автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование тепловых и газогидродинамических закономерностей плазменно-дуговых процессов и разработка оборудования плазменной резки металлов

Москва - 2002 год.

Ученый секретарь диссертационного совета Кандидат технических наук

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Термическая резка - одно из основных технических средств современного заготовительного производства сварных металлических конструкций, где механические способы резки заготовок трудно применимы. В ведущих отраслях она составляет до 30% трудоемкости их изготовления. Долго единственным эффективным видом термической резки была газопламенная кислородная /автогенная/ резка углеродистых сталей, неприменимая для других металлов. В 1940-50-х г.г. развитие авиации, энергетики, химической, оборонной и другой специальной техники расширили применение алюминия, других цветных металлов, нержавеющих, жаропрочных и других сталей и сплавов. Обострилась проблема их обработки и стал актуальным поиск универсальной резки.

Было предложено резать нержавеющие стали и цветные металлы вдувая в струю кислорода флюсы. Сгорая они вносили необходимую для резки теплоту и способствовали смыву расплава, но делали рез некачественным, а производительность резки низкой. Резка электрической дугой дала аналогичный эффект.

В 1955-57 г.г. фирма Линде (США)1, и практически в это же время соискатель вр ВНИИАВТОГЕН [3], И.Д.Кулагин и А.В.Николаев в лаборатории Н.Н.Рыкалина в ИМЕТ АН СССР создали новые виды резки, использующие энергию дуги, возбуждаемой в горелке'/плазмотроне/ в струе плазмообразующего газа. Соискателем в организованном им во ВНИИАВТОГЕН исследовательском отделе газоэлектрической резки и сварки были выполнены поиск и исследования резки сжатой в сопле плазмотрона дугой, стабилизированной собственной плазмой на объекте. Созданный процесс резки показал свою реальность, высокое качество и скорость. Наша приоритетная работа, как актуальная и перспективная была внесена Комитетом по делам изобретений и открытий при СМ СССР в книгу государственной регистрации важнейших НИОКР с приоритетом 28 февраля 1958 г. [4].

Сообщения о новом виде термической резки [3,5,6] вызвали интерес металлообрабатывающих отраслей, а опыт резки показал ее высокую эффективность. Госкомитет по судостроению, и Коллегия Государственного научно-технического комитета /ГНТК/ рассмотрев работы ИМЕТ и ВНИИАВТОГЕН отметили их значимость и актуальность. ГНТК включил основные направления НИОКР по обработке плазмой в перечень важнейших проблем сварочной науки. ВНИИАВТОГЕНУ, а в институте - соискателю поручили организацию НИОКР и привлечение соисполнителей по резке: ИЭС им. Е.О.Патона, ВНИИЭСО, ЦНИИ ТС, НИКИМТ, ВНИИПТхиммаш, НПО Ремдетапь, ведущих ВУЗов - МВТУ, МАТИ, Кишиневский политехнический институт и др. АН СССР и Минхиммаш организовали совещание по

1 - R. М. Gage. Arc torch and process. Patent USA №2858411, priority 1957.

обработке плазмой, обсудившее работы, подтвердившее их актуальность, необходимость развития и внедрения. Совет Министров СССР рядом постановлений предусмотрел задания ВНИИ АВТОГЕН /с 1964г. -ВНИИАвтогенмаш/ и соисполнителям по созданию прогрессивного оборудования плазменно-дуговой резки. Госплан организовал Межведомственную комиссию по внедрению плазменных технологий, ГНТК постановлением №551 среди головных НИИ утвердил ВНИИАВТОГЕН головным по плазменно-дуговой резке, а Госкомстат организовал статучёт ее применения. ГНТК включил НИР по плазменной обработке в программы 0.72.01, 0.14.08 и др. ИЭС им. Е.О.Патона организовал научно-техническое сотрудничество в странах бывшего СЭВ. Проблемная комиссия "Черная металлургия" в разделе 2.4 КП НТП СССР на 1991-2010 г.г. отметила актуальность и необходимость дальнейшего развития плазменно-дуговой резки: расширение круга обрабатываемых материалов, плазмообразующих сред, создания надежных систем стабилизации дуги, аппаратуры и автоматизированного оборудования.

