ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КОРПУСА СУДНА

Тепловая резка. Одной из основных технологических операций изготовления деталей является тепловая резка, которая предназна­чена для вырезки деталей любой геометрической формы и размеров при толщине металла от 4,0 мм и более.

Под тепловой резкой понимается технологический процесс раз­деления металла при помощи тепла. В зависимости от видов источ­ников тепла различают следующие виды тепловой резки: дуговая (теп­ло электрической дуги), кислородная (тепло экзотермических реакций горения разрезаемого металла и горючего газа), плазменная (тепло плазменной дуги) и лазерная (тепло луча лазерного излуче­ния). Указанные виды тепловой резки существенно отличаются меж­ду собой по тепловым характеристикам и качеству вырезанных дета­лей, по возможности механизации и автоматизации процесса резки и поэтому имеют различные области применения при обработке ме­таллических материалов.

По характеру образуемых резов тепловую резку подразделяют на разделительную (образующую сквозные резы, отделяющие одну часть металла от другой) для получения заданных контуров деталей и по­верхностную резку, называемую тепловой строжкой, при которой удаляется поверхностный слой металла в виде канавки полукруглого сечения для подготовки V-образных кромок под сварку в монтажных условиях, при ремонте сварных швов с дефектами и т. п.

а)

Рис. 6.4. Т 'иповые технологические операции и. чгоговления деталей корпуса судна и последовательности их ньоіолисііия для деталей ил листового (а) и профильного (б) проката

Разделительная резка выполняется на стационарных и перенос­ных машинах и вручную в составе поточных линий. Вырезка дета­лей с криволинейными кромками производится, как правило, на стационарных машинах. Ручную резку применяют при вырезке де­талей из профильного проката, разрезке перемычек, отходов и др.

Дуговая резка выполняется, как правило, с применением плавя­щегося или неплавящегося электродов. Она характеризуется низким качеством кромок вырезанных деталей, низкой скоростью резки, не­удовлетворительными экологическими условиями, трудно поддает­ся механизации и поэтому не используется при изготовлении дета­лей корпуса судна. При изготовлении деталей корпуса судна применяют плазменную и кислородную резку.

Основной объем тепловой резки приходится на плазменную резку в связи с более высокими скоростями резки листов проката толщиной

1,0. ..30,0 мм (по сравнению с кислородной резкой) и существенно мень­шими остаточными тепловыми деформациями вырезаемых деталей.

Кислородная резка более эффективна при вырезке деталей из низколегированных и низкоуглеродистых сталей толщиной более

30,0 мм. Она также является единственным тепловым процессом вы­резки деталей из высокопрочных сталей и титановых сплавов, сня­тия фасок на вырезанных деталях, а также вырезки деталей с одно­временным снятием фасок под сварку.

Перспективным является процесс лазерной резки, особенно при обработке тонколистового проката (толщиной менее 4,0 мм).

Наиболее высокая точность вырезаемых деталей достигается при плазменной резке на стационарных машинах с ЧПУ, а также при ла­зерной резке. Они работают в составе комплексно-механизирован­ных поточных линий, оснащенных подъемно-транспортными сред­ствами, раскроечными рамами, межоперационными накопителями и перегружателями.

Кислородная резка. Кислородная резка является химическим про­цессом. Она основана на интенсивном окислении (горении) металла в кислороде, сопровождающемся выделением большого количества тепла в результате экзотермических реакций, сосредоточенного на узком участке. В результате перемещения участков горения металла и удаления из разреза продуктов окисления образуется непрерывная линия разделения (реза) монолитного металла. Процесс резки ме­талла происходит в основном за счет тепла реакций горения металла. Тепло подогревающего пламени необходимо для подогрева металла до температуры его воспламенения и поддержания процесса горения металла.

Разрезаемость металлов в кислороде зависит от их химической активности с кислородом, теплофизических характеристик и хими­ческого состава. По этой причине кислородную резку не применяют для вырезки деталей из высокоуглеродистых и аустенитных сталей, чугуна, алюминия, меди и их сплавов и др.

