Erforschung von Methoden zur Verbesserung der Qualität beim Plasmaschneiden

Erforschung von Methoden zur Verbesserung der Qualität beim Plasmaschneiden

Beim Plasmaschneiden handelt es sich um ein Bearbeitungsverfahren, bei dem die Hitze eines Hochtemperatur-Plasmalichtbogens genutzt wird, um das Metall an der Schnittfläche des Werkstücks teilweise zu schmelzen und zu verdampfen, und das geschmolzene Metall wird mit dem Schwung des Hochgeschwindigkeitsplasmas ausgestoßen, um einen Schnitt zu bilden.

Da das Schneiden von Werkstoffen auf Schmelz- und nicht auf Oxidationsreaktionen beruht, ist der Anwendungsbereich viel breiter als beim autogenen Brennschneiden. Es können praktisch alle Metalle, Nichtmetalle, Mehrschicht- und Verbundwerkstoffe geschnitten werden.

Die Schnitte sind schmal, haben eine gute Oberflächenqualität, eine hohe Schnittgeschwindigkeit und können eine Dicke von 160 mm erreichen.

Aufgrund der hohen Temperatur und der hohen Geschwindigkeit der PlasmabogenBeim Schneiden von dünnen Blechen kommt es zu keiner Verformung.

Insbesondere beim Schneiden von Edelstahl, Titanlegierungen und Buntmetallwerkstoffen wird eine hervorragende Schnittqualität erreicht.

Deshalb, Plasmaschneiden wird in vielen Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der Automobilindustrie, in Druckbehältern, in der chemischen Industrie, in der Nuklearindustrie, in allgemeinen Maschinen, in Baumaschinen und im Stahlbau.

1. Prinzip der Plasmaschneidmaschine Betrieb

A Plasmaschneider ionisiert gemischte Gase durch einen Hochfrequenz-Lichtbogen, wodurch einige Gase in atomare Grundteilchen "zerfallen" oder ionisiert werden, wodurch ein "Plasma" entsteht.

Wenn der Lichtbogen auf das Werkstück springt, bläst Hochdruckgas das Plasma mit einer Austrittsgeschwindigkeit von 800-1000 m/s (etwa 3 Mach) aus der Brennerdüse.

Die Temperatur der Plasmalichtbogensäule ist extrem hoch und erreicht 10.000 bis 30.000 °C, was weit über die Schmelzpunkt aus allen metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen.

Dadurch schmilzt das zu schneidende Werkstück schnell, und das geschmolzene Metall wird durch den ausgestoßenen Hochdruckluftstrom weggeblasen.

Daher werden Geräte zur Rauchabsaugung und Schlackenentfernung benötigt. Plasmaschneiden in Kombination mit verschiedenen Arbeitsgasen kann verschiedene Metalle schneiden, die sich mit autogenes Brennschneideninsbesondere Nichteisenmetalle (rostfreier Stahl, Aluminium, Kupfer, Titan, Nickel) mit besserer Schneidwirkung.

Seine Hauptvorteile bestehen darin, dass bei Metall schneiden Materialien mit nicht zu großer Dicke, Plasmaschneiden ist schnell, vor allem beim Schneiden von gewöhnlichen Kohlenstoffstahl dünne Platten, kann die Geschwindigkeit erreichen 5-6 mal, dass der Autogenschneiden mit einer glatten Schnittfläche, minimale thermische Verformung und praktisch keine Wärmeeinflusszone.

Mit der Entwicklung des Plasmaschneidens hat das verwendete Arbeitsgas (das Arbeitsgas ist das leitende Medium des Plasmalichtbogens und dient als Wärmeträger und treibt auch das geschmolzene Metall aus dem Schnitt) einen erheblichen Einfluss auf die Schneideigenschaften des Plasmalichtbogens sowie auf die Schnittqualität und -geschwindigkeit.

Zu den üblicherweise verwendeten Arbeitsgasen für Plasmalichtbögen gehören Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Luft, Dampf und bestimmte Mischgase.

