CC BY
167
УДК 621.387.143 + 621.9.01:621.387.147
НОВЫЙ ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ РЕЗКИ МЕТАЛЛА ПОД СВАРКУ: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
С.В. Анахов1, А.В. Матушкин2, Ю.А. Пыкин3'4
1 Российский государственный профессионально-педагогический университет,
г. Екатеринбург;
2 Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург;
3 Уральский государственный лесотехнический университет, г. Екатеринбург;
4 ООО НПО «Полигон», г. Екатеринбург
Рассматривается новый одноконтурный плазмотрон для резки металлов под сварку с улучшенными газодинамическими характеристиками. Конструкция плазмотрона создана в процессе решения проблемы равномерного распределения потока плазмообразующего газа по сечению газовоздушного тракта плазмотрона. В результате анализа различных конструктивных вариантов газовоздушного тракта - с увеличенным объемом расширительной камеры, с модификацией длины, количества и формы каналов завихрителя, с системой газодинамических фильтров в расширительной камере - создана комплексная система газовихревой стабилизации плазменной дуги. Система газодинамических фильтров представляет собой совокупность препятствий различной формы, установленных в расширительной камере, функцией которых является равномерное распределение потоков ПОГ по каналам завихрителя. Представлены результаты компьютерного моделирования, обосновывающие эффективность проектирования.
Проведен сравнительный анализ параметров эффективности и безопасности его работы. В процессе анализа параметров качества поверхности кромок реза (отклонения поверхности реза от перпендикулярности, величины шероховатости поверхности реза, размера зоны термического влияния) установлено, что новый плазмотрон осуществляет резку металла под сварку на уровне 1-го класса качества. Показано также улучшение параметров безопасности при работе с новым плазмотроном.
Ключевые слова: плазмотрон, проектирование, газовихревая система, газодинамический фильтр, газовоздушный тракт, плазмообразующий газ, стабилизация, резка, качество, перпендикулярность, шероховатость, зона термического влияния, эффективность, безопасность, шум, уровень звукового давления, излучение.
Характерной особенностью конструкций большинства применяемых для разделки металлов под сварку дуговых плазмотронов постоянного тока является применение газовихревой системы стабилизации плазменной дуги [1]. Тангенциально закрученный поток плазмообразующего газа стабилизирует катодное пятно, предотвращает шунтирование плазменной дуги и изолирует начальный участок плазменной струи от стенок канала соплового узла, формирует геометрию и кинетические свойства струи на выходе из сопла, способствуя, помимо улучшения вышеперечисленных параметров и снижению акустической нагрузки [2]. Проведенные авторами исследования показали, что применяемые способы газовихревой стабилизации в таких плазмотронах не обеспечивают в должной мере равномерность распределения пото-
ка плазмообразующего газа (ПОГ) по сечению газовоздушного тракта (ГВТ), снижая тем самым эффективность работы плазмотрона. В результате анализа некоторых конструктивных решений, позволяющих решить упомянутую проблему, был разработан плазмотрон ПМВР-2М с новой системой газовихревой стабилизации (рис. 1).
В современных металлорежущих плазмотронах, как правило, применяются 2 системы подачи газа - одноконтурная (используется единый поток ПОГ для формирования и стабилизации плазменной дуги (струи)) и двухконтурная (2 потока газа -плазмообразующий и стабилизирующий). Система газовихревой стабилизации одноконтурных плазмотронов, как правило, включает в себя помимо соплового узла расширительную камеру, предназначенную для выравнивания потока ПОГ по се-
Рис. 1. Дуговой плазмотрон ПМВР-2М для резки металлов под сварку
Сварка, родственные процессы и технологии
Рис. 2. Моделирование течения скорости потока ПОГ в системе газовихревой стабилизации плазмотрона: а - без системы фильтров; б - с системой фильтров
чению ГВТ и завихритель. В процессе поиска решений проблемы равномерного распределения потока ПОГ по сечению ГВТ плазмотрона были проанализированы различные варианты газовихревой системы - с увеличенным объемом расширительной камеры, с модификацией длины, количества и формы каналов завихрителя, с системой газодинамических фильтров в расширительной камере.