Качество вырезаемых деталей и эффективность кислородной рез­ки зависят от режимов резки и качества подготовки металла (нали­чия окалины, ржавчины, грунта, качества правки и др.).

При кислородной резке стального проката толщиной менее 10 мм на нижней кромке вырезаемых деталей задерживается шлак (трат), содержащий большое количество неокисленного железа. Такой грат является недопустимым на деталях и подлежит удалению при помо­щи механической рубки пли обработки наждачным кругом. Обеспе­чить безгратовую вырезку таких деталей можно за счет повышения чистоты кислорода или снижения скорости резки, уменьшения мощ­ности подогревающего пламени. При резке тонколистовой стали доля тепла, поступающего в металл от подогревающего пламени, больше доли тепла от реакций горения металла.

В результате этого происходит значительный перегрев металла и оплавление верхних кромок реза и коробление детали, что не удов­летворяет требованиям к качеству вырезаемых деталей. Поэтому кислородная вырезка деталей из металла толщиной менее 4,0 мм не рекомендуется. При вырезке деталей из металла толщиной 4,0...5,0 мм следует применять кислород чистотой не ниже 99,5% при его давле­нии не более 0,3 МПа, назначать минимальную тепловую мощность подогревающего пламени при максимально возможной скорости его перемещения.

Кислородная резка стального профильного проката выполняется по разметке на переносных машинах или ручными резаками; в от­дельных случаях используются специализированные установки. Ос­новные положення технологии кислородной вырезки деталей и про­фильного проката не имеют принципиальных отличий от технологии вырезки из листового проката соответствующих толщин.

Значительное количество деталей, предназначенных для изготов­ления сварных конструкций, имеют скос кромок под сварку. Кромки детален иод сварку имеют скос кромок с одной стороны (V-образ - ные) или с двух сторон (Х-образные) с притуплением и без него. Тех­нология вырезки деталей с фасками с помощью тепловой резки пре­дусматривает, как правило, вырезку де галоп вертикальным резаком на стационарной машине кислородным или плазменным способом с обеспечением заданных форм п размеров плоской детали. После чего

происходит снятие фасок наклонным кислородным резаком без кан­товки детали (при V - и Х-образной разделке) или с кантовкой (при X-образной разделке) по разметке на переносной машине или вруч­ную. Принципиально возможна тепловая вырезка деталей по контуру с одновременным снятием фасок под сварку на стационарных маши­нах, оснащенных трехрезаковым блоком: один вертикальный цент­ральный резак, обеспечивающий заданные габаритные размеры и форму детали, и два наклонных (боковых) резака, настраиваемых на угол наклона, соответствующий углу разделки кромок детали.

При вырезке деталей с криволинейными очертаниями предусмат­ривается возможность поворота блока резаков вокруг вертикальной оси центрального резака, а также смещение (разнесение) боковых резаков относительно центрального на расстояние до 15 мм по на­правлению линии реза и перпендикулярно к ней. В этом случае толь­ко вертикальный резак перемещается по траектории, соответствую­щей заданным размерам и контуру вырезаемой детали, а наклонные (боковые) резаки, находящиеся на некотором удалении от вертикаль­ного резака, описывают траектории, отличные от необходимых. Это приводит к погрешностям в размерах и чистоте фасок, которые тем больше, чем меньше радиус кривизны контура детали, а при радиусе менее 200 мм погрешности настолько велики, что вырезаемые детали не удовлетворяют заданным требованиям. Кроме того, при тепловой вырезке деталей с одновременным снятием фасок под сварку проис­ходит уменьшение коэффициента использования металла за счет сня­тия боковым (наклонным) резаком рядом расположенного металла, что приводит к необходимости размещать детали на большем рассто­янии друг от друга, в результате чего возрастают отходы металла. По указанным и некоторым другим причинам технология вырезки дета­лей с одновременным снятием фасок под сварку практического при­менения не находит.

