Газовая сварка и термическая резка

При газовой сварке заготовки I и присадочный материал 2 в виде прутка или проволоки расплавляют высокотемпе­ратурным пламенем 4 газовой горелки 3 (рис. 5.18). Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере тех­нически чистого кислорода.

Кислород, используемый для свароч­ных работ, поставляют к месту потребле­ния в стальных баллонах под давлением 15 МПа.

Кислородный баллон (рис. 5.19) пред­ставляет собой стальной цилиндр со сфе­рическим днищем 6 и горловиной 4 для крепления запорного вентиля 2. На ниж­нюю часть баллона насаживают башмак 5, позволяющий ставить баллон вертикально. На горловине имеется кольцо 3 с резьбой для навертывания защитного колпака 1.

Рис. 5.18. Схема газовой сварки: 1 - свариваемая заготовка; 2 - присадочная проволо­ка; 3 - газовая горелка; 4 - газовое пламя

Рис. 5.19. Конструкция кислородного баллона: 1 - защитный колпак; 2 - запорный вентиль; 3 - кольцо; 4 - горловина; 5 - башмак; 6 - днище баллона

Средняя жидкостная вместимость баллона до 40 дм³. При давлении 15 МПа он вме­щает 6000 дм³ кислорода. Кислородные баллоны окрашивают в голубой цвет с черной надписью "Кислород".

Для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержания постоянного рабочего давления применяют газовые редукторы. Кислородные редукторы по­нижают давление от 15 до 0,1 МПа, а аце­тиленовые - от 1,6 до 0,02 МПа. Редукто­ры, применяемые в сварочной технике, обычно имеют два манометра, один из которых измеряет давление газа до входа в редуктор, другой - на выходе из него. Корпус редуктора окрашивают в опреде­ленный цвет, например голубой для ки­слорода, белый для ацетилена и т.д. К сва­рочной горелке кислород от редуктора подают через специальные резиновые шланги.

В качестве горючих газов кроме ацети­лена можно также применять природные газы, водород, пары бензина и керосина, нефтяные газы и др. Перечисленные горю­чие газы могут быть использованы глав­ным образом для кислородной резки, не требующей высокой температуры пламени.

Ацетилен имеет большую теплоту сго­рания по сравнению с другими горючими газами и высокую температуру пламени (3200 °С), поэтому он более предпочтите­лен для газовой сварки. Ацетилен (С₂Н₂) - горючий газ с теплотой сгорания 54 кДж/м³. Его получают в специальных аппаратах - газогенераторах - при взаимодействии воды с карбидом кальция:

СаС₂+ 2Н₂0^ Са(ОН)₂ + С₂Н₂ +

При разложении 1 кг карбида кальция образуется 250... 300 дм³ ацетилена. Аце­тилен взрывоопасен при избыточном дав­лении свыше 0,175 МПа, хорошо раство­ряется в ацетоне (в одном объеме ацетона при давлении 0,15 МПа растворяется 23 объема ацетилена). Последнее свойство используют для его безопасного хранения в баллонах. Ацетиленовые баллоны окра­шивают в белый цвет и делают на них красной краской надпись "Ацетилен". Их конструкция аналогична конструкции ки­слородных баллонов. Давление ацетилена в баллоне 1,5 МПа. В баллоне находятся пористая масса (активированный уголь) и ацетон. Растворение ацетилена в ацетоне позволяет поместить в малом объеме большое количество ацетилена. Раство­ренный в ацетоне ацетилен пропитывает пористую массу и становится безопасным.

Сварочные горелки используют для об­разования сварочного пламени. В про­мышленности наиболее распространена инжекторная горелка, так как она наибо­лее безопасна и работает на низком и среднем давлениях (рис. 5.20). В инжек­торной горелке кислород под давлением 0,1... 0,4 МПа через регулировочный вен­тиль б подается к инжектору 5. Выходя с большой скоростью из узкого канала ин­жекторного конуса, кислород создает зна­чительное разрежение в камере 4 и заса­сывает горючий газ, поступающий через вентиль 7 в ацетиленовые каналы горелки 8 и камеру смешения 3, где образуется горючая смесь. Затем горючая смесь по­ступает по наконечнику 2 к мундштуку 1, на выходе из которого при сгорании обра­зуется сварочное пламя.

