Физико-химические основы резки

Наиболее широкое применение в промышленности имеют следующие виды термической резки: газопламенная кислородная, плазменная и лазерная. Общим для них является локальное ослабление молекулярных связей твердого тела вследствие интенсивного нагрева и удаления расплавленных участков газовой струей. Для нагрева металла используются следующие источники теплоты: экзотермическая реакция окисления металла в кислороде при кислородной резке, энергия ионизированного газа при плазменной резке и энергия лазерного луча при лазерной резке. Одной из новых технологий резки, стремительно завоевывающей рынок, является гидрорезка или гидроабразивная резка, в которой в качестве режущего инструмента используется энергия сверхзвуковой струи жидкости.

Кислородная резка, несмотря на некоторые ограничения, сегодня остается одним из основных способов газопламенной обработки. Ее сущность заключается в сжигании металла в кислороде и выдувании струей газа продуктов горения. Металл при резке нагревают пламенем, которое образуется при сгорании какого-либо горючего газа в кислороде (см. рис. 12.1). Для резки пригодны горючие газы и пары горючих жидкостей, дающие температуру пламени при сгорании в смеси с кислородом не менее 1800 ^оС. В качестве горючих газов используют ацетилен, пропан, природный газ и водород. Кислород, сжигающий нагретый металл, называют р е ж у щ и м. В процессе резки струю режущего кислорода подают к месту реза отдельно от горючей смеси. Особенно важную роль при резке играет чистота кислорода по отношению к примесям других газов. Она должна быть на менее 98,5 – 912.5 %. С понижением чистоты кислорода сильно снижается скорость резки, а следовательно, и производительность процесса и сильно увеличивается расход режущего газа.

Процесс резки начинается с нагрева металла в начальной точке реза до температуры, достаточной для его воспламенения. Направленный на нагретый участок режущий кислород вызывает интенсивное окисление верхних слоев металла, которые, сгорая, выделяют значительное количество теплоты и нагревают до температуры воспламенения нижележащие слои, т. е. процесс входит в режим автонагрева. Горение разрезаемого металла распространяется на всю толщину, а образующиеся окислы выдуваются из зоны реза струей кислорода. Окисление металла происходит на фронтальной поверхности струи режущего кислорода с образованием тонкой прослойки жидкого металла на границе раздела между жидкой пленкой оксидов и твердым металлом. Окисление определяет энергобаланс, а следовательно, и скорость процесса резки, так как при этом выделяется дополнительная мощность. На фронте резки протекает следующая реакция:

,

где - энтальпия реакции окисления.

Металлы, которые хорошо разделяются с помощью кислородной резки, должны удовлетворять следующим требованиям:

– температура воспламенения металла в кислороде должна быть ниже температуры его плавления;

– оксиды металла должны иметь температуру плавления ниже, чем температура плавления самого металла, и обладать хорошей жидкотекучестью;

– металл не должен иметь высокой теплопроводности.

Указанными свойствами обладает низкоуглеродистая сталь. Несмотря на кажущуюся простоту процесса, далеко не все металлы поддаются кислородной резке. С повышением в стали содержания углерода резка усложняется. Среднеуглеродистая сталь с содержанием 0.25 – 0.5 % углерода режется удовлетворительно, но возможна подкалка кромок и появление на них трещин. Такую сталь режут с предварительным или сопутствующим подогревом до 300 ⁰С. Влияние легирующих примесей на процесс кислородной резки показано в табл. 12.4.

Для высоколегированных сталей, чугуна, цветных металлов кислородная резка не применяется, так как при этом сложно обеспечить расплавление и перевод в шлак образующихся тугоплавких оксидов.

