Full Text

Плазмотроны - один из наиболее эффективных инструментов в технологиях резки металлов. Несмотря на постепенное расширение сферы применения альтернативных способов термической резки, плазмотрон остается фактически незаменимым при резке металлов средних толщин (в том числе под сварку), разделке металлопроката и т.д. Разработанные еще в советские годы принципы проектирования плазморезательного оборудования [1, 2] позволяют и в настоящее время выпускать достаточно производительные плазмотроны [3, 4], однако появление с начала 2000-х гг. широкого спектра импортного оборудования сделало вопрос определения конкурентных преимуществ одним из ключевых при выборе конкретной плазменной технологии. Сравнительный анализ, произведенный по отдельным технологическим характеристикам, показывает, что современные отечественные плазмотроны для резки металлов уступают продукции ведущих зарубежных изготовителей по показателям производительности, энергоэффективности, качества и даже безопасности процесса. Особо следует отметить фактическое отсутствие на отечественном рынке плазмотронов, работающих по технологии узкоструйной плазмы. Подобная технология, называемая также «точной» или «сжатой плазмой», появилась у зарубежных производителей (Kjelberg, HyperTherm, MesserGreisheim) в 2005-2010 гг. и позволила поднять плазменную резку на новый уровень качества, эффективности и безопасности, сделав ее фактическим конкурентом лазерной резке металлов малых толщин. С целью преодоления упомянутого отставания авторами данной публикации были проведены исследования по систематизации существующих на данный момент принципов проектирования плазмотронов для резки металлов [5]. По результатам данных исследований были сформулированы методы проектирования, улучшающие параметры работы плазморезательного оборудования, и разработаны новые плазмотроны (ПМВР-2М, ПМВР-3) с более эффективными показателями по производительности, качеству и безопасности резки [6]. Отдельно выделим разработку серии плазмотронов ПМВР-5 для механизированной воздушной плазменной резки, работающих по технологии узкоструйной плазмы. Появление нового оборудования требует экспериментального обоснования эффективности его работы по сравнению как с ранее производимыми аналогами, так и с современными отечественными и зарубежными образцами. В этой связи встает вопрос об определении набора сравнительных технологических параметров, а также выборе методов, средств и объема необходимых для их определения испытаний. При этом следует учесть, что, помимо соблюдения необходимых сертификационных требований (соответствия ГОСТам и СНИПам), возникают потребности обоснования конкурентных преимуществ по достаточно широкому спектру потребительских и технологических характеристик. Последнее требование существенно увеличивает объем и, соответственно, стоимость достаточно непростых экспериментальных исследований и заставляет производить сравнение большого числа как отечественных, так и импортных образцов оборудования. При выборе критериев для оценки эффективности разработанных в авторском коллективе плазмотронов был произведен анализ большого числа параметров, характеризующих работу современных плазмотронов, произведенных различными изготовителями [5]. Как выяснилось, количество демонстрируемых производителями показателей существенно меньше числа критериев, нормируемых стандартами, причем сравнение со стандартами производится в достаточно редких случаях без ссылок на экспериментальные методики. Кроме того, в настоящее время фактически отсутствует регламент, обеспечивающий процедуру комплексного исследования результативности проектирования по критериям эффективности и методика сравнительного интегрального анализа плазмотронов. Для анализа эффективности работы плазмотронов был взят технологический регламент испытания параметров качества и безопасности технологии плазменно-дуговой резки металлов, предложенный авторами в работе [5]. Данный регламент предусматривает