Горелки этого типа имеют сменные на­конечники с различными диаметрами вы­ходных отверстий инжектора и мундшту­ка, что позволяет регулировать мощность ацетилено-кислородного пламени. Обыч­но горелки имеют семь номеров сменных наконечников.

Сварочное пламя образуется в резуль­тате сгорания ацетилена, смешивающего­ся в определенных пропорциях с кислоро­дом в сварочных горелках. Ацетилено-кислородное пламя состоит из трех зон (рис. 5.21): ядра пламени 1, средней зоны 2 и факела пламени 3. В зоне 1 происходит постепенный нагрев до температуры вос­пламенения газовой смеси, поступающей из мундштука; в зоне 2 - первая стадия горения ацетилена за счет кислорода, по­ступающего из баллона:

С₂Н₂ + 0₂<=>2С0 + Н₂.

Зона 2, имеющая самую высокую тем­пературу и обладающая восстановитель­ными свойствами, называется сварочной, или рабочей, зоной. В зоне 3 (факеле) про­текает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода:

2СО + Н₂ + ³/₂ 0₂ = 2С0₂ + Н₂0.

Пары воды и С0₂ при высоких темпе­ратурах окисляют металл, поэтому эту зону называют окислительной. Сварочное пламя называется нормальным, когда соотношение 0₂/С₂Н₂ «1,1. Нормальным пламенем сваривают большинство сталей. При увеличении содержания кислорода (0₂/С₂Н₂> 1,1) пламя приобретает голубо­ватый оттенок и имеет заостренную фор­му ядра. Такое пламя обладает окисли­тельными свойствами и может быть использовано только при сварке латуни. В этом случае избыточный кислород обра­зует с цинком, содержащимся в латуни, тугоплавкие оксиды, пленка которых пре­пятствует дальнейшему испарению цинка.

При увеличении содержания ацетилена (0₂/С₂Н₂< 1,1) пламя становится науг­лероживающим и применяется для сварки чугуна и цветных металлов, так как в этом случае компенсируется выгорание углерода и восстанавливаются оксиды цветных металлов.

Для газовой сварки сталей присадоч­ную проволоку выбирают в зависимости от состава сплава свариваемого изделия. Для сварки чугуна применяют специаль­ные литые чугунные стержни; для наплав­ки износостойких покрытий - литые стержни из твердых сплавов. Для сварки цветных металлов и некоторых специаль­ных сплавов используют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст; для сварки меди и ее сплавов - кислые флюсы (буру, буру с борной кислотой); для свар­ки алюминиевых сплавов - бескислород­ные флюсы на основе фтористых, хлори­стых солей лития, калия, натрия и каль­ция. Роль флюса - растворение оксидов и образование шлаков, легко всплывающих на поверхность сварочной ванны. Во флю­сы можно вводить элементы, раскисляю­щие и легирующие наплавленный металл.

При газовой сварке заготовки нагрева­ются более плавно, чем при дуговой; это и определяет основные области ее примене­ния: для сварки металлов малой толщины (0,2... 3 мм); легкоплавких цветных метал­лов и сплавов; для металлов и сплавов, тре­бующих постепенного нагрева и охлажде­ния, например инструментальных сталей, чугуна, латуней; для пайки и наплавочных работ; для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При увеличении тол­щины металла производительность газовой сварки резко снижается, свариваемые изде­лия значительно деформируются. Это огра­ничивает применение газовой сварки.