Система газодинамических фильтров представляет собой совокупность препятствий различной формы, установленных в расширительной камере, функцией которых является равномерное распределение потоков ПОГ по каналам завихри-теля. Газодинамический анализ проводился путем моделировании течения потока газа по каналам ГВТ плазмотрона в среде SolidWorks в приложении Flow simulation. Задачей исследований был выбор оптимальной конструкции газовихревой системы, сочетающей преимущества различных способов выравнивания потоков ПОГ. В результате исследований была разработана, исследована и оптимизирована конструкция плазмотрона ПМВР-2М с увеличенным объемом расширительной камеры и системой газодинамических фильтров, представляющих собой совокупность сплошной и перфорированной вертикальных стенок различной формы исполнения, а также укороченным завихрите-лем с шестизаходной резьбой. Были предложены и конструктивные изменения в форму соплового узла, учитывающие авторские разработки по проектированию плазмотронов с учетом факторов их безопасного применения.
Проведенное газодинамическое моделирование показало эффективность применения новой системы газовихревой стабилизации, обеспечивающей равномерное распределение потока ПОГ
по каналам завихрителя и в сечении соплового узла (рис. 2). Помимо численного анализа было выполнено экспериментальное исследование параметров эффективности и безопасности работы нового плазмотрона ПМВР-2М в сравнении с базовым плазмотроном ПМВР-М (ООО НПО «Полигон»), хорошо зарекомендовавшим себя на предприятиях Уральского региона.
Для анализа качества поверхности выполненного плазмотронами реза была проведена плазменная резка плоских контрольных пластин стали 09Г2С толщиной 10 мм при разных углах наклона плазмотрона по схеме, представленной на рис. 3. Режимы резки пластин - в табл. 1.
В процессе анализа качества поверхности кромок реза фиксировались параметры, определяемые ГОСТ 14792-80, - отклонение поверхности реза от перпендикулярности, величина шероховатости поверхности реза, размер зоны термического влияния (ЗТВ). Дополнительно был выполнен замер изменения твердости поверхностей, прилегающих к кромке реза металла, по схеме, приведенной на рис. 4. Определение величин зоны оплавления и ЗТВ выполнено на макрошлифах с использованием оптического микроскопа ЙЕНАФОТ 2000. Поверхность шлифов подготавливали на шлифовально-полировальном станке Ecomet 250/300 Grinder-Polisher, Automet 250/300 Power Head BUEHLER. Травление поверхности образцов выполнено в 4-5 % спиртовом растворе HNO3 с промывкой водой и спиртом. Для измерения твердости использован на автоматический твердомер Виккерс КВ 30. Результаты измерений представлены в табл. 2 и 3, на рис. 5.
Анализ экспериментальных данных свидетельствует о небольшом раскрытии кромок вертикальных резов (Д = 0,8-1,1 мм) при резке плазмо-
Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy.
2015, vol. 15, no. 1, pp. 65-69
Анахов С.В., Матушкин А.В., Пыкин Ю.А.
Новый плазмотрон для резки металла под сварку: сравнительный анализ
троном ПМВР-М, что соответствует верхнему пределу 2-го класса качества по ГОСТ 14792-80. Качество вертикальных резов плазмотроном ПМВР-2М выше и соответствует верхнему пределу 1-го класса качества по ГОСТ 14792-80 (Д=0,2-0,5 мм). Качество косых резов обеими плазмотронами приблизительно одинаково. Величина радиуса закругления верхней кромки реза для всех случаев соответствует требованиям ГОСТ 14792-80 (менее 2 мм) с небольшим улучшением (на 0,1 мм) для плазмотрона ПМВР-2М.
Глубина зоны перегрева на образцах составляет от 0,7 до 0,9 мм, что соответствует расстоянию от кромки реза до 5-й точки замера и 2-му классу точности по ГОСТ 14792-80. Твердость, измеренная на этих участках, на заготовках, полученных при резке плазмотронам ПМВР-2М, в основном ниже, чем у аналогичных образцов, полученных при резке ПМВР-М. Данный эффект
-и
I
а)
Рис. 3. Схема резки под разными угл Режимы резки (П - перпендикулярный
можно объяснить меньшей величиной тепловло-жения при выполнении резки (14 кВт потребляемой мощности ПМВР-2М и 21 кВт ПМВР-М -табл. 1).