Таблица 12.4

Влияние примесей в стали на процесс кислородной резки

Наименование легирующего элемента	Процесс кислородной резки при содержании примесей, %
нормальный	затруднен	невозможен
Углерод	До 0,4	Св. 0,4	1 – 1,25
Марганец	До 0,4	Св. 0,4
Кремний	До 0,4	Св. 0,4	Св. 4
Хром	До 5	–	Св. 5
Никель	До 7-8	Св.8	–
Молибден	До 0,25	–	–

Для резки высоколегированных хромоникилиевых сталей, чугуна, меди и ее сплавов применяется кислородно-флюсовая резка. Ее сущность заключается в том, что в зону реза вводится порошкообразный флюс, который, поступая на кромку разреза, сгорает в струе кислорода и значительно повышает температуру в области взаимодействия струи кислорода и металла. Продукты окисления сплавляются с оксидом поверхностной пленки, образуют шлаки с более низкой температурой плавления, которые довольно легко удаляются из разреза. В качестве флюса наиболее широко применяется железный порошок марки ПЖМ5М (ГОСТ 9849) или его смеси с порошками магния, алюминия, силикокальция.

В качестве разновидности кислородной резки можно назвать также смыв-процесс. Это способ резки, при котором кроме основной режущей струи кислорода подаются две дополнительные струи кислорода, направленные под острым углом a (по направлению хода резки) к поверхности обрабатываемой детали. Дополнительные струи кислорода создают благоприятные условия для удаления шлака с обеих кромок реза. Смыв-процесс применяется для механизированной прямолинейной резки углеродистой и низколегированной стали толщиной до 50 мм.

Плазменная резка. Плазма представляет собой четвертое состояние вещества после твердого, жидкого и газообразного, это электропроводный газ, содержащий электроны, ионы и нейтральные молекулы. При резке используют термическую плазму с температурами .

Плазменная дуга (в отличие от открытой дуги) является результатом сочетания электрической дуги и специальных мер, направленных на интенсификацию ее воздействия на обрабатываемый материал. Производится обжатие столба дуги струей газа с целью уменьшения площади его поперечного сечения, что приводит к резкому повышению температуры дуги, или в плазму превращается газ, подаваемый для обжатия дуги. Поэтому плазменная дуга формируется в специальном устройстве – плазмотроне, состоящем из двух основных элементов: электрода и формирующего сопла, через канал которого пропускается столб электрической дуги вместе с плазмообразующим газом, подаваемым под определенным давлением. Под воздействием стенок канала сопла и струи плазмообразующего газа столб дуги сжимается, его поперечное сечение уменьшается, вследствие чего температура плазмы в центральной части столба дуги повышается. В результате внутренний слой газа, соприкасающийся со столбом дуги, превращается в плазму, а наружный слой, омывающий стенки канала сопла, остается сравнительно холодным, образуя изоляцию (электрическую и тепловую) между потоком плазмы и каналом сопла.

Плазменная резка – это термическая резка сжатой электрической дугой. Высокотемпературный поток плазмы с огромной скоростью (от 500 до 1500 м/с) вырывается из отверстия сопла в форме цилиндрической колонны небольшого сечения, воздействует на разрезаемый материал, плавит и удаляет расплавленную массу, оставляя ровный и гладкий разрез. Различают следующие разновидности плазменной резки: ручную и механизированную; дугой прямого или косвенной действия; током прямой или обратной полярности; плазмотроном с водяным или воздушным охлаждением; однокамерным или многокамерным плазмотроном.

В дуге прямого действия (рис. 12.3) в качестве анода используется разрезаемый материал. Он является токоведущим элементом, а плазменная струя совмещена со столбом дуги по всей длине, начиная от среза сопла и кончая анодным пятном, расположенным на изделии. Поэтому эффективный КПД прямой плазменной дуги составляет 60 – 70 %. Но, к сожалению, дугой прямого действия невозможно обрабатывать непроводящие электрический ток материалы.

Дуга косвенного действия (рис. 12.4) возбуждается и горит между электродами, которые не связаны с обрабатываемым материалом. Катодом служит электрод плазмотрона, а анодом – формирующее сопло. Объект обработки не включен в электрическую цепь. В процессе резки анодное пятно перемещается по внутренней стороне канала сопла. Плазмообразующий газ и его плазма лишь на коротком участке (протяженностью от конца электрода до выходного среза конца сопла) контактируют со столбом дуги, а затем существуют независимо от него. Этот вид резки называют резкой плазменной струей, так как нагревание изделия осуществляется только воздействием тепла плазменной струи. Вследствие этого температура и скорость истечения струи плазмы по мере удаления от выходного среза сопла резко уменьшаются и КПД нагрева изделия не превышает 30 – 40 %. Этот способ применим для резки непроводящих электрический ток материалов и для резки металлов малых толщин.

