Способ плазменно-дуговой поверх-ностной резки

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 0501.79. (21) 2708082/25-27 (ii)81 6727 (51) Щ. gaa.З

В 23 К 31/lO с присоединением заявки Йо

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 3003.81, Бюллетень Й9 12 (S3) УДК 621 ° 79 l. . 947.55 (088. 8) Дата опубликования описания 300381 (72) Авторы изобретения

И.С.Шапиро,З.М. Баркан и A.Ï.Êîðîëåâ (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ IIOBEPXHOCTHOA

РЕЗКИ

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-. 15 нических перемещений вдоль лобовой кромки реза 1.11..

Недостатком известного способа является то, что его использование связано с необходимостью существен- 20 ного усложнения исполнительного оррана 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 30 при котором анодное пятно дуги перемещают по лобовой кромке 2 .

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает наиболее эффективного ввода тепла,выделяемого плазменной дугой в полости реза, что в свою очередь ограничивает технологические возможности способа, так как при этом при данных амплитудных значениях тока не могут быть реализованы режимы, обеспечивающие максимальную глубину выплавляемой канавки. Данное:обстоятельство связано с тем,. что при этом отсутствует соответствующий закон изменения рабочего тока, обеспечивающий достнжение при резке оптимальных техникоэкономических показателей процесса обработки металла. Так,например, если значения тока в импульсе завышено сверх определенного значения по сравнению с током паузы, то при существенном снижении скорости перемещения плазменной дуги, которое обусловлено необходимостью увеличения глубины выплавляемой канавки, может иметь место также образование козырька вследствие слабого прогрева верхней части полости реза.

816727

4

25 у)

35 8

11

12

14

60

65

Аналогичное влияние на качество кромок реза оказывает увеличение времени горения дуги на токе импульса 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 дууи 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 тока на изменение напряжения на дуге при выполнении процесса резки на постоянном токе;

На фиг. 6 — диаграммы, характеризующие определение напряжения на 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 плазмотрон а; — электрод; внутреннее (токоведущее) сопло плаэмотрона; — плазменная дуга; положение плазменной дуги при ее горении в полости реза с изменением величины тока при его минимальном значении; — положение плазменной дуги при ее горении в полости реза с изменением величины тока при его максимальном значении; — лобовая кромка реза при выполнении процесса резки на минимальном токе; — обрабатываемое иэделие; — полость реза (канавка), полученная при выполнении процесса резки на минимальном токе; — лобовая кромка реза при выполнении процесса резки на промежуточном значении тока; — полость реза (канавка), полученная при выполнении процесса резки на промежуточном значении тока; — лобовая кромка реза при выполнении процесса резки на максимальном токе; — полость реза (канавка), полученная при выполнении процесса резки на максимальном значении тока;

- лобовая кромка реза при выполнении процесса резки с изменением величины тока;

- полость реза (канавка), полученная при выполнении процесса резки с изМенением величины тока; — влияние глубины выборки на изменение напряжения на дуге для промежуточного значения тока; — влияние глубины выборки на изменение напряжения на дуге для промежуточного значения тока; — влияние глубины выборки на изменение напряжения на дуге для максимального значения тока;

816727

Рр

«1

31

31

33

Ua»

Va

0 1 я

И!

hü1 — угол наклона оси .плазмотрона к поверхности обрабатываемого изделия — глубина канавки, получаемой при выполнении процесса резки на минимальном токеу 5 — глубина канавки, получаемой при выполнении процесса резки на промежуточном значении токау — глубина канавки, получаемой при выполнении процесса резки на максимальном токе; глубина канавки, получаемой прн выполнении процесса резки с изменением величины тока в . процессе резкиу напряжение на дуге; — ток; — минимальное значение тока; — промежуточное значение тока; — максимальное значение тока; 20 напряжение на дуге, соответствующее ее горению на токе

31 при выплавке канавки глубиной напряженйе на дуге, соответ- 25 ствующее ее горению на токе

3 прн выплавке канавки глубиной h> — напряженке на дуге, соответствующее ее горению на токе

