СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

Резка больших толщин

Для кислородных резаков обычного устройства можно считать нормальными толщины разрезаемой стали до 200—300 мм, как не вызывающие особых затруднений и не требующие особых специ­альных приёмов резки. Толщины свыше указанных считаются боль­шими и требуют специальной аппаратуры и особых приёмов резки, встречающей значительные затруднения.

Затруднения при резке больших толщин заключаются главным образом в следующем. Требуются специальные мощные резаки с увеличенным подогревательным пламенем и с увеличенным диа­метром сопла режущего кислорода. По существующей теории да­вление режущего кислорода должно возрастать с увеличением раз­
резаемой толщины. Существуют эмпирические формулы для определения давления режущего кислорода в зависимости от раз­резаемой толщины. В обычных резаках с цилиндрическим или ступенчато-цилиндрическим соплом давление режущего кислорода на входе в резак меняется от 3—4 ати для малых толщин до 8—9 ати для толщины 100 мм, 11 —12 ати для 200 мм, 12—14 ати для 300 мм, 20—25 ати для 400—500 мм. Резка больших тол­щин становится практически невозможной отчасти из-за трудности пользования кислородом высокого давления (необходимость осо­бо прочных бронированных шлангов и т. п.), главным же обра­зом из-за быстрого расширения струи кислорода по выходе из сопла и значительного охлаждения кислорода вследствие дроссе­лирующего эффекта. Расширение струи объясняется несовершен­ством работы цилиндрического сопла, поэтому кислород по выходе из сопла имеет давление, значительно превышающее атмосферное, и продолжает расширяться в струе вне сопла, что и вызывает уве­личение сечения струи. Падение давления кислорода от входного до атмосферного вызывает значительное его охлаждение; чем выше входное давление, тем сильнее охлаждение. Расширение струи и охлаждение кислорода, тормозящее процесс резки, сказывается всё сильнее по мере повышения входного давления режущего кисло­рода, т. е. увеличения толщины металла.

Непрерывно растущая потребность резки всё больших толщин металла, соответственно общему росту мощности промышленности, заставляет более внимательно подойти к изучению процесса кисло­родной резки. Таким изучением применительно к резке больших толщин с конца 1948 г. занимались инж. М. М. Борт и автор на­стоящей книги, которые пришли к следующим основным выводам. Давление кислорода на входе в резак определяется главным обра­зом конструкцией резака и не является характерной величиной для процесса резки. Основными величинами являются скорость, длина и сечение струи кислорода. Скорость должна быть сверхзвуковой. Длина струи зависит от её начального сечения, конструкции сопла и скорости на выходе.

Строение струи и распределение скоростей в ней схематически показаны на фиг. 234. Струя режущего кислорода А имеет кони­ческую форму и постепенно сходит на нет. Струя кислорода увле­кает с собой окружающий воздух, образуя постепенно расширяю­щуюся наружную зону Б, заполненную смесью кислорода с возду­хом. Газы наружной оболочки Б перемещаются в осевом направ­лении, но со значительно меньшей скоростью, быстро уменьшаю­щейся в радиальном направлении. Примерное распределение скоро­стей в сечениях струи 1—1, 2—2 и 3—3 показано на фиг. 234.

По мере удаления от среза мундштука уменьшаются сечение кислородной струи и скорость движения кислорода в ней и, на­конец, струя становится практически непригодной для резки. Уменьшение сечения и скорости струи служит основной причи­ной так называемого отставания при резке, о котором говорилось выше.

Активная длина струи L, пригодная для резки, определяется не­сколькими факторами, наиболее важными из которых являются на­чальные скорость и сечение струи, правильность её очертания, наличие по возможности ламинарного движе­ния кислорода в ней. Быстрое умень­шение сечения и скорости струи и не­достаточность её активной длины особенно сказываются при резке больших толщин. Обычные средства увеличения активной длины струи: повышение давления кислорода на входе в резак и увеличение сечения струи оказываются недостаточными.

Более внимательное изучение процеса кислородной резки приводит к сле­дующим заключениям.

Решающим показателем для успе­ха резки является скорость движения кислорода в режущей струе, достаточ­ная для успешного сдувания расплав­ленных окислов с поверхности метал­ла в полости реза. При резке боль - / ших толщин для обеспечения доста­точной длины струи особенно значи­тельной должна быть начальная ско­рость кислорода.

Давление кислорода на входе в резак, обеспечивающее необхо­димую начальную скорость кислорода, определяется главным обра­зом конструкцией резака. Несовершенство конструкции существую­щих стандартных резаков вызывает необходимость пользоваться значительными давлениями кислорода на входе в резак, а также быстро повышать давление с увеличением толщины разрезаемого металла.

