диплом Усманов. Наименование разделов
 Скачать 0.52 Mb.
|
|
Раздел 2. Термическая резка металлов 2.1. Понятие и сущность процесса термической резки металла Резкой металлов называют отделение частей (заготовок) от сортового, листового или литого металла. Различают механическую (ножницами, пилами, резцами), ударную (рубка) и термическую резку. Термической резкой называют обработку металла (вырезку заготовок, строжку, создание отверстий) посредством нагрева. Паз, образующийся между частями металла в результате резки, называют резом. По форме и характеру реза может быть разделительная и поверхностная резка, по шероховатости поверхности реза — заготовительная и чистовая. Термическая резка отличается от других видов высокой производительностью при относительно малых затратах энергии и возможностью получения заготовок любого, сколь угодно сложного, контура при большой толщине металла. Можно выделить три группы термической резки: окислением, плавлением и плавлением-окислением. При резке окислением металл в зоне резки нагревают до температуры его воспламенения в кислороде, затем сжигают его в струе кислорода, используя образующуюся теплоту для подогрева следующих участков металла. Продукты сгорания выдувают из реза струей кислорода и газов, образующихся при горении металла. К резке окислением относятся газопламенная (кислородная) и кислородно-флюсовая резка. При резке плавлением металл в месте резки нагревают мощным концентрированным источником теплоты выше температуры его плавления и выдувают расплавленный металл из реза с помощью силы давления дуговой плазмы, реакции паров металла, электродинамических и других сил, возникающих при действии источника теплоты, либо специальной струей газа. К способам этой группы относятся дуговая, воздушно-дуговая, сжатой дугой (плазменная), лазерная и термогазоструйная резка. При резке плавлением-окислением применяют одновременно оба процесса, на которых основаны две предыдущие группы способов резки. К способам этой группы относятся кислородно-дуговая, кислородно-плазменная и кислородно-лазерная резка. Окислением можно резать только металлы, температура воспламенения которых в кислороде ниже температуры их плавления. Это первое условие. Такой металл горит в твердом состоянии, рез получается ровным по ширине, поверхность его гладкая, продукты горения легко удаляются кислородной струей. Второе условие — температура плавления образующихся при горении окислов должна быть ниже температуры плавления разрезаемого металла. Тогда они при температуре резки жидкотекучи и легко удаляются из реза. И третье условие — разрезаемый металл должен иметь небольшую теплопроводность, чтобы легко было нагреть зону резки до температуры воспламенения 2.2. Газо-кислородная резка металлов Одним из самых популярных видов резки металла, является газокислородная резка. Высокий коэффициент производительности обеспечивается благодаря тому, что способ имеет совершенно иной принцип действия, нежели иные виды резки металла – это принцип нагревания, плавления и горения металла. Газокислородная резка заключается в следующем. Перед тем как начать рез металлической заготовки, обязательно нужно предварительно разогреть место, где будет производиться резка до такой температуры, при которой металл будет воспламеняться. Это выполняется за счет подогревательного пламени резака, без включения в работу режущего кислорода. В зависимости от того, насколько толстый металл, какой вообще вид металла используется, за счет состояния его обрабатываемой поверхности, нагрев также будет разным. В целом, он может длиться от 5 до 45 секунд. Как только будет достигнут достаточный нагрев, в работу подают кислород. После того, как плазменная струя прорежет весь металл по толщине, начинается равномерное перемещение инструмента (резака), вдоль линии реза. В работе кислород выполняет несколько функций – прежде всего, режет нагревшийся металл, и, во-вторых, он удаляет оксиды, которые образуются на поверхности режущего металла. Также, за счет большого количества выделяющейся теплоты в обрабатываемом металле подогреваются его соседние слои. Во время работы сопла резака должны находиться на одинаковом расстоянии от металла, а точнее его поверхности. Расстояние подбирается на основании опыта. Среди недостатков данного способа является то, что далеко не все металлы поддаются резке. Температура плавления алюминия, составляет всего 660°С, а температура горения материала составляет всего 900°С. В результате, при попытках разрезать алюминиевый лист или заготовку, в месте реза нельзя получить желаемую, стабильную форму, так как алюминий просто начнет течь. К тому же во время горения, алюминий будет образовывать большое количество