Термично рязане на металите
Благодарение на междуатомните сили всяко метално тяло е в състояние да противодейства на външните натоварвания, когато те се стремят да го деформират или разрушат. Ето защо при механичните начини за рязане на металите чрез снемане на стружка се изразходва голямо количество енергия и са необходими мощни машини.
Ако при дадени обстоятелства на едно метално изделие бъдат създадени условия за силно намаляване на металните връзки чрез нагряване, без особено големи усилия може да се отнеме част от метала, т.е. да се извърши рязане. Рязането може да се осъществи и по друг начин - чрез изгаряне на метала в струя от кислород и отстраняване на образувалите се окиси.
Същността на начините на термично рязане е използване на топлината или за стопяване на метала в мястото на рязане, или за загряването му до температура, при която той е в състояние да изгори.
Мястото, което се оформя при термичното рязане на металите се нарича рез, резът е ограничен от фронтална, странична и долна повърхност. В зависимост от оформянето на реза се различават три основни вида рязане:
Разделително-отделяне на една или няколко части от обработваното изделие; повърхностно-снемане на определен повърхностен слой метал, и пробивно-пробиване на отвори в метал.
В зависимост от начина, по който металът се отнема и се доставя необходимата за рязане топлина, в практиката се използват различни методи на термично рязане.
Газо-кислородно рязане.
Това рязане се основава на способността на металите да изгарят под действието на кислородна струя, след като предварително са били нагрети до температурата на горене.
За да могат да се режат по този начин, металите трябва да отговарят на следните условия:
- температурата на изгаряне трябва да е по-ниска от температурата на топене на метала;
- температурата на топене на окисите, получени при изгаряне на метала трябва да бъде по-ниска от точката на топене на метала, за да може да се отстраняват от мястото на реза;
- металът не бива да съдържа примеси, които затрудняват рязането;
- реакцията по изгарянето на метала трябва да бъде екзотермична;
- топлопроводността на метала не трябва да бъде много голяма.
Всички тези изисквания се задоволяват най-пълно от въглеродните стомани,
съдържащи въглерод до 0,7 %.
Нисколегираните стомани също се режат добре. Стомани, които съдържат до
1-1,2% въглерод се режат след предварително загряване до 650-700°С. Високолегираните хромови и хромникелови стомани, чугунът и цветните сплави не могат да се режат по обикновения начин, тъй като притежават сравнително ниска точка на топене, висока топлопроводност и окисите им се топят при висока температура.
Газокислородното рязане се извършва с помощта на специални горелки- резачи. Те са изградени от две основни части: подгряваща и режеща част. Подгряващата част е сходна със заваръчните горелки. Тя може да бъде инжекторна или безинжекторна.
Процесът на газокислородното рязане е следният: Металът се подгрява най- често с ацетилено-кислороден пламък (може да се използват и по-евтини и по-малко дефицитни газове : коксов, светилен, пропан и др.). Горивната смес се подава през каналите на подгряващата дюза, разположена концентрично около режещата дюза на резача. Когато температурата на нагряване достигне необходимата стойност, през кислородната дюза се пуска струя от технически чист кислород (чистота 98- 99%). Този така наречен режещ кислород попадайки върху загрятата повърхност запалва метала. Отделената топлина заедно с топлината на пламъка загрява по- долу лежащите слоеве метал и процесът на горенето се разпространява по цялата дебелина на метала. Като прорязва изделието, кислородната струя изхвърля (издухва) пламъка извън реза.
Икономически изгодна дебелина на материала за кислородно рязане е 25 до 2600mm.
Скоростта на рязане: 20-700mm/min като точността на съблюдаване на размерите е ±0,2mm.
Пламъка който се използва е неутрален.
Работното налягане при контрол по манометрите на редуктора е от 0,35 до 1,0МРа за кислорода.
Машинно рязане се използва при рязане на праволинейни и криволинейни фасонни детайли чрез използване на метален контролен шаблон.