Представленные данные показывают, что новая система газовихревой стабилизации плазмотрона ПМВР-М улучшает качество поверхности реза и энергоэффективность процесса. Кроме этого, улучшение профиля газовоздушного тракта плазмотрона ПМВР-2М позволяет добиться и снижения уровня шумового загрязнения в рабочей зоне. В характерном для большинства плазменных резаков диапазоне сверхнормативного излучения (1-20 кГц) данный плазмотрон имеет на 5-8 дБ меньшие уровни звукового давления в 1/3-октав-ных диапазонах спектра, чем серийно выпускаемый плазмотрон ПМВР-М [2]. В результате уровень суммарной звуковой мощности в нормируемом диапазоне слышимой части спектра (до 8 кГц)
б)
наклона плазмотрона: а - 90°; б -30°
Таблица 1
(рис. 3, а); У - рез под углом (рис. 3, б))
Параметр Плазмотрон
ПМВР-М ПМВР-2М
П У П У
Ток дуги, А 110 105 88 80
Напряжение дуги, В 200 200 160 180
Скорость резки, м/мин 0,54 0,54 0,5 0,5
Диаметр сопла, мм 2 2 2 2
Расстояние до среза сопла L, мм 5 5 5 5
Давление плазмообразующего газа, МПа 0,45 0,45 0,5 0,5
40
Л
V 2,5 мм
Рис. 4. Схема замера твердости ЗТВ кромки реза (кромка реза слева)
Сварка, родственные процессы и технологии
Таблица 2
Качественные показатели поверхности вертикального реза
Параметр ПМВР-М ПМВР-2М
Кромка 1 Кромка 2 Кромка 1 Кромка 2
Отклонение от перпендикулярности, град (Д, мм) 83 (1,1) 85 (0,8) 87 (0,5) 89 (0,17)
Радиус оплавления верхней кромки, мм 1,0 1,0 0,9 0,9
Шероховатость поверхности реза Яг, мкм 6,1 6,8 10,2 -
Общая величина зоны термического влияния, мкм 800 800-900 800-900 700-800
Зона оплавления, мкм 5 10 5 50
Качественные показатели поверхности косого реза Таблица 3
Параметр ПМВР-М ПМВР-2М
Кромка 1 Кромка 2 Кромка 1 Кромка 2
Отклонение от оси наклона, град 110 115 110 116
Радиус оплавления верхней кромки, мм 1,2 1,0 1,0 1,2
Шероховатость поверхности реза Яг, мкм 7,2 7,0 5,0 5,0
Общая величина зоны термического влияния, мкм 700-800 700 800 500-550
Зона оплавления, мкм - 30 15 10
400
350
Se 300
л н 250
и
о цд 200
а
о » 150
H
100
а) б)
Рис. 5. Твердость в точках замера нижней части кромок реза по Виккерсу: а - вертикального (1-1 - ПМВР-М, 3-1 - ПМВР-2М); б - косого (2-1 - ПМВР-М, 4-1 - ПМВР-2М)
нового плазмотрона оказывается на 4-6 дБ меньше, чем у базового, что фактически означает увеличение допустимого времени работы для плазморез-чика на 2-3 ч в смену. По всей видимости, подобный эффект достигается за счет эффекта улучшения стабилизации плазменной струи, а, следовательно, снижения масштаба пульсаций скорости и её радиальных градиентов, определяющих интенсивность шума турбулентных струй.
Литература
1. Анахов, С.В. Принципы и методы проектирования в электроплазменных и сварочных технологиях: учеб. пособие / С.В. Анахов; под ред. А. С. Боруховича. - Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2014. - 144 с.
2. Анахов, С.В. Плазмотроны: проблема акустической безопасности. Теплофизические и газодинамические принципы проектирования малошумных плазмотронов / С.В. Анахов, Ю.А. Пыкин. -Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2012. - 224 с.
