Лекция 14.
ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ.
КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Резка металлов – это процесс, обратный сварке. Технологические процессы термохимической резки базируются в основном на технологических процессах сварки плавлением. Металл из зоны реза может быть удален: термическим способом – за счет расплавления и вытекания металла; химическим способом – посредством окисления, превращения металла в окислы и шлаки; термохимическим способом – посредством одновременного расплавления и окисления металла в сочетании с механическим воздействием на жидкий металл, окислы и шлака струей газа, электродом, порошками и др.
В машиностроении применяют следующие способы термохимической резки металлов:
– газокислородная;
– кислороднофлюсовая;
– воздушно-дуговая;
– плазменная;
– лазерная;
– электроконтактная.
Газокислородная резка
Газокислородная резка основана на свойстве металлов и сплавов сгорать в струе технически чистого кислорода (рис. 14.1. а). Эти способом режут материалы, удовлетворяющие следующим требованиям:
а) Температура плавления металла должна быть выше температуры его горения в кислороде. Например, для низкоуглеродистой стали температура плавления 1500° С, температура горения 1350° С. С увеличением содержания углерода эта разница уменьшается;
б) Температура плавления окислов металла должна быть ниже температуры его плавления. Это обеспечивает более легкое выдувание потоком кислорода жидких оксидов из зоны реза;
в) Образующиеся при резке окислы и шлаки должны быть достаточно жидкотекучи и легко выдуваться струей режущего кислорода;
г) Теплопроводность металла должна быть невысокой, иначе сообщаемое металлу тепло будет интенсивно отводиться от зоны реза и термохимическая резка будет затруднена (резка меди и ее сплавов и др.);
д) Теплота сгорания металла в кислороде должна быит достаточной для поддержания непрерывности процесса резки. Например, при резке низкоуглеродистой стали 65–70% тепла выделяется от сгорания металла и лишь 30–35% – от подогревающего пламени резака.
Этим требованиям отвечает железо, низкоуглеродистые и низколегированные стали. При содержании углерода более 0,7% резка затруднена. Содержание легирующих элементов в стали не должно превышать 5%, так как они способствуют образованию тугоплавких окислов.
Затруднения при газокислородной резке вызывают: серый чугун, у которого температура плавления равна температуре горения; медные сплавы (высокая теплопроводность и малая теплота сгорания); алюминиевые сплавы (все покрыты тугоплавкой оксидной пленкой); высокохромистые и хромоникелевые стали.
Схема ацетиленокислородного резака показана на рис. 14.2. В основе его конструкции – ацеталенокислородная сварочная инжекторная горелка, снабженная дополнительной отводной трубкой с вентилем для подачи в мундштук кислорода. Соответственно мундштук имеет дополнительное отверстие для кислорода. При резке сначала зажигают ацетилено-кислородную смесь (которая поступает из кольцевого зазора мундштука), разогревают место реза до расплавления или до высокой температуры, а затем в мундштук, по его осевому каналу, подают кислород. Струя режущего кислорода сжигает жидкий металл и удаляет его окислы из зоны реза. Для резки протяженных заготовок применяется автоматическая и полуавтоматическая кислородная резка.
Существуют три вида кислородной резки: разделительная, поверхностная и кислородным копьем.
При разделительной резке режущая струя направляется перпендикулярно к поверхности металла и прорезает его на всю толщину. Примеры: раскрой листового металла, вырезка косынок, кругов, фланцев, разделка кромок под сварку. Толщина заготовок – до 300 мм, ширина реза – до 10 мм.
При поверхностной резке режущая струя направлена под очень небольшим углом к поверхности металла (почти параллельно ему) и обеспечивает грубую строжку или обдирку, удаление дефектов отливок, получение радиальных канавок (глубиной до 12 мм) или плоских пазов (глубина до 12 мм, ширина до 50 мм).
Резка кислородным копьем выполняется тонкостенной стальной трубкой (копьем). Начинается резка с подогрева места реза сварочной дугой или горелкой. Затем в трубку пускают из баллона кислород. На выходе кислорода копье загорается, его прижимают к металлу и постепенно углубляют в металл и таким образом прожигают отверстие соответствующего диаметра. Примеры: прорезание летки в металлургических печах, отверстия в бетоне.
Скорость разделительной резки – 80–560 мм/мин, на автоматах –до 1600 мм/мин, предельные отклонения – от 1 до 3 мм, шероховатость (Rz) – от 0,050 до 1,0 мм. Резку выполняют в любом пространственном положении. Газокислородная резка широко применяется в машиностроении. Кроме ацетилена возможно использование и других газов.
Кислородо-флюсовая резка
При этом способе в зону резки вместе с режущим кислородом вдувают порошкообразный флюс на железной основе. При сгорании флюса в кислородной струе выделяется дополнительное количество тепла, образуется более легкоплавкий и жидкотекучий шлак. Кроме того,железный порошок, двигаясь с большой скоростью, механически удаляет из зоны реза тугоплавкие оксиды.