3 при выплавке канавки глубиной h3g — напряжение на дуге, соответствующее ее горению на токе 3» при Условии обеспечения при этом минимальной глубины выборки; напряжение на дуге, соответ- . ствующее ее горению на токе при условии обеспечения минимальной 40 глубины выборки; напряжение на дуге, соответствующее ее горению на токе ".(при условии обеспечения минимальной 45 глубины выборки, — конечное напряжение на дуге при ее горении на токе З»при выполнении резки с изменением токау 50 — конечное напряжение на дуге при ее горении на токе 1 при выполнении резки с изменением токау конечное нацряжение íà дуге при ее горении на токе 33 при выполнении резки с изменением тока;

- часть глубины полости реза, получаемая при выполнений процесса резки при горении 60 дуги на токе Э»; часть глубины йолости реза, получаемая при выполнении процесса резки, при горении дуги на токе 3 ° 65. — часть глубины полости реза, получаемая при выполнении процесса резки, при горении дуги на токе 33,. дщ — точки на графических зависимостях 14,15,16, характеризуемые напряжениями l3a, Ua> и Ua соответственно;

A B С вЂ” точки .на графических эави 1 11 симостях 14, 15, 16, характеризуемые напряжениями

1 1

Ug,,Uq и Ua> соответственно; — время;

1 — время горения дуги на токе при выполнении процесса резки с изменением тока; — время горения дуги на токе

J при выполнении процесса резки с изменением тока; — время горения дуги на токе

33 при выполнении процесса резки с изменением тока;

Tu, — длительность следования цикла изменения тока, Способ осуществляется следующим образом.

Зная диапазон изменения рабочего тока, определяемый параметрами источника питания, устанавливают максимальное значение тока 33, при этом плазмотрон устанавливают под углом

QCпо отношению к наружной поверхности обрабатываемого изделия 6 и подают в токоведущее сопло 3 плазмообразующий гаэ, в качестве которого используют технический азот, а в пространство (полость) между соплом 3 и наружным соплом 1— фоксирующий гаэ, в качестве которого используют сжатый воздух. При этом плазмотрон перемещают углом вперед в направлении, показанном стрелкой, В процессе перемещения плазмотрона возбуждают плазменную дугу 4 между электродом 2 и обрабатываемым иэделием 6 и подбирают соответствующее значение скорости перемещения плаэмотрона.

Скорость перемещения плаэмотрона устанавливают минимально возможной для данного тока и угла наклона плаэмотрона. Данное значение скорости определяют по форме лобовой кромки реза

10.Данной скорости соответствует практически вертикальное направление лобовой кромки по отношению к наружной поверхности обрабатываемого изделия.

Дальнейшее уменьшение скорости резки приводит к появлению козырька на лобовой кромке, что делает невозможным устойчивое протекание процесса. Образование козырька на лобовой кромке связано с тем,что.диаметр активного пятна на металле будет меньme глубины вйплавляемой канавки.

Таким образом, минимально возмож816727 ной скорости отвечает равенство диа метра, занимаемого активным пятном, глубине выбираемой канавки 11.

В процессе выполнения резки фик- . сируют напряжение на дуге, соответствующее данной скорости Ua>, а пос- ле выполнения процесса резки замеряют глубину выплавляемой канавки h „

Затем устанавливают минимальное значение тока 31 и на вышеуказанной скорости производят выборку канавки

7, которой -соответствуют глубина канавки h è напряжение на дуге Ua<, Промежуточное значение тока З выбирают как среднее между токами

3 и 3 .При выполнении резки на этом токе получают канавку 9 глубиной Ь,выборке которой соответствует напряжение на дуге Uq . При этом .чем меньше величина тока, тем белее пологую форму имеет лобовая кромка реза.

При токе лобоваг кромка реза образует меньший угол с наружной поверхностью обрабатываемого изделия. Соответственно при резке на токе любая кромка реза 8 образует больший угол с наружной поверхностью иэделия и этот угол возрастает еще больше при резке на токе, при котором он практически близок к 90 о

Изменение в процессе резки по периоднческому закону величины рабочего тока от 3< до J3 обеспечивает возможность .увеличения, глубины выплавляемой канавки за счет уменьшения скорости резки. При этом обеспечивают глубину выборки большую > чем h .