Анахов Сергей Вадимович, канд. физ.-мат. наук, заведующий кафедрой физико-математических дисциплин, Российский государственный профессионально-педагогический университет, г. Екатеринбург; sergej.anahov@rsvpu.ru, s_anakhov@yahoo.com.
Матушкин Анатолий Владимирович, старший преподаватель кафедры технологии сварочного производства, Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург; 227433@e1.ru.
Пыкин Юрий Анатольевич, д-р техн. наук, профессор кафедры физико-химических технологий защиты биосферы, Уральский государственный лесотехнический университет, г. Екатеринбург; генеральный директор ООО НПО «Полигон»; yappoligon@mail.ru.
Поступила в редакцию 13 января 2015 г.
Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy.
2015, vol. 15, no. 1, pp. 65-69
Анахов С.В., Матушкин А.В., Пыкин Ю.А.
Новый плазмотрон для резки металла под сварку: сравнительный анализ
A NEW PLASMATRON FOR METAL CUTTING FOR WELDING: A COMPARATIVE ANALYSIS
S.V. Anakhov, Russian State Vocational-Professional University, Yekaterinburg, Russian Federation, sergej.anahov@rsvpu.ru, s_anakhov@yahoo.com,
A.V. Matushkin, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 227433@e1.ru,
Yu.A. Pykin, Ural State Forest Engineering University, Yekaterinburg, Russian Federation, yappoligon@mail.ru
A new one-circuit plasmatron for metal cutting for welding with improved gas-dynamic characteristics is considered. The plasmatron design is created during the solution of the gas-dynamic problem of the nonuniform distribution of a plasma gas stream along the section of the plasmatron air-gas path. As a result of the analysis of various constructive variants of the air-gas path, such as the increased volume of the expansion chamber, the modification of the length, quantity and the form of gas rotating channels, the system of gas-dynamic filters in the expansion chamber, a complex system of gas rotating stabilization of a plasma arc is created. The system of gas-dynamic filters consists of a set of obstacles of various forms established in the expansion chamber, their functions represent uniform distribution of plasma gas streams along rotating channels. The results of computer modeling proving the design efficiency are presented.
The comparative analysis of efficiency and safety parameters is presented. During the analysis of parameters of the cutting edge surface quality (deviations from perpendicularity, roughness size, the size of the heat-affected zone) it was established, that the new plasmatron performs metal cutting for welding of the 1 st quality class. The improvement of safety parameters is also shown in the work of the new plasmatron.
Keywords: plasmatron, designing, gas rotating system, gas-dynamic filter, gas-air path, plasma gas, stabilization, cutting, perpendicularity, roughness, heat-affected zone, efficiency, quality, safety, noise, level of sound pressure, radiation.
1. Anakhov S.V. Printsipy i metody proektirovaniya v elektroplazmennykh i svarochnykh tekhnologiyakh [Principles and Methods of Designing in Electroplasma and Welding Technologies]. Yekaternburg, Rus. St. Voc. Prof. Univ. Publ., 2014. 144 p.
2. Anakhov S.V., Pyckin Yu.A. Plazmotrony: problema akusticheskoy bezopasnosti. Teplofizicheskie i gazo-dinamicheskie printsipy proektirovaniya maloshumnykh plazmotronov [Plasmotrons: The Problem of Acoustic Safety. Thermophysical and Gas-Dynamics Principles of Reduced Noise Plasmotron Designing]. Yekaterinburg, Ural Branch RAS Publ., 2012. 224 p.
References
Received 13 January 2015
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
REFERENCE TO ARTICLE
Анахов, С.В. Новый плазмотрон для резки металла под сварку: сравнительный анализ / С.В. Анахов, А.В. Матушкин, Ю.А. Пыкин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2015. - Т. 15, № 1. - С. 65-69.
Anakhov S.V., Matushkin A.V., Pykin Yu.A. A New Plasmatron for Metal Cutting for Welding: a Comparative Analysis. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2015, vol. 15, no. 1, pp. 65-69. (in Russ.)
