Плазменно-механическая обработка сталей и сплавов

Преимущества плазменной сварки

По сравнению с традиционными видами сварки использование плазменного сварочного аппарата более безопасно. Причина вполне ясна – применение в качестве рабочего газа атмосферного кислорода под давлением

В настоящее время безопасности на производстве уделяется очень пристальное внимание со стороны владельцев бизнеса, руководителей и надзорных органов

Еще одно очень важное преимущество – высокое качество сварного шва (минимум наплывов, непроваров и других дефектов). Хотя для того чтобы научиться умело пользоваться плазменным сварочным аппаратом, необходимы долгие месяцы практики

Только в таком случае сварной шов и соединения в целом будут соответствовать высоким стандартам.

Данная технология имеет целый ряд и других преимуществ. Среди них: высокая скорость процесса сваривания (производительность возрастает), небольшой расход энергоресурсов (электроэнергия), высокая точность соединения, отсутствие деформаций и короблений.

Общие положения

Из школьных уроков по физике каждый знает, что вещество может существовать в четырех состояниях: твердое, жидкое, газ, а также плазма. Больше всего вопросов возникает при попытке представить последнее состояние. А на самом деле все не так сложно. Плазма – это тоже газ, только его молекулы, что называется, ионизированы (то есть оторваны от электронов). Такое состояние может быть достигнуто разными способами: в результате воздействия высоких температур, а также как результат бомбардировки электронами атомов газа в вакууме.

Такую плазму принято называть низкотемпературной. Такая физика процесса используется при осуществлении плазменного напыления (травления, насыщения) в вакууме. Помещая частицы плазмы в магнитное поле, им можно придавать направленное движение. Как показала практика, такая обработка более эффективна по ряду параметров классических операций в технологии машиностроения (насыщение в порошковых средах, газопламенная резка, поливание при помощи пасты на основе оксида хрома и так далее).

Особенности процессов плазменной обработки металлов

Как может производиться плазменная резка? Ответ на этот вопрос можно получить прочитав статью или посетив семинары на нашей выставке «Металлообработка».

Для начала следует отметить, что плазменную резку в зависимости от способа обработки подразделяют на поверхностную и разделительную. Поверхностный способ не получил широкого распространения.

В производстве чаще всего прибегают к разделительной технологии. Для резки поверхностным методом потребуется плазменная дуга и струя. В первом случае металл подсоединяется к электрической цепи. При работе по второму варианту дуга образуется между электродами. При этом сам лист к электрической цепочке не присоединяется.

Производительность резки плазмой значительно превышает производительность кислородной резки. Тем не менее для резки титановых и остальных деталей с большой толщиной рекомендуют остановиться на резке с использованием кислорода.

Для цветных металлов, а в особенности алюминия, обязательна плазменная резка. Плазменная обработка объективно менее опасна для человека (не используется сжатый кислород или горючий газ) и окружающей среды.

Кроме того, только эта технология позволяет выполнять фигурную резку металла. Одну и ту же работу техникой плазменной обработки металла в сравнении с газовой резкой выполняют быстрее.

Плазма образуется из активных (кислород) и неактивных (водород, азот и другие) газов. С помощью активных газов можно вырезать черные металлы (медь, сталь, алюминий). Неактивные газы применяют в случаях, когда требуется произвести нарезку цветных металлов.

В целях облегчения процесса резки металлов были разработаны полуавтоматы, а также мобильные инструменты. Весь ассортимент современного оборудования для плазменной обработки металлов можно увидеть на выставочной экспозиции. Переносные машины нуждаются в сжатом воздухе, а полуавтомату требуется газ.

Цементация против PulsPlasma — азотирования

Из перечисленных данных становится ясно, что PulsPlasma — азотирование является альтернативой классическим способам химико-термического упрочнения поверхности как цементация, азотирование и карбонитрирование в расплаве солей или газовое азотирование.