За рязане на големи дебелини (например стомана до 2m) се използват резачи със специален профил на кислородния канал, който осигурява свръхзвукова скорост на изтичане на кислорода. При тези резачи налягането на кислорода е ниско - 0,4-0,5МРа, има добра концентричност на струята и добро издухване на окисите от
реза.
Кислородно-флюсово рязане.
Това е разновидност на газокислородното рязане. Предназначено е за рязане на чугун, цветни метали и легирани стомани.
Същността на това рязане е следната. Заедно с режещия кислород в мястото на реза се подава прахообразен флюс (който се намира в специален бункер монтиран на резача или отделно от него). Изгаряйки в кислородната струя, флюсът отделя допълнително топлина така, че получените мъчнотопими окиси (Cr2O3, SiO2, CuO Cu2O) се стопяват и издухват от кислородната струя. Предварителното подгряване на метала също става чрез ацетилено-кислороден пламък, но с повишена (до 15-20%) мощност.
Рязане с кислородно копие.
Рязането с кислородно копие се прилага при пробиване на дълбоки отвори в масивни изделия. Самото копие представлява дебелостенна тръба с голяма дължина, която се захваща към ръкохватката на горелката. Вътрешният диаметър на тръбата е 2-4mm, а външният 8-10mm. С единия край тръбата се притиска към изделието, а през другия (чрез горелката) се подава кислород.
Рязането с кислородно копие започва, като се подгрее края на копието или началото на реза до температурата на възпламеняване на метала (с отделна горелка). След достигане на желаната температура кислородът се пуска през работния край на копието и то започва да изгаря. В този момент подгряването се спира като процеса пробиване се поддържа само за сметка на топлината от изгаряне на копието и обработвания метал.
Флюсите могат да включват: железен прах, алуминиев прах, алуминиево- манганов прах, силикокалций, феросилиций доменен, ферофосфор, кварцов пясък- съотношението и състава зависят от вида рязане и от материала.
Електродъгово рязане.
При електродъговото рязане металът на реза се стопява от топлината на електрическата дъга и се отделя под действието на собственото тегло на капките и незначителното налягане на дъгата.
Електродъговото рязане на металите и сплавите може да се извърши с метални или въглени (при дебелина над 20mm) електроди. При първите - качеството на шева е по-добро, но общо взето при това рязане се получава широк рез с неравни повърхности.
Ето защо то се прилага главно за разрязване на блокове предназначени за претопяване, за отрязване на леяци, мъртви глави и др.
Разновидности на електродъговото рязане са:
- въздушно-дъгово рязане, при което за издухване на стопения метал от реза се използва кинетичната енергия на въздух под налягане;
- кислородно-дъгово рязане. Тук се използва както електрическата енергия на дъгата и механичната енергия на кислородната струя, така и химическата енергия от окисляването на метала. Същността на рязането се състои в следното: между покрит кух електрод с външен диаметър 5-8mm и вътрешен диаметър 1- 3,5mm и материала за рязане се възбужда дъга и веднага след това през кухия електрод към мястото на реза се подава струя кислород (Р=0,5-0,8МРа). След като метала се стопи на определена дълбочина, кислородната струя издухва течната вана и влиза в химическа реакция с разположения по-надълбоко твърд метал. Предварително загрят до температурата на запалване, този метал изгаря, а продуктите на горенето се отнасят от кислородната струя.
Този начин на рязане се използува за материали с дебелина от 5 до 100mm от въглеродна и легирана стомана, неметали и сив чугун във всички пространствени положения.
- рязане със струя от аргоно-водородна смес. Тук дъгата гори между нетопим волфрамов електрод и изделието, а в мястото на реза се подава струя от аргон и водород. Под действие на топлината на дъгата и на топлината, която се отделя при дисоциацията на водорода, металът се стопява, а след това получената стопилка се издухва. По този начин се режат главно алуминиеви сплави. Рязането се извършва предимно машинно.