Процесс плазменной резки протекает при наличии газовой плазмообразующей среды. В качестве плазмообразующих используют как однокомпонентные газы (аргон, азот, гелий, кислород), так и многокомпонентные (аргон – водород, воздух, азот – кислород). В последние годы для резки низкоуглеродистых и низколегированных сталей широко применяют очищенный от масла и влаги воздух. Основные разновидности плазмообразующих газов, используемых при плазменной резке, представлены в табл. 12.5.

Таблица 12.5

Разновидности и характеристика плазмообразующих газов, используемых при плазменной резке

Плазма с использованием нейтрального или раскисляющего газа	Плазма с использованием кислородосодержащего газа	Плазма с впрыском воды
Плазменный газ: азот, аргон или смесь аргона и водорода (иногда смесь азота и водорода) Применяется для резки цветных металлов и нержавеющей стали Плазма «аргон – водород» используется для ручной резки	Плазменный газ: сжатый воздух или чистый кислород Применяется для резки углеродистых марок стали Плазма «сжатый воздух» используется для ручной резки	Комбинированный процесс смешивания газа (азота, сжатого воздуха или кислорода) с последующим впрыском воды Применяется для резки любых электропроводных материалов. Уменьшает количество вредных выбросов. Используется только для автоматической резки

Наибольшее применение в странах постсоветского пространства при раскрое низкоуглеродистых и легированных сталей, а также цветных металлов и их сплавов нашла воздушно-плазменная резка, при которой в качестве плазмообразующего газа используется сжатый воздух. Промышленный воздух – это очищенная смесь обычного воздуха с содержанием 21 % кислорода, 78 % азота и 1 % азота и других редких газов. Подача воздуха осуществляется компрессорными установками. Эта технология занимает промежуточное положение между плазменной резкой кислородом и плазменной резкой азотом.

Преимуществами воздушно-плазменной резки по сравнению с механизированной кислородной и плазменной резкой в инертных газах являются: простота процесса резки; возможность применения недорогого плазмообразующего газа – воздуха; высокая чистота реза (при обработке углеродистых и низколегированных сталей); пониженная степень деформации; устойчивость процесса по сравнению с резкой в водородсодержащих смесях.

Новинками в области разделения материалов, предлагаемыми на рынке технологий и оборудования на данный момент, являются комбинированные технологии резки, такие, как плазменная резка с кислородом, с впрыском воды, узкоструйная плазменная резка ("MESSER GRIESHEIM" (Германия)).

Применение резки узкоструйной плазмой позволяет ликвидировать пробел между лазерной и обычной плазменной резкой при резке тонких листов. Очевидны и преимущества этого способа: небольшая шероховатость (сравнимая с лазерным резом), малые величины отклонений по наклону реза, хорошее выдерживание правильности контуров с небольшими радиусами, узость зон теплового влияния и закалки, а также небольшое гратообразование или полное отсутствие грата.

Использование кислорода в качестве плазменного газа в случае резки углеродистых марок стали значительно повышает скорость резки по сравнению с другими способами резки (кислородной, плазменной с использованием сжатого воздуха, и т.д.). Это обусловлено дополнительным вкладом тепловой мощности от реакции сгорания металла в кислороде в общий тепловой баланс. Способ плазменной резки с использованием кислорода занимает промежуточное положение между кислородной и лазерной резкой, принимая во внимание диапазон толщин обрабатываемых материалов и качество резки.

