Применение технологии воздушно-плазменной резки металлов в строительстве

Современные экономические условия заставляют специалистов непрерывно искать новые пути сокращения издержек и повышения эффективности труда на каждой стадии строительства. Высокая динамика развития строительной отрасли ставит перед каждой организацией задачу пересмотра старых технологических решений, а также поиска, внедрения и быстрого освоения новых, более экономичных и производительных. Решать эту задачу приходится на каждом этапе проектирования, возведения зданий и сооружений, отделки помещений, выполнения подготовительных работ и т. д. Операция резки металлов в современном строительстве не является основной, тем не менее, при изготовлении строительной оснастки, ремонте техники, изготовлении строительных металлоконструкций, выполнении монтажных работ и работе с жесткой арматурой повышение качества и производительности резки приведет к общему сокращению трудозатрат и снизит себестоимость работ. Спектр толщин металлов, используемых в строительстве широк: от 0,5 мм оцинкованного листа (применяемого для изготовления вентиляционных коробов и труб) до стальных балок с толщиной стенок 25—30 мм. При этом резка может выступать как конечная операция (например, при вырезании закладных элементов сложной формы), так и подготовительная операция перед сборкой или сваркой, от качества выполнения которой зависит производительность процесса в целом. Работа с заготовками малой (до 5 мм) толщины затруднений, как правило, не вызывает (особенно если форма деталей проста). Резы выполняются гильотинными ножницами, отрезными кругами, виброножницами и т. д. Резка деталей больших толщин (10—30 мм) обычно выполняется при помощи кислородно-ацетиленовой резки; качество и скорость резки при этом получаются относительно невысокими, в значительной степени зависящими от квалификации резчика. Для увеличения скорости резки расход газов приходится увеличивать. Несомненными достоинствами кислородно-ацетиленовой резки являются простота ее применения и низкая стоимость оборудования, что делает этот вид резки привлекательным для организаций, выполняющих относительно небольшие объемы резательных работ. Воздушно-плазменная резка значительно более производительна. Кроме того, воздушно-плазменная резка — универсальна, она позволяет производить резку любых черных и цветных металлов и сплавов на одном и том же оборудовании без переналадки . При этом рабочим газом является сжатый атмосферный воздух (подаваемый от компрессора) и необходимость транспортировки, хранения и зарядки кислородом и ацетиленом газовых баллонов отпадает. Отказ от использования горючих газов повышает также и безопасность проведения работ. Сущность процесса воздушно-плазменной резки состоит в локальном расплавлении металла в зоне реза и выдувании его потоком обжатой воздухом электрической дуги, температура которой достигает 15 000—25 000 оС. Высокая концентрация энергии в зоне реза обеспечивает малую ширину реза (при толщине заготовки 20 мм ширина реза — не более 2,5 мм), хорошее качество кромок без наплывов и грата и отсутствие коробления (даже на листовых заготовках малой толщины). Благодаря этому становится возможным применять схемы экономичного раскроя, выполнять сварку заготовок без механической обработки. Благодаря низкой себестоимости, универсальности и высокому качеству реза, воздушно-плазменная резка металлов широко применяется (активно вытесняя кислородно-ацетиленовую резку) во всех промышленно развитых странах Западной Европы, США и Японии, где за последние два десятилетия была создана целая гамма оборудования и приспособлений для воздушно-плазменной резки. До середины 90-х гг. практически все установки воздушно-плазменной резки, работающие на толщинах до 35—40 мм, импортировались. В основном, это были относительно простые и недорогие установки итальянского и польского производства: Superplasma 90/3, -120/3, (Telwin, �талия), Plasma Prof 92, -122 (Cebora, �талия), Air Plasma 40-90 (Ozas, Польша). Значительно реже импортировались