2. Standards für die Bewertung der Qualität des Plasmaschneidens

(1) Spaltbreite

Er ist eines der wichtigsten Merkmale zur Beurteilung der Qualität eines Schneidgeräts und spiegelt den Mindestradius wider, den das Gerät bewältigen kann. Er wird an seiner breitesten Stelle gemessen, wobei die meisten Plasmaschneider einen Schnittspaltbreite zwischen 0,15 und 6,0 mm.

Zu den Einflussfaktoren gehören: a. Zu breite Schnittspalte sind nicht nur Materialverschwendung, sondern verringern auch die Schnittgeschwindigkeit und erhöhen den Energieverbrauch. b. Die Schnittspaltbreite hängt in erster Linie von der Düsenöffnung ab und ist in der Regel 10% bis 40% größer als diese. c.

Mit zunehmender Schnittdicke wird oft eine größere Düsenöffnung benötigt, was wiederum den Schnittspalt vergrößert. d. Eine größere Schnittspaltbreite kann zu einer stärkeren Verformung des zu schneidenden Teils führen.

(2) Oberflächenrauhigkeit

Er beschreibt das Aussehen der Schnittfläche und bestimmt, ob nach dem Schneiden eine weitere Bearbeitung erforderlich ist. Er ist auch ein Maß für den Ra-Wert bei zwei Dritteln der Schnitttiefe.

Die Rauheit ist hauptsächlich auf Längsschwingungen zurückzuführen, die durch den Schneidluftstrom in Schneidrichtung verursacht werden und zu Schnittrippeln führen.

Die allgemeine Anforderung an die Oberflächenrauhigkeit nach dem autogenen Schneiden ist: Klasse 1 Ra≤30μm, Klasse 2 Ra≤50μm, Klasse 3 Ra≤100μm.

Das Plasmaschneiden erzeugt in der Regel einen höheren Ra-Wert als Brennschneiden aber weniger als beim Laserschneiden (weniger als 50μm).

(3) Ebenheit der Schnittkante

Dies ist ein weiterer wichtiger Parameter, der die Schnittqualität widerspiegelt und sich auf den Grad der nach dem Schnitt erforderlichen Nachbearbeitung bezieht. Dieser Index wird häufig durch die Vertikalität U oder die Winkeltoleranz dargestellt.

Beim Plasmaschneiden hängt der U-Wert eng mit der Blechdicke und den Prozessparametern zusammen, in der Regel ist U≤(1%~4%)δ (δ ist die Blechdicke).

(4) Breite der wärmebeeinflussten Zone

Diese Metrik ist entscheidend für härtbare oder wärmebehandelbare niedriglegierte Stähle oder legierte Stähle, da eine breite Wärmeeinflusszone die Eigenschaften in der Nähe des Schnitts erheblich verändern kann.

Beim Luftplasmaschneiden beträgt die Breite der Wärmeeinflusszone etwa 0,3 mm, während sie beim Unterwasserplasmaschneiden schmaler sein kann.

(5) Menge der Krätze

Beschreibt die Menge an oxidierter Schlacke oder rekristallisiertem Material, das nach dem thermischen Schneiden an der Unterkante des Schnitts haftet. Der Grad der Krätze wird in der Regel durch visuelle Inspektion bestimmt und oft als nicht, leicht, mäßig oder stark beschrieben.

Darüber hinaus sollten spezifische Anforderungen an die Linearität des Schnitts, das Schmelzen der Oberkante und die Kerben gestellt werden.

3. Maßnahmen zur Qualitätskontrolle beim Plasmaschneiden

Die Oberflächenqualität des Plasmaschneidens liegt im Allgemeinen zwischen der des Autogenschneidens und des Bandsägenschneidens.

Im Vergleich zum mechanischen Schneiden weist das Plasmaschneiden eine größere Toleranz auf. Wenn die Blechdicke 100 mm übersteigt, schmelzen bei niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten mehr Metalle, was häufig zu einem groben Schnitt führt.