трехстадийную методику исследований, включающую в себя технологические испытания плазмотронов, экспериментальные исследования качества разделительной резки (включая дополнительные исследования сварных швов, полученных после плазменной резки) и факторов безопасности в рабочей зоне плазменной резки. При этом целью первой стадии исследований является отбор плазмотронов по типам, вольт-амперным характеристикам, заявленным скоростям резки и толщинам разрезаемых металлов в соответствии с заводской номенклатурой и требованиями технологии, а также определение оптимальных и предельных параметров процесса. В качестве основных параметров сравнения на этой стадии следует выбрать производительность (1П - скорость резки) и энергоэффекетивность (1Э - потребляемую мощность). На второй стадии после пробоподготовки, изготовления образцов и подготовки поверхности (удаления окалины, химической очистки и т.д.) определяются параметры качества резки металлов и характеристики сварных швов, полученных после плазменной резки под сварку. На третьей стадии испытаний основное внимание уделяется исследованию параметров безопасности плазменной резки. Разумеется, испытания должны происходить при одинаковых условиях (резке металлов одинакового сортамента, толщины и т.д.). Исследования параметров качества плазменной резки Исследование образцов после плазменной резки Исследование образцов после сварки (дополнительные) 1К Перпендикулярность кромки реза 1КС Твердость металла шва, ЗТВ (HB, HR, HV) 2К Шероховатость поверхности кромки 2КС Микротвердость структурных составляющих металла шва, ЗТВ (HV) 3К Отклонения размеров от номинальных (точность реза) 3КС Испытания на ударную вязкость металла шва, ЗТВ при разных температурах (KCV) 4К Твердость поверхности кромки реза в верхнем, среднем и нижнем слое (HB, HR, HV) 4КС Испытания на растяжение металла шва, ЗТВ при разных температурах 5К Толщина слоя окалины 5КС Исследование структуры металла шва, ЗТВ 6К Глубина зоны термического влияния (ЗТВ) 6КС Исследование состава металла шва 7К Величина газового насыщения поверхностного слоя металла 7КС Испытание на статический изгиб 8К Структура металла в ЗТВ 9К Остаточные продукты резки Исследование параметров безопасности плазменной резки 1Б Уровень звука, уровень звуковой мощности, спектральные характеристики шума в звуковой и ультразвуковой областях излучения, диаграмма направленности 2Б Электромагнитное излучение (напряженность ЭМ-поля, индукция магнитного поля, плотности потока энергии, яркость, освещенность) 3Б Температурный режим 4Б Пылегазовыделение Для интегральной оценки полученных результатов можно использовать методы квалиметрического анализа [7], адаптированные к технологии плазменной резки [5]. В основе формализации определения эффективности в этом случае используют понятие абсолютного показателя свойства Qi (i = 1, 2, …, n), выраженного в характерных для отдельного свойства единицах измерения (глубина ЗТВ - в микронах, скорость резки - в метрах в секунду и т.д.). Если критерием является соответствие или несоответствие какого-либо свойства показателям ГОСТа, можно использовать значения величин Q = 1 или Q = 0. В случае сравнительного анализа различных свойств, измеряемых в разных по размаху и размерности шкалах, используется относительный безразмерный показатель Ki (от -1 до +1), отражающий степень приближения абсолютного показателя свойства Qi к среднему значению для рассматриваемого свойства (параметра) <Qi>: Ki = (Qi - <Qi>)/Qm, <Qi> = (max{Qi} + min{Qi})/2, Qm = (max{Qi} - min{Qi})/2, где max{Qi} и min{Qi} - максимальное и минимальное значения числового показателя Qi для рассматриваемого свойства. В результате свойство с наименьшим значением Qi будет характеризоваться значением Ki = -1, а для наибольшего Qi Ki = +1. Очевидно, что различные показатели могут иметь разную значимость как для конкретного потребителя, так и для конкретной технологии. В этой связи дополнительно задаются весовые коэффициенты Gi, определяющие