CC BY
5СЕКЦИЯ 1. ПРОЧНОСТЬ И ЦЕЛОСТНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-48-51
О ВЫБОРЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Анахов С.В.1, Гузанов Б.Н.1, Матушкин А.В2, Мичуров Н.С.3
1 Российский государственный профессионально-педагогический университет 2 Уральский федеральный университет
3 Уральский институт Государственной противопожарной службы МЧС России,
Екатеринбург
В работе представлены результаты сравнительного экспериментального исследования качества резки конструкционной стали под сварку с применением современных методов высокоэнергетических резки металлов - лазерной, плазменной, газопламенной и гидроабразивной технологий. Результаты работы свидетельствуют о высоком качестве резки металлов, достигаемом с использованием данных технологий. При этом наилучшее качество при разделке стали толщиной 16 мм было достигнуто при резке плазмотроном ПМВР-5.3.
В современных заготовительных и ремонтных производствах существует достаточно широкий выбор технологий разделки металлов. Большинство из них можно отнести к высокоэнергетическим технологиям - лазерную, электронно-лучевую, плазменную, газопламенную резку, хотя существенную долю в общем объеме применения технологий разделки играют также механическая и гидроабразивная резка [1, 2]. Зачастую, выбор наиболее эффективной технологии (при наличии определенных ресурсов) оказывается достаточно сложной задачей, поскольку приходится принимать во внимание широкий комплекс факторов - производительность, энергетическую эффективность, качество, себестоимость, безопасность, технологичность и т. д. В свою очередь, каждый из упомянутых факторов находится во взаимосвязи с остальными факторами, зависит от вида разрезаемого материала и типа оборудования и может варьироваться в достаточно широких пределах. В результате возникает задача оптимального выбора, которая, как правило, решается в зависимости от заданного приоритета в рейтинге вышеупомянутых критериев и часто сводится к учету рекомендаций, сформированных по результатам анализа известных технологических практик и достаточно разрозненных научных исследований в этой сфере.
Свою роль при выборе наиболее эффективной технологии играют и существующие регламентные нормы на качество резки. Как показано в ряде исследований, качество резки, зачастую, существенным образом влияет на параметры сварных соединений, получаемых в процессах их производства с применением различных методов разделительной резки металлов. Однако, как было показано авторами [3], не все упомянутые выше технологии резки стандартизованы по параметрам качества из-за чего данные требования, часто определяются заказчиком, либо используются стандарты предприятий и руководящая документация (например, в технологиях лазерной резки). Кроме того, современные регламентные нормы на качество резки с применением таких технологий в большей части опираются на выводы, полученные в конце ХХ века, и не всегда учитывают результаты, получаемые с использованием новых устройств и технологий, позволяющих производить резку с высоким качеством и эффективностью, включая последующее производство сварных соединений. Фактически, единственным универсальным регламентом в этой связи можно признать ГОСТ ИСО 9013-2022 (Резка термическая. Классификация резов. Геометрические характеристики изделий и допуски по качеству), в котором при оценке качества поверхности
реза термически разрезанных материалов обращают внимание на значения 2-х основных параметров - допуск перпендикулярности или наклона и средняя высота профиля Rz5 и несколько дополнительных - отставание реза; оплавление верхней кромки; возможное формирование грата или расплавленных капель на нижней кромке реза.
Более детализированными являются требования, предъявляемые к качеству плазменной и газовой резки в ГОСТ 14792-80 «Детали и заготовки, вырезаемые кислородной и плазменно-дуговой резкой. Точность, качество поверхности реза». Данный стандарт характеризует качество по четырем показателям - точности размеров; неперпендикулярности кромок; микрошероховатости поверхности реза; зоне термического влияния. Однако, при резке металла для последующего производства сварных соединений необходимо учитывать и отраслевые стандарты -например, СТО Газпром 2-2.2-136-2007 (Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов) и РД 153-006-02 ОАО «ТРАНСНЕФТЬ» (Инструкция по технологии сварки при строительстве и капитальном ремонте магистральных нефтепроводов), устанавливающие требования на механическое удаление дефектов и механическую обработку резаных торцов труб при орбитальной газовой или воздушно-плазменной резке для последующей сварки. Данные ограничения существенно сказываются на конкурентоспособности упомянутых технологий, особенно при разделке и последующей сварке металлов малых толщин. Следует заметить, что упомянутые ограничения присутствуют и в ГОСТ ИСО 9013-2022, устанавливающем допуски на размеры деталей без финишной обработки (допуски перпендикулярности или наклона и нижнее предельное отклонение).
С учетом перечисленных обстоятельств авторами были произведены аналитические и экспериментальные исследования качества резки металлов, достигаемого с применением нескольких известных методов - лазерной, плазменной, газовой и гидроабразивной разделки. Одной из целей исследования было также обоснование предложения авторов о возможности замены дорогостоящих импортных плазмотронов на существенно менее дорогие плазмотроны авторской разработки, имеющие сопоставимые показатели эффективности работы. На взгляд авторов, применение новых отечественных плазморезательных технологий может дать существенный эффект при их внедрении в производство сварных работ на трубопроводном транспорте и сопутствующих производствах (в том числе, условиях Сибири, Арктики и Дальнего Востока). Последнее обстоятельство связано с существенными трудностями транспортировки газовых баллонов для производства газопламенных и сварочных работ в арктических условиях и большими возможностями применения технологий воздушной плазменной резки в данных условиях.