Der Standard für einen guten Schnitt ist: schmale Breite, rechteckiger Querschnitt, glatte Oberfläche, keine Schlacke oder Krätze, und die Härte der Schnittfläche sollte die weitere Bearbeitung nicht behindern.

3.1 Spaltbreite und Ebenheit

Als Schnittfugenbreite bezeichnet man den Abstand zwischen den beiden durch den Schneidbalken verursachten Flächen an der oberen Schnittkante. Im Falle des Schmelzens an der oberen Schnittkante bezeichnet sie den Abstand zwischen den beiden Schnittflächen direkt unter der Schmelzschicht.

Der Plasmalichtbogen entfernt oft mehr Metall an der Oberseite als an der Unterseite des Schnitts, was zu einer leichten Neigung der Schnittfläche führt, wobei die Oberkante in der Regel rechtwinklig erscheint, manchmal aber auch leicht rund.

Die Schnittspaltbreite beim Plasmaschneiden ist 1,5 bis 2,0 Mal größer als beim Acetylen-Sauerstoffschneiden, und mit zunehmender Blechdicke nimmt auch die Schnittspaltbreite zu.

Für Edelstahl oder Aluminium mit einer Dicke von weniger als 25 mm kann das Niederstrom-Plasmaschneiden verwendet werden, was zu einer höheren Geradheit des Schnittes.

Vor allem bei einer Schnittdicke von weniger als 8 mm können schmale Kanten geschnitten werden, und manchmal kann direkt ohne weitere Bearbeitung geschweißt werden, was beim Hochstrom-Plasmaschneiden nur schwer möglich ist.

Dies erleichtert das Schneiden von unregelmäßigen Kurven und nicht standardisierten Löchern in dünnen Blechen. Die Ebenheit der Schnittfläche bezieht sich auf den Abstand zwischen zwei parallelen Linien, die in Richtung des Schnittflächenwinkels vom höchsten und niedrigsten Punkt der Schnittfläche gezogen werden.

Die Oberfläche des mit dem Plasmalichtbogen geschnittenen Materials weist eine etwa 0,25 bis 3,80 mm dicke Schmelzschicht auf, deren chemische Zusammensetzung jedoch unverändert bleibt.

Beim Schneiden einer Aluminiumlegierung mit 5% w(Mg) beispielsweise bleibt die Zusammensetzung trotz einer 0,25 mm dicken Schmelzschicht unverändert, und es entsteht kein Oxid.

Wenn die Schnittfläche direkt geschweißt wird, kann dennoch eine dichte Schweißnaht erzielt werden. Da beim Schneiden von nichtrostendem Stahl die Wärmeeinflusszone schnell die kritische Temperatur von 649 ℃ überschreitet, scheidet sich kein Chromkarbid entlang der Korngrenze aus. Daher beeinträchtigt das Plasmaschneiden von nichtrostendem Stahl seine Korrosionsbeständigkeit nicht.

3.2 Methoden zur Beseitigung von Krätze aus dem Schnitt

Unregelmäßige Kerben von unterschiedlicher Breite, Tiefe und Form auf der Schnittfläche stören die Gleichmäßigkeit des Schnitts. Die Eisenoxidkrätze, die sich nach dem Schneiden an der Unterkante der Schnittfläche festsetzt, wird als hängende Schlacke bezeichnet.

Am Beispiel von rostfreiem Stahl ist es aufgrund der schlechten Fließfähigkeit des geschmolzenen rostfreien Stahls schwierig, das gesamte geschmolzene Metall während des Schneidprozesses aus dem Schnitt zu blasen.

Edelstahl hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, und der Boden des Schnittes kann leicht überhitzen und geschmolzenes Metall zurücklassen, das nicht weggeblasen wurde.

Diese verschmilzt mit dem Grund des Schnittes und verfestigt sich beim Abkühlen zu einer so genannten Krätze oder hängenden Schlacke. Nichtrostender Stahl ist zäh, und diese Krätze ist sehr widerstandsfähig, so dass sie sich nur schwer entfernen lässt und bei der Bearbeitung erhebliche Probleme verursacht.