При использовании плазмы с впрыском воды усиливается сжатие сварочной дуги. Часть воды испаряется и растворяется, при этом повышается температура, увеличивается скорость плазменного потока и, как следствие, эффективность плазменной резки заметно возрастает. Впрыск воды осуществляется с ее одновременным вращением. При этом струя воды образует на выходе из резака полый вихрь в виде колокола, создавая своеобразный водяной защитный слой. В процессе резки водяная струя охлаждает металл. Данный способ носит название водоинъекционной резки и позволяет осуществлять высококачественную резку черных и цветных металлов различных марок. Резка может производиться как на открытом воздухе, так и под водой.

Лазерная резка. Лазер - источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Слово "лазер" составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что означает "усиление света в результате вынужденного излучения". В советской литературе употребляется также термин "оптический квантовый генератор" (ОКГ). Лазер называют «чудом ХХ века, ожившим гиперболоидом инженера Гарина». Лазерное излучение отличается от излучения обычных источников света двумя важными свойствами: оно когерентно и монохроматично. Лазерный луч формируется в пятно высокой мощности при помощи специальной оптической системы. Сфокусированное лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии, значительно превосходящую другие традиционные источники энергии, используемые для резки.

Лазерная резка (ЛР) представляет собой совместное воздействие сфокусированного лазерного излучения и газовой струи на материал, приводящее к его плавлению и газогидродинамическому удалению из зоны реза. В качестве режущего газа обычно используются кислород, азот, аргон. В зависимости от конструктивных особенностей излучателей возможна реализация непрерывного или импульсно-периодического режимов лазерной резки. В настоящее время для резки наибольшее распространение получили лазеры непрерывного действия. При этом для различных материалов реализуются различные физические механизмы разделения материала и соответственно оптимальными являются свои способы лазерной резки.

Классификация способов лазерной резки представлена в табл. 12.6. Для резки металлов применяются три способа: ЛР сублимацией, ЛР сгоранием и ЛР плавлением; для резки неметаллов используются ЛР плавлением, ЛР испарением, ЛР термодеструкцией, скрайбирование и термораскалывание.

Таблица 12.6

Классификация способов лазерного разделения материалов

Тип лазерного разделения	Механизмы разделения материалов	Вид разрезаемых материалов
ЛР с использованием кислорода (ЛР сгоранием)	Плавление материалов за счет энергии излучения и тепла экзотермической реакции и выдувание расплава из реза газовой струей	Углеродистая и низколегированная сталь, коррозионно-стойкая сталь.
ЛР с использованием неактивных и инертных газов	ЛР плавлением Плавление материала лазерным излучением и выдувание расплава газовой струей	Низколегированная сталь, коррозионно-стойкая сталь, титановые, алюминиевые, магниевые сплавы, стекло
ЛР сублимацией Сублимация и разложение материала с образованием газообразных соединений; газовая струя помогает удалению паров, сажи и капельных фракций из зоны разреза	Коррозионно-стойкая сталь, плексиглас, винипласт, древесина, фанера, резина, ткань
ЛР термодеструкцией Термодеструкция материала с образованием нелетучих веществ и их частичное испарение и удаление из реза газовой струей	Композиционные материалы, стеклопластик
Скрайбирование	Выполнение поверхностного надреза за счет испарения вещества высокоинтенсивным лазерным излучением и механический разлом материала по надрезу	Стекло, керамика, кристаллы полупроводников
Термораскалывание	Создание в хрупких материалах термических напряжений, превышающих предел прочности	Стекло, керамика

Сущность процесса ЛР в аргоне состоит в том, что на поверхность металла падает лазерное излучение для нагрева металла от начальной температуры Т₀ до плавления металла Т_пл, после чего расплав выдувается с помощью струи режущего газа. Часть поглощенной энергии отводится в твердый металл, уносится обдувающей струей газа и теряется за счет испарения (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Схема лазерной резки: 1 – сопло; 2 – зеркало; 3 – фокусирующая линза;4 - заготовка; 5 – грат; 6 – поверхность реза; 7 –капли расплава; 8 – фронт резки; 9 - режущий газ; 10 – сфокусированный лазерный луч

При ЛР в кислороде металл нагревается лазерным излучением до температуры горения и в зоне реза выделяется тепло экзотермической реакции окисления, которое значительно ускоряет процесс. Такое совмещение процессов относится к комбинированным технологиям резки и во многих источниках носит название «газолазерная резка» (ГЛР).