Для этих целей применяется технология, предусматривающая вырезку деталей плазменным или кислородным способами с после­дующим снятием фасок с одной или с двух сторон механическим способом путем скалывания на специальном станке (для небольших деталей) или кислородной резкой наклонными резаками (одним или двумя), копирующими контур детали, на стационарной матине типа «Ладога» (при вырезке средних и крупных деталей).

Плазменная резка. Процесс плазменной резки металлов основан на его расплавлении на всю толщину теплом плазменной дуги и удалении из зоны резки расплавленного металла. Однако, если производится резка металлов, обладающих большим сродством с кислородом, то

одновременно имеет место и химический процесс, связанный с интен­сивным окислением металла (горением) в кислороде, который содер­жится в плазмообразующем газе или в окружающем воздухе.

Плазменная дуга образуется в плазмотроне, через сопло которого пропускается (сжимается) вместе с плазмообразующим газом столб элек­трической дуги, горящей между электродом и обрабатываемым метал­лом. Под воздействием стенок канала сопла и струи плазмообразующе­го газа, подаваемого под определенным давлением, столб дуги сжимается, его поперечное сечение уменьшается, а температура в центре плазмен­ной дути в зависимости от степени обжатия, величины электрического тока, состава и расхода газа возрастает до 10000...30000 К, Напряжение дуги составляет СО..,200 В, плотность тока доходит до 100 А/мм2, а удель­ная тепловая мощность достигает 2-Ю6 Вт/см2, Такие характеристики плазменной дуги позволяют расплавить любой металл и осуществить с большой скоростью его резку, что свидетельствует об универсально­сти процесса.

Для плазменной резки в качестве плазмообразующей среды ис­пользуют различные газы: воздух, кислород, азот, аргон и др., а также смеси различных газов и газов с водой.

Режим плазменной резки оказывает большое влияние на качество вырезаемых деталей и эффективность процесса резки, К основным параметрам режимов плазменной резки относятся: напряжение дуги, сила тока, диаметр сопла плазмотрона, состав и расход плазмообра­зующего газа и скорость резки.

Плазменная резка выполняется на постоянном токе прямой по­лярности (минус на электроде). Напряжение на дуге зависит от ха­рактеристик источника питания, конструкции плазмотрона, диамет­ра сопла, вида плазмообразующей среды, толщины и марки разрезаемого металла. Плотность тока, которую выдерживает сопло, не разрушаясь, является показателем степени совершенства конст­рукции плазмотрона. На значение плотности тока оказывают основ­ное влияние диаметр отверстия сопла плазмотрона и сила тока.

На характер процесса резки и качество поверхности реза суще­ственно влияет скорость плазменной резки, с увеличением которой анодное пятно (контактная область дуги на аноде) перемещается к верхней кромке разреза по его фронту. Факел плазмы, выходящий из разреза, отклоняется в сторону, противоположную направлению рез­ки. Ширина реза при максимальной скорости резки по нижней плос­кости листа из малоуглеродистой и низколегированной стали тол­щиной 6,0...30,0 мм составляет 1,5,..3,0 мм. Увеличение скорости резки выше ее предельного значения приводит к непрорезанию листа.

В верхней части разреза ширина его зависит от диаметра сопла, силы тока, скорости резки, вида и расхода плазмообразующего газа, расстояния сопла плазмотрона от поверхности разрезаемого листа. Ширину реза у верхней поверхности листа принимают ориентиро­вочно равной двум значениям диаметра сопла. Это свидетельствует о том, что при резке плазмотроном с соплом диаметром 2,0,„3,0 мм поверхность реза не перпендикулярна поверхности разрезаемого ли­ста, т, е. поверхность кромки реза имеет скос около 1,0.„2,0 мм. Чаще всего скос кромок реза меньше на правой поверхности реза по ходу резки при резке плазмотроном с вихревой стабилизацией дуги с за- вихрителем, канавки которого направлены по часовой стрелке.

