МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНЖЕНЕР-СВАРЩИК

Термическая резка и другие способы подготовки кромок

Основы

Резка материалов - процесс разъединения материала на части, размеры которых яв­ляются основой для получения элемента конструкции, а также для удаления некоторых объемов материала для получения заданной формы и размеров детали. Одной из разно­видностей резки материалов является подготовка кромок материала под сварку. Разделка кромок применяется для осуществления процесса сварки металлов и сплавов стыковыми или угловыми швами с целью получения бездефектного неразъемного соединения. Как пра­вило. для наиболее широкого применяемых методов сварки для подготовки металлических элементов под сварку разделку кромок осуществляют, если толщина их превышает 5 мм. При толщине до 5 мм сварку могут осуществлять без разделки кромок с зазором (для луч­шего провара) или без зазора, если тепловая энергия источника нагрева достаточна для провара материала. Резка материалов может осуществляться механическим оборудовани­ем (гильотинные и вибрационные ножницы, токарные, строгательные и фрезерные станки, механические ножницы), газоппаменным способом, электродуговыми, газоэлектрическими и лучевыми методами.

Обзор процессов подготовки кромок

Механическая резка материалов основана на преодолении их сопротивлению проти­востоять воздействию более твердого материала (инструмента). Механическая резка отли­чается от других методов резки более точным изготовлением детали нужных размеров и форм. С увеличением толщины характеризуется низкой производительностью и неэконо­мичностью. При заготовительной резке ограничена размерами и техническими возможно­стями оборудования. Практически не используется при резке металлических элементов кри­волинейной и сложной формы. При подготовке кромок может испопьзоваться на заключи - тельной стадии, когда производится доводка детали до нужного размера и формы или для удаления продуктов других процессов с поверхности, которая подлежит сварке.

Пламенная резка является самим распространенным видом обработки металлов. Особенно получила распространение кислородная резка металлов, широко применяющаяся в металлургической и машиностроительной промышленности. Процесс кислородной резки основан на сгорании металла (стали и сплавы титана) в струе кислорода и удалении этой струёй образующихся окислов. При этом осуществляются непрерывный подогрев металла газовым пламенем. Сгорание железа в кислороде протекает по следующим реакциям:

Fe + 1.5 02 = FeO + Q 2 Fe + 1,5 02 = Fe2Oa + Q 2 Fe + 202 = FeaOj + Q

При высоких температурах в зоне реакции резки могут образовываться все три окисла.

Процесс резки начинается с нагревания металла в начальной точке реза до темпера­туры, достаточной для воспламенения (начала интенсивного окисления) данного металла в кислороде. Практически при резке стали нагрев производится до температуры, близкой к плавлению стали. Для низкоуглеродистой стали температура воспламенения составляет 1350 °С - 1360 °С. С повышением содержания углерода или других легирующих элементов эта температура понижается. Нагрев осуществляется подогревающим пламенем, образуе­мым при сгорании горючего газа или жидкости в кислороде. Когда температура нагрева ме­талла достигает требуемой величины, пускается струя технически чистого (98 - 99 %) кисло­рода. Время нагрева зависит от вида горючего газа или жидкости. Наименьшее время по­догрева у ацетиленово-кислородного пламени. Струю кислорода, выходящего обычно из центрального канала мундштука и идущего непосредственно на сжигание металла и удале­ние окислов, принято называть струёй режущего кислорода в отличие от кислорода подог­ревающего пламени, выходящего в смеси с горючим газом из дополнительных сопел для подогрева. Направленный на нагретый участок металла режущий кислород вызывает не­медленное интенсивное окисление верхних слоев металла, которые, сгорая, выделяют зна­чительное количество теплоты и нагревают до воспламенения в кислороде лежащие ниже слои. Таким образом, процесс горения металла в кислороде распространяется по всей тол­щине разрезаемого листа или заготовки. Образующиеся при сгорании металла окислы, бу­дучи в расплавленном состоянии, увлекаются струёй режущего кислорода и выдуваются ею из зоны реакции. Стекая в образуемый в металле разрез и соприкасаясь с лежащими ниже слоями металла, окислы отдают металлу часть своей теплоты, производя дополнительный подогрев его и способствуют непрерывности процесса резки.