относительную «важность» i-го свойства по единой для всех свойств шкале. Обычно для этих целей используются нормированные весовые коэффициенты Hi = меняющиеся в пределах от 0 (для неважных свойств) до 1 (для важного свойства). Следует также задать знак Si (положительный или отрицательный), определяющий вклад каждого из свойств в суммарную эффективность устройства. Например, показатель глубины ЗТВ должен иметь отрицательный знак: чем он больше, тем хуже качество реза данным плазмотроном и, как правило, хуже свойства получаемых в дальнейшем сварных швов. Для нормировки коэффициентов в диапазоне от 0 до 1 вводят дополнительный коэффициент Li, определяемый через Ki простым арифметическим сдвигом: С учетом всех сделанных определений интегральный показатель эффективности можно представить в виде некоторой функции L = = F(Li), которая, как правило, задается суммой вида Следует обратить внимание на то, что при сравнении отдельных параметров безопасности могут возникнуть сложности, связанные с тем, что эти показатели зачастую нормируются в различных спектральных диапазонах (для электромагнитного и акустического излучения) и имеют логарифмический диапазон величин (для акустических характеристик). В этом случае предпочтительно сравнивать интегральные характеристики (энергетическую освещенность, экспозиционную дозу), а для акустических характеристик сравнивать звуковые мощности P: где Pi и Li - звуковая мощность и уровень звука i-го плазмотрона. Кроме того, следует учесть, что отдельные параметры сравнения могут иметь несколько форм выражения (например, уровень звука или уровень звуковой мощности - для акустического излучения) и определяться при разных условиях, например на прямых и косых резах (шероховатость) или глубинах (твердость). В такой ситуации, очевидно, многое будет зависеть от предъявляемых к оценке требований большей или меньшей детализации сравнительных характеристик с последующим выбором соответствующих весовых характеристик Нi для каждого отдельного параметра либо их усреднения. Описанный метод квалиметрического анализа был применен для оценки сравнительной эффективности результатов проектирования и разработки новых плазмотронов для резки металлов. Для сравнения были выбраны следующие плазмотроны (рисунок): - ПМВР-М - базовый однопоточный плазмотрон (производитель ООО НПО «Полигон», разработка начала 2000-х гг.); - Kjellberg PB-S-45W (Германия) - однопоточный плазмотрон одного из ведущих мировых производителей; - ПМВР-2М - новый однопоточный плазмотрон для воздушно-плазменной резки с оптимизированной системой газовихревой стабилизации (производители - ООО НПО «Полигон» и ООО «ТЕРУС») [8, 9]; - ПМВР-5.3 - одна из модификаций отечественной модели узкоструйного двухпоточного плазмотрона (производители - ООО НПО «Полигон» и ООО «ТЕРУС»). а б в г Рис. 1. Внешний вид плазмотронов для резки металла под сварку: а - ПМВР-М; б - Kjellberg PB-S-45W; в - ПМВР-2М; г - ПМВР-5.3 На первом этапе испытаний в лаборатории ООО НПО «Полигон» определяли оптимальные и предельные параметры процесса при резке стали 09Г2С толщиной 10 мм (табл. 1). Таблица 1 Режимы резки образцов Номер серии Плазмотрон Режим резки Диаметр сопла, мм I, A U, B Скорость резки v, м/мин Давление плазмообразующего газа (ПОГ) на входе в плазмотрон P, МПа 1 ПМВР-М 2,5 105 200 0,54 0,45 2 Kjellberg S-45 1,4 90 140 0,85 0,5 3 ПМВР-2М 2 80 180 0,5 0,5 4 ПМВР-5.3 1,6 90 140 1,3 0,5 На втором этапе при анализе качественных параметров кромок поверхностей реза в соответствии с требованиями ГОСТ 14792 и DIN EN ISO 9013-2003 оценивались следующие основные параметры: - отклонение от перпендикулярности; - радиус оплавления верхней кромки; - шероховатость поверхности реза. Дополнительно выполнялась оценка: - глубины зоны термического влияния; - глубины слоя оплавления; - изменения микро- и макроструктуры ЗТВ; - изменения твердости от кромки реза до основного металла, не подверженного структурным изменениям. Измерения проводились