При небольших скоростях резки анодное пятно перемещается в нижнюю часть разреза, ширина которого здесь значительно возраста­ет, факел плазмы на выходе отклоняется вперед по ходу резки. Резка на небольших скоростях способствует образованию прочно сцеплен­ных с металлом нижней кромки реза наплывов грата. При оптималь­ных скоростях резки на кромках реза грат отсутствует. При неболь­ших скоростях резки факел плазмы выходит из разреза вертикально, а увеличение скорости резки отклоняет факел в сторону, противопо­ложную направлению резки. При правильно выбранной скорости рез­ки передняя граница факела близка к вертикальному положению.

Плазменная резка в широком диапазоне толщин разрезаемого ме­талла (4,0...30,0 мм) выполняется при постоянной нагрузке источника питания и расходе плазмообразующей среды, а изменяется только ско­рость резки в зависимости от толщины разрезаемого металла.

Представляет интерес использование воды при плазменной резке. Вода может использоваться в качестве плазмообразующей среды (во­доплазменная резка), подаваться в небольшом количестве в столб плазменной дуги (воздушно-водяная или кислородно-водяная плаз­менная резки), в воду также погружается при обычной газоплазмен­ной резке разрезаемый металл.

Стабилизация водоплазменной резки обеспечивается завихрени­ем воды с помощью канала, ограниченного двумя соплами. При этом обеспечивается хорошее качество поверхности реза и высокая произ­водительность резки, особенно при резке цветных металлов и высоко­легированных сталей большой толщины. Поверхность реза имеет не­значительный скос кромок и блеск естественного цвета металла. Однако водоплазменная резка имеет серьезные недостатки: сложность возбуж­дения дуги в начале резки и применение графитового электрода.

Плазменная резка с подачей небольшого количества воды через плазмотрон в воздушно-плазменную или кислородно-плазменную дугу находит применение при вырезке детален па малоуглеродис­тых и низколегированных сталей. Достоинством этой резки явля­ются улучшение качества поверхности реза, уменьшение скоса кро­мок, уменьшение насыщения металла азотом и тепловых деформаций вырезаемых деталей.

Плазменная резка металла, погруженного в воду, отличается от обычной газоплазменной резки в атмосфере тем, что разрезаемый металл устанавливается над поверхностью воды и затем частично или полностью в нее погружается иа период его резки. При такой резке расплавленный металл и шлак, образующиеся при резке, полностью оседают в воде, и вредные для здоровья человека пыль и газы не попа­дают в атмосферу. При этом уменьшаются тепловые деформации вырезаемых деталей, улучшается качество поверхности и снижается шум, характерный для плазменной резки. Однако при таком процессе резки происходит некоторое уменьшение производительности рез­ки. а также необходимо применение специальных водонепроницае­мых раскройных рам и специальных емкостей для слива в них ис­пользованной воды.

Основным достоинством плазменной вырезки деталей для кор­пусов судов из низкоуглеродистых и низколегированных сталей по сравнению с кислородной резкой являются более высокая скорость резки и точность вырезаемых деталей за счет существенно меньших остаточных тепловых деформаций и др. К недостаткам плазменной вырезки деталей корпуса судна относятся неперпендикулярность по­верхности реза и вырезаемой детали (скос кромок), открытая плаз­менная дуга, большое газовыделение, которое требует применения специальных мер по защите работающих в зоне резки, сравнительно небольшая во времени стойкость катода и сопла плазмотрона. И, глав­ное, при резке судокорпусных сталей толщиной менее 8,0 мм проис­ходит значительное насыщение металла у поверхности реза азотом, приводящее к образованию недопустимых пор в швах при автомати­ческой сварке под флюсом.