Флюс – это мелкогранулированный железный порошок марки ПЖ5М. При резке хромистых и хромоникелевых сталей в порошок добавляется 25–50% окалины,при резке чугуна добавляют 30–35% доменного феррофосфора. При резке меди и ее сплавов флюс включает железный порошок, алюминиевый порошок (15–20%) и пороршок феррохрома (10–15%). Тепловая мощность пламени при этом – на 15–25% выше, чем при газовой резке. Иногда перед резкой стальные заготовки подогревают до 300–400° С, сплавы на основе меди – до 200–350° С. Для кислородно-флюсовой резки используют специальную аппаратуру: резак (несколько другой конфигурации), снабженный флюсопитателем, флюс в который поступает из бункера. Скорость резки серого чугуна –70–100 мм/мин; расход кислорода – до 4 м3 на 1 м реза; расход ацетилена – до 0,25 м3; расход флюса –3,5–6 кг.
Воздушно-дуговая резка
При монтажных работах для резки металла небольшой толщины (до 10 мм) иногда используют электродуговую резку угольным или стальным электродом при повышенных токах обратной полярности или переменным током. Благодаря высокой температуре электрической дуги металл плавится и вытекает из зоны реза под действием сил гравитации и небольшого давления дуги (разбрызгивание металла). Однако качество реза и производительность способа невысокие.
Воздушно-дуговая резка – это процесс разделительной или поверхностной резки за счет энергии электрической дуги и теплоты, выделяемой при горении металла в кислороде (рис. 14.1. в). Резка производится угольным (неплавящимся) электродом 1 на постоянном токе обратной полярности. Расплавленный металл сгорает под действием потока сжатого воздуха, который направляется соплом 4 вдоль электрода. Давление воздуха – 0,2–0,6 МПа.
Процесс применяют в основном для поверхностной обработки и резки низко- и среднеуглеродистой сталей. Резка этим способом высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, а также цветных металлов неэффективна (низкая производительность, высокая шероховатость в зоне реза). Резку выполняют при всех пространственных положениях.
Плазменная резка
Плазменную высокотемпературную резку выполняют струей дуговой плазмы (дуга косвенного действия), либо проникающей дугой. В качестве плазмообразующих газов используют смесь аргона с водородом (до 35%), азот, кислород или воздух. Резак называется плазматроном. Плазма – это электропроводный газ, содержащий в своем составе электроны, ионы и нейтральные молекулы. При резке используют термическую плазму с температурой 5000–30000° С. Плазменная резка состоит в непрерывном проплавлении материала заготовки струей плазмы, перемещаемой по заданной линии, при сопутствующем удалении его расплава с образованием полости реза. Однако, при плазменной резке косвенного действия тепловой КПД не превышает 7%, что экономически нецелесообразно. При плазменной резке прямого действия КПД повышается до 20–30%.
В нашей стране наибольшее применение имеет воздушно-плазменная резка прямого действия. Использование воздуха в качестве плазмообразующего газа позволяет снизить стоимость процесса, повысить качество поверхности реза, увеличить скорость, резать керамику, любые сплавы, в том числе цветные на основе меди и алюминия. Недостаток воздушной резки – насыщение металла азотом с образованием пористости. Способ применяют для черновой ручной и машинной резки практически всех металлов и сплавов. Расход воздуха – до 120 л/мин. Толщина заготовок – до 100 мм, ток резки – до 400 А. Для чистовой резки цветных металлов и сплавов используют аргон. Главное достоинство плазменной резки – универсальность.
При подводной резке в качестве плазмообразующего газа используют водородно-кислородную смесь. Однако процесс резки вызывает значительные изменения микроструктуры и механических свойств металла. При резке средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей образуются троостит и мартенсит и, соответственно, холодные трещины. Стали с высоким содержанием углерода и легирующих добавок склонны к образованию горячих трещин.
Лазерная резка
Лазерная резка применяется при резке тонкостенных заготовок практически из любых металлов. Принципиальная схема (рис. 14.1. г) резки не отличается от схемы лазерной сварки. В активной зоне А газового квантового генератора между зеркалом 6 и полупрлозрачным зеркалом 4 плучают монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн, которое направляется зеркалом 3 и фокусируют оптической системой 2 на поверхность разрезаемого изделия 1. Достоинства лазерной резки: минимальная ширина реза (менее 1 мм), возможность резки особо тонкостенных деталей – от 0,05 мм.
Электроконтактная резка
При этом способе резка происходит в результате возникновения периодических электрических разрядов между деталью и вращающимся электродом (рис. 14.1. д), присоединенным к источнику переменного электрического тока. Резку применяют для разделки на заготовки профильного труднообрабатываемого металла.