Условие резки материалов

Газовой резке поддаются не все металлы, а только те из них, которые удовлетворяют следующим основным условиям:

1. Температура плавления металла должна быть выше температуры его воспламене­ния в кислороде.

Малоуглеродистая сталь, имеющая температуру плавления около 1500° С. удовлетво ряет этому условию и хорошо поддается кислородной резке. Чем выше содержание углеро­да в стали, тем хуже она поддается кислородной резке, так как температура плавления ста­ли с увеличением содержанием углерода уменьшается, а температура воспламенения его в кислороде возрастает. Считается, что сталь, содержащая до 0,45% С и его эквивалента, хо­рошо поддается газокислородной резке, свыше 0,45% С и до 0,7 % С», удовлетворительно и нуждается в подогреве, свыше 0,7 % С м плохо режется. Эквивалентное содержание угле­рода в стали определяется по температуре мартенситного превращения или по формуле :

Сэте = С + Мп/6 + CR/5 + V/5 + Мо/4 + Ni/15 + Си/13 + Р/2.

2. Температура плавления окислов металла должны быть ниже температуры плавле­ния самого металла и температуры, которая развивается в процессе резки данного металла. Примером таких металлов, температура плавления которых намного ниже температуры плавления окислов могут служить высокохромистые и хромоникелевые стали, на поверхно­сти которых образуется окисел хрома Сг203 с температурой плавления 2000е С: сплавы алюминия, образующие окисел алюминия А!203 с температурой плавления 2050°. Все эти металлы обычному процессу газовой резки не поддаются.

В таблице приведены температуры плавления наиболее распространенных в технике металлов и их окислов.

3. Количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно бьггь достаточно для поддержания непрерывного процесса резки. При резке листо­вой малоуглеродистой стали количество теплоты развивающейся при сгорании железа и его примесей, составляет 70 % , а количество теплоты, вводимой в металл подогревающим ацетилено-кислородным пламенем, всего лишь 30% общего количества теплоты, выделяе­мой в процессе резки.

4. Теплопроводность металла не должна быть слишком высокой. В противном случае теплота подогревающего пламени будет недостаточной для воспламенения металла и про­цесс или не начнется, или будет прерываться. Примером могут служить такие теплопровод­ные металлы как медь и алюминий и их сплавы, резка которых затруднена.

5. Образующиеся окислы должны быть жидкотекучими. В противном случае шлак - продукт резки будет плохо удаляться из зоны резки и будет тормозить процесс резки. Так, например, чугун, содержащий кремний, ппохо поддается резке в том числе и по причине образования окисла кремния Si02, обладающего значительной тугоплавкостью и большим температурным промежутком изменения вязкости.

6. В металле, подвергаемом газовой резке, должно быть ограниченно копичество при­месей. препятствующих процессу резки (С, Сг, Si, и др.) и повышающих закаливаемость ста­ли (Mo, W и др.).

При содержании углерода свыше 0,7% процесс газовой резки протекает с трудом, тре­бует предварительного подогрева стали до Т =400 ° - 700 ° С, и делается совершенно не­возможным при содержании углерода более 1..1,2%. Препятствие процессу резки высокоуг­леродистых сталей и чугунов возникает также из-за значительного образования СО и С02, загрязняющего режущий кислород и снижающий эффективность процесса окисления. Высо­кохромистые и хромистые стали также не поддаются нормапьному процессу газовой резки.

Подогрев металла до его воспламенения может быть осуществлен любым способом, при котором поверхность изделия на небольшом участке может быть нагрета за возможно короткий срок до температуры 1300 - 1350°С. Требование к подогревающему пламени и эффективность подогрева им металла в начале и в процессе резки определяются такими параметрами:

1. Род горючего газа и мощность подогревающего пламени.

Наибольшую температуру пламени и высокую эффективную мощность имеет ацетиле- но-кислородное пламя. Преимуществом большинства горючих газов заменителей ацетилена является их относительно низкая стоимость и недефицитность. Мощность пламени зависит не только от рода горючего газа, но и от толщины разрезаемого металла, в значительно меньшей степени она зависит от химического состава разрезаемой ста пи.

При установившемся процессе резки теплота, сообщаемая пламенем, идет на покры­тие потерь, возникающих в результате теплопроводности, лучеиспускания и конвекции.