Содержание азота в металле у поверхности реза (на глубине до 0,02 мм) при воздушно-плазменной резке в сотии раз превосходит его началь­ное содержание в основном металле (рис. 6.5). Поэтому плазменная вырезка детатей из металла толщиной менее 8.0 мм под автоматичес­кую сварку под флюсом не рекомендуется. Известно много путей уменьшения насыщения азотом метатла кромокдеталей при их плазмен­ной вырезке, но во всех случаях не удается снизить его содержание до значений как в основном металле. При резке стали толщиной 9,0 и

16,0 мм током 300 А при напряжении 140...150 В и соответственно со скоростями репки 2.5 и 1,3 м/мин в металле кромок реза содержалось азота соответственно 2,68% и 0,7%.

Рлтоишю or нижней кромки иоисрхмост рс. м. мм Рис. 6.5. I’anipixuviomic ачоїа н r. ivfttmv кромки oi штерхносіи рсаа (H. ia. iMooopa. iVioiHHii e. i.i im. uvx. cia. n, (іСіЗсп го.'нцпиоіі 9 мм)

Лазерная резка. В качестве источника тепла при этом способе резки используются когерентные пучки монохроматического света, получа­емые в специальных установках, называемых оптическими квантовы­ми генераторами (ОКГ) пли лазерами. Такие пучки света характери­зуются небольшой расходимостью п высокой интенсивностью излучения, что обеспечивает большую плотность энергии света на весь­ма малой площади. Высокая удельная плотность (плотность мощнос­ти) позволяет расплавить или испарить на этом участке практически любой материал. Это и обуславливает большой интерес к лазерам, прежде всего для таких технологических процессов как тепловая рез­ка, сварка, разметка, маркирование и др. Принципиально лазерная рез­ка возможна за счет испарения материала, за счет плавления металла и удаления расплава из зоны реза, за счет некоторых химических реак­ций горения или разложения с выделением летучих соединений и др.

Для резки металлических материалов целесообразно применение лазерного излучения непрерывного или импульсно-периодического действия с поддувом газа для удаления расплавленного металла. Та­кой процесс назван газолазерной резкой. При газолазерной резке ме­таллов в зависимости от режима облучения и свойств металла раз­личают химический и физический механизмы разрушения материала.

Для химического механизма характерен существенный вклад теп­лоты реакции горения металла в общий тепловой баланс. Этот меха­низм резки наблюдается при обработке металлов, подверженных вос­пламенению и горению при температурах ниже их температур плавления и образующих жидкотекучие окислы. К таким материа­лам относятся низкоуглеродистые и низколегированные стали, титан и его сплавы.

При физическом механизме резки материала не происходит его горения. Металл плавится, и струя газа своим давлением удаляет рас­плавленный металл из зоны реза. Такой механизм резки характерен для металлов и сплавов, при резке которых выделяется недостаточ­ное количество теплоты от экзотермических реакций горения метал­ла, и у которых при взаимодействии с кислородом образуются ту­гоплавкие окислы. К таким металлам относятся медь, алюминий и их сплавы, нержавеющие аустенитные стали и др.

Привлекательными чертами газолазерной резки являются универ­сальность процесса с точки зрения возможности резки любых метал­лических и неметаллических материалов, незначительные остаточные тепловые деформации и др. Эти особенности обуславливают большой интерес к газолазерной резке металлов. Вместе с тем оборудование для этого процесса характеризуется высокими стоимостью, сложнос­тью, материало - и энергоемкостью. А небольшая тепловая мощность современных лазеров для технологических целей существенно огра­ничивает области применения газолазерной резки. Сведения, приво­димые в литературе о промышленном использовании газолазерной резки металлических материалов, крайне ограничены и относятся только к тонколистовому металлопрокату. В отечественном судостро­ении разработана технология вырезки деталей из листового проката толщиной до 5,0 мм и созданы для этих целей стационарные машины с ЧПУ. Однако по ряду причин (технических, организационных, эконо­мических) указанная технология резки пока не нашла широкого при­менения в судостроении.

