Плазменная строжка. Высокая производительность и экологическая безопасность.

Плазменная строжка. Высокая производительность и экологическая безопасность. Плазменная строжка является разновидностью плазменной резки. Несмотря на то, что этот процесс существует уже много лет, он вызвал новый интерес у представителей металлообрабатывающей промышленности в связи с ужесточением требований к экологии и качеству. Плазменная резка была изобретена в 1954 г. в лаборатории отделения «Линде» компании «Юнион Карбайд». Молодой ученый Роберт Гейдж (Robert Gage) нашел, что дуга ТИГ-сварки, пропущенная через сопло с отверстием малого диаметра, существенно увеличивает свою интенсивность и температуру. Пропуская через эту сфокусированную дугу достаточно большой поток газа, он обнаружил, что такая дуга может быть использована для резки металла. Температура дуги, достигающая более 24000 К, расплавляет металл, а интенсивный поток воздуха выдувает расплавленный металл из реза. Поскольку газ в дуге находится в перегретом состоянии, называемом плазмой, этот процесс получил название плазменной резки. С появлением в 1980-х годах дешевых и портативных систем плазменная резка становится чрезвычайно распространенным процессом и продолжает оставаться развивающимся сектором рынка. Плазменную строжку, известную уже несколько лет, стали широко применять только в последнее время. Плазменная строжка является маленьким шагом назад от плазменной резки. При резке плазменная дуга сжимается и фокусируется насколько это возможно для того, чтобы сконцентрировать энергию для резки. При плазменной строжке, по сравнению с резкой, дуга несколько разжата вследствие увеличения отверстия сопла, а ее интенсивность меньше. Эту разжатую дугу используют для строжки не так, как при резке. Дуга при резке направлена вниз и выдувает расплавленный металл из реза, разделяя металл па две части. При плазменной строжке дуга направлена под углом к поверхности изделия, она используется для образования канавки (лунки) на поверхности материала и для выдувания (удаления) расплавленного металла. Вот почему для строжки нужна несколько расфокусированная дуга. Если при этом будет применяться сфокусированная дуга резки, то канавка получится глубокой и очень узкой, что не годится для большинства случаев применения строжки. Канавка, образованная плазменной строжкой, похожа на канавки, получаемые традиционными способами. Один из наиболее распространенных традиционных способов строжки — строжка угольным электродом. При этом способе электрическая дуга на конце угольного электрода расплавляет металл, а постоянно нагнетаемая компрессором струя воздуха выдувает из канавки расплавленный металл. Таким же образом для строжки можно использовать кислородно-газовый резак со специальным соплом. Имеются также механические способы образования канавок, например, шлифованием, пневматическим зубилом и т.п. Возможность использования канавок после строжки является важным требованием производства. Наиболее часто этот способ используют при ремонтных работах. Часто строжку применяют для удаления металла сварных швов при замене износившегося элемента или при его ремонте. Строжку применяют также с целью удаления с поверхности слоя твердой наплавки для последующей повторной наплавки (например, прокатные валки или зубья экскаваторного ковша). В сварных изделиях строжку применяют для удаления дефектного участка шва с последующей повторной сваркой. Строжку применяют для удаления грата, литников и дефектов литых изделий. Иными словами, строжку применяют в любых случаях ремонта и формирования металлического изделия. Применение плазменной строжки во многих случаях предпочтительней по нескольким причинам. Во-первых, это процесс, выделяющий меньше дымов. Многие из альтернативных способов строжки сопровождаются выделением большего количества дымов, металла в газообразном состоянии и другими сопутствующими проблемами. Во-вторых, плазменная строжка во многих случаях обеспечивает лучшее качество конечного результата, чем другие методы. Это, в частности, очень важно при ремонте сварных швов. В-третьих, по многим причинам суммарная стоимость плазменной строжки меньше, чем стоимость строжки, выполненной другими способами. Выделение дымов. Ужесточение требований к безопасности и защите окружающей среды поставило проблему образования дымов па первое место. Например, воздушно-дуговая строжка угольным