Плазменно-дуговая резка в 80-х г.г. достигла более 9% общего объема термической резки и дала существенный техно-экономический эффект. Но затем ее развитие стало сдерживаться финансовыми проблемами, ростом цен на энергию,- спецоборудование, запчасти и др. Возникла необходимость научной поддержки этого направления, разработки мер устранения трудностей и создания новых решений по расширению применения этой эффективной технологии. Настоящая работа посвящена изучению и решению вопросов этой важной научно-хозяйственной проблемы с привлечением теории тепловых сварочных процессов и анализа сопровождающих резку газо-гидродинамических, химических и металлургических процессов.

Цель работы и основные задачи исследования: Цель - создание и развитие процесса термической резки, универсального по разрезаемым металлам на основе интенсифицированного, стабилизированного собственной плазмой дугового разряда и прогрессивных решений сварочной техники.

Для достижения поставленной цели соискатель решал следующие задачи:

1. Изучить особенности режущей дуги и процесса резки, разработать принципиальные аппаратурно-технологические решения, оценить их возможности и результаты.

2. Изучить тепловые и газо-гидродинамические процессы плазменно-дуговой резки, определяющие формирование реза и ее техно-экономические результаты.

3. Разработать концепцию качества получаемых резов, установить его показатели и их связь с условиями выполнения резки.

4. Оценить целесообразность плазменно-дуговой резки углеродистых сталей, изучить особенности, отличающие её от автогенной газопламенной

резки, выявить ее рациональные условия и целесообразные области применения этих процессов.

5. Изучить возможности и меры повышения техно-экономической эффективности и качества плазменно-дуговой резки и наметить перспективы ее развития.

Методы исследования. Исследования выполняли на основе теории тепловых процессов сварки, публикуемых результатов работ по физике и технике низкотемпературной плазмы, плазменной обработке материалов, плазмохимии /вначале их еще не было/, с привлечением исследований гиперзвуковых течений вязкого газа и др. В экспериментах применяли собственные методики вращающегося зонда, резки клинового и многослойного образцов, каналового калориметрирования, осциллографирования и скоростной киносъёмки. Применяли термографирование, химический, металлографический, рентгеновский и лазерный микроструктурные анализы, исследование скоростей светящихся объектов и микронеровностей поверхностей.

Научная новизна работы состоит в определении особенностей и закономерностей разработанного способа термической резки разных металлов концентрированной электрической дугой, стабилизированной на объекте - плазменно-дуговой резке. При этом найдены следующие новые научные положения:

1. Плавящими факторами режущей дуги являются взаимодополняющие активное пятно, сканирующее по фронту резки, режущий участок столба и плазменный факел, ориентирующийся в полости реза в соответствии с параметрами резки. Этот комплекс можно расценивать, как линейный источник тепла с разной плавящей активностью факторов, определяющих изменения ширины реза по его глубине и соответствующую деформацию струйно-дугового комплекса. Удаление расплава плазмой определяет температуру плавления поверхностей реза /в сечении - изотерм плавления/.

2. Установлено, что процесс резки характеризуется двумя взаимноперпендикулярными тепловыми потоками: режущим и теплоотводом в массу объекта. На основе выявленных особенностей разработаны схема формирования реза, подход и метод расчета теплоотвода и термического к.п.д. резки. В отличие от сварки он имеет высокие величины, но требует предлагаемого уточняющего коэффициента.

3. Предложена и разработана концепция и система показателей точности и качества поверхностей деталей, вырезанных плазменной резкой. Изучены процессы и зависимости, определяющие ширину и форму сечения реза от условий резки. Предложена гипотеза о природе отставания плазменно-дугового реза.

4. Предложена гидромеханическая модель смыва расплава из реза и оттеснения его части за режущую дугу на поверхности полученного реза, где он застывает, образуя литой участок ЗТВ. Шероховатость поверхностей реза,

как правило, имеет регулярный характер, образуется внешней поверхностью литого участка. Предложены методы их уменьшения.

