СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

ПРОЦЕСС ГАЗОКИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ

Поверхность разрезаемого металла должна быть очищена по линии реза от ржавчины, краски и других загрязнений, могущих замедлять и затруднять процесс резки вследствие ослабления по­догрева металла. Разрезаемый металл устанавливается в удобное для резки положение, лучше всего в нижнее, хотя резка вполне возможна во всех пространственных положениях, включая верти­кальное и потолочное. С задней стороны разрезаемого металла дол­жно находиться достаточное свободное пространство для беспре­пятственного свободного выхода струи режущего кислорода; при недостатке свободного пространства получается отражение и за­вихрение кислородной струи, вызывающее нарушение нормального процесса резки и чрезмерное уширение реза.

Операция резки начинается с предварительного подогрева ме­талла в начальной точке до температуры начала горения, до белого каления. Подогрев производится подогревательным пламенем ре­зака при закрытом вентиле режущего кислорода. В зависимости от толщины металла и состояния его поверхности время начального подогрева колеблется от 5 до 40 сек. По достижении достаточного нагрева открывают вентиль режущего кислорода, и когда режущая струя прорежет (пробьёт) всю толщину металла, начинают равно­мерное перемещение резака по линии реза, сохраняя всё время нормальное горение подогревательного пламени. Начинают резку обычно с кромки металла, но при небольших толщинах (до 50— 80 мм) возможно пробить начальное отверстие струёй кислорода в любом месте поверхности металла. Срез мундштука резака дол­жен находиться всё время на постоянном расстоянии от поверх­ности металла, отвечающем наиболее эффективному действию по­догревательного пламени. При наиболее распространённом процессе разделительной резки струя режущего кислорода обычно направ­ляется приблизительно нормально к поверхности разрезаемого ме­талла, так как при этом прорезается наименьшая толщина.

Процесс горения металла вдоль режущей струи кислорода про­исходит неравномерно. По мере углубления в массу металла осла­бевает действие подогревательного пламени, теряет скорость ки­слород режущей струи, уменьшается мощность режущей струи вследствие расходования кислорода на сжигание железа. Поэтому при резке наблюдается так называемое отставание режущей струи, как это схематически показано на фиг. 227, т. е. выход режущей струи отстаёт от входа на наружной поверхности, считая по на­правлению резки. Отставание увеличивается с повышением скорости резки и является одним из факторов, ограничивающих скорость, в особенности на значительных толщинах металла. Отставание

можно в некоторой степени компенсировать наклоном режущей струи вперёд по направлению движения (фиг. 228). Слишком боль­шая скорость резки, помимо значительного отставания режущей струи, даёт грубо неровную бороздчатую поверхность реза. Слиш­ком малая скорость резки вызывает оплавление кромок на входной стороне и увеличивает ширину реза.

Скорость резки данной толщины металла зависит от многих факторов и может меняться в широких пределах. На скорость резки, прежде всего, влияют мощность кислородной струи и подо­гревательного пламени, т. е. соответственно часовой расход режу­щего кислорода и подогревательной смеси. Большое значение имеет чистота режущего кислорода, совершенство конструкции и состоя­ние резака, а также квалификация газорезчика. Имеет значение также химический состав разрезаемого металла и состояние его поверхности.

Машинная резка обеспечивает большую скорость резания, чем ручная. Из различных возможных скоростей резки опытным путём выбирается оптимальная, дающая минимальную стоимость одного метра реза, минимальную ширину реза и достаточно чистую поверх­ность реза, отвечающую техническим требованиям. В зависимости от местных условий, стоимости и степени чистоты кислорода, ка­чества разрезаемого металла, требуемой чистоты реза и т. д. опти­мальная скорость кислородной резки одной и той же толщины ме­талла может быть различной. Приведённые выше при описании резаков скорости резки следует рассматривать как некоторые сред­
ние величины, могущие значительно меняться в отдельных случаях. Предварительный подогрев разрезаемого металла повышает до 50—100% скорость резки. Поэтому на предприятих, где металл нагревается в процессе производства, например на металлургиче­ских заводах, следует так организовать производственный процесс, чтобы кислородная резка производилась в периоды, когда металл имеет высокую температуру.

Производительность резки сильно зависит от чистоты кислорода. Обычно все нормы для резки даются для кислорода со степенью чистоты 99%. Снижение чистоты на 1%, т. е. переход с 99 на 98% чистоты кислорода повышает машинное время резки на 10—15% и расход кислорода на 20—30%. Поэтому к чистоте кислорода для резки предъявляются особенно строгие требования.

Для подогревательного пламени кислородных резаков могут применяться различные газообразные и жидкие горючие. Приме­нение ацетилена для подогревательного пламени совсем необяза­тельно, он может быть с успехом заменён водородом, метаном, раз­личными природными и промышленными горючими газами, бензи­ном, бензолом, керосином и т. д. Замена ацетилена другим горю­чим требует лишь незначительных переделок подогревательной части резака и ведёт в большинстве случаев к улучшению качества резки, так как ацетилено-кислородное пламя, незаменимое для сварки, для резки часто оказывается излишне горячим, вызывая оплавление кромок реза и, кроме того, часто ведёт к науглерожива­нию наружного слоя металла кромки реза, затрудняющему после­дующую механическую обработку. Поэтому замену дорогого и де­фицитного ацетилена более дешёвыми горючими при кислородной резке следует признать не только допустимой, но и весьма целесо­образной.