в лабораториях СвердНИИхиммаш и ИМАШ УрО РАН как для перпендикулярного реза, так и для реза, выполненного под углом. По результатам исследований качества резов, выполненных новыми плазмотронами [9, 10], можно сделать вывод, что отклонение от перпендикулярности соответствует 1-му и 2-му классам качества по ГОСТ 14792-80. При этом угловые значения косых резов соответствуют требованиям СТО «Газпром» 2-2.2-136-2007. Результаты исследований рельефа свидетельствует о средних значениях шероховатости в 3-7 мкм, что соответствует 1-му классу качества по ГОСТ 14792-80. Все исследованные поверхности разделочных швов, полученных после резки, по микроструктуре удовлетворяют нормативным требованиям, предъявляемым к стали марки 09Г2С. Исследования твердости показали небольшое отклонение от требований СТО «Газпром» 2-2.4-083 (HV ≤ 300 для ЗТВ), наблюдаемое лишь в поверхностной зоне на глубинах менее 100-150 мкм, что позволяет при дальнейшем использовании полученных после резки швов под сварку не производить дополнительные операции по ее механическому удалению. В результате можно сделать вывод, что качество реза плазмотронами ПМВР-5 и ПМВР-2М находится на уровне верхнего предела 1-го класса качества по ГОСТ 14792-80 и сопоставимо с лазерной резкой на толщинах до 15 мм. Следующим этапом исследований стало проведение механических испытаний сварных швов, полученных из заготовок, подготовленных в процессе резки плазмотронами и механическим способом. В ходе исследований, проведенных в лабораториях ПАО УЗТМ и ИМАШ УрО РАН, определялись следующие основные параметры: - статическое растяжение различных участков сварного соединения и наплавленного металла; - ударный изгиб (на надрезанных образцах) различных участков сварного соединения и наплавленного металла; - статический изгиб (загиб) сварного соединения; - твердость различных участков сварного соединения и наплавленного металла. Также проводился микро- и макроанализ сварных швов. Анализ полученных результатов [11-13] показал, что все исследованные сварные швы по микроструктуре удовлетворяют нормативным требованиям, предъявляемым к стали марки 09Г2С. Показатели прочности и пластичности сварных швов, полученных после разделки проката с применением плазменных методов без удаления ЗТВ, удовлетворяют нормативным требованиям, предъявляемым к сварным соединениям и, в случае применения новых (ПМВР-2М и ПМВР-5.3) плазмотронов, сопоставимы со значениями, достигаемыми при подготовке кромок под сварку механическим способом. Исследования на статический изгиб показали отсутствие значимых различий в величинах определяемого по ГОСТ 6996 угла загиба для различных серий образцов, значения которого не превышают нормативных требований (amin ³ 80° по стандарту ПБ 03-576-03). Ударная вязкость всех сварных швов удовлетворяет нормативным требованиям на низколегированную сталь по ГОСТ 19282-73. Твердость всех исследованных образцов соответствует требованиям СТО «Газпром» 2-2.2-136-2007 (HV10 ≤ 280 для металла шва и HV10 ≤ 300 для ЗТВ). При этом можно сделать вывод, что механические свойства сварных швов, полученных после резки плазмотронами ПМВР-2М и ПМВР-5.3, сопоставимы со значениями, характерными для механических технологий разделки. Другим важным результатом исследования механических свойств сварных соединений является заключение о том, что сварку после резки металла современными плазмотронами в большинстве случаев можно производить без механической обработки кромок реза (за исключением ответственных соединений, производство которых регламентируется правилами промышленной безопасности). Последним этапом исследований стало определение параметров безопасности процесса плазменной резки. В качестве основных показателей в этом случае были выбраны: - уровень звука и звуковой мощности в слышимом диапазоне акустического спектра; - уровень звуковой мощности в ультразвуковом диапазоне; - уровень освещенности на рабочем месте. Анализ полученных результатов засвидетельствовал