5. Выявлена целесообразность плазменно-дуговой резки углеродистых сталей. Показано, что резать сталь рационально с использованием кислородсодержащей плазмы, вызывающей экзотермическую реакцию высокотемпературного окисления железа, повышающую производительность резки и уменьшающую энергопотребление. Характер реакции существенно отличается от автогенной резки. В плазме сжатого воздуха образуется до 30% окислов. Наилучшие результаты достигаются при 65-70% 02 и 30-35% N2. Предложена гипотеза нитрооксидного окисления в 02-N2 плазме.

6. Изучены изменения металла у поверхностей реза и аномальная пористость швов при сварке после резки и ее причины - совмещение зоны сплавления шва с пересыщенными азотом нижними кромками реза. Предложены резка жестко стабилизированной дугой или с минимумом азота в плазме и методы сварки, обеспечивающие интенсивное перемешивание пересыщенных азотом участков расплава в зоне сплавления /сварка опрокинутых швов, сварка на подкладках, двухсторонняя сварка/, что исключает или снижает аномальное порообразование.

Практическая значимость работы и ее реализация:

1. Разработана и внедрена в практику плазменно-дуговая резка -универсальный вид эффективного термического раскроя металлов, включая неподдающиеся кислородной резке, разработаны технологические основы процесса.

2. Созданы прототипные плазматроны и аппаратура, требования к которым оформлены ГОСТ 12221, организовано производство крупных серий /до 3000 в год/.

3. На основе изученных особенностей и возможностей резки определены показатели качества вырезанных деталей, требования к ним и разработано две редакции ГОСТ 14792 и необходимые для их выполнения рекомендации [54].

4. Для качественной резки разработаны переносные и стационарные плазморезательные машины, в том числе с фотосистемами и УЧПУ, включая базовую высокопроизводительную интегрированную автогенно-плазменно-дуговую машину "Кентавр", в развитие которой выпускаются подобные машины, а также - наиболее мощную /суммарно до 500 кВт/ восьмиплазмотронную машину для резки труб.

5. Практическое применение плазменно-дуговой резки достигло в 80 г. г. более 9%.

6. Внедрена супервоздушноплазменная резка сталей, повышающая скорость на 30-40%.

Публикации: Основное содержание выполненных работ отражено в более 110 печатных работах соискателя общим объемом 120 печатных листов, в том числе в двух монографиях, пяти книжных изданиях /одна книга

издана в Болгарии/, пяти статьях в справочниках, четырех учебных пособиях, 80 статьях в журналах, 36 сборниках трудов института, в сборнике АН СССР "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов, в журнале SchweiRtechnik /ГДР/, ученых записках Азполитехинститута, тридцати авторских свидетельствах и патентах по плазменно-дуговой резке, тезисах семинаров в стране и СЭВ.

Апробация работы: Материалы работы доложены в ГКНТ, ГК по судостроению, Минхиммаше, на совещаниях по электросварочному оборудованию, по резке, наплавке и сварке сжатой дугой, теплофизике сварки и мехобработки, конференциях Сварка и родственные технологии в XXI век, Современные проблемы и достижения в области сварки /С.Петербург/,МЭТ-97 и МЭТ-98/Рига/, втором симпозиуме в Японии, комиссии МИС в Париже, конференциях в Словакии, НРБ и др., а также - на совещаниях по научно-техническому сотрудничеству стран СЭВ. Ряд докладов был сделан на семинарах НТО МАШПРОМа, РСНТО, ГНТЦ и др.

На защиту выносятся: решение важной проблемы развития эффективной универсальной по разрезаемым металлам плазменно-дуговой резки и его задачи:

1. Основополагающие изыскания и разработка прототипного аппаратурно-технологического комплекса резки, изучение ее характерных особенностей.

2. Закономерности тепловых и газо-гидродинамических процессов резки определяющие возможность повышения ее эффективности.

3. Концепция оценки показателей качества вырезанных деталей, позволяющей увязать их с реализуемыми параметрами резки.

