Резка

Механизированная резка под водой порошковой проволокой

Технология резки порошковой проволокой (РПП) была разработана в 1972 г. как дополнение к процессу механизированной сварки под водой порошковой проволокой [106, 107]. Механизм РПП аналогичен механизму ЭДР покрытым электродом. Он заключается в непрерывной подаче в зону горения дуги специальной порошковой проволоки, сердечник которой содержит газообразующие и стабилизирующие горение дуги компоненты [173]. Образующаяся термохимически высокоактивная газо-плазменная струя расплавляет, окисляет и удаляет жидкий металл из полости реза. Она также способствует распределению вводимой тепловой энергии дуги по толщине металла [170]. Однако есть и некоторые различия между процессом РПП и ЭДР:

Как показывают приведенные выше данные, с энергетической точки зрения процесс РПП предпочтителен, так как в меньшем объеме выделяется энергия, эквивалентная мощности 15 - 50 кВт. Металл, независимо от состава, расплавляется дугой, имеющей более высокие энергетические характеристики дугового промежутка (температура от 6000 до 12 000 °С) [31, 41, 43].

Были изучены особенности горения дуги в процессе резки металла под водой порошковой проволокой [174]. Они характерны для горения длинных дуг и проявляются в резких периодических колебаниях напряжения при отсутствии коротких замыканий, а также повышенных плотностях тока. Установлено, что в процессе РПП торец проволоки находится, в основном, в полости реза, где перемещается вслед за удаляющейся дугой до момента критического сближения боковой поверхности с кромками реза. Затем дуга переходит в новый, более короткий межэлектродный промежуток. Оболочка порошковой проволоки прожигается, и дуга вновь переходит в межэлектродный промежуток "торец проволоки - жидкий металл" по линии оси проволоки.

При малой толщине разрезаемого металла, высоком напряжении дуги и низком избыточном давлении отсутствуют условия, при которых торец порошковой проволоки должен входить в полость реза [174]. Степень погружения торца порошковой проволоки в полость реза возрастает с увеличением толщины разрезаемого металла, скорости подачи порошковой проволоки, ростом гидростатического давления и снижением напряжения на дуге. Форму реза определяет степень погружения торца порошковой проволоки в полость реза (чем больше погружение, тем уже рез в области верхних кромок).

Для выполнения РПП было разработано семейство порошковых проволок диаметром 2,0 - 2,4 мм оригинального состава (ППР-АН1, ППР-АН2, ППР-АН3 и ППР-ЭК3), позволявших использовать для резки стандартный комплект оборудования, который применяют при механизированной сварке порошковой проволокой. Скорость подачи проволоки в зону резки составляла 0,069 - 0,125 м/с (250 - 450 м/ч). При такой скорости подачи обеспечивается сила тока 400…600 А. Напряжении дуги поддерживалось в диапазоне 35 - 55 В. Проволока этого диаметра, при указанных энергетических параметрах дуги, позволяет обеспечивать резку низкоуглеродистой стали толщиной 10 - 40 мм со скоростью, приведенной в табл. 29.

Таблица 29. Режимы РПП в зависимости от глубины и марки порошковой проволоки [175]

МаркаМаксимальная рабочая глубина, мТолщина металла, ммСила тока резки, АНапряжение дуги, ВСкорость резки, м/с (м/ч)
ППР-АН13010 - 20530 - 60050 - 550,0022-0,0055 (8-20)
ППР-АН23010 - 20470 - 58040 - 500,0022-0,0067 (8-24)
ППР-АН36010 - 40440 - 55040 - 550,00167-0,0072 (6-26)
ППР-ЭК36010 - 40450 - 55040 - 550,00167-0,0061 (6-22)

Значительное увеличение режущих характеристик РПП обеспечивается при использовании проволоки диаметром 3 мм. В этом случае увеличивают силу тока дуги до 800 - 1000 А и напряжения до 50 В. Выделение мощности 40 - 50 кВт в локальном объеме позволяет резать любые металлы толщиной до 50  мм. Однако, эта технология не получила широкого развития, так как для ее реализации необходимо специализированное оборудование с высокой энергоемкостью. При выполнении резки проволокой диаметром 3 мм водолаз быстро устает, поскольку приходится выполнять работу тяжелым электрододержателем с жесткими коммуникациями.

Глубина оказывает существенное влияние на электрические параметры процесса РПП [173, 174, 176]. Установлено, что увеличение гидростатического давления в интервале 0,1 - 0,6 МПа нарушает стабильность горения дуги и снижается ее прорезающую способность. Это объясняется уменьшением разрывной длины дуги на 10 - 15% на каждые 10 м глубины погружения и усилением влияния шунтирующей дуги, периодически пережигающей проволоку в полости реза [174]. С увеличением глубины скорость резки снижается. При этом оптимальное значение напряжения дуги возрастает адекватно изменению напряженности электрического поля столба дуги под водой [176]. Для обеспечения высокой технологической эффективности РПП на глубинах до 60 м необходимо поддерживать максимальное для выбранного диаметра порошковой проволоки значение силы тока резки, а напряжение дуги увеличивать соответственно росту гидростатического давления, т. е. наращивать мощность дуги с ростом глубины выполнения РПП.