оксидов, температура плавления которых составляет 2500°С. Поэтому, данный окисел получится слишком твердым и удалить его будет крайне сложно. И заключающим фактором невозможности газокислородной резки алюминия является то, что этот материал очень эффективно и хорошо проводит тепло. Поэтому, чтобы резать алюминий, нужна очень высокая концентрация мощности устройства, а также очень большой расход газа. По тем же причинам, резке не поддаются металлы, имеющие высокую степень легирования, а также высокоуглеродистые или хромоникелевые стали. Недостатком данного способа также является сравнительно большая ширина реза, вдоль которого всегда будут оставаться наплывы и окислы, а также образовываться грат. Плохое качество реза, а также невозможность, или сложная возможность прохода резаком по криволинейным поверхностям и контурам небольших радиусов. Значительное термическое воздействие на металл также может давать некоторые последствия (например, металл может стать хрупким). Неравномерный нагрев во время газокислородной резки приводит к напряжению внутри металла, а также его деформации. Поэтому в случаях, когда необходима геометрическая точность и качество, такой способ не подойдет. 2.3. Кислородно-дуговая и воздушно-дуговая резка металлов При кислородно-дуговой резке дуга горит между плавящимся электродом и разрезаемым металлом. Сварочный электрод трубчатый и по каналу внутри электрода подается режущий кислород. Дуга обеспечивает нагрев металла, а кислород, интенсивно окисляя железо, обеспечивает его сгорание и выдувание из зоны реза. Широкое распространение кислородно-дуговая резка получила для резки металла под водой. Используются два вида электродов: стальной трубчатый и карборундовый. Стальной электрод имеет диаметр 5–6 мм, внутренний канал диаметром 1,5–2 мм. Длина электрода 350–400 мм. Время горения такого электрода – 1 минута. Электроды из карборунда получили название керамических. Они имеют длину 250 мм, время горения составляет около 15 мин. Керамические электроды имеют большой диаметр: 15–18 мм. Держатели электродов имеют специальную конструкцию, обеспечивающую подвод кислорода к электроду, его открытие и закрытие, высокие электроизоляционные свойства. Кислородно-дуговую резку применяют для резки черных и цветных металлов толщиной до 120 мм, на глубинах до 100 м. Сила тока 200–350А, давление кислорода 3–10 бар (в зависимости от толщины). Возможна полуавтоматическая кислородно-дуговая резка. В этом случае проволока обдувается кислородом концентрично. Воздушно-дуговая резка заключается в расплавлении металла по линии реза электрической дугой и принудительном удалении сжатым воздухом образующегося под действием дуги расплава. Воздух подается вдоль неплавящегося электрода (обычно угольного или графитового) и в специальном электрододержателе. Электрическая дуга, как правило, горит на постоянном токе обратной полярности. Наилучшая производительность воздушно-дуговой резки достигается при диаметре электрода 6–12 мм, силе сварочного тока 300–1500А, напряжении на дуге 30–40В, давлении воздуха 4–7 кг/см2, расходе воздуха 20–30 м3/ч. Горение дуги отличается низкой устойчивостью, частыми обрывами. Воздушно-дуговая резка тем эффективнее, чем меньше скорость износа электрода. Поэтому целесообразно использовать электроды, покрытые защитно-разгружающим слоем из меди или композиции на основе алюминия. Качество поверхности реза и прилегающего к ней металла невысокое. В поверхностном слое и на кромках глубиной 0,1–0,3 мм может наблюдаться повышение содержания углерода, в связи с чем могут появляться трещины. Для уменьшения науглероживания необходимо по возможности не касаться электродом раскаленного металла. После воздушно-дуговой резки необходимо выполнять тщательную зачистку поверхностей щеткой до металлического блеска и производить осмотр для установления отсутствия поверхностных дефектов. Воздушно-дуговая резка обычно используется для поверхностной обработки (строжки) или в качестве разделительной резки в лом сталей, алюминия, меди, титана. 