Еще одним, пока неосвещенным, является экономический аспект. На практическом примере показано, что целесообразно пересмотреть процесс изготовления деталей таким образом, чтобы отказаться от энерго — и экономически затратной цементации в пользу PulsPlasma — азотирования.

Необходимо принять во внимание, что такие свойства поверхностного слоя как поверхностная твердость, износостойкость, предел выносливости после азотирования аналогично высокие, а частично даже существенно лучше, чем после цементации. Что касается малых значений глубины азотированного слоя по сравнению с цементованным, то необходимо отметить, что по причине температурных деформаций и изменения размеров после цементации необходима дополнительная механическая обработка деталей

Это приводить к уменьшению толщины цементованного слоя. Прочностные требования, которые обеспечат высокие эксплуатационные характеристики деталей, можно реализовать с помощью азотирования благодаря правильному подбору подходящего материала

Что касается малых значений глубины азотированного слоя по сравнению с цементованным, то необходимо отметить, что по причине температурных деформаций и изменения размеров после цементации необходима дополнительная механическая обработка деталей. Это приводить к уменьшению толщины цементованного слоя. Прочностные требования, которые обеспечат высокие эксплуатационные характеристики деталей, можно реализовать с помощью азотирования благодаря правильному подбору подходящего материала.

В таблице в качестве примера приведен вариант использования вместо цементованного зубчатого колеса печатной машины из стали 15 CrNi 6 E детали после PulsPlasma — азотирования. Сталь для азотирования сначала была определена расчетным методом и подтверждена тестированием.

Таблица 3 Расчет на прочность зубчатых колес из разного материала после цементации и PulsPlasma — азотирования

В результате использования азотирования вместо цементации помимо увеличения ресурса работы зубчатого колеса был достигнут экономический эффект до 30 % при изготовлении детали.

Диаграмма 1 Сравнение стоимости изготовления детали методом цементации и PulsPlasma — азотирования

Материалы, подвергаемые плазменной резке

Следует учитывать тот факт, что максимально допустимая толщина обрабатываемого металла или сплава зависит от самого материала или его марки. Опираясь на многолетний производственный опыт и опыт лабораторных исследований, специалисты дают следующие рекомендации по толщине обрабатываемых материалов: чугун – не более девяти сантиметров, сталь (вне зависимости от химического состава и наличия легирующих элементов) – не более пяти сантиметров, медь и сплавы на ее основе – не более восьми сантиметров, алюминий и его сплавы – не более 12 сантиметров.

Все перечисленные значения характерны для условий ручной обработки. Примером такого агрегата отечественного производства может служить плазменный аппарат «Горыныч». Он гораздо дешевле зарубежных аналогов, при этом ничуть не уступает, а возможно, даже и превосходит их по качеству. На рынке представлен широкий модельный ряд аппаратов данного производителя, которые предназначаются для выполнения различных работ (бытовые сварочные работы, резка и сварка металлов различной толщины включительно). Листы большей толщины могут обрабатываться исключительно на станочном оборудовании большой мощности.

Оборудование для резки плазмой

Для резки металла плазмой выпускаются аппараты промышленного и бытового назначения. Все агрегаты для резки плазмой имеют в своём составе:

• источник питания;
• плазмотрон;
• компрессор для нагнетания сжатого газа;
• кабели и шланги, служащие для соединения элементов оборудования.

Источник питания может представлять собой инвертор или трансформатор. Инверторные агрегаты лёгкие, экономичные, обладают высоким коэффициентом полезного действия. Их часто применяют в небольших производствах. Имеют ограничение по силе тока — 70 А, способны резать материал только небольшой толщины до 30 мм.

Трансформаторные устройства более мощные, имеют больший вес и размеры. Они более устойчивы к перепадам напряжений, способны к долгой непрерывной работе и часто используются в станках с ЧПУ. Оборудование с системой водяного охлаждения способно резать металл толщиной до 100 мм. Источники питания для резки с применением кислорода имеют силу тока в диапазоне 100—400 А. При использовании азота, как плазмообразующего газа, этот диапазон увеличивается до 600 А.