При кислородной резке происходит ло­кальное сжигание металла в струе кислорода и удаление этой струей образующихся окси­дов. При горении железа в кислороде выде­ляется значительное количество теплоты:

ЗРе + 20₂ = Ре₃0₄ +

СгН_г+О_а 0* С₂Н_а+0₁

Для начала горения металл подогрева­ют до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь до 1000... 1200 °С). На рис. 5.22 показан процесс кислородной резки. Металл 3 нагревается в начальной точке реза подогревающим пламенем 2, затем направляется струя ре­жущего кислорода 1, и нагретый металл начинает гореть. Горение металла сопро­вождается выделением теплоты, которая вместе с подогревающим пламенем разо­гревает лежащие ниже слои на всю тол­щину металла. Образующиеся оксиды 5 расплавляются и выдуваются струей ре­жущего кислорода из зоны реза 4. Конфи­гурация перемещения струи соответствует заданной форме вырезаемого изделия.

Для обеспечения нормального процес­са резки металл должен обладать следую­щими свойствами: температура его плав­ления должна быть выше температуры горения в кислороде, а температура плав­ления оксидов металла - ниже температу­ры его плавления; количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть доста­точным для поддержания непрерывного процесса резки; иметь относительно низ­кую теплопроводность, в противном слу­чае теплота интенсивно отводится и про­цесс резки прерывается; образующиеся оксиды должны быть достаточно жидко- текучими и легко выдуваться струей ре­жущего кислорода. Указанным требовани­ям отвечают железо, низкоуглеродистые и низколегированные стали.

По характеру и направленности кисло­родной струи различают следующие спо­собы резки.

Разделительная резка - режущая струя направлена нормально к поверхности ме­талла и прорезает его на всю толщину. Раз­делительной резкой раскраивают листовую сталь, разрезают профильный материал, вырезают косынки, круги, фланцы и т.п.

Поверхностная резка - режущая струя направлена под очень малым углом к по­верхности металла (почти параллельно ей) и обеспечивает грубую его строжку или обдирку. Ею удаляют поверхностные де­фекты отливок.

Резка может быть ручной и механизи­рованной. Ручная резка вследствие нерав­номерности перемещения резака и вибра­ции режущей струи не обеспечивает высо­кого качества реза, поэтому поверхность реза обычно механически обрабатывают.

Для получения реза высокого качества применяют машинную резку, которая обес­печивает равномерное перемещение резака по длине реза, строгую перпендикулярность режущей струи к разрезаемой поверхности и постоянное расстояние мундштука от по­верхности металла. Машинную резку вы­полняют специальными автоматами и полу­автоматами с одним или несколькими реза­ками, а при вырезке прямолинейных и кри­волинейных фасонных заготовок применя­ют металлические копиры.

Обычной кислородной резкой разреза­ют металлы толщиной 5... 300 мм. При резке металла толщиной более 300 мм применяют специальные резаки.

Резку плазменной струей, плазмен­ной дугой и лазерную можно применять практически для всех материалов.

При разделительной резке плазменной струей сопло плазмотрона располагают в непосредственной близости (1,5... 2 мм) от поверхности заготовки и производят локальное выплавление или сжигание ма­териала (см. рис. 5.12, а). Ширина реза при этом весьма незначительна - 1... 2 мм, шероховатость может составлять Кг 30... 40. Плазменной струей, полученной в столбе дугового разряда независимой ду­ги, разрезают неэлектропроводящие мате­риалы (например, керамику), тонкие стальные листы, алюминиевые и медные сплавы, жаропрочные сплавы и т.д. При плазменной резке используют аргон, его смесь с водородом, воздух и другие газы.

Для резки токопроводящих материалов большой толщины с целью увеличения эффективной тепловой мощности исполь­зуют плазменную дугу (см. рис. 5.12, б), совмещенную с плазменной струей. Этим способом разрезают толстые листы алю­миния и его сплавов (до 80... 120 мм), высоколегированную сталь и медные сплавы. Скорость резки плазменной дугой при прочих равных условиях выше скоро­сти резки плазменной струей. Плазменную резку можно проводить вручную; однако чаще всего применяют автоматизирован­ные устройства, а для резки по сложному контуру - системы с ЧПУ.