электродом выделяет очень большое количество дымов. По мере расплавления металла дугой, горящей на конце угольного электрода, сильная струя воздуха удаляет из канавки этот расплавленный металл. Обдув расплавленного металла вызывает интенсивное его испарение и образование дымов, содержащих пары металла, угольную пыль и металлические побочные продукты. Уровень выделения дымов при воздушно-дуговой строжке угольным электродом гораздо выше допустимого уровня при сварке и зависит от обрабатываемого материала. Испарения токсичных веществ, входящих в состав основного металла, также могут представлять большую проблему. Положительным фактом является то, что при воздушно-дуговой строжке угольным электродом не выделяется большое количество озона или окислов азота, поскольку сама дуга достаточно хорошо защищена от окружающей атмосферы. При выполнении такой же задачи плазменной строжкой выделение дымов другое. Так же, как и при воздушно-дуговой строжке угольным электродом, при плазменной строжке используют электрическую дугу для плавления удаляемого металла. Однако в отличие от воздушно-дуговой строжки угольным электродом, при плазменной строжке расплавленный металл из канавки удаляет сам газ плазмы, а не струя воздуха. Удаление металла происходит гораздо спокойнее. При этом происходит меньшее испарение расплавленного металла и меньшее его взаимодействие с окружающей атмосферой. Если в качестве плазменного газа используют воздух, имеет место некоторое взаимодействие расплавленного металла с воздухом плазмы и выделение дымов. Однако количество выделяемых дымов значительно меньше, чем при воздушно-дуговой строжке угольным электродом. При использовании в качестве плазмообразующего газа инертного газа количество выделяемых дымов резко уменьшается. Расплавленный металл в канавке в этом случае защищен инертным газом потока плазмы, и контакт с окружающей атмосферой практически исключен. В результате в большинстве случаев уровень выделения дымов очень мал. Исключением является алюминий. Его легкость и сильная склонность к окислению способствуют выделению из расплавленного алюминия некоторого объема дымов и их реакции с окружающим воздухом. Из-за сильного ультрафиолетового светового излучения плазменной дуги происходит некоторое увеличение выделения угарного газа, озона и оксидов азота. Однако объем этих газов намного меньше допустимого уровня. С точки зрения выделения дымов, плазменная строжка является эффективной альтернативой воздушно-дуговой строжке угольным электродом. Уровень шума. Еще одним преимуществом плазменной строжки в сравнении с воздушно-дуговой строжкой угольным электродом является меньший (примерно на 10 дБ) уровень шума. Однако необходимость в индивидуальных средствах защиты слуха сохраняется. Уровень шума зависит от величины силы тока и расстояния от дуги. Проведенные исследования отмечают, что уровень шума от воздушно-дуговой строжки угольным электродом так велик, что стандартные индивидуальные средства защиты слуха не обеспечивают должной его защиты и ограничивают время работы несколькими минутами в день. При плазменной строжке с применением стандартных средств защиты шум снижается до уровня, позволяющего проводить строжку практически целый рабочий день. Как обычно, измерение уровня шума для определения соответствующего уровня защиты слуха и допустимого времени работы оператора должно проводиться в каждом конкретном случае. Качество канавки. С точки зрения качества плазменная строжка несравнимо лучше воздушно-дуговой строжки угольным электродом. При воздушно-дуговой строжке угольным электродом возникают проблемы с угольным электродом. Например, во время строжки этим способом расходуется сам электрод, выделяя углерод. Обычно в канавке остается слой повторно затвердевающего, не удаленного воздушной струей расплавленного металла. Остающийся от электрода углерод может раствориться в этом слое расплавленного металла. Таким образом, образуется слой хрупкого металла с повышенным содержанием углерода, что может привести к проблемам сварки и образованию трещин. Такие же проблемы возникают при воздушно-дуговой строжке угольным электродом изделий из нержавеющих сталей. Дополнительно этот слой может стать местом начальной коррозии. Имеются также проблемы с самим воздухом. Воздух взаимодействует со слоем расплавленного металла, образуя оксидированный слой. Это небольшая проблема при строжке углеродистых