Ширина реза зависит от толщины металла, т. е. возрастает с увеличением толщины и может быть определена по формуле о— a + ks, где 5 и s — ширина реза и разрезаемая толщина в мм, auk — постоянные, зависящие от конструкции резака и пр.; в сред­нем а — 2 мм; ft = 0,02. Формула даёт ширину реза на входе струи. На выходной стороне рез несколько расширяется и тем больше, чем больше разрезаемая толщина. Уширение обычно колеблется в пределах от 10 до 50% от ширины на входе. Основные технико­экономические показатели резки были приведены выше в описании резаков.

Процесс газокислородной резки вводит значительное количество тепла в разрезаемый металл, как за счёт действия подогреватель­ного пламени, так и за счёт экзотермической реакции сгорания ме­талла в кислороде. Нагрев происходит неравномерно и распреде­ляется по кромке реза и сравнительно узкой полосе металла, прилегающей к резу. Неравномерный нагрев создаёт напряжения в металле и деформирует его, искажая геометрическую форму. Кромка реза несколько укорачивается, и в прилегающем слое воз­никают растягивающие напряжения, которые могут быть полностью сняты лишь отжигом с равномерным нагревом всей детали. На­пряжения и деформации также уменьшаются при механической обработке: строжке или фрезеровании кромки реза. Полоса металла шириной 2—5 мм, прилегающая к резу, быстро нагревается выше критических температур, а затем быстро охлаждается, вследствие отвода тепла в остающуюся холодной основную массу металла. Происходит термообработка металла, соответствующая закалке.

Степень закалки, получающиеся структуры и максимальная твёрдость кромки реза определяются, в первую очередь, химическим составом стали и её чувствительностью к термической обработке. Простые углеродистые стали с содержанием углерода ниже 0,30% при резке почти не закаливаются. У легированных сталей и сталей с повышенным содержанием углерода часто значительно повы­шается твёрдость по кромке реза. Металл нагревается до наивыс­шей температуры у поверхности кромки, где обычно происходит полное аустенитное превращение, наблюдаются максимальные из­менения структуры и твёрдости. В малоуглеродистых сталях наблю­дается образование сорбитной структуры; по мере повышения со­держания углерода и легирующих элементов в стали появляются троостит, а затем и мартенсит, свидетельствующий о высокой твёр­дости и хрупкости металла. По мере удаления от кромки изменения структуры постепенно становятся менее заметными, приращение твёрдости уменьшается и на расстоянии нескольких миллиметров от кромки начинается неизменённый основной металл.

Ширина зоны термического влияния при кислородной резке за­висит от химического состава и толщины разрезаемого металла, возрастая вместе с ней. При резке малоуглеродистой стали толщи­ной 10 мм ширина зоны влияния не превышает 1 мм; та же сталь толщиной 150—200 мм даёт зону влияния шириной около 3 мм. Стали легированные и с повышенным содержанием углерода при толщине 100 мм могут давать зону влияния до 6 мм шириной.

Сравнительные исследования структуры и механических свойств показали, что кислородная резка меньше изменяет свойства метал­ла кромки, чем механическая резка ножницами и фрикционной пи­лой. Для малоуглеродистой стали нет необходимости удалять по­верхностный слой металла с кромки реза; для последующей сварки достаточна очистка кромок от окалины. При резке сталей, чувстви­тельных к термической обработке, после резки иногда приходится прибегать к дополнительным операциям: механической строжке кромки, местному отжигу. Особенно опасным является возникнове­ние мелких трещин в зоне влияния, что иногда наблюдается у ста­лей, легко закаливающихся. В подобных случаях приходится при­бегать к предварительному подогреву металла.

Правильно проведённый подогрев уменьшает коробление, внут­ренние напряжения, изменения структуры, приращение твёрдости. Поэтому подогрев часто является единственным надёжным сред­ством получения качественной кислородной резки легко закаливаю­щихся легированных и углеродистых сталей. При машинной кисло­родной резке подогрев часто может быть успешно осуществлён мощными многопламенными горелками, смонтированными на режу­

щей машине и перемещающимися вместе с кислородным резаком вдоль поверхности разрезаемого металла.

Помимо структурных изменений металла при кислородной резке наблюдается также и некоторое изменение его химического состава, простирающееся от поверхности кромки на глубину до 2—3 мм. Наиболее существенным является часто наблюдающееся при резке сталей повышение содержания углерода у поверхности реза. Иногда это повышение содержания углерода частично может быть объясне­но науглероживающим действием подогревательного пламени. Но повышение содержания углерода наблюдается и при водородно'м пламени, которое не может науглероживать металл. Повидимому, основной причиной науглероживания служит миграция (переме­щение) углерода при неравномерном нагреве металла в более на­гретые области. Так как наиболее сильно нагревается поверхность кромки реза, то и наблюдается перемещение углерода из внутрен­них менее нагретых слоёв металла к поверхности кромки.