более сложные установки других производителей: Lincoln Electric, Hypertherm (США), Kjellberg (Германия) и др. В настоящее время импортную плазменную технику все активнее вытесняет оборудование, разрабатываемое и серийно производящееся отечественными не только хорошо известными заводами («Сэлма», г. Симферополь; «Электрик», Санкт-Петербург), но и новыми предприятиями («Технотрон», г. Чебоксары, «Спец-электромаш», Санкт-Петербург). Установка воздушно-плазменной резки состоит из источника питания (как правило, трехфазного) и исполнительного органоплазменной горелки (плазмотрона), соединенного с источником питания гибким кабель-шланговым пакетом (обычно 5—12 м длины). �сточник питания, в свою очередь, подключается к электрической сети и воздушной магистрали или непосредственно к компрессору. Масса такой установки составляет не более 130—140 кг, габариты ее сравнимы с габаритами сварочного трансформатора ТДМ-401. Параметры современных отечественных установок (диапазон разрезаемых толщин, скорость резки и т. п.) сходны с теми, что имеют импортные образцы. Этому способствует в силу ряда причин и то, что в качестве рабочего органа отечественные производители применяют плазмотроны импортного производства (как правило, немецкие — Tbi, Binzel или итальянские — Trafimet). �спользование современных плазменных горелок позволило при небольших выходных токах (порядка 30—140 А) разрезать с высоким качеством и хорошей скоростью черную сталь до 50 мм толщины (соответственно, нержавеющую сталь — до 40 мм, алюминий — до 30 мм). Внутри плазмотрона находится катод — небольшая деталь цилиндрической формы (см. рис. 3), соединенная с отрицательным полюсом источника питания. Сопло, так же находящееся внутри плазмотрона (из горелки выступает лишь небольшая его часть), соединено с положительным полюсом источника питания через токоограничительный резистор. В торце сопла имеется калиброванное отверстие, диаметр которого может варьироваться от 1,0 до 1,9 мм (в зависимости от мощности установки). �сточник питания содержит также осциллятор, позволяющий бесконтактным способом зажечь электрическую дугу между катодом и соплом. После возбуждения осциллятором дуги поток сжатого воздуха обжимает ее и за-ставляет выйти из отверстия сопла. Дуга, горящая между катодом и соплом, называется косвенной (дежурной, пилотной) дугой; она нужна лишь для возбуждения основной дуги. При касании электрической дугой обрабатываемого изделия, также соединенного с положительным полюсом выпрямителя источника питания, косвенная дуга переходит в основную, которая горит между катодом и изделием, проходя через отверстие сопла. �менно сочетание косвенной дуги на начальном этапе резки и основной в процессе работы, позволяет не только резать чистые листы из черных и цветных металлов, но также обрабатывать изделия, покрытые лаками, красками и ржавчиной. Для получения необходимого качества реза и скорости, удобной для резчика, современные установки воздушно-плазменной резки малой мощности имеют несколько токовых режимов (как правило, 2—3), которые обеспечиваются ступенчатым регулированием (значительно реже — плавным электронным). Подаваемый в установку сжатый атмосферный воздух участвует в процессе плазмообразования, а также охлаждает элементы рабочей камеры плазмотрона. Для подготовки и контроля сжатого воздуха установки воздушно-плазменной резки содержат необходимый набор пневмоустройств, в который обычно входят: манометр, масловлагоотделитель, редуктор, реле давления, пневмораспределители, редуцирующий клапан. Обеспечение высокого качества сжатого воздуха при достаточно большом его расходе (120—220 л/мин. при 0,4—0,6 МПа) — одна из главных задач при эксплуатации установки воздушно-плазменной резки, т. к. от этого напрямую зависят стойкость катодов и сопел, стабильность поджига дуги, скорость и качество реза. Подаваемый воздух должен быть чистым, без влаги и масла, подача его должна быть равномерной, без пульсаций. Для очистки воздуха применяются фильтры (масловлагоотделители) и холодильники с