2. Форма подогревающихся сопел и их расположение по отношению к соплу режущего кислорода.

устойчивое горение подогревающего пламени, чем щелевые мундштуки.

1. Расстояние от мундштука до поверхности металла.

Наибольшая температура пламени имеет место в непосредственной близости от ядра пламени (на расстоянии 1,5-3 мм).

Это расстояние должно быть больше длины ядра пламени. Так как в противном случае может произойти науглероживание разрезаемых кромок.

2. Соотношение смеси горючего газа и кислорода.

Газокислородное пламя при резке должна быть нормальным или окислительным. Ре­гулировка пламени осуществляется при пущенной струе режущего кислорода.

3. Чистота поверхности разрезаемого металла.

Во многих случаях загрязнение металла препятствует резке. Загрязнение - окалина, земля, шлак и др. - изолируют металл от непосредственного воздействия пламени.

в. Охлаждающее действие струи режущего кислорода.

Причиной резкого охлаждения кислорода в результате дросселирования, могут быть:

а) большой расход кислорода из баллона, б) дросселирование кислорода в редукторе.

в) дросселирование при выходе кислорода из сопла в атмосферу (1/4 в на каждую ат­мосферу перепада давления). Чем больше давление кислорода, тем больше он охлаждает­ся на выходе из сопла и тем резче охлаждается поверхность разрезаемого металла, что может повлиять на скорость резки.

Оборудование и вспомогательные принадлежности. Существующие типы сопел

Процесс газовой резки требует вполне определенного количества режущего кислоро­да. Недостаток его приводит к неполному сгоранию железа и недостаточно интенсивному удалению окислов. Избыток кислорода охлаждает металл. Количество проходящего через соппо кислорода зависит от скорости струи, определяемой конструкцией сопла, его наи­меньшим сечением и давлением кислорода. Скорость перемещение резака вдоль реза должна соответствовать скорости окисления металла по его толщине, которая в свою оче­редь зависит от скорости истечения режущей струи кислорода. Струя кислорода должна на возможно большой длине сохранять цилиндрическую форму во избежание нарушения ши­рины реза по толщине разрезаемого металла и возможного отставания.

Максимальная скорость истечения режущего кислорода, превышающая скорость зву­ка, и необходимая цилиндрическая форма струи достигаются применением расширяющихся сопел.

У сопел цилиндрический и ступенчато - цилиндрической формы цилиндричностъ струи достигается при сравнительно низких давлениях кислорода не превышающих 5- 6 атм

. существует большая номенклатура разных резаков, предназначенных для резки с использованием ацетилена, га­зов заменителей ацетилена, горючих жидкостей, для резки при ремонтных и демонтажных работах, для резки труб, фланцев.

Резаки могут быть расположены на самоходных тележках, станках с различными системами управления, в различных пространственных положениях.

Скорость резки, качество кромок, степень чистоты кисло­рода

Скорость ацетилено-кислородной резки обычными цилиндрическими и ступенчато­цилиндрическими соплами может быть приближенно определена по формулам :

V = 1000/т мм/мин или V = 40000/(50 + S) ммУмин,

где: т - 1,25 + 0.025S - время резки 1 лог. м реза в мин.

S - толщина разрезаемой стали в мм.

При этом скорости резки должны быть понижены при заготовительной резке на 10% , при вырезке фасонных деталей с припуском - 20% , при чистовой машинной прямолинейной резке на 30% , а по криволинейным контурам - на 40%. Слишком малая скорость приводит к оплавлению кромок, а слишком большая дает значительное отставание, нарушение про­цесса. Скорость резки в значительной мере зависит от чистоты применяемого кислорода. На границе ядра кислородной струи и шлака образуется слой кислорода толщиной 0,01 - 0,15 мм. содержащей значительное количество других газов (N2, С02, Ar. S02, Р205). Азот и аргон входят в состав примесей кислорода, остальные газы образуются в результате окисления примесей стали. Содержание примесей загрязненного кислорода, а значит и толщина слоя тем больше, чем ниже чистота режущего кислорода и больше примесей в стали. С пониже­нием чистоты кислорода на 1% (кислород выпускается чистотой от 99,5% до 97.5%) возрас­тает продолжительность резки на 10 ... 15%, а удельный расход кислорода на 25 ... 35%. При этом увеличивается трудность отделения фата.