Однако отсутствует соответствующий закон изменения тока в процессе резки, что не позволяет соответствующим образом управлять изменением тока.

Определение напряжения на дуге из известного уравнения

Ua =О+ Ма, где Q — сумма катодного и анодного падения напряжения;

Ь - напряженность столба дуги, gg- длина дуги, не может быть сделано, несмотря на известность глубины выборки, которая может быть известка. Это связано с тем, что при выполнении процесса резки изменение величины тока изме- . няет угол входа дуги в обрабатываемое, изделие в различных точках перемещения анодного пятна по лобовой кромке реза. Вместе с тем изменение глубины выборки Д,обуславливает пропорциональное изменение длины столба

:, дуги. Поэтому в предлагаемом способе 1 напряжение на дуге определяют как функцию изменения глубины выборки.

Поэтому в координатах Ug-h откладывают соответствующие значения.Ь,h,h3 и напряжения, которые при этом имеют место и получают точки А, В и С. Затем устанавливают максимально возможную скорость переХотя при предлагаемом способе эффективную глубину выплавляемой

45 канавки определяют значение тока

J, соответствующие стадии процесса, обусловленные горением плазменной дуги на токах J и 3g обеспечивают получение лобовой кромки реза

50 такой формы, которая наиболее рациональна для выборки глубоких канавок. При этом также вследствие того, что при каждом значении тока обеспечивают меньший эффективный объем металла., выплавляемого из полости реза, так как часть ее уже сформирована предыдущим (меньшим) значением тока, то вследствие этого обеспечивают более интенсивный перегрев расплавленного металла, что в свою

40 очередь способствует повышению жидкотекучести расплава и лучшему его удалению из полости реза.

Использование предлагаемого способа обеспечивает при однопроходной

65 резке получение канавок глубиной до

5 !

О

40 мещения плазмотрона, обеспечивающую минимальное пропларление обрабатываемого металла и для токов 31, 1

3 и 3 определяют напряжения ЦО

U<,Ug соответственно. При этом для тока Х зависимость Уа- f(h) получают в виде прямой линии 14, для тока Э в виде линии 15, а для тока a> — 16.

В случае, если значения скоростей перемещения плазмотрона не позволяет получить канавки с минимальной глубиной (h=O), то соответствующие ! я значения, характеризующие Ug,Ug

ll ) и UO 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

Ик- - ) где h — глубина канавки, 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,h и h .

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.

816727

25-27 мм, в то время как известный .способ обеспечивает выборку канавок глубиной не более 20 !м. При этом отношение глубины выборки к ее ширине достигает значения 1,3"1, 5, в то время как в известном способе он имеет меньшую величину.

Примером выполнения предлагаемого сйособа является плаэменно-дуговая выплавка канавок из стали марки

10ХСНД толщиной 40 мм. Резка выполняется двухпоточным плаэмотроном, установленным под углом 30 к поверхности обрабатываемого металла. В качестве плазмообразующего газа используют технический азот, а в качестве фокусирующего газа — сжатый воздух.

Используемый источник питания обеспечивает регулирование тока от

150 до 400 А,.в качестве рабочего диапазона регулирования тока был выбран диапазон тока от 150 до 300 A. Щ

Подставляя в вышеприведенное уравнение соответствующие токи для установленной скорости, получим значения глубин выплавляемых канавок !

h«для тока З,h1 для тока 31 и

3 для тока 3

Откладывая соответствующие значения глубин выборки на. графики, характеризующие связь tJg с глубиной выплавляемых канавок, на графиках 14, 15,16 получают точки A",B и С . Таким образом, установленной скорости перемещения плазмотрона при токе З,! соответствует, напряжение на дуге !