Плазмотрон — это основной узел всех установок. В его состав входит:

• внутренний электрод;
• рабочее сопло;
• изолирующий корпус с охлаждением;
• устройство подачи плазмообразующего вещества.

В зависимости от условий обработки применяют разные газы для плазменной резки. Для сталей и сплавов применяют кислород и воздух. Воздушно-плазменная резка используется для обработки низколегированных сталей. При обработке цветных металлов плазмообразующими газами могут быть аргон, азот, водород. Это обусловлено тем, что в среде кислорода цветные металлы начинают окисляться. Смесь аргона с водородом чаще используется для резки нержавеющей стали и алюминия.

Температура потока газа находится в пределах 5000—30000 °C. При нижних значениях температур обрабатываются цветные металлы, при верхних — тугоплавкие стали.

Станки, как плазморежущее оборудование

Оборудование, применяемое для плазменного реза металлических заготовок бывает 2 типов: инверторные и трансформаторные. Инверторные приборы будут эффективны в тех ситуациях, если нужна максимальная производительность, а металл по толщине не превышает 3 сантиметров. У трансформаторных приборов обладают более низким коэффициентом полезного действия, но их применение рационально для реза толстостенного металла. Трансформаторный тип плазморезов не боится скачков напряжения. Он надежен и может выполнять как ручные работы, так и механизированные.

Кроме разделения на типы, приборы для реки плазмой бывают:

• Ручная воздушно плазменная резка. Приборы данного вида обладают компактностью, универсальностью и высоким энергопотреблением. Это коробка, которая укомплектована горелкой и шлангом;
• Портальный прибор. Производится в виде станка, имеющего просторную поверхность для проведения работ при реке плазмой. Для установки портального плазморезательного оборудования потребуется много свободной площади, а для его функционирования придется приобрести сильный источник электрической энергии;
• Переносные приборы представляют собой реечную раму, на которые будет укладываться, как в отсек, подготовленный металлопрокат.

Технологический процесс плазменной обработки (полировки) для полуавтоматизированной линии

Перед полированием изделие может быть подготовлено путём абразивной механической шлифовки (например, с помощью пескоструйной, барабанной или вибрационной установки). Это позволит сократить время электролитно-плазменного полирования при наличии заусенцев и других дефектов изделия.

Плазменное полирование проходит в 7 основных стадий:

1. Подготовка детали к обработке
2. Ручная загрузка на подвеску
3. Автоматизированные операции:
   1. подача напряжения на поднятую подвеску
   2. медленное опускание в электролит
   3. выдержка 2–5 минут
   4. подъем подвески с деталями
   5. отключение напряжения
4. Промывка в теплой воде
5. Сушка тёплым воздухом
6. Ручная выгрузка
7. Контроль

Изделие устанавливается на специальную подвеску, обеспечивается надежный электрический контакт. Затем подаётся рабочее напряжение, и деталь медленно погружается в предварительно подогретый электролит.

Методы интенсификации обработки

Для увеличения производительности путем очистки межэлектродного промежутка от продуктов обработки используют вибрации, наложенные как на заготовку или инструмент, так и на электролит.

В колебания ультразвукового диапазона частот передавались электролиту при помощи пластины диаметром 4 мм, подключенной к источнику УЗ колебаний и расположенной на дне ванны с электролитом. Ультра-звуковые колебания распространялись перпендикулярно поверхности заготовки. Это позволило увеличить глубину обработки, обеспечив достаточный поток электролита в зоне обработки для возникновения плазменного разряда и удаления обработанного материала из рабочей зоны. Газовый слой вытянулся вдоль электрода-инструмента под воздействием ультразвуковой волны, обеспечив тем самым однородность геометрической формы как в продольном, так и поперечном сечении. Использование УЗ колебаний, воздействующих на электролит, позволило уменьшить диаметр глухого отверстия с 426 мкм до 328 мкм и увеличить глубину обработки с 320 мкм до 550 мкм. Диаметр используемого электрода составлял 200 мкм.