Электрические параметры дуги также оказывают влияние на эффективность РПП [176]. При оптимальных значениях силы тока и скорости подачи электродной проволоки с увеличением напряжения дуги на 10 - 20% по сравнению с минимальным значением возрастает режущая способность дуги и улучшается форма полости реза. При напряжении дуги, превышающем на 10 - 15% максимальное значение, Uд max технологические характеристики РПП ухудшаются.

Определены [177] оптимальные технологические режимы подводной резки с применением порошковой проволоки ППР-АН2 диаметром 2 мм. Установлено, что при поддержании оптимального для проволоки диаметром 2 мм значения силы тока 430 - 480 А скорость резки с увеличением глубины изменяется незначительно, но удельный расход проволоки на погонный метр реза возрастает на 30 - 40%. При этом с ростом глубины для получения сквозной полости реза без перемычек напряжение дуги необходимо увеличивать на 0,8 - 1,2 В для каждых 10 м. Оптимальным для резки стали толщиной до 20 мм на глубине до 60 м является диаметр порошковой проволоки 2,4 мм [178].

Эксперименты, проведенные в глубоководной камере С-117, показали, что процесс дуговой резки порошковой проволокой возможен на имитационной глубине более 600 м.

Существенное влияние на скорость резки оказывает пространственное положение металлоконструкции. Наибольшая скорость достигается в случае резки на вертикальной плоскости в направлении сверху вниз. В нижнем положении скорость на 10 - 15%, а в потолочном на 15 - 20% ниже, чем в вертикальном. Такое уменьшение скорости резки в нижнем положении объясняется тем, что образующийся в полости реза пар снижает давление режущей струи на разрезаемый металл [173]. В потолочном положении противодействие оказывают гравитационные силы, под влиянием которых расплавленный металл и жидкие окислы устремляются навстречу режущей струе. Аналогичное уменьшение скорости (на 10 - 20%) наблюдается при резке в морской воде, по сравнению с пресной.

При РПП обеспечивается разделение металлоконструкций, изготовленных из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, чугуна, нержавеющих сталей, алюминия, меди и сплавов на их основе. Скорость резки малоуглеродистых и низколегированных сталей практически одинакова [173]. Высоколегированные стали аустенитного класса удается резать на 10 - 15% быстрее, что объясняется повышением концентрации тепловой энергии режущей струи из-за более низкой теплопроводности металла. Скорость резки алюминия и его сплавов благодаря низкой температуре плавления в 1,5 - 2,0 раза превышает скорость резки низкоуглеродистой стали той же толщины. Скорость резки меди в 2 - 3 раза ниже.

Несмотря на то, что изменения наклона внешних статических характеристик источника питания практически не сказываются на технологических возможностях резки порошковой проволокой, удельный расход электроэнергии на 1 погонный метр реза возрастает пропорционально увеличению затрачиваемой мощности из-за суммарного увеличения падения напряжения в кабелях и в дуговом промежутке [177].

Для выполнения процесса разделительной резки можно использовать стандартные сварочные выпрямители типа ВС-600М, ВДУ-506, ВС-632, ВДУ-601, ВДУ-1202, ВДМ-1200 с жесткими и пологопадающими характеристиками (крутизна в пределах 0,025 - 0,03 В/А) с напряжением холостого хода не менее 65 В [178]. Динамические свойства источника питания мало влияют на процесс резки [179]. При выполнении работ на реальных объектах из-за потерь в силовых кабелях за счет омического сопротивления будет наблюдаться значительное падение напряжения (до 40% от напряжения дуги) [178]. В связи с этим вышеуказанные источники питания требуют определенной доработки с целью повышения предельных значений холостого хода на 15 - 20 В.

Техника выполнения РПП имеет свои особенности. В начале процесса следует дождаться образования полости реза на всю толщину разрезаемого металла. В зависимости от толщины полость раза образуется за 5 - 30 с.

Вылет электрода при резке (расстояние от изделия до токоподводящего наконечника) должен быть в пределах 10 - 30 мм. При бо`льшем вылете проволока перегревается и обгорает у токоподводящего наконечника либо приваривается к его внутренней поверхности. При резке с укороченным вылетом может произойти забрызгивание мундштука каплями электродного металла или его приваривание к разрезаемому металлу. В случае использования специального мундштука с термоизоляционным покрытием возможна резка методом опирания. Такой метод наиболее удобен при плохой видимости в зоне работ или в при наличии волн и течения. Угол наклона проволоки к разрезаемой поверхности составляет 60 - 800 (углом вперед). Ширина реза по верхним кромкам 4 - 6, а по нижним 7 - 9 мм. Грат практически отсутствует.

Оптимальной для резки порошковой проволокой является толщина разрезаемого металла 10 - 20 мм. В этом случае мощности газового потока и давления дуги достаточно для продувки полости реза на всю толщину разрезаемого металла. С увеличением толщины возникает необходимость в распределении тепловой энергии, вводимой дугой, по всей толщине разрезаемого металла за счет возвратно-поступательного движения электрода. С достаточно высокой скоростью проходит процесс резки сталей толщиной до 25 мм. Однако методом выплавления возможна разделительная резка металла толщиной и 80 мм. При резке порошковой проволокой металлоконструкций толщиной менее 5 мм процесс становится малоэффективным, так как проволока, зачастую, проскакивает в полость реза и отгорает кусками.