Плазмено рязане.
Този процес представлява стопяване на метала в мястото на рязането от действието на топлината на плазмената дъга и отделянето му чрез енергията на плазмената струя. Метода е изключително икономичен и технологично много издържан за рязане на трудно режещи се метали като лети легирани стомани, мед, алуминий, техните сплави и др. Като плазмообразуващи газове се използуват чист азот, смес от азот и водород, чист водород, смес от аргон и водород.
При използуване на резачи със затворена дъга могат да се режат тънки метални листове и електронепроводими материали, а при работа с резачи с
отворена дъга се режат по-дебели ламарини (напр. алуминий до 80-120mm). Вариант на плазменото рязане е плазмено-дъговото рязане, при което плазмената горелка е наклонена спрямо направлението на рязане. Този вариант е специално разработен за рязане на тръби. Използува се при строежа на тръбопроводи за рязане на тръби с дебелина на стената до 10mm от легирана
стомана и неметали при скорост на рязане 280–450cm/min.
Лазерно рязане.
Това рязане представлява нов процес, при които светлинен лъч с висока изходна мощност се използва за термично рязане на материали като: стомана, стъкло, пластмаса, дърво, керамика, текстилни материали, във всички пространствени положения.
Фиг.6. Лазерно рязане: а/Установка; б/Лазерен рез: 1-установка; 2–СО2
лазер; 3–полупроницаемо огледало; 4-огледало; 5–източник на постоянен ток 1,5кW, 220МА.
Параметрите на газовия лазер показан на Фиг.6 са: изходна мощност 200W; дължина на вълната 10,6μm; диаметър на нефокусирания лъч 15mm; разрядна тръба 2х2m.
Работното тяло е поток от смеси СО2, N2, He; охлаждаща вода; плътността на енергията е 10 9 W / cm 2 .
Скоростта на рязане в зависимост от материала е в границите от 30 до 1000 cm / min .
Разгледаните въпроси по заваряване и рязане на металите намират широко приложение в полевия ремонт. Внимание заслужават последните методи на рязане които са съвременни, високопроизводителни и имат голямо бъдеще при използването им за ремонт на БТ и АТ особено в стационарни условия.
Благодарение на междуатомните сили всяко метално тяло е в състояние да противодейства на външните натоварвания, когато те се стремят да го деформират или разрушат. Ето защо при механичните начини за рязане на металите чрез снемане на стружка се изразходва голямо количество енергия и са необходими мощни машини.
Ако при дадени обстоятелства на едно метално изделие бъдат създадени условия за силно намаляване на металните връзки чрез нагряване, без особено големи усилия може да се отнеме част от метала, т.е. да се извърши рязане. Рязането може да се осъществи и по друг начин - чрез изгаряне на метала в струя от кислород и отстраняване на образувалите се окиси.
Същността на начините на термично рязане е използване на топлината или за стопяване на метала в мястото на рязане, или за загряването му до температура, при която той е в състояние да изгори.
Мястото, което се оформя при термичното рязане на металите се нарича рез, резът е ограничен от фронтална, странична и долна повърхност. В зависимост от оформянето на реза се различават три основни вида рязане:
Разделително-отделяне на една или няколко части от обработваното изделие; повърхностно-снемане на определен повърхностен слой метал, и пробивно-пробиване на отвори в метал.
В зависимост от начина, по който металът се отнема и се доставя необходимата за рязане топлина, в практиката се използват различни методи на термично рязане.
Газо-кислородно рязане.
Това рязане се основава на способността на металите да изгарят под действието на кислородна струя, след като предварително са били нагрети до температурата на горене.
За да могат да се режат по този начин, металите трябва да отговарят на следните условия:
- температурата на изгаряне трябва да е по-ниска от температурата на топене на метала;
- температурата на топене на окисите, получени при изгаряне на метала трябва да бъде по-ниска от точката на топене на метала, за да може да се отстраняват от мястото на реза;
- металът не бива да съдържа примеси, които затрудняват рязането;
- реакцията по изгарянето на метала трябва да бъде екзотермична;
- топлопроводността на метала не трябва да бъде много голяма.