Большое распространение получает ла­зерная резка, которая обеспечивает малую зону нагрева (0,1... 0,2 мм), незначитель­ные ширину реза (0,2... 0,8 мм), шерохо­ватость (Кг 20... 35 мкм) и практически неокисленные кромки.

По сравнению с механическими мето­дами лазерное разделение обеспечивает высокую производительность при раскрое материала как по простому, так и по слож­ному контуру, причем при этом не проис­ходит изнашивание инструмента, присущее механическим методам разделения. По сравнению с физико-химическим разделе­нием (ацетилено-кислородная, плазменная резки) применение лазерного излучения обеспечивает более высокие точность и чистоту реза, т.е. исключает необходи­мость дополнительной механической об­работки. Электроэрозионное разделение материалов обеспечивает аналогичные качество и точность, но по сравнению с лазерным оно малопроизводительно. Применение лазерного излучения впервые создало реальные условия для обеспече­ния процесса термического разделения любых материалов - как металлов, так и неметаллов.

Лазерные способы разделения мате­риалов можно разделить на три группы: резку, термораскалывание и скрайбирование. Процессы частичного удаления мате­риалов, например, прошивка отверстий, являются частными случаями резки.

Лазерная резка материалов может быть основана на различных процессах, а имен­но: испарении материала, плавлении с удалением расплава из зоны обработки - и на химических реакциях, например, горе­нии или термодеструкции.

При лазерной резке в режиме испаре­ния материал нагревается до температуры кипения, а его удаление происходит под давлением, возникающим в парокапельной фазе. Этот способ отличается наи­большими удельными энергозатратами, но эффективен при разделении неметаллов, а также металлических материалов малых толщин. Его осуществляют в основном с помощью твердотельных импульсных ла­зеров. Например, при разделении трудно­обрабатываемых материалов, таких как алюминий, керамика, композитные мате­риалы, применение твердотельного лазера существенно повышает эффективность по сравнению с резкой этих материалов в режиме плавления и удаления расплава С0₂-лазером мощностью до 5 кВт.

Резку в режиме плавления материала и удаления расплава осуществляют с исполь­зованием вспомогательного газа (в основ­ном кислорода) и называют газолазерной резкой (ГЛР). Применение в качестве вспомогательного газа кислорода позволя­ет решить несколько задач. Во-первых, воздействие кислорода способствует обра­зованию на поверхности обрабатываемых материалов оксидных пленок, снижающих отражательную способность поверхности.

Во-вторых, многие металлы, такие как мало- и среднеуглеродистые стали, титан и его сплавы, могут воспламеняться и го­реть в среде кислорода при температуре поверхности ниже точки плавления, а не­которые неметаллы (пластики, минералы) в газовых средах при нагревании могут претерпевать необратимые изменения хи­мического состава, приводящие к разви­тию экзотермических реакций. Это спо­собствует выделению дополнительной тепловой энергии, что приводит к воз­можности применения менее мощных ла­зеров и, соответственно, к снижению стоимости обработки. В-третьих, газовая струя просто удаляет расплав из зоны рез­ки. В качестве вспомогательного газа можно использовать воздух. Применение воздуха характерно для процессов резки большинства неметаллов, металлов и сплавов с малым тепловым эффектом ре­акции горения, а также для тех, у которых при взаимодействии с кислородом образу­ется тугоплавкий оксид, например, высо­коуглеродистых и легированных сталей, меди, алюминия. Газ подают в зону резки под высоким давлением через специаль­ное сопло коаксиально с лазерным излу­чением.

Для ГЛР используют как непрерывные, так и импульсно-периодические лазеры. В зави­симости от физических свойств материалов и скорости обработки требуемые плотности мощности излучения в зоне лазерного воз­действия составляют 10³... 10⁵ Вт/см² для неметаллов и 10⁷... 10⁸ Вт/см² для металлов.