Daher ist die Entfernung von Krätze beim Plasmaschneiden von rostfreiem Stahl ein kritisches Thema.

Beim Schneiden von Kupfer, Aluminium und deren Legierungen ist es aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit weniger wahrscheinlich, dass der Boden des Schnittes mit dem geschmolzenen Metall wieder zusammenschmilzt.

Obwohl diese Krätze unter dem Schnitt "hängt", ist sie leicht zu entfernen. Beim Plasmaschneiden sind die spezifischen Maßnahmen zur Entfernung der Krätze wie folgt:

(1) Stellen Sie die Konzentrizität zwischen Wolfram Elektrode und der Düse

Eine schlechte Ausrichtung der Wolframelektrode und der Düse kann die Symmetrie des Gases und des Lichtbogens stören, so dass der Plasmalichtbogen nicht gut komprimiert wird oder eine Lichtbogenablenkung verursacht.

Dies verringert die Schneidfähigkeit, führt zu asymmetrischen Schnitten, erhöht das Auftreten von Schmelzklumpen und verursacht in schweren Fällen Doppelbögen, die den Schneidprozess stören.

(2) Sicherstellen, dass der Plasmalichtbogen genügend Leistung hat

Mit zunehmender Leistung des Plasmalichtbogens steigt die Energie des Plasmalichtbogens und die Lichtbogensäule verlängert sich, wodurch sich die Temperatur und die Fließfähigkeit des schmelzenden Metalls während des Schneidprozesses erhöhen.

Unter dem Einfluss des Hochgeschwindigkeitsluftstroms kann das geschmolzene Metall leicht weggeblasen werden.

Eine Erhöhung der Lichtbogensäulenleistung kann die Schneidgeschwindigkeit und die Stabilität des Schneidprozesses verbessern und ermöglicht die Verwendung eines größeren Luftstroms, um die Blaskraft zu erhöhen, was für die Beseitigung von Schmelzklumpen im Schnitt von großem Vorteil ist.

(3) Wählen Sie den richtigen Gasfluss und die richtige Schnittgeschwindigkeit

 Ein unzureichender Gasstrom kann leicht zur Bildung von Schmelzklumpen führen. Wenn alle anderen Bedingungen unverändert bleiben, verbessert sich die Schnittqualität mit zunehmendem Gasfluss, und es kann ein Schnitt ohne Schmelzklumpen erzielt werden.

Ein übermäßiger Gasfluss verkürzt jedoch den Plasmalichtbogen, was seine Schmelzfähigkeit im unteren Teil des Werkstücks verringert, den Rückstand hinter dem Schnitt vergrößert, den Schnitt V-förmig werden lässt und folglich die Bildung von Schmelzklumpen begünstigt.

3.3 Vermeiden Sie das Auftreten von Doppelbögen

Das Auftreten von Doppelbögen in übertragenen Plasmalichtbögen hängt mit bestimmten Prozessbedingungen zusammen. Beim Plasmalichtbogenschneiden führt das Auftreten von Doppelbögen unweigerlich zu einem schnellen Düsenverschleiß.

Geringer Verschleiß verändert die geometrische Form des Düsenlochs, destabilisiert den Lichtbogen und beeinträchtigt die Schnittqualität; starker Verschleiß kann zu Düsenleckagen führen und den Schneidprozess zum Stillstand bringen.

Daher gilt, wie bei Plasmaschweißenist es von entscheidender Bedeutung, die Faktoren zu berücksichtigen, die die Bildung von Doppelbögen beeinflussen, um ihr Auftreten zu verhindern.

3.4 Qualität beim Schneiden dicker Platten

In der Produktion kann das Plasmaschneiden jetzt zum Schneiden von rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 100 bis 200 mm eingesetzt werden. Um die Qualität des Schneidens zu gewährleisten dicke Plattensollten die folgenden technischen Merkmale berücksichtigt werden:

(1) Mit zunehmender Schneiddicke steigt auch die Menge des zu schmelzenden Metalls, so dass eine höhere Plasmalichtbogenleistung erforderlich ist. Beim Schneiden von Blechen mit einer Dicke von mehr als 80 mm liegt die Leistung des Plasmalichtbogens zwischen 50 und 100 kW.