повышенную акустическую безопасность плазмотрона ПМВР - снижение шумоизлучения на 3-7 дБА [14] , что позволяет увеличить на 2-3 ч диапазон допустимого времени работы плазморезчика, а также существенно (на 50 лк) уменьшить уровень светового излучения, производимого на рабочем месте при работе плазмотронов ПМВР-2М и ПМВР-5.3. При этом уровень звуковой мощности, излучаемой в ультразвуковом диапазоне, для всех плазмотронов оказался в пределах нормируемых для данной части акустического спектра значений. Несмотря на качественно положительную оценку эффективности работы новых плазмотронов, целесообразно произвести комплексную (интегральную) оценку их преимуществ по сравнению как со старыми аналогами (ПМВР-М), так и с конкурентными образцами зарубежных производителей (Kjellberg S-45). Подобный анализ был выполнен по описанной выше методике квалиметрической оценки эффективности. С учетом того, что в большинстве случаев было зафиксировано соответствие показателям ГОСТов, а различие некоторых результатов оказалось в пределах погрешности измерений, отдельные параметры были исключены из анализа, а для других показателей, где качественные различия были наиболее существенны, были введены соответствующие весовые коэффициенты. Кроме того, некоторые из перечисленных выше показателей были представлены несколькими характеристиками. В этом случае также были введены соответствующие весовые коэффициенты с учетом требования соблюсти характерное для данного показателя суммарное весовое значение. Для параметров, измеряемых на прямых и косых резах, а также в зонах сварного шва и ЗТВ, определялось среднее значение. Количественные значения абсолютных параметрических величин и соответствующих им квалиметрических показателей представлены в табл. 2-6. Таблица 2 Квалиметрическая таблица оценки производительности и энергоэффективности и качества работы плазмотронов для резки металлов № п/п Параметр Hi Si Единица измерения [значение по ГОСТ]/коэффициент эффективности Li Плазмотрон ПМВР-М Kjellberg S-45 ПМВР-2М ПМВР-5.3 Производительность 1 1П 1 + скорость резки (м/с) 0,54 0,85 0,54 1,30 L1 = 0 0,41 0 1 Энергоэффективность 2 1Э 1 - энергопотребление (кВт) 21 12,6 14,5 12,6 L2 = 0 1 0,77 1 Интегральный коэффициент качества сварных швов после плазменной резки LПЭ = = 0 1,41 0,77 2,0 Таблица 3 Квалиметрическая таблица оценки качества плазменной резки металлов № п/п Параметр Hi Si Единица измерения [значение по ГОСТ]/коэффициент эффективности Li Плазмотрон ПМВР-М Kjellberg S-45 ПМВР-2М ПМВР-5.3 1 2К 0,75 - шероховатость Rz (мкм) [<50 (1 кл)] 6,7 7,2 7,6 4,2 L1 = 0,26 0,12 0 1 2 3К1 0,75 - перпендикулярность кромки реза (град) [<5,7 (1 кл)] 6,8 5,0 4,5 2,0 L2 = 0 0,43 0,49 1 Окончание табл. 3 № п/п Параметр Hi Si Единица измерения [значение по ГОСТ]/коэффициент эффективности Li Плазмотрон ПМВР-М Kjellberg S-45 ПМВР-2М ПМВР-5.3 3 3К2 0,25 - радиус оплавления верхней кромки реза (мм) [<2] 1,0 0,7 1,0 0,7 L3 = 0 1 0 1 4 5К 0,75 - глубина зоны окалины (мкм) 18,5 н/д 8,8 н/д L4 = 0 - 1 - 5 6К 1 - глубина ЗТВ (мкм) [<800 (2 кл)] 790 н/д 710 500 L5 = 0 - 0,28 1 Интегральный коэффициент эффективности и качества резки LКР = = 0,2 0,67 0,48 1,75 (LКР) = = (0,2) - (1,4) (2,75) Таблица 4 Квалиметрическая таблица оценки качества сварных швов, полученных после плазменной резки № п/п Параметр Hi Si Единица измерения [значение по ГОСТ]/коэффициент эффективности Li Плазмотрон ПМВР-М Kjellberg S-45 ПМВР-2М ПМВР-5.3 1 2КС 0,5 - ширина шва (мм) [<14] 12 11 14 12 L1 = 0,67 1 0 0,67 2 3КС1 0,5 + ударная вязкость KCV (Дж/см2) [64 (ОМ*)] 165 145 125 145 L2 = 1 0,5 0 0,5 Окончание табл. 4 № п/п Параметр Hi Si Единица измерения [значение по ГОСТ]/коэффициент эффективности Li Плазмотрон ПМВР-М Kjellberg S-45 ПМВР-2М ПМВР-5.3 3 3КС2 0,5 + доля вязкой составляющей e (%) 70 65 75 70 L3 = 0,5 0 1 0,5 4 4КС1 0,25 + временное сопротивление разрыву sВ (МПа) [480 (ОМ)] 462 478 563 555 L4 = 0 0,22 1 0,93 5 4КС2 0,25 + предел текучести условный sт (МПа) [335 (ОМ)] 307 298 437 418 L5 = 0,06 0 1 0,86 6 4КС3 0,25 + относительное удлинение d (%) [21 (ОМ)] 11,3 6,4 10,8 10,5 L6 = 1 0 0,9 0,84 7 4КС4 0,25 + равномерное удлинение d (%) 10,7 6,2 10,0 9,6 L7 = 1 0 0,84 0,76 8 7КС 0,25 + статический изгиб a (град) [80 (ОМ)] 94 93,8 92,3 92,3 L8 = 1 0,88 0 0 Интегральный коэффициент качества сварных швов после плазменной резки LКС = = 1,85 1,03 1,44 1,68 *ОМ - основной металл (характеристика сравнивается с нормируемым значением для основного металла). Таблица 5 Квалиметрическая таблица оценки безопасности работы плазмотронов для резки металлов № п/п Параметр Hi Si Единица измерения [значение по ГОСТ]/коэффициент эффективности Li Плазмотрон ПМВР-М Kjellberg S-45 ПМВР-2М ПМВР-5.3 1 1Б1 0,75 - уровень звука LА в диапазоне до 8 кГц (дБА) [<80] 103,3 97,4 103,0 94,9 L1 = 0 0,87 0,46 1 2 1Б2 0,25 - уровень звуковой мощности Lm в ультразвуковом диапазоне (дБ) [<118] 109,9 111,1 110,8 106,2 L2 = 0,36 0 0,1 1 3 2Б 0,5 - освещенность рабочей зоны (лк) 300 300 250 250 L3 = 0 0 1 1 Интегральный коэффициент безопасности резки LБ = = 0,09 0,65 0,87 1,5 Таблица 6 Квалиметрическая таблица интегральной оценки эффективности работы плазмотронов для резки металлов Плазмотрон Интегральный коэффициент эффективности резки L = LПЭ + LКР + LКC + LБ (L) = LПЭ + (LКР) + LКC + LБ ПМВР-М 2,14 (2,14) Kjellberg S-45 3,75 - ПМВР-2М 3,43 (4,46) ПМВР-5.3 6,93 (7,93) Представленные в табл. 2-6 результаты свидетельствуют об эффективности работы новых плазмотронов. Новый плазмотрон ПМВР-2М по сравнению с базовым аналогом - плазмотроном ПМВР-М - показал фактически двукратное улучшение как по величине интегрального коэффициента эффективности, так и по качеству резки, безопасности и энергоэффективности. При этом суммарные показатели его эффективности оказались сопоставимы с показателями одной из самых популярных импортных моделей однопоточных плазмотронов - Kjellberg S-45, что свидетельствует о тех преимуществах, которые дает использование в его конструкции новой системы газовихревой стабилизации. Еще более эффективным (фактически в два раза по сравнению с ПМВР-2М и Kjellberg S-45) показал себя и новый плазмотрон ПМВР-5.3 [15], работающий по технологии узкоструйной плазмы с двухпоточной схемой газовой стабилизации. Особенно велики его преимущества по производительности, энергоэффективности, качеству реза и безопасности. Следует заметить, что показатели качества сварных швов, полученных после плазменной резки, оказались сопоставимыми для разных плазмотронов, что, очевидно, связано с меньшей зависимостью параметров сварного соединения от качества подготовленных под сварку разделочных швов, полученных резкой современными плазмотронами. Подводя итог представленным в работе результатам и их обсуждению, следует сказать, что величина L позволяет получить объективную комплексную оценку относительной эффективности плазмотрона по отношению к другим устройствам подобного типа. Разумеется, имеется определенная субъективность при выборе весовых коэффициентов и определении перечня учитываемых параметров, которая, на наш взгляд, нивелируется при условии высокого профессионализма проводящего анализ специалиста. Отметим также, что в случае выбора потребителем, а не проектировщиком конкретной конструкции во внимание обычно принимается не сам показатель эффективности (качества), а соотношение цена/качество. Во всяком случае применение квалиметрического метода оценки эффективности работы плазмотронов для резки позволяет объективно оценить их потребительские свойства и по этому критерию.

About the authors

S. V Anakhov

Russian State Vocational-Professional University

Email: sergej.anahov@rsvpu.ru

Yu. A Pyckin

Ural State Forest Engineering University

Email: yapoligon@mail.ru

A. V Matushkin

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

Email: 227433@rambler.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 47

PDF (Russian) - 20

Refbacks

• There are currently no refbacks.