сталей, но для нержавеющих сталей и сплавов этот слой должен перед сваркой удаляться. При воздушно-дуговой строжке угольным электродом алюминия образуется черный закопченный слой оксидов, представляющий проблему при его очистке. Плазменная строжка, не использующая угольный электрод, вообще исключает проблемы науглероживания слоя расплавленного металла. Это особенно важно там, где требуется высокое качество результатов строжки. Качество канавки в большой степени зависит от типа применяемого для плазмы газа. Для углеродистых сталей окисление при применении воздуха в качестве плазменного газа является обычно небольшой проблемой. Однако для нержавеющих сталей и сплавов и для алюминия в качестве плазмообразующего газа должен применяться инертный газ. В этом случае канавка защищена от атмосферы и обычно не окисляется и не загрязняется. В большинстве случаев канавку можно вновь заварить, используя любой вид сварки без дополнительной очистки. Производительность и цена. Все достоинства плазменной строжки снижают в результате и се стоимость. Конечно, в любом случае строжку можно выполнить другими методами. Однако их стоимость в большинстве случаев будет гораздо выше стоимости плазменной строжки. Параметр Плазменная строжка Воздушно-дуговая строжка А. Охлаждающий газ $0,003/литр (Ar) 0 (Воздух) В. Расход, л/мин 132 1700 С. Газ плазмы $0,008/л (Н-35) Нет D. Расход, л/мин 61 Нет Е. Скорость, м/мин 2,5 0,63 I. Цена газа (АхВ) + (CxD) 60 мин/ч $0,32/м $0,00/м F. Рабочая сила и накладные расходы $30,00/4 $30,00/ч II. Рабочая сила и накладные расходы $0,20/м $0,80/м G. Цена электрода Змх8мм $0,00 $0,563 Н. Длина строжки, выполненной одним электродом, м - 1.07 III. Цена 1 м электрода - $0,537 Расход электроэнергии, кВт.ч 28,5 24,8 IV. Стоимость электроэнергии $0,019/м $0,066/м V. Итого (I -II + III + IV) $0,541/м $1,403/м VI. Экономия при использовании лазерной строжки — $0,862/м Сравним для примера действительную стоимость 1 м строжки канавки одного и того же сечения, включающую расходный материал строжки, затраты па электроэнергию и стоимость рабочей силы. Показанная в таблице стоимость относится к 150-амперной плазменной строжке инертным газом по сравнению со стоимостью воздушно-дуговой строжкой угольным электродом диаметром 7,66 мм с применением сжатого воздуха. Данные таблицы показывают, что плазменная строжка с инертным газом 1 м канавки дороже воздушно-дуговой строжки 1 м канавки угольным электродом. Однако надо учитывать, что сжатый воздух тоже имеет свою стоимость. Учитывая это, многие пользователи ставят под сомнение преимущества воздушно-дуговой строжки угольным электродом. Где действительно проявляются явные преимущества плазменной строжки, так это в ее скорости. Она в четыре раза выше скорости воздушно-дуговой строжки. В плазменной строжке не применяют расходуемый электрод, по периодически необходимо заменять электрод и сопло горелки. Срок службы электрода и сопла плазменной горелки для строжки гораздо больше срока службы соответствующих частей плазменного резака и равен примерно шести и более часам работы. Несмотря па то, что их стоимость выше стоимости угольного электрода, влияние на стоимость 1 м канавки незначительно. Поскольку плазма является более эффективным источником теплоты, расход электроэнергии при плазменной строжке меньше, чем при воздушно-дуговой строжке угольным электродом, что также делает плазменную строжку более экономной. Таким образом, прямые затраты па плазменную строжку значительно меньше затрат на воздушно-дуговую строжку угольным электродом при расчете на 1 м. Экономия на непрямых затратах зависит от конкретного применения. Во-первых, необходимо учитывать затраты па шлифовку и очистку. Они могут быть незначительными для углеродистых сталей, но для алюминия и нержавеющих сталей дополнительные затраты на последующую обработку после воздушно-дуговой строжки угольным электродом становятся существенными (дополнительные затраты на рабочую силу и шлифовальные круги). Эти затраты исключены при плазменной строжке, особенно если применяют инертный газ. Во-вторых, необходимо учитывать затраты, связанные с решением проблемы дымовыделеиия. В зависимости от режима работы, места проведения работ, от местных законов по экологии, размера цеха и т. п. это может стать проблемой, а в некоторых случаях огромной проблемой. Установки для очистки воздуха стоят очень дорого. Если дымовыделение