Начало процесса лазерной резки сопровождается образованием канала реза. При этом протекают следующие процессы: поглощение лазерного излучения; образование расплава на фронте резки; вытеснение расплава термокапиллярными силами и силами со стороны потока режущего газа; частичное испарение расплава. Поглощение излучения при лазерной резке материалов является важнейшим физическим процессом, определяющим энергетические, теплофизические и другие параметры обработки. Геометрия соединения и режим поглощения определяются характеристиками лазера, обрабатывающего материалы, и характеристиками самих обрабатываемых материалов. При лазерной резке в аргоне лазерное излучение поглощается чистой поверхностью материала, при резке в активных газах на поверхности материала образуется пленка оксида, которая сильно изменяет процесс поглощения.

Струя режущего газа, подаваемая к фронту резки, способствует возникновению пленки расплава и ее удалению. Режущий кислород выполняет тройную функцию. Сначала кислород способствует предварительному окислению металла и уменьшению его отражательной способности. Далее происходит воспламенение и горение, а теплота экзотермической реакции усиливает термическое действие лазерного излучения. Затем струя сдувает и уносит из зоны реза расплав и продукты сгорания металла, обеспечивая одновременно приток кислорода к фронту реакции горения. При этом происходят химические процессы, аналогичные резке в кислороде. Таким образом, при комбинированном методе ЛР в кислороде прецизионность процесса обеспечивается лазерным лучом, а требуемая для высокой скорости резки энергия поставляется экзотермической реакцией горения металла в струе кислорода.

Основными преимуществами процесса лазерной резки являются быстрый и локальный ввод тепловой энергии в зону обработки и соответственно низкие деформации. Лазерный луч позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств. Лазерную резку даже легкодеформируемых и нежестких заготовок и деталей можно осуществлять с высокой степенью точности. Благодаря большой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза.

Гидрорезка или гидроабразивная резка. Гидрорезка (ГР) или гидроабразивная резка (ГАР) – это технологии обработки, основанные на использовании сверхзвуковой струи жидкости. В природных условиях энергия воды действует на протяжении миллионов лет при разрушении камня и почвы. Струя жидкости по своим техническим возможностям приближается к идеально точному инструменту. Сила воздействия такой струи на материал вызывает его механическое разрушение с отрывом микрочастиц. При этом кинетическая энергия струи превращается в механическую работу резания, а сама струя является режущим инструментом. Для увеличения разрушительной силы водяной струи к ней добавляют абразив. Устойчивость истечения и эффективность воздействия струи с добавлением абразива обеспечиваются оптимальным размером частиц, равным 0,1 – 0,3 диаметра режущей струи.

Для резки материалов типа бумаги, ткани, пластмасс, каучука, изоляции используется чистая вода. Для более твердых материалов типа металлов, стекла, высокопрочных пластмасс, керамики в струю добавляют абразив. В качестве абразива обычно используют порошки твердых сплавов, карбидов, окислов. Выбор абразива зависит от вида и твердости разрезаемого материала. Так, для высоколегированных сталей и сплавов титана применяют особо твердые частицы граната, для стекла – соответствующие фракции обычного песка, для пластмасс, армированных стекло- или углеродными волокнами, – частицы силикатного шлака.

Струя воды не изменяет физико-механические свойства обрабатываемого материала, так как термическое воздействие на материал отсутствует. Это предотвращает упрочнение, деформирование обрабатываемого материала. Определенные материалы, прежде всего большой толщины (титан, медь, алюминий коррозионно-стойкая сталь), не позволяют осуществлять эффективную резку с использованием термических процессов. При обработке композиционных оптических волокон или минералов лазерная резка вообще не может быть использована. В этом случае гидроабразивная резка часто является единственно возможным технологическим решением.

Дата добавления: 2015-07-20