказаться на сварочном процессе. Согласно исследованиям, в раскаленной плазменной дуге между молекулами кислорода и азота происходит синергия (взаимное усиление действия). Установлено, что в процессе воздушно-плазменной резки азот активнее поглощается поверхностью реза, что уменьшает содержание железа в стали в зоне термического влияния. Потенциально, это приводит к образованию трещин на резе и хрупкости материала. Деньги, сэкономленные благодаря применению воздушно-плазменной резки, не идут в сравнение с тем дополнительным временем, которое придется потратить на подготовку поверхности реза к сварке. Из-за неоднородной поверхности реза могут измениться механические свойства сварных соединений.
Кислородно-плазменная резка углеродистой стали — это гарантированно высокое качество: выше скорость, меньший скос кромки (прямоугольность срезов), более гладкий рез, меньше облоя, менее обширная зона термического влияния, более приспособленная поверхность для последующей сварки, что минимизирует возможные дефекты.
Вдобавок к значительному сокращению количества нитридов (соединений азота) на поверхности кислород также уменьшает объем шлака, который образуется при резке. В процессе работы с углеродистой сталью кислород вступает в экзотермическую реакцию с железом в жидком металле, образуя оксид железа. Во время реакции выделяется дополнительная энергия, благодаря которой жидкий металл нагревается и становится менее вязким.
Когда работает азот?
Это вовсе не означает, что плазменная резка азотом не применима ни в каких случаях. Металлы, в которых не содержится железо, например, алюминий и нереактивные сплавы, такие как нержавеющая сталь, не используются в процессе кислородно-плазменной резки. В случае с алюминием, кислород приводит к образованию слаболетучих оксидов на резе.
Плазменная резка этих металлов основывается исключительно на передачи тепла от плазменной дуги рабочему материалу. Из-за высокой теплопроводности с этими металлами эффективно работают аргоно-водородные газовые соединения. Высокая теплопроводность обеспечивает лучший нагрев металла от дуги. Широко используемый рабочий газ — смесь аргона и водорода — содержит 35% водорода. Для того, чтобы сократить количество тепла, передаваемого материалу, смесь может содержать низкий процент водорода, вплоть до 5% от общего объема.
Из-за теплопроводности аргоно-водородной смеси дуга отдает большее количество тепла, что заставляет плазменную дугу увеличивать внутреннюю температуру для сохранения энергии. Естественно, для такой дуги требуется больший объем энергии.
Вместе с тем аргон-водород не единственная альтернатива для резки алюминия и нержавеющей стали. Правильная конструкция горелки, впрыск водно-азотной смеси (более дешевой, чем остальные) — эти факторы играют существенную роль в качественной резке алюминия и нержавеющей стали, и в последующих сварочных работах.
Вокруг столба плазменной дуги, выходящей через сопло, создается водный экран. Пар, образующийся при этом, предохраняет плазменную дугу от атмосферного воздействия и охлаждает периметр дуги. Это сокращает ее диаметр и концентрирует энергию внутри дуги. Раскаленное внутреннее ядро дуги эффективно сжижает и «выгоняет» расплавленный метал из основания реза.
Недавно были проведены тесты с нержавеющей сталью (для обработки нержавеющей стали рекомендуем вальцы Isitan) и алюминием. Материалы резали при помощи водно-азотной смеси (N2/H2O), затем сварили (без использования наполнителя) при помощи дуги с вольфрамовым электродом. Затем сварочные соединения подверглись механическим и металлургическим тестам, включая растяжение и сгибание. Содержание азота в сварных швах устанавливалось при помощи сканнеров — методом звукового воздействия на металл шва. Фактически оказалось, что в поверхностях резов нет азота.
Есть две вещи в плазменной бескислородной азотной резке, которые важны для создания гладких резов. Первое — высокая скорость, второе — край такой плазменной дуги относительно прохладный из-за охлаждающего водного экрана. Это значительно уменьшает зону термического влияния на обрабатываемом металле.
Чем больше плотность, тем лучше резка
Основная задача в плазменной резке, как и в лазерной, — достичь максимальной концентрации энергии, чтобы разрезать металл. Традиционно во всех плазменных работах сжатие и стабилизация дуги достигается благодаря маленькому диаметру сопла в сочетании с циркуляцией газа, формирующего плазменную дугу. Дальнейшее сжатие дуги возможно при использовании водной завесы.
Есть и другие методы сжатия и стабилизации дуги, например, использование сопла из материалов с высокой теплопроводностью, чтобы снижать температуру, исходящую от сжатой дуги, и убрать интенсивные магнитные поля. В настоящее время, однако, стоимость таких систем значительно превзошла бы выгоды — скорость и качество резки.
В использовании высококачественных плазмотронов есть неоспоримые плюсы, особенно для плит металла толщиной 0.63 мм и более. При правильной газовой смеси и конструкции факела плазмотрон значительно облегчает сварщику жизнь.
Статья предоставлена компанией МОССклад, поставляющей аппараты плазменной резки, листогибы, зиг-машины, гильотины и другой металлообрабатывающее оборудование (на правах рекламы)