Механическая резка. Механическая резка применяется для вы­резки деталей с прямыми и криволинейными кромками из листо­вого стального проката толщиной до 4,0 мм, для обработки которых тепловые способы резки не обеспечивают необходимое качество кромок деталей. Также она применяется для вырезки деталей с пря­молинейными кромками из листового проката толщиной до 12,0 мм и для вырезки деталей из профильного проката, По сравнению с тепловой резкой механическая резка проходит на существенно бо­лее высоких скоростях. Однако она сопряжена с использованием тяжелого ручного труда, затруднена ее механизация и автоматиза­ция, а при вырезке узких полос они приобретают винтообразную деформацию, грудноподдающуюся правке. Точность вырезанных деталей зависит от качества настройки и заточки ножей, от точнос­ти разметки, от наведения линии реза под ножи и квалификации рабочих, выполняющих резку.

Процесс механической резки сопровождается сложной деформа­цией металла, характеризуемой изгибом и разрывом волокон в про­цессе среза (скалывания) на всю толщину металла. Они вызваны кон­центрированными нагрузками под действием специальных видов оборудования. На поверхности кромки металла выделяются две зоны: узкая, блестящая полоска, соответствующая пластической стадии де­формирования, и более широкая матовая зона скалывания. Металл в зоне реза в результате наклепа упрочняется с одновременным пони­жением пластичности и ударной вязкости. На поверхности реза об­разуются микротрещины. Поэтому во многих случаях эта зона уда­ляется последующей строжкой или фрезерованием металла.

Гибка заготовок деталей. Большое количество деталей, изготав­ливаемых из листового и профильного проката, подвергается гибке.

Гибка выполняется преимущественно в холодном состоянии. Го­рячая гибка применяется в тех случаях, когда необходимо получить детали с радиусом кривизны менее предельно допустимого при хо­лодной гибке или когда не удается получить при холодной гибке не­обходимую сложную форму.

Большое разнообразие размеров и сложных форм деталей приводит к необходимости использовать различные технологические приемы

гибки, оборудование и оснастку, занимать рабочих высокой квали­фикации.

Основными способами гибки заготовок деталей являются гибка поперечным изгибом (свободная) гг в упор (гибка-штамповка), вы­полняемые на валковых листогибочных машинах, на гидравличес­ких и механических прессах и др. Все виды гибки являются доста­точно сложными и трудоемкими (особенно вспомогательные работы) и связаны с использованием в большом объеме тяжелого ручного труда.

Контроль качества деталей. Для обеспечения необходимого ка­чества готовых деталей осуществляется их пооперационный контроль и периодическая проверка ючности работы соответствующего тех­нологического оборудования. Для оценки качества готовых деталей до их сборки проводится внешний осмотр, которым оценивается пра­вильность формы детали и ее кромок: качество обработки сваривае­мых кромок и поверхностей, прилегающих к ним (отсутствие на них трещин, чсфновпн, выхватов и т. п.), чистота свариваемых кромок и поверхностей, прилегающих к ним (отсутствие на них загрязнений, ржавчины, краски, масла и т. п.).

После оценки качества деталей внешним осмотром или одновре­менно с ним производится контроль измерением угла разделки кро­мок, глубины разделки кромок, размера притупления кромок, поло­жения вершины разделки, размера и положения наплавляемого притупления на кромке детали и т. п.

Габаритные размеры деталей контролируются измерительным инструментом или специальным шаблоном, прямолинейность кро­мок длиной до 2000 мм - при помощи стальной линейки, более 2000 мм - при помощи натяжения тонкой нити вдоль измеряемой кромки и замера расстояний от нее до кромки через каждые 500 мм.

Отклонение углов разделки кромок под сварку проверяется угло­мером или шаблоном. Отклонение от плоскости проверяется при по­мощи линейки и щупа. Проверка кривизны деталей цилиндрической формы выполняется при помощи шаблона не менее чем по трем сече­ниям - вблизи нижней и верхней кромок п посередине; деталей ко­нической формы - при помощи шаблонов не менее чем в двух край­них сечениях.

Контроль деталей с перекосом и парусовидной формы произво­дится при помощи поперечных п продольных шаблонов или каркаса. Детали волнообразной и других сложных форм контролируются при помощи каркасов.