В работе для интенсификации процесса прошивки отверстий использовался полый цилиндрический электрод, через полость которого прокачивался электролит. Применение прокачки электролита под давлением при электролитно-плазменной прошивке отверстий позволило увеличить скорость разрушения материала и достигаемую глубину отверстий. Увеличение глубины прошивки электродами диаметром 1,7 мм составило 70%, а для электродов диаметром 1,4 и 1 мм — 60 и 55% соответственно. Однако метод имеет и недостатки. Было замечено, что прокачка электролита под давлением в 30 кПа приводит к увеличению диаметра отверстия на 45,7%, 5,97%, и 3,49%, для электродов диаметром 1,7, 1,4 и 1 мм соответственно. Также с повышением давления увеличивается и конусность отверстий.

Авторы работы доказали, что использование абразивного инструмента с вращательным движением является лучшей конструкцией электрода для сверления отверстий в керамике, поскольку обеспечивает дополнительный электрический разряд и механическое воздействие для повышения скорости обработки. Эти методы сделали процесс удаления материала стабильным и, следовательно, привели к общему улучшению качества получаемых отверстий.

Из-за выступающей формы абразивных зерен поддерживается постоянный зазор в несколько мкм между инструментом и заготовкой во время обработки. Из-за этого происходит генерация дополнительных электрических разрядов под нижним торцом инструмента, что позволяет удалить дополнительный материал с рабочей поверхности.

PulsPlasma — азотирование

Первое применение азотирования в плазме появилось в 30-х и 40-х годах прошлого столетия. Позже, в 60-70-х годах этот метод развился до индустриальных масштабов. Первые установки азотирования в плазме имели холодные стенки камеры и работали с постоянным током. Дальнейший толчок в развитии азотирование в плазме получило в середине 80-х годов с появлением т.н. пульсирующего метода. При этом возбуждение плазмы достигается посредством пульсирующего постоянного напряжения. Появление электрической дуги избегается с помощью постоянного прерывания напряжения. Также необходимо разделять подводимую мощность плазмы и нагрев деталей до температуры обработки. Установки постоянного тока с необходимостью охлаждения стенок камеры для отвода избыточной тепловой энергии (установки с холодными стенками) постепенно теряют актуальность. Установки с горячими стенками с отдельным нагревом стенок камеры являются сегодня стандартом в плазменном азотировании.

При классических процессах азотирования и карбонитрирования в расплаве солей и газах происходит диссоциация азотосодержащих компонентов и образование азотированного слоя вследствие термохимического процесса в условиях атмосферного давления или небольшого избытка давления. Для разложения азотосодержащих компонентов, активации процесса и образовании нитридов необходима энергия термической реакции. Для поддержания процесса азотирования существует минимальная температура, при которой процесс насыщения еще не идет или идет очень медленно, что экономически не выгодно. Необходимые температуры процессов приведены в таблице 1.

В противоположность названным выше процессам при PulsPlasma — азотировании необходима энергия возбужденного газа (плазма тлеющего разряда), чтобы активировать необходимую реакцию для образования связующего слоя (СС) и диссоциации молекул азота на атомы.

Азотируемые детали, сформированные в садку, помещаются в нагреваемую вакуумную камеру. После откачки до рабочего давления (50 до 400 Па) между садкой (катод) и стенкой камеры (анод) прикладывают пульсирующее напряжение более сотни вольт, так что находящийся в камере газ ионизируется и становится электропроводным. В зависимости от величины приложенного напряжения между обрабатываемыми деталями и стенкой камеры зажигается тлеющий разряд, который в зависимости от давления, температуры и газа характеризуется определенным свечением. Активные атомы азота в смеси обрабатывающих газов могут образовывать с атомами железа азотируемой стали химическое соединение. Кроме того атомы азота диффундируют в зависимости от температуры и времени в глубь стали.

