Автор: 
Кольченко Владимир Александрович

Металлические сплавы, которые мы по привычке называем нержавеющими сталями, на самом деле это довольно обширный список материалов, которые даже между собой имеют сильные различия и по химическому составу, и по физико-механическим свойствам. Однако для тех, кто работает с такими материалами, это всегда означает особые технологии производства и обработки для получения конечного изделия.
Примем как должное, что нержавеющая сталь обязательно имеет в своем составе никель (Ni), хром (Cr) и далее сложный набор других редких металлов. Не секрет, что более широкое применение класса нержавеющих сталей в развитии человеческой цивилизации все еще сдерживается серьезными сложностями и значительными затратами по добыче и переработке легирующих металлов типа никеля, хрома, молибдена, ванадия, титана и пр. А еще такие стали сложно резать на заготовки, выполнять механическую обработку, сваривать и даже красить.
В чем же главное отличие высоколегированных сталей от обычных?
• Высокая механическая прочность, препятствующая процессу холодной механической резки.
• Наличие легирующих металлов, препятствующих течению процесса окисления железа в струе кислорода при классической автогенной резке.
• Гораздо большее значение теплоемкости, не позволяющее сосредотачивать энергию в зоне резки или сварки.
Однако без нержавеющих сталей невозможно представить достижения химической промышленности, авиации, ракетостроения, атомной энергетики и вообще современного человечества, поэтому инженерам пришлось искать способы получения заготовок максимально эффективным способом. Если не считать механическую обработку, а ей тоже приходится пользоваться до сих пор, то существует три основных процесса термической резки нержавеющих сталей:
1. кислородно-флюсовая,
2. плазменная,
3. лазерная.
Не то чтобы кислородно-флюсовая резка перестала использоваться после появления технологий плазменного и лазерного раскроя, но сегодня этот процесс скорее экзотический или узкопрофильный. Лазерный раскрой как логическое продолжение идей плазменного процесса все еще не способен преодолеть энергетические ограничения по источникам тепловой энергии и по цене оборудования. Поэтому можно смело утверждать, что сегодня наиболее распространенным и эффективным способом термической резки нержавеющих сталей является именно плазменная технология.
Для рассмотрения особенностей плазменной резки нержавеющих сталей стоит понять в первом приближении, как расходуется тепловая мощность плазменной дуги на выполнение работы по разрезанию металла. Укрупненно диаграмма распределения энергии представлена на рис. 1.

Тепловая мощность дуги
Потери на нагрев заготовки Потери на нагрев электрода и газа Выполнение реза

Рис. 1. Диаграмма распределения энергии
Потери на нагрев заготовки прямо пропорциональны теплофизическим свойствам нержавеющих сталей, которые чрезвычайно эффективно поглощают вводимое тепло и с высокой скоростью распределяют тепловую энергию по телу заготовки. Противопоставить этому эффекту можно только увеличение вводимой в систему тепловой энергии, а значит, повышение мощности режущей дуги.
Тепловая энергия, необходимая для выполнения непосредственно расплавления металла в зоне реза и выдувания его струей плазмы, в целом не сильно отличается от энергии, требуемой для резки углеродистой стали, поскольку физические характеристики плавления сталей очень близки.
Что скрывается за понятием потери на нагрев электрода и газа? Это энергия, которая по тем или иным причинам не совершила полезную работу по разрезанию металла заготовки. Можно считать, что это косвенная оценка эффективности плазмообразующего оборудования и физического процесса формирования и поддержания технологических характеристик плазменной дуги. Поскольку наращивать мощность дуги, увеличивая ток и напряжение, нельзя до бесконечности по разным причинам, то возникает задача повысить КПД процесса, не увеличивая ток резки.
На сегодняшний день существуют три основных типа плазматрона и, соответственно, технологии для резки нержавеющих сталей (рис. 2).
Одногазовый плазматрон — это фактически родоначальник промышленного применения технологии плазменной резки. Его неоспоримым преимуществом является простота, дешевизна, как оборудования, так и расходных материалов, применение в качестве газа обычного сжатого воздуха, а также возможность передавать большую тепловую мощность. Единственное усовершенствование, которое было применено к такому типу оборудования специально для резки нержавеющих сталей, — это замена сжатого воздуха на чистый азот. Многолетние эксперименты различных производителей доказали, что такой тип оборудования и технологии более не соответствует современным требованиям по качеству заготовок, экономической эффективности.
Главной проблемой одногазового плазматрона является быстрая потеря энергии по внешней части плазменной дуги. Если не считать работы по магнитному сжатию столба дуги, то первым эффективным способом защитить внешнюю часть дуги от внешней среды стала подача воды на выходе из плазматрона. Это кажется немного странным, ведь мы только что боролись за сохранение и превращение в полезную работу энергии дуги, а теперь фактически отбираем энергию, чтобы превратить воду в пар!