конденсатоотводчиками, для сглаживания пульсаций — ресиверы (обычно на 100—150 л), установленные рядом с постом и редукторы. Удобство работы, качество реза, стойкость сменных элементов и, в конечном итоге — стоимость эксплуатации поста воздушно-плазменной резки, зависят от конструкции применяемого плазмотрона. Как уже отмечалось выше, все установки воздушно-плазменной резки, выпускаемые отечественными предприятиями и имеющие высокие технико-экономические характеристики, оснащены плазмотронами исключительно импортного производства. Эти плазмотроны имеют воздушное охлаждение и весьма сходные конструкции. Основными элементами плазмотрона (см. рис. 3) являются: катод 1 с гафниевой вставкой, керамический диффузор 2 (обеспечивающий закрутку воздушного потока), сопло 3 с калиброванным отверстием (Ш1,0—1,9 мм), изолирующая насадка 4, головная часть 5 и кабель-шланговый пакет 6 с рукояткой 7 эргономической формы. Катод и сопло изготавливаются из меди (см. рис. 4) методом холодной штамповки и являются расходуемыми элементами, их ресурс зависит от целого ряда факторов: конструкции и точности изготовления плазмотрона, качества сжатого воздуха, химического состава и толщины разрезаемого металла, правильности выбора режима резки и т. д. Если установка имеет несколько режимов резки (например, 60А, 90А, 120А), то, для достижения оптимального обжатия плазменной струи и получения наилучшего качества реза, каждому режиму следует выбирать соответствующий диаметр отверстия сопла. Так, например, для тока 60А оптимальным будет сопло с диаметром отверстия 1,2—1,4 мм, для 90А — 1,4—1,7 мм, для 120А — 1,7—1,9 мм. Диаметр отверстия обычно указывается на боковой поверхности сопла. Катод же имеет единую конструкцию, менять его следует только по мере износа. Для облегчения смены катода и его вывинчивания из головной части плазмотрона в его верхней части имеются две лыски. Установки предназначены для резки малых и средних толщин стали, применяемых в машиностроении, производстве металлоконструкций, монтаже трубопроводов, котельных и т. п. Трехфазный источник питания имеет массу 115 кг и, для удобства перемещения, снабжен поворотными колесными опорами. Для выполнения резки в ручном режиме установка комплектуется плазмотроном А.90 (Trafimet, �талия), в случае применения в газорезательных машинах поставляется автоматический плазмотрон Р.90 (Trafimet, �талия) и выносной пульт управления. Применение этих плазмотронов обеспечивает высокопроизводительную (10 мм низкоуглеродистая сталь режется со скоростью 1400 мм/мин.) и качественную резку (ширина реза — не более 2—3 мм). Наличие трехступенчатого регулятора тока резки (65А, 80А и 100А), осциллятора и режим «мягкого» поджига дежурной дуги позволяет не только подобрать оптимальную скорость резки различных толщин, но и сократить износ катодов и сопел. Установка УПР-1507М представляет собой умощненный вариант УПР-907М (она также оснащена и более мощным плазмо-троном A.140) и предназначена для резки не только малых, но и больших толщин (низкоуглеродистая сталь — до 55 мм, алюминий — до 30 мм включительно). Установка УПР-907МА предназначена для непрерывной работы в ручном и автоматическом режимах. Все модели установок снабжены аппаратурой подготовки сжатого воздуха, удобной световой индикацией режимов и системой блокировок, не позволяющей случайно вывести установку из строя. Непосредственно сам процесс воздушно-плазменной резки на описываемых установках предельно прост и выглядит следующим образом. После включения источника питания в сеть и подачи сжатого воздуха в пневмомагистраль установки следует поднести плазмотрон к обрабатываемому изделию на определенное расстояние (обычно, 2—4 мм) и нажать на кнопку, находящуюся на рукоятке, давая тем самым сигнал управления для начала процесса. Расстояние между обрабатываемым изделием и соплом плазмотрона легче всего обеспечивается при помощи специальных кареток, надеваемых на головную часть плазмотрона. Роликовая каретка значительно удобнее пружинной — неровности на поверхности металла, по