Главнейшие конструктивные недочёты существующих стандарт­ных резаков следующие: неудачная форма сопла режущего кисло­рода, наличие резких отклонений пути кислорода в резаке, в особен­ности при переходе от ствола к мундштуку, наличие резких изме­нений сечения на пути кислорода, например в вентиле. Обычная цилиндрическая или ступенчато-цилиндрическая форма сопла не­удовлетворительно переводит потенциальную энергию сжатого газа в кинетическую энергию струи при сверхзвуковых скоростях. Зна­чительное количество энергии при этом теряется в форме звуковых колебаний, переходит в теплоту и проч., что и вызывает необходи­мость применения повышенных давлений на входе. Резкие отклоне­ния кислородопровода в резаке и изменения сечения увеличивают потери и служат причиной завихрений и турбулентных движений, нарушающих правильную форму струи и уменьшающих её устойчи­вость и рабочую длину.

Учитывая сказанное, М. М. Борт и автор книги сконструировали и построили в Киевском политехническом институте мощный кисло­родный резак Р-100 для резки стали толщиной до 2 м. В резаке Р-100, схематически показан­ном на фиг. 235, выполнены требования, указанные выше. На основании результатов длительных экспериментов соплу придана форма, показанная на фиг. 236 и названная сдвоенной коноидальной. Образующая сопла строится по точкам на основании опытных данных. Кислородопровод резака, подводящий кислород к соплу, представляет собой прямую трубку значительной длины и диаметра. Вен­тиль режущего кислорода заменён задвижкой, не суживающей сечения кислородопровода. Для смеси подогревательного пламени имеет­ся ряд сопел, расположенных концентрически вокруг сопла режущего кислорода. Мундштук резака имеет охлаждение проточной водой для устранения возможности обратных уда­ров подогревательного пламени, в особен­ности при резке горячего металла, например на металлургических заводах. Конструкция резака полностью себя оправдала как в лабо­раторных, так и производственных условиях. Резак даёт правильную длинную струю. Ки­слород выходит из сопла при давлении, близком к окружающему, и дальнейшего его расширения в струе практически не происхо­дит. Струя отличается устойчивостью вслед­ствие правильного ламинарного течения газа в ней и отсутствия завихрений. Основные тех­нические данные резака Р-100 приведены в в табл. 33.

Таблица 33

Резак Р-100 расширил возможности кислородной резки и позво­ляет резать толщины стали до 2000 мм вместо предельной толщины 400—500 мм для обычных резаков. Возможность резки больших толщин важна для многих машиностроительных за­водов, обрабатывающих крупные стальные поковки и отливки. Резка больших толщин важна и для ме­таллургических заводов, например, для отрезки го­ловной части слитков перед прокаткой, что позволяет увеличить выпуск проката до 15% на том же прокат­ном оборудовании. Возможна также резка блюмсов на заготовки и т. п.

В 1951 г. резаки Р-100 изготовления Киевского политехнического института установлены и пущены в ход на нескольких крупнейших заводах. Испыта­ния резака Р-100 показали, что для резки самых больших толщин достаточно давления кислорода 1—- 3 ати на входе в резак и что это давление практи­чески не зависит от разрезаемой толщины, причём получается мощная, длинная, устойчивая струя со сверхзвуковыми скоростями кислорода.

Таким образом, рухнула «теория» о зависимости давления режущего кислорода от разрезаемой тол­щины. Оказалось возможным на больших толщинах уменьшить давление кислорода в 10—45 раз. Необ­ходимые высокие давления кислорода в существую­щих резаках объясняются лишь несовершенством конструкции реза­ков и пренебрежением основными законами газодинамики при их

проектровании и расчёте. За­висимость давления от разре­заемой толщины в рациональ­но сконструированном резаке выражена слабо, и необходи­мое давление с возрастанием толщины не увеличивается, а несколько даже уменьшается.

Весьма устойчивая кис­лородная струя резака Р-100 позволяет также успешно выполнять пакетную резку. Обычными стандартными ре­заками возможно резать пачку или пакет стальных листов (фиг. 237), например, для одновременной вырезки многих деталей и т. п., но для этого необходимо весьма плотное сжатие эле­ментов пакета и хорошая зачистка прилегающих поверхностей для образования монолитного блока из пакета, разрезаемого как сплош­ной металл. При наличии даже небольших зазоров между листами пакета резка часто прерывается, струя кислорода не прорезает па­кета, деформируется и уродует кромки реза. Ввиду трудности плот-
ного сжатия пакета, пакетная резка имеет ограниченное примене­ние. Опыты показали, что резак по типу Р-100, работающий на низком давлении кислорода, легко прорезает пакеты суммарной толщиной до 200—300 мм и даёт чистый правильный рез даже при наличии значительных зазоров между листами. Можно ожидать, что с внедрением резаков нового типа пакетная резка найдёт более широкое промышленное применение.