   

Как это бывает постоянно в инженерном деле, все дело в балансе положительных и отрицательных эффектов для конкретной задачи. Выходящая из плазматрона вода не течет, как ей захочется, а тоже завихряется, создавая эффект торнадо с зонами повышенного и пониженного давления, что приводит к сжатию столба дуги, а значит, и к увеличению плотности энергии в эффективной зоне резки. Но и это оказалось не все. Вода под действием энергии разделяется на атомарный водород и кислород, образуя в зоне резки восстанавливающую атмосферу и вступая в реакции с металлами и окислами. Еще один положительный для процесса эффект проявился в том, что атомарный водород — отличный проводник электричества, и повышение его концентрации в дуге привело к удлинению столба дуги. А это значит, что при тех же энергетических затратах максимальная толщина разрезаемой нержавеющей стали увеличилась!

Итак, технология плазменной резки нержавеющих сталей в водяном тумане: основное оборудование не сложнее, чем у предыдущего поколения одногазовых плазматронов, для более качественной резки требуется применить чистый азот и обычную воду. При этом оборудование позволяет без перенастройки пользоваться одногазовым процессом на обычном воздухе. Процесс безопасен. Единственный минус — это довольно громоздкая конструкция плазматрона, которая затрудняет визуальный контроль за горением дуги, а также требует отдельного устройства поиска поверхности листа для машин с ЧПУ.
Технология и оборудование с завихряющим газом изначально не разрабатывалась для резки нержавеющих сталей, как резка в водяном тумане. Однако именно этот тип оборудования и технология на сегодняшний день являются наиболее совершенными для плазменной резки.
Технологический процесс плазменной резки с завихряющим газом обеспечивает:
1. сжатие столба дуги внешним завихряющим газом,
2. увеличение плотности тепловой энергии в столбе дуги.
3. применение разных комбинаций плазмообразующего и завихряющего газов осуществляется для: удлинения эффективного столба дуги за счет принудительного ввода водорода в состав плазмообразующего газа; улучшения физико-химических характеристик кромки реза за счет введения аргона в состав плазмообразующего газа. Особенности различных газов, применяемых для плазменной резки, и их роль рассмотрены в таблице 1 и 2.

Таблица 1. Газы, применяемые для плазменной резки
Воздух Воздух состоит в основном из азота (ок. 70%) и кислорода (ок. 21%). Поэтому могут одновременно использоваться полезные свойства обоих газов. Воздух является одним из самых дешевых газов и применяется для резки нелегированных, низколегированных и высоколегированных сталей.
Азот (N2) Азот — это химически пассивный газ, реагирующий с деталью лишь при высоких температурах. При низких температурах он инертен. В отношении свойств (теплопроводности, энтальпии и атомной массы) азот можно поместить между аргоном и водородом. Поэтому его можно использовать в качестве единственного газа в диапазоне тонких высоколегированных сталей — как в качестве режущего, так и в качестве вихревого.
Аргон
(Ar)
Аргон является инертным газом. Это означает, что при процессе резки он не реагирует с материалом. Благодаря большой атомной массе (самой большой среди всех газов для плазменной резки) он эффективно выталкивает расплав из реза. Это происходит благодаря достижению большой кинетической энергии струи плазмы. Однако аргон не может использоваться в качестве единственного газа для резки, так как  имеет низкую теплопроводность и малую теплоемкость.
Водород
2)
В отличие от аргона, водород имеет очень хорошую теплопроводность. Кроме того, водород диссоциирует при высоких температурах. Это означает, что от электрической дуги отбирается большое количество энергии (так же, как при ионизации), и граничные слои лучше охлаждаются. Благодаря этому эффекту электрическая дуга сжимается, т. е. достигается более высокая плотность энергии. В результате процессов рекомбинации отобранная энергия снова высвобождается в виде тепла в расплаве. Однако водород тоже непригоден в качестве единственного газа, так как, в отличие от аргона, он имеет очень малую атомную массу, и поэтому не может достигаться достаточная кинетическая энергия для выталкивания расплава.
F5 5% водорода, 95% азота
Н35 35% водорода и 65% аргона