является основной проблемой, то плазменная строжка становится единственно приемлемой технологией. С другой стороны, начальные капиталовложения на оборудование для плазменной строжки гораздо выше, чем для воздушно-дуговой строжки угольным электродом. Обычно для воздушно-дуговой строжки угольным электродом используют существующие сварочные источники и источники сжатого воздуха. Необходимо только приобрести горелку для строжки. Использование плазменной строжки. Первый шаг — выбор оборудования. Большинство производителей плазменного оборудования могут предложить сопла для строжки, которые подходят к плазменным резакам. Однако для создания эффективной системы плазменной строжки этого недостаточно. Источник питания является важной частью системы. Большинство работ по плазменной строжке выполняется при силе тока 100 А. Можно уменьшить силу тока, по эффективность строжки уменьшится. Плазменная строжка обычно требует гораздо большего напряжения дуги по сравнению с напряжением дуги при плазменной резке. На это есть несколько причин. Во-первых, горелка для строжки располагается под углом к плоскости и расстояние до поверхности больше, что требует увеличенного напряжения дуги. Обычно напряжение дуги плазменного резака составляет приблизительно 120 В, для строжки необходимо 200 В и более. Большинство источников питания, предназначенных для плазменной резки, не могут обеспечить такое напряжение дуги без значительного падения силы тока. Для эффективной строжки плазменный источник питания должен обеспечить подачу тока при высоком напряжении дуги. Во-вторых, очень важна конструкция горелки. С обычным плазменным резаком теплота и расплавленный металл направлены вниз от резака. Таким образом, на корпус резака не попадает много брызг расплавленного металла, и он не подвержен сильному нагреву от плазменной дуги. При плазменной строжке дуга располагается на поверхности листа, и теплота сосредотачивается непосредственно вблизи головки горелки. Такое нагревание многие плазменные резаки не выдерживают. В результате перегрева срок службы резака сокращается. Дополнительно надо учитывать, что в некоторых случаях при строжке различные препятствия могут отражать часть потока расплавленного металла, и он попадает на головку горелки, ухудшая условия ее работы. Самое лучшее — использовать головку горелки, защищенную покрытием из специального термостойкого стеклонаполненного полимера. Дополнительно для защиты головки горелки применяют покрытия из стекловолокна и силикона. Горелки для воздушной плазменной строжки используют при изготовлении изделий из углеродистой стали, при обработке которой может выделяться небольшое количество дымов. Горелки для плазменной строжки с инертным газом выделяют наименьшее количество дымов, что необходимо для изделий из нержавеющей стали и алюминия. Использование горелок, рассчитанных на применение двойного газа, является оптимальным, если второй газ используют для дополнительной защиты зоны расплавленного металла от атмосферных загрязнений и удаления из канавки расплавленного металла. Выбор газа. Для успешной строжки очень важны условия и параметры процесса. Во-первых, это выбор газа. Воздух можно выбрать в качестве плазмообразующего газа только для строжки углеродистой стали. Дымовыделение при этом будет несколько больше, чем при использовании инертного газа, но значительно меньше по сравнению дымовыделением при воздушно-дуговой строжке угольным электродом. Для строжки алюминия, нержавеющей стали и других высоколегированных материалов лучшим выбором в качестве плазменного газа является инертный газ. Можно выбрать либо азот, либо смесь аргона и водорода. Азот несколько снижает тепловыделение плазменной дуги по сравнению с тепловыделением при использовании смеси аргон/водород и, как результат, уменьшает эффективность строжки. Если смесь аргона и водорода не вызывает загрязнение поверхности, то это — лучший выбор. При этом эффективность строжки наибольшая. Вторым газом для горелок с возможностью использовать два газа должен быть также инертный газ. Аргон — наилучший выбор. Можно примерно с таким же успехом применять и азот. При строжке алюминия при силе тока, превышающей 200 А, применение горелки, рассчитанной на два газа, является необходимостью, поскольку без защиты вторым газом контакт поверхности расплавленного металла с атмосферой вызывает его окисление. Выбор силы тока обычно