Qa ., току,31- Чц и току 33 — напряжение Ua . Зная данные напряжения, обеспечивают соответствующее изменение величины рабочего тока 3 во время t. При этом возбуждают дугу на токе э.!, на котором ее горение поддерживают в течение времени ., 49 т ° е- в течение того времени, пока напряжение на дуге не достигнет значения Ug при этом плазменная ! дуга занимает положение 4 . При, достижении напРяжения на дуге 0 !.!, дискретно или плавно повышает величину тока до значения 3 и поддер-. живают горение на данном токе в течение времени,т.е. времени, необходимого для повышения напряжения на дуге до значения U6 после чего вновь повышают значение тока до ве\ .. личины 33 и поддерживают в данном . токе в течение времени t>. При этом плазменная дуга занимает положенйе

4 . Соответственно току 31 отве (! чает положение дуги промежуточное между 4 и 4"

Таким образом, эа счет соответ« ствующего изменения тока обеспечивают принудительное перемещение . 4ф активного пятна по лобовой кромке реза. При,достижении на токе з напряжения Ua3, дискретно, уменьшают ! значение тока до 3„ и вновь повторяют укаэанные операции изменения Я тока в данной последовательности.

При предлагаемом способе обеспечивают принудительное перемещение анодного пятна по лобовой кромке реза с определенной скоростью, определяемой 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 тока

Тц= !..! + t g + t 3. .При этом получают канавку 13, которая имеет глубину Н существенно большую,4,чем максимально достижимая глубина выборки hg.

При токе 300 A 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. скорости глубины выборок при токе

150 и 250 составили 4 и 14 мм соответственно. Напряжения на дуге составили для тока 150, 250 и 300 A—

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. 1

1 Таблица 1

Ток, A

Напряжение дуги, В

150

122

128

250

131

300!

После получения соответствующих данных, характеризующих напряжения на дуге для скорости 680 мм/мин и для условий горения ее на ненлавящем ся аноде (h = О) 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 горения дуги на неплавящемся аноде, а, 81.6 72 7

t0

7,0

150

145

19,5

250

164

23,2

300

30

Формула изобретения

4$ другая — условию выполнения резки ,при скорости 620 ьее/мин.

Затем, пользуясь соотношением ,h = К ф- определяли значения глубин

Ь

Ф выборок, соответствующие данным токам при заведомо меньшей скорости перемещения плазмотрона, которая была выбрана равной 400 мм/мин.

Численное значение коэффициента К было принято равным 0,125AMN H

Данные, характеризующие з йачения глубин выплавляемых канавок при выбранной скорости перемещения плазмотрона привержены в табл. 2

Таблица 2

Хотя графики, характеризующие связь глубины выплавляемых канавок, могут быть построены по различныМ значениям h,âûáîð при этом скорости резки, при которой при максимальном значении тока обеспечивают предельную глубину канавки, преследует две цели:

1. Повышается точность определения соответствующих значений напряжения на дуге, соответствующих процессу резки с изменением рабочего

I I I тока (Qo UgI, Ua> ), так как при данной скорости обеспечивают максимально возможное значение Ah, характеризуемое предельно возможной глубиной выплавляемой канавки

-при однопроходной резке (Ь3-0 = Ь3).

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 h в качестве аргумента, определяли по графическим зависимостям

Uq=f(h) соответствующие значения напряжения для каждой из указанных глубин 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> пос ледовательно увеличивая значения тока со 150 до 250 и с 250 до 300 ° Это 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 A 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.

Способ плазменно-дуговой поверхностной резки импульсным током, при котором анодное пятно дуги перемещают по лобовой кромке, о т л и ч а ю шийся 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.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 483855, кл. В 23 К 31/10, 28.10.74.

2.. Шапиро И.С. Елаэменно"дуговая поверхностная резка.- Сварочное производство, 9 2, 1977 с. 33-36.

816727

Составитель Л.Суханова

Редактор Е.Спиридонова .Техред. М.Ролинка Корректор Г. Назарова

Эакаэ 1115/16 Тираж 1148 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035,Москва,Ж-35,Раушская наб.,д.4/5

Филиал ППП Патент,г.Ужгород, ул.Проектная, 4