4. Целесообразность плазменно-дуговой резки углеродистых сталей, применения для их резки кислородсодержащей плазмы и оптимизация состава таких плазмообразующих композиций с использованием позитивных особенностей их физико-химического воздействия, с целью получения наиболее высоких производительности и качества резки.

5. Научно-технические возможности и практические меры ограничения влияния негативных технологических, технических и других факторов для дальнейшего развития и применения этого прогрессивного вида резки.

Личный вклад автора: Соискателю принадлежат разработка и развитие принципа резки, прототипные разработки, методики и опытные стенды. Он был научным руководителем темы IV СЭВ, главным конструктором автогенного машиностроения, соискатель явился ведущим разработчиком ряда технологических рекомендаций и плазморежущих машин, головным автором ГОСТ 12221, ГОСТ 14792 и проекта стандарта СЭВ на точность и качество плазменно-дуговых заготовок. Соискатель был соразработчиком аппаратов на блочно-модульной основе для плазменной резки и напыления покрытий. Он являлся научных руководителем и ведущим исполнителем

изложенных в диссертации исследований и разработок. Соискатель опубликовал первую монографию по разрабатываемому вопросу. Руководил подготовкой кандидатских диссертаций шести соразработчиков. _ За плодотворные разработки ему были присвоены Почетные звания "Заслуженный технолог Российской Федерации", "Почетный машиностроитель", а за создание и широкое внедрение в промышленность оборудования с программным управлением для плазменной резки присуждена Премия Совета Министров СССР.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Разработка принципа, основ технологии и аппаратуры

плазменно-дуговой резки

Испытывая во ВНИИАВТОГЕН созданные в институте аргоно-дуговые сварочные горелки с вольфрамовым электродом диссертант наблюдал существенное /вплоть до сквозного/ увеличение глубины проплавления металла при уменьшении диаметра канала наконечника, увеличении рабочего тока и расхода газа. Фактически дуга приобретала режущие свойства, для изучения и развития которых соискатель выполнил в 1955-56 г.г. во ВНИИАВТОГЕН научно-поисковую работу. Найденные решения были использованы для создания "плазмотрона", возбуждаемая в котором электрическая дуга, превращая продуваемый сквозь ее столб, соосный поток аргона в плазменный, стабилизировалась им, приобретала высокую устойчивость, проплавляла в объекте обработки некоторую полость, эвакуируя расплав проникала в нее и проявляла активные режущие свойства [б].

Перемещая такую дугу с надлежащей скоростью по намеченной траектории устойчиво получали ровный сквозной рез на алюминиевой пластине. Это послужило основанием для постановки и выполнения комплексной научно-исследовательской и конструкторской работы [6], в ходе которой были разработаны технологические принципы способа, его рабочий цикл и создан прототипный комплект оборудования для резки [13]. Были отработаны плазмотрон, способы зажигания дуги и управления процессом резки. Используя эти устройства выполнили предварительные исследования резки. Наряду с использованием аргона проверили возможность получения плазмы других газов: азота, водорода, гелия, кислорода, сложных газов -окислов, нитридов, смесей газов, а также воздуха, воды и ее пара [9]. Исследования показали, что во всех случаях плазма может быть получена, хотя водород вызывает высокое напряжение дуги, а воздух, кислород, вода и пар требуют стойкого против окисления катода. Нашли, что рабочая среда должна обеспечивать эффективное плазмообразование, надежную стабилизацию, высокую режущую способность дуги /как можно большую прорезаемую толщину и скорость резки/, длительную работу катода и сопла и

чистую поверхность получаемых резов, должна быть экономичной и доступной.

Опытная резка клинового образца по нашей оригинальной методике, получившей впоследствии применение в разных странах, показала [6] целесообразность резки плазмой, содержащей многоатомные газы. При высоких температурах они [17] диссоциируют на атомы и ионизируются, а на разрезаемом металле ионы рекомбинируют, а затем молизируются, выделяя ранее затраченную энергию. Наиболее эффективным оказался водород с благоприятными теплопроводностью, энергией диссоциации и потенциалом ионизации, перенося наибольшее количество теплоты. Высокие напряженность поля столба и анодное падение напряжения также эффективны для переноса эн