2.4. Плазменно-дуговая резка металлов При плазменно-дуговой резке дуга горит между неплавящимся электродом и разрезаемым металлом (дуга прямого действия). Столб дуги совмещен с высокоскоростной плазменной струей, которая образуется из поступающего газа за счет его нагрева и ионизации под действием дуги. Для разрезания используется энергия одного из приэлектродных пятен дуги, плазмы столба и вытекающего из него факела. При резке плазменной струей дуга горит между электродом и формирующим наконечником плазмотрона, а обрабатываемый объект не включен в электрическую цепь (дуга косвенного действия). Часть плазмы столба дуги выносится из плазмотрона в виде высокоскоростной плазменной струи, энергия которой и используется для разрезания. Плазменно-дуговая резка более эффективна и широко применяется для обработки металлов. Резка плазменной струей используется реже и преимущественно для обработки неметаллических материалов, поскольку они не обязательно должны быть электропроводными. В корпусе плазмотрона находится цилиндрическая дуговая камера небольшого диаметра с выходным каналом, формирующим сжатую плазменную дугу. Электрод обычно расположен в тыльной стороне дуговой камеры. Непосредственное возбуждение плазмогенерирующей дуги между электродом и разрезаемым металлом, как правило, затруднительно. Поэтому вначале между электродом и наконечником плазмотрона зажигается дежурная дуга. Затем она выдувается из сопла, и при касании изделия ее факелом возникает рабочая режущая дуга, а дежурная дуга отключается. Столб дуги заполняет формирующий канал. В дуговую камеру подается плазмообразующий газ. Он нагревается дугой, ионизируется и за счет теплового расширения увеличивается в объеме в 50–100 раз, что заставляет его истекать из сопла плазмотрона со скоростью до 2–3 км/c и больше. Температура в плазменной дуге может достигать 25000–30000°С. Электроды для плазменной резки изготавливают из меди, гафния, вольфрама (активированного иттрием, лантаном или торием) и других материалов. 2.5. Расчет режимов ручной дуговой сварки покрытым электродом нахлесточного соединения пластин размером 12×150×300, материал сталь 25 мм Сталь марки 25 является низкоуглеродистой сталью, которая характеризуется хорошей свариваемостью. Качественное сварное соединение может быть получено и при использовании режимов сварки обеспечивающих высокую производительность процесса изготовления изделий. Под режимом сварки понимается совокупность ряда факторов (параметров) сварочного процесса, обеспечивающих устойчивое горение дуги и получение сварных швов заданных размеров, формы и качества. При ручной дуговой сварке плавящимся покрытым электродом основными параметрами режима сварки относятся: - Диаметр электрода,  (мм);- Сила сварочного тока,  (А);- Напряжение дуги, Uд (В); - Скорость сварки  - скорость перемещения электрода вдоль шва;Дополнительные: - Род тока, полярность; - Способ сварки и др. Диаметр электрода, (мм), выбирается в зависимости от толщины свариваемых деталей и площади сечения наплавленного металла за один проход. Примерное соотношение между диаметром электрода и толщиной свариваемых деталей приведено в таблице 2.1.Таблица 2.1.
При сварке многопроходных швов первый проход (корень шва) выполняется электродами диаметром 3 ─ 4 мм. Последующие проходы (валики шва) рекомендуется выполнять используя одни и те же режимы сварки. Число проходов определяем в зависимости от общей площади наплавленного металла. Площадь сечения наплавленного металла таврового соединения Т 3, определяется по формуле: Fн =  + 1,25·kFн =  + 1,25·5 = 18,75 мм2.Площадь сечения первого прохода (корня шва) Fк не должна превышать 32 мм2, последующих проходов Fпс должно быть не более 64 мм2. Последующие проходы (валики шва) рекомендуется выполнять используя одни и те же режимы сварки. Так как площадь сечения наплавленного металла равна Fн = 18,75 мм2, диаметр электрода выбираем dэл = 3 мм. Для сварки низкоуглеродистых сталей с пределом прочности при разрыве σв = 330 Мпа рекомендуется использовать электроды типа Э42 или Э46. Для сварки деталей из низкоуглеродистой стали выбираем электроды марки АНО-6М. Основные характеристики электрода АНО-4: - кисло-рутиловое покрытие; - ток переменный и постоянный любой полярность; - коэффициент наплавки, 9 г/А·ч; - сварка дугой средней длины; - продолжительность прокалки электродов. 1 ч. при температуре 150 – 170 °С; Сила сварочного тока, (А). Расчет сварочного тока при ручной дуговой сварке производится по диаметру электрода и допускаемой плотности тока. где:  – допустимая плотность тока в электроде при ручной дуговой сварке, (А/мм2).Допустимая плотность тока зависит от диаметра и вида покрытия электрода. Допустимые значения плотности тока приведены в таблице 2.2. Таблица 2.2.
Расчет сварочного тока: Допустимую плотность тока принимаем = 18 А/мм2. =  · 18 = 127,17 АПринимаем силу сварочного тока равной: = 130 АНапряжение дуги, Uд (В), при ручной дуговой сварке должно соответствовать длине дуги рекомендуемой для конкретной марки электрода. Сварку электродами марки АНО-6М рекомендуется вести средней дугой 4 ─ 8 мм, что соответствует напряжению дуги Uд = 24 ─ 28 В. Скорость сварки - скорость перемещения электрода вдоль оси шва рассчитывается по формуле: где:  - коэффициент наплавки,   -площадь поперечного сечения наплавляемого валика, | |||||||||||||||||||||||||||||