Для PulsPlasma — азотирования или карбонитрирования применяют смеси азота и водорода и газы с добавками углерода, как, к примеру, метан. В процессе азотирования происходит осаждение на поверхности обрабатываемой детали атомов азота с образованием нитрида железа FexNy – связующего слоя СС. В зависимости от продолжительности процесса насыщения и температуры атомы азота проникают вглубь приграничной зоны и образуют диффузионный слой (ДС). Этот азот может располагаться как в кристаллической решетке железа, так и содержаться в виде соединений. Образованные с помощью PulsPlasma — процесса слои в основном имеют схожее строение со слоями, полученными другими методами азотирования. СС располагается, в зависимости от материала и параметров процесса, в области около 1 – 20 мкм. Толщина диффузионной зоны, характеризующей толщину упрочненного слоя, может составлять при стандартных условиях азотирования до 0,6 мм.

Азотирование на глубину больше 0,6 мм, к примеру, для высоконагруженных деталей редукторов, возможно в случае подбора подходящего материала.

Существующие способы плазменной резки

Все существующие способы плазменной резки можно разделить на струйные и дуговые. Причем совершенно не имеет значения, используется ли ручной резак или же станок плазменной резки и раскроя листового материала с ЧПУ. В первом случае все необходимые условия для ионизации газа реализованы в самом резаке. Такой аппарат может обрабатывать практически любые материалы (металлы и неметаллы). Во втором случае обрабатываемый материал должен обладать электропроводностью (в противном случае не будет возникать электрическая дуга и происходить ионизация газа).

Помимо различий в способе образования плазмы, плазменная обработка может также классифицироваться по технологическим особенностям резания на простую (без использования вспомогательных веществ), на обработку с водой и обработку в среде защитного газа. Последние два способа позволяют значительно увеличить скорость резания и при этом не опасаться окисления металла.

3 Плазмообразующие газы и их влияние на возможности резки

Плазмообразующая среда – это, пожалуй, ключевой параметр процесса, который определяет его технологический потенциал. От состава данной среды зависит возможность:

• настройки показателя теплового потока в зоне обработки металла и плотности тока в нем (за счет изменения отношения сечения сопла к току);
• варьирования объема тепловой энергии в широких пределах;
• регулирования показателя поверхностного напряжения, химсостава и вязкости материала, который подвергается резке;
• контроля глубины насыщенного газом слоя, а также характера химических и физических процессов в зоне обработки;
• защиты от появления подплывов на металлических и алюминиевых листах (на их нижних краях);
• формирования оптимальных условий для выноса из полости реза расплавленного металла.

Кроме того, многие технические параметры оборудования, используемого для плазменной резки, также зависят от состава описываемой нами среды, в частности следующие:

• конструкция охлаждающего механизма для сопел устройства;
• вариант крепления в плазмотроне катода, его материал и уровень интенсивности подачи на него охлаждающей жидкости;
• схема управления агрегатом (его циклограмма определяются именно расходом и составом газа, используемого для формирования плазмы);
• динамические и статические (внешние) характеристики источника питания, а также показатель его мощности.

Мало знать, как работает плазменная резка, кроме этого следует правильно подбирать комбинацию газов для создания плазмообразующей среды, принимая во внимание цену применяемых материалов и непосредственно себестоимость операции резки. Как правило, для полуавтоматической и ручной обработки коррозионностойких сплавов, а также машинной и экономичной ручной обработки меди и алюминия используют среду, образованную азотом

А вот уже низколегированная углеродистая сталь лучше режется в кислородной смеси, которую категорически нельзя применять для обработки изделий из алюминия, стойкой против коррозии стали и меди

Как правило, для полуавтоматической и ручной обработки коррозионностойких сплавов, а также машинной и экономичной ручной обработки меди и алюминия используют среду, образованную азотом. А вот уже низколегированная углеродистая сталь лучше режется в кислородной смеси, которую категорически нельзя применять для обработки изделий из алюминия, стойкой против коррозии стали и меди.