Um den Verschleiß von Düsen und Wolframelektroden zu verringern, ist es ratsam, die Schneidspannung des Plasmalichtbogens bei gleicher Leistung zu erhöhen.

Daher sollte die Leerlaufspannung des Schneidnetzteils über 220 V liegen.

(2) Der Plasmalichtbogen sollte schlank und starr sein, wobei die Lichtbogensäule über eine lange Strecke eine hohe Temperatur beibehält.

Das heißt, der axiale Temperaturgradient sollte gering sein und die Temperaturverteilung auf der Bogensäule sollte gleichmäßig sein. Auf diese Weise kann die Unterseite des Schnitts genügend Wärme erhalten, um das Eindringen zu gewährleisten.

Die Wirkung ist noch besser, wenn ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff mit großer Wärmeenthalpie und hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet wird.

(3) Während der Lichtbogenübertragung kommt es aufgrund großer Stromschwankungen häufig zu einer Unterbrechung des Lichtbogens oder zum Durchbrennen der Düse, so dass das Gerät eine Methode zur schrittweisen Erhöhung des Stroms oder zur stufenweisen Übertragung des Lichtbogens verwenden muss.

Im Allgemeinen kann ein Strombegrenzungswiderstand (etwa 0,4 Ω) in den Schneidkreis eingefügt werden, um den Stromwert während des Lichtbogenübergangs zu verringern, und dann wird der Widerstand kurzgeschlossen.

(4) Zu Beginn des Schneidens ist ein Vorwärmen erforderlich, wobei die Vorwärmzeit von den Eigenschaften und der Dicke des zu schneidenden Materials abhängt.

Bei rostfreiem Stahl ist bei einer Werkstückdicke von 200 mm eine Vorwärmzeit von 8 bis 20 Sekunden erforderlich; bei einer Werkstückdicke von 50 mm ist eine Vorwärmzeit von 2,5 bis 3,5 Sekunden erforderlich.

Nach dem Beginn des Schneidens eines dicken Werkstücks sollten Sie warten, bis es entlang der Dickenrichtung durchgeschnitten ist, bevor Sie den Schneidbrenner bewegen, um einen kontinuierlichen Schnitt zu erzielen, da das Werkstück sonst nicht vollständig geschnitten wird.

Der Lichtbogen sollte erst abgeschnitten werden, wenn die Arbeit vollständig getrennt ist.

Maßnahmen zur Qualitätskontrolle:

Zur Vermeidung von SchweißfehlerUm die Fehlausrichtung auf beiden Seiten der Schweißnaht zu kontrollieren, wurden Schweißvorrichtungen verwendet und positioniert; um die Oxidation der Innenwand der geschweißten Schale zu vermeiden, wurde ein interner Schutz durch Argonfüllung eingeführt.

5. Schlussfolgerung

(1) Martensitischer, ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl weist hervorragende Schweißbarkeit und kann in jedem Zustand geschweißt werden - lösungsgeglüht, gealtert oder überaltert - ohne Vorwärmen oder langsames Abkühlen nach dem Schweißen.

Ist jedoch eine gleichwertige Festigkeit der Schweißverbindung erforderlich, muss für den Schweißzusatzwerkstoff die gleiche chemische Zusammensetzung wie für den Grundwerkstoff verwendet werden, und es muss eine Lösungsglühung nach dem Schweißen und eine Alterungswärmebehandlung durchgeführt werden.

(2) Beim Schmelzschweißen von martensitischem, ausscheidungsgehärtetem rostfreiem Stahl muss die Zufuhr von Streckenenergie streng begrenzt werden, um Erweichung und Seigerung in der Verbindung zu vermeiden.

Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißenund das gepulste Wolfram-Inertgasschweißen sind die bevorzugten Verfahren der Wahl. Beim Widerstandsschweißen sollten strenge Vorgaben eingehalten werden.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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