которым прокатываются ролики, почти не влияют на плавность перемещения плазмотрона, в отличие от пружинной каретки, полозки которой «трутся» о поверхность металла. Кроме того, роликовая каретка выполнена из порошковой латуни и имеет никелированную поверхность; брызги металла, налипшие на нее, легко удаляются ветошью. В процессе резки головную часть плазмотрона необходимо держать строго вертикально к поверхности изделия; скорость перемещения должна соответствовать разрезаемой толщине, а само перемещение плазмотрона вдоль линии реза должно быть плавным и равномерным. Вообще, скорость перемещения плазмотрона оказывает решающее влияние на качество реза. При правильно выбранной скорости рез получается ровный, узкий (ширина — не более удвоенного диаметра сопла), без «выхватов»; кромки реза — без скруглений; поверхности края — гладкие или с небольшими бороздками, направленными почти вертикально. Грат легко удаляется с нижней кромки реза пассатижами или одним-двумя ударами молотка. С таким качеством можно резать металл до толщины, составляющей 75—85% от предельно возможной. В паспорте на установки обязательно приводятся рекомендуемые скорости резки для различных толщин в виде таблиц или графиков. Для наиболее эффективной организации труда резчика в стационарных цеховых условиях (например, завод ЖБ� или ДСК) желательно изготовить специальный раскроечный стол, оснащенный местным освещением и нижним отсосом достаточной мощности. Раскроечный стол представляет собой рамную конструкцию прямоугольной формы, выполненной из стального сортового уголка. Верхняя плоскость стола — открытая, на ней имеются крепежные приспособления для установки поперечных сменных ножей с шагом 100—150 мм. Сменные ножи изготавливаются из стальной (или алюминиевой) полосы толщиной 5—10 мм, с верхней кромки сменных ножей снимается фаска. � в монтажных, и в цеховых условиях хороший эффект дает использование различных шаблонов, линеек и других простейших приспособлений, позволяющих вырезать детали без разметки. Например, применение набора, изображенного на рис. 8, позволяет вырезать фланцы или отверстия с диаметром до 1 м. Если необходимо нарезать детали простой формы и при этом требования к качеству относительно невысоки, можно осуществить пакетную резку. Листы металла складываются в пакет и стягиваются струбцинами, суммарная толщина должна быть не более 75% от предельной толщины разрезаемого металла, указанной в паспорте на установку. При большом объеме одинаковых заготовок целесообразно процесс резки механизировать. Механизированная резка по сравнению с ручной исключает операцию разметки, уменьшает припуски; при этом обеспечивается более высокая и, что самое главное, равномерная, скорость резки, что положительно влияет на качество заготовок. Наиболее просто автоматизировать процесс воздушно-плазменной резки можно при помощи машин для механизированной газовой резки шарнирного типа (АСШ-2, «Огонек» и др.). Эти машины предназначены для резки заготовок относительно небольшого габарита; занимают минимальную рабочую площадь, просты в обслуживании и не требуют больших затрат на эксплуатацию. В основе системы контурного управления лежит магнитный копир, изготовленный из 6—8 мм стального листа в масштабе 1:1. Переделка машин сводится к демонтажу газовых рукавов и незначительной доработке держателя горелок таким образом, чтобы заменить кислородно-ацетиленовую горелку плазмотроном так называемого «автоматического» (или «карандашного») типа. Установка включается резчиком с выносного пульта управления, скорость перемещения можно плавно регулировать. Качественной резкой 10—30 мм толщин отнюдь не исчерпывается диапазон эффективного применения технологии воздушно-плазменной резки металлов. Организации, занимающиеся изготовлением и монтажом систем вентиляции, успешно применяют установки малой мощности. Питание таких установок осуществляется от однофазной сети с напряжением 220В; конструкция их предельно упрощена, осциллятор отсутствует, а все функции техобслуживания сведены к минимуму.