является функцией, необходимой для эффективной строжки. Обычно 100 А является минимальной величиной. Однако удаление поверхностей и их ремонт возможен и при меньшей силе тока. Размер канавки зависит от величины силы тока, скорости строжки и от угла наклона горелки. Для снятия поверхности металла или при удалении наплавки горелку устанавливают с малым углом наклона к поверхности, совершая колебательные движения. Лучшим углом наклона является 35-40° при длине дуги 12,7-25,4 мм. Количество удаляемого с плоской поверхности металла за один проход является наибольшим. Поскольку при плазменной строжке металл удаляется из канавки с меньшей интенсивностью, чем при воздушно-дуговой строжке, возникают трудности удаления металла из глубоких канавок за один проход. Например, рекомендуемая глубина одного прохода при силе тока 150 А — 7,94 мм. Естественно, несколькими проходами можно удалить металл из более глубоких канавок. Промышленное применение. Во многих отраслях промышленности оценили достоинства плазменной строжки и используют этот процесс с большим успехом. Одними из первых освоили этот метод предприятия по ремонту железнодорожного состава и локомотивов в Канаде. Плазменная строжка значительно снижает выделение дымов в цехе, где одновременно могут работать до 30-40 аппаратов плазменной строжки. Более того, контроль за глубиной строжки гораздо точнее при плазменной строжке, а также легче доступ в труднодоступные места, чем при воздушно-дуговой или кислородно-топливной, применяемых ранее. Более того, плазменную строжку может успешно применять и при ремонте цистерн из нержавеющей стали и пассажирских вагонов из алюминия. Плазменная строжка является отличным инструментом для ремонта и обслуживания грузовых автомобилей и внедорожников. Ремонт кузовов грузовиков, многие из которых выполнены из нержавеющей стали или алюминия, — еще одна область применения процесса плазменной строжки. Ремонтники отказываются от традиционных методов при ремонте грузовиков и трейлеров из алюминия. Ремонт валков — другая область применения плазменной строжки. Изношенные валки ремонтируют удалением изношенного твердосплавного слоя наплавки и наплавлением нового. Такому ремонту подвергают валки угольных мельниц, прокатных станов, каландрующие вальцы и т.п. Ранее для удаления изношенного наружного слоя использовали воздушно-дуговую строжку угольным электродом или шлифовку алмазными кругами, теперь это делает плазменная строжка. В литейном производстве плазменная строжка является отличным инструментом для удаления литников и прибылей. Плазменная строжка при таких операциях выделяет существенно меньше дымов, чем традиционная воздушно-дуговая строжка угольным электродом. Плазменную строжку начинают все шире применять на предприятиях, где ремонтируют и обслуживают изделия, в которых использована нержавеющая сталь и алюминий: на электростанциях и на предприятиях пищевой и химической промышленности. Традиционно строжку применяют при производстве изделий, где требуется гарантированная плотность сварного соединения, например, баков высокого давления и криогенных резервуаров. В этом случае полностью используют преимущества плазмепной строжки, обеспечивающей наилучшие результаты. Отсутствие науглероживания исключает дополнительную шлифовку и зачистку, что радикально снижает затраты и улучшает качество. Другой типичной областью применения плазменной строжки является ремонт бронированных автомобилей. Такие автомобили выполняют из алюминиевого сплава, и ремонт или установка, например, нового топливного бака представляет большие трудности при обработке сварных швов таким способом, как воздушно-дуговая строжка угольным электродом, и требует последующей сложной механической зачистки, отнимающей время и деньги. Плазменная строжка, в отличие от воздушно-дуговой строжки угольным электродом, уменьшает или исключает потенциально сложные проблемы образования дымов, улучшает качество сварных швов, особенно из нержавеющей стали и алюминия, уменьшает как прямые, так и непрямые расходы. Для плазменной строжки можно использовать оборудование плазменной резки, но это не исключает специфических требований к системам плазменной строжки. Наконец, необходимо отметить, что существует много потенциальных областей промышленности, где можно эффективно использовать плазменную строжку, принимая во внимание все ее преимущества. Источник - "Сварщик в России" 3(19)/09