Предварительные результаты исследований позволили сделать вывод, что на малых толщинах металла (до 15 мм) предпочтительнее использовать лазерную и узкоструйную плазменную резку, а при больших толщинах (до 100 мм) приоритетной становится плазменная резка, так как она гораздо более экономична, чем лазерная и гидроабразивная, а в сравнении с газовой разделкой дает лучшее качество в сочетании с высокой производительностью. По этой причине для сравнительного экспериментального анализа качества разделки была выбрана широко применяемая сталь 09Г2С толщиной 16 мм. Гидроабразивная и лазерная резка были осуществлены в РЦЛТ (Региональном центре лазерных технологий), плазменная - в ООО НПО «Полигон» и РГППУ с применением плазмотронов ПМВР-5.3 (авторская разработка производства ООО НПО «Полигон» - одноконтурный узкоструйный плазмотрон 5-го поколения с новой системой газовихревой стабилизации плазменной дуги [4] - рис. 1) и YK200H (ИиАУиА№ FLG-400HD, Китай). Режимы и фото полученных образцов резки приведены в таблице 1. Дополнительно в РГППУ была произведена газовая резка аналогичных стальных листов (рабочее давление кислорода - 5 атм, пропана - 0,5 атм, скорость резки - 1500 мм/мин).
Рис. 1. Плазмотрон ПМВР-5.3 для прецизионной воздушно-плазменной резки металлов
Таблица 1. Режимы и образцы резов, полученные различными видами резки
Вид резки
Гидро-абразив-ная
(станок HEAD 3020BA-5AC)
Лазерная под сварку
(Trumpf Trulaser 5030 Classic, 6 кВт, CO2)
Воздушно-плазменная резка (ПМВР-5.3)
Воздушно-плазменная резка (YK200H)
Режим резки
V=130 мм/мин
N=1,7 кВт, f=2 кГц, V=600
мм/мин, P=0,6 бар
1=175 А, и=137 В, V=1500 мм/мин, Dсопла=1,9 мм Рпог=4,5 атм
1=175 А, U=155 В, V=1500 мм/мин, Dсопла=1,9 мм
Образцы реза
Анализ представленных результатов свидетельствует о сопоставимости углов отклонения от перпендикулярности при гидроабразивной, лазерной и плазменной резке плазмотроном ПМВР-5.3. Кроме того, наблюдаются более высокие отклонения от нормативных требований по микротвердости (не более 300 НУ) при лазерной и плазменной резке плазмотроном УК200Н, чем при гидроабразивной и плазменной резке плазмотроном ПМВР-5.3. Результаты визуального и количественного анализа поверхности разделочных швов (наличие грата, ос-цилляций, капель, цветов побежалости) также позволили сделать вывод о наилучшем качестве реза, достигаемом при резке плазмотроном ПМВР-5.3.
В таблице 2 представлены результаты измерения параметров микрорельефа поверхности, полученные с применением оптического интерферометра Уеесо, а также микроструктурного анализа поверхностного слоя разделочных швов, полученных с применением плазмотронов ПМВР-5.3 и УК200Н. Анализ результатов измерений параметров шероховатости показывает, что наилучшее качество поверхности реза (на уровне 1 класса по ГОСТ 14972-80) было также достигнуто с применением плазмотрона ПМВР-5.3 (качество поверхности реза, полученное с применением других технологий также было достаточно высоким). Кроме того, можно обратить внимание на выявленное по результатам проведенного микроструктурного анализа наличие трещин и нарушений сплошности поверхностного слоя реза при лазерной и плазменной резке (УК200Н) в отличие от резки плазмотроном ПМВР-5.3 (при однотипной внутренней структуре - белый слой у поверхности, далее крупно игольчатый мартенсит).
Таблица 2. Сравнение качества резки разными плазменными технологиями
Вид резки
Микрорельеф поверхности _(Veeco)_
Микроструктура после плазменной _резки_
Воздушно -плазменная (ПМВР-5.3М)
Воздушно -плазменная (YK200H)
Результаты представленного анализа позволяют сделать вывод о высоком качестве реза, достигаемом с применением современных высокоэнергетических технологий (на уровне 1 класса по ГОСТ 14972-80). Как показали сравнительные исследования, наиболее высокие параметры качества были достигнуты при воздушно-плазменной резке плазмотроном ПМВР-5.3, что подтверждает не только его высокую эффективность и прецизионность резки, но и его импортозамещающий потенциал, а также возможность «чистовой» резки с его применением при производстве сварных соединений в пределах толщин до 20 мм.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-29-00111.
Литература
1. Кайдалов А.А. Современные технологии термической и дистанционной резки конструкционных материалов / А.А. Кайдалов. - К.: Экотехнология, 2007. 456 с.
2. Аверьянова, И.О. Технология машиностроения. Высокоэнергетические и комбинированные методы обработки : учебное пособие / И.О. Аверьянова, В.В. Клепиков. - Москва : ФОРУМ, 2022. - 304 с.
3. Анахов С.В., Гузанов Б.Н., Матушкин А.В., Мичуров Н.С. О соблюдении регламентных норм на качество резки при производстве сварных соединений // Компетентность / Competency (Russia). - 2024. - № 5. - C.56-62.
4. Пыкин Ю.А., Анахов С.В., Матушкин А.В. Патент на изобретение «Плазмотрон» № 2754817 от 07.09.2021.