При лазерной резке материалов со­стояние поляризации излучения играет существенную роль, что связано с зависи­мостью коэффициента отражения от этого параметра. Для получения качественного реза необходимо использовать плоскопо-ляризованное излучение, плоскость поля­ризации которого параллельна направле­нию резки. Тогда достигаются параллель­ность кромок и их перпендикулярность к поверхности обработки при минимальной ширине реза. Это требование легко осуще­ствляется при прямолинейном разделении в одном заданном направлении. При резке по сложному контуру целесообразно при­менять циркулярно-поляризованное или неполяризованное излучение, поскольку в этих случаях обеспечивается одинаковое качество резки в различных направлениях. Для этой цели используют также плоско- поляризованное излучение совместно с устройством, представляющим собой спе­циальную систему зеркал, вращающих плоскость поляризации излучения в зави­симости от направления резки.

С помощью лазерной резки металлов изготовляют мозаичные и декоративные панно (облицовка мебели), детали турбин (промежуточные кольца, диафрагмы), трубопроводы двигателей внутреннего сгорания, шаблоны и сепараторы, пуансо­ны и матрицы, дисковые пилы; раскраи­вают листовой материал в самолето-, судо- и автомобилестроении и других производствах. Особенно целесообразно применение лазерной резки в единичном и мелкосерийном производствах, например, для вырезки уже в отштампованных и свальцованных обечайках отверстий или проемов под иллюминаторы.

Для обработки металлов чаще всего применяют твердотельные лазеры, так как их излучение лучше поглощается метал­лическими поверхностями. Для обработки неметаллических материалов, например изготовления декоративных деревянных изделий (мебель, паркет и т.п.), раскроя пачек ткани, бумаги, картона, листовой резины, пластиков, асбоцемента и др. ча­ще всего применяют С0₂-лазеры. Полу­проводники обрабатывают твердотельны­ми лазерами, так как эти материалы обла­дают невысокой поглощающей способно­стью излучения С0₂-лазера, но не вслед­ствие высокого отражения, а из-за про­зрачности для длины волны 10,6 мкм.

При нагреве некоторых хрупких мате­риалов (керамика, ситалл, стекло и др.) лазерным излучением в их объеме возни­кают значительные напряжения, обуслов­ленные наличием высокого температурно­го градиента. При превышении этими на­пряжениями предела прочности в мате­риале возникают трещины, которые при перемещении лазерного луча по поверх­ности материала следуют за ним с некото­рым запаздыванием. Происходит процесс разделения, называемый термораскалы­ванием. Если процесс трещинообразова-ния отстает от процесса нагрева на опре­деленную, заданную величину (время или расстояние), то говорят об управляемом термораскалывании. Соблюдение строго определенного отставания трещин от ла­зерного луча важно для обеспечения вы­сокой точности и качества при разделении по сложному контуру. Этого добиваются регулированием скорости перемещения луча в зависимости от геометрической формы обрабатываемой заготовки. Термо­раскалыванию подвергают хрупкие мате­риалы в виде листов или труб.

Для повышения эффективности про­цесса термораскалывания часто применя­ют дополнительную асимметричную ме­ханическую нагрузку на обрабатываемый образец, способствующую его дальней­шему расколу, а также воздействуют на разделяемую поверхность двумя лазерны­ми пучками с противоположных сторон (сверху и снизу).

Процесс скрайбирования занимает про­межуточное положение между резкой и термораскалыванием. Его применяют для разделения полупроводниковых, керамиче­ских и ситалловых подложек на отдельные элементы. Он заключается в нанесении лазерным излучением на поверхность ма­териала дорожек или трещин глубиной 25... 350 мкм и последующем разламыва­нии материала механическим воздействи­ем. Для реализации этого метода применя­ют импульсные твердотельные (обработка полупроводников) или С0₂-лазеры (обра­ботка керамики, стекла) средней мощно­стью 2... 25 Вт.

Лазерная резка - очень высокопроиз­водительный процесс, позволяющий по­лучать резы различной конфигурации как при отрезке заготовок, так и при вырезке их по замкнутому контуру. Современные лазерные установки для резки снабжены системами перемещения заготовок с ЧПУ или управляемыми ЭВМ.

Дата добавления: 2015-07-25