 

Таблица 2. Преимущества и недостатки различных технологий

Плазмообразующий Завихряющий Результат
Воздух Воздух + Высокая скорость резки, мало грата, низкая стоимость реза, ровный край
- Сильно окисленная поверхность реза, почернение, большая шероховатость, требуется дальнейшая обработка кромки
N2 N2 + Окалина на поверхности реза менее стойкая, и ее меньше, чем при резке воздухом
- Черный край, оплавление верхней кромки, косина реза
N2 Вода + Поверхность реза без окалины, ровный верхний край, низкая стоимость реза, мало дыма
- Отработанная вода требует специальных методов очистки и слива, при резке под водой высока вероятность аварийного столкновения плазматрона
F5 N2 + Поверхность реза без окалины, ровный верхний край, малая косина реза
- Максимальная толщина резки до 20 мм.
Н35 N2 + Поверхность реза без окалины золотистого или синего цвета, рез практически перпендикулярный без оплавления кромки и грата
- Дорогой газ Н35, не всегда доступен, неприменимо для малых толщин, возможен грат на малых толщинах

Рис. 3. Примеры плазменной резки с помощью различных технологий
Некоторые примеры из практики применения различных технологий (рис. 3):
1. Воздух\воздух — самый простой и дешевый способ резки нержавеющих сталей. Для повышения качества кромки реза требуется максимально чистый и сухой сжатый воздух. Классический пример оборудования — это АПР‑404 с плазматроном ПВР‑412. Технологическое ограничение по максимальной толщине реза до 100 мм, рекомендовано 80 мм, пробивка не более 50 мм. Имеются примеры доработки оборудования для достижения толщины резки 120 мм нержавеющей стали или алюминия, но это не является штатными характеристиками.
2. Азот\азот — это более качественный и надежный способ по сравнению с воздух\воздух, ограничением применения является необходимость работы с баллонами сжатого азота. Однако улучшение качества деталей заметное. Также применение азота позволяет увеличить максимальную толщину разрезаемого металла.
3. Массовое применение технологии резки в водяном тумане сдерживается необходимостью очистки воды, поскольку качество технической воды в России по количеству примесей значительно хуже, чем в Европе или США. Наиболее качественным производителем такого типа оборудования с богатым опытом внедрения технологии является компания из США, которую у нас больше знают как Thermal Dynamics, хотя сегодня это компания Victor Technologies. В этом году на мировой рынок поступило новое оборудование от компании Hypertherm серии XPR300, которое сочетает в себе технологии и водяного тумана, и классической двухгазовой с завихрением.
4. Резка нержавеющих сталей толщиной от 100 мм до 160 мм с высоким качеством кромки с фактическим допуском на дальнейшую механическую обработку до 3,0 мм невозможна без применения водорода. Следует признать, что наибольших успехов в разработке подобной технологии достигла компания из Германии Kjellberg. На сегодняшний день им принадлежит рекорд по максимальной толщине резки нержавеющей стали плазмой в 250 мм. Неоспоримым преимуществом продукции Kjellberg является наличие специальной автоматической газовой консоли, которая способна работать со всеми типами газов как по отдельности, так и с готовыми смесями. Большое количество вариантов соотношения газов уже запрограммировано в консоли, а также есть возможность создать свою уникальную комбинацию газов. К сожалению, не только высокая цена оборудования препятствует более масштабному применению технологии, но и определенные трудности с поставкой, хранением на рабочем месте баллонов с чистым водородом и специальной запорной арматурой для них.
5. Массовое использование смесей типа F5 или H35 все еще недоступно для большинства предприятий в России. С одной стороны, отсутствуют нормативы, по которым после резки в смеси можно было бы выполнять сварку (без обязательной механической зачистки кромки в ЗТВ), с другой стороны, стоимость последующей доработки кромки не учитывается как фактор увеличения себестоимости продукции. Также присутствует проблема значительной удаленности потребителей газов от предприятий — изготовителей технических газов и их смесей.
На сегодняшний день технологии плазменной резки нержавеющих сталей не остановились в своем развитии, и, я думаю, мы еще увидим новые интересные решения, которые будут улучшать качество реза и снижать стоимость.

Директор ООО «АВТОГЕНМАШ»
Кольченко Владимир Александрович
www.autogenmash.ru, (4822) 32-86-33, 32-86-44

Реклама наших партнеров