Всички тези изисквания се задоволяват най-пълно от въглеродните стомани,
съдържащи въглерод до 0,7 %.
Нисколегираните стомани също се режат добре. Стомани, които съдържат до
1-1,2% въглерод се режат след предварително загряване до 650-700°С. Високолегираните хромови и хромникелови стомани, чугунът и цветните сплави не могат да се режат по обикновения начин, тъй като притежават сравнително ниска точка на топене, висока топлопроводност и окисите им се топят при висока температура.
Газокислородното рязане се извършва с помощта на специални горелки- резачи. Те са изградени от две основни части: подгряваща и режеща част. Подгряващата част е сходна със заваръчните горелки. Тя може да бъде инжекторна или безинжекторна.
Процесът на газокислородното рязане е следният: Металът се подгрява най- често с ацетилено-кислороден пламък (може да се използват и по-евтини и по-малко дефицитни газове : коксов, светилен, пропан и др.). Горивната смес се подава през каналите на подгряващата дюза, разположена концентрично около режещата дюза на резача. Когато температурата на нагряване достигне необходимата стойност, през кислородната дюза се пуска струя от технически чист кислород (чистота 98- 99%). Този така наречен режещ кислород попадайки върху загрятата повърхност запалва метала. Отделената топлина заедно с топлината на пламъка загрява по- долу лежащите слоеве метал и процесът на горенето се разпространява по цялата дебелина на метала. Като прорязва изделието, кислородната струя изхвърля (издухва) пламъка извън реза.
Икономически изгодна дебелина на материала за кислородно рязане е 25 до 2600mm.
Скоростта на рязане: 20-700mm/min като точността на съблюдаване на размерите е ±0,2mm.
Пламъка който се използва е неутрален.
Работното налягане при контрол по манометрите на редуктора е от 0,35 до 1,0МРа за кислорода.
Машинно рязане се използва при рязане на праволинейни и криволинейни фасонни детайли чрез използване на метален контролен шаблон.
За рязане на големи дебелини (например стомана до 2m) се използват резачи със специален профил на кислородния канал, който осигурява свръхзвукова скорост на изтичане на кислорода. При тези резачи налягането на кислорода е ниско - 0,4-0,5МРа, има добра концентричност на струята и добро издухване на окисите от
реза.
Кислородно-флюсово рязане.
Това е разновидност на газокислородното рязане. Предназначено е за рязане на чугун, цветни метали и легирани стомани.
Същността на това рязане е следната. Заедно с режещия кислород в мястото на реза се подава прахообразен флюс (който се намира в специален бункер монтиран на резача или отделно от него). Изгаряйки в кислородната струя, флюсът отделя допълнително топлина така, че получените мъчнотопими окиси (Cr2O3, SiO2, CuO Cu2O) се стопяват и издухват от кислородната струя. Предварителното подгряване на метала също става чрез ацетилено-кислороден пламък, но с повишена (до 15-20%) мощност.
Рязане с кислородно копие.
Рязането с кислородно копие се прилага при пробиване на дълбоки отвори в масивни изделия. Самото копие представлява дебелостенна тръба с голяма дължина, която се захваща към ръкохватката на горелката. Вътрешният диаметър на тръбата е 2-4mm, а външният 8-10mm. С единия край тръбата се притиска към изделието, а през другия (чрез горелката) се подава кислород.
Рязането с кислородно копие започва, като се подгрее края на копието или началото на реза до температурата на възпламеняване на метала (с отделна горелка). След достигане на желаната температура кислородът се пуска през работния край на копието и то започва да изгаря. В този момент подгряването се спира като процеса пробиване се поддържа само за сметка на топлината от изгаряне на копието и обработвания метал.
Флюсите могат да включват: железен прах, алуминиев прах, алуминиево- манганов прах, силикокалций, феросилиций доменен, ферофосфор, кварцов пясък- съотношението и състава зависят от вида рязане и от материала.
Електродъгово рязане.
При електродъговото рязане металът на реза се стопява от топлината на електрическата дъга и се отделя под действието на собственото тегло на капките и незначителното налягане на дъгата.
Електродъговото рязане на металите и сплавите може да се извърши с метални или въглени (при дебелина над 20mm) електроди. При първите - качеството на шева е по-добро, но общо взето при това рязане се получава широк рез с неравни повърхности.
Ето защо то се прилага главно за разрязване на блокове предназначени за претопяване, за отрязване на леяци, мъртви глави и др.
Разновидности на електродъговото рязане са:
- въздушно-дъгово рязане, при което за издухване на стопения метал от реза се използва кинетичната енергия на въздух под налягане;
- кислородно-дъгово рязане. Тук се използва както електрическата енергия на дъгата и механичната енергия на кислородната струя, така и химическата енергия от окисляването на метала. Същността на рязането се състои в следното: между покрит кух електрод с външен диаметър 5-8mm и вътрешен диаметър 1- 3,5mm и материала за рязане се възбужда дъга и веднага след това през кухия електрод към мястото на реза се подава струя кислород (Р=0,5-0,8МРа). След като метала се стопи на определена дълбочина, кислородната струя издухва течната вана и влиза в химическа реакция с разположения по-надълбоко твърд метал. Предварително загрят до температурата на запалване, този метал изгаря, а продуктите на горенето се отнасят от кислородната струя.
Този начин на рязане се използува за материали с дебелина от 5 до 100mm от въглеродна и легирана стомана, неметали и сив чугун във всички пространствени положения.
- рязане със струя от аргоно-водородна смес. Тук дъгата гори между нетопим волфрамов електрод и изделието, а в мястото на реза се подава струя от аргон и водород. Под действие на топлината на дъгата и на топлината, която се отделя при дисоциацията на водорода, металът се стопява, а след това получената стопилка се издухва. По този начин се режат главно алуминиеви сплави. Рязането се извършва предимно машинно.
Плазмено рязане.
Този процес представлява стопяване на метала в мястото на рязането от действието на топлината на плазмената дъга и отделянето му чрез енергията на плазмената струя. Метода е изключително икономичен и технологично много издържан за рязане на трудно режещи се метали като лети легирани стомани, мед, алуминий, техните сплави и др. Като плазмообразуващи газове се използуват чист азот, смес от азот и водород, чист водород, смес от аргон и водород.
При използуване на резачи със затворена дъга могат да се режат тънки метални листове и електронепроводими материали, а при работа с резачи с
отворена дъга се режат по-дебели ламарини (напр. алуминий до 80-120mm). Вариант на плазменото рязане е плазмено-дъговото рязане, при което плазмената горелка е наклонена спрямо направлението на рязане. Този вариант е специално разработен за рязане на тръби. Използува се при строежа на тръбопроводи за рязане на тръби с дебелина на стената до 10mm от легирана
стомана и неметали при скорост на рязане 280–450cm/min.
Лазерно рязане.
Това рязане представлява нов процес, при които светлинен лъч с висока изходна мощност се използва за термично рязане на материали като: стомана, стъкло, пластмаса, дърво, керамика, текстилни материали, във всички пространствени положения.
Фиг.6. Лазерно рязане: а/Установка; б/Лазерен рез: 1-установка; 2–СО2
лазер; 3–полупроницаемо огледало; 4-огледало; 5–източник на постоянен ток 1,5кW, 220МА.
Параметрите на газовия лазер показан на Фиг.6 са: изходна мощност 200W; дължина на вълната 10,6μm; диаметър на нефокусирания лъч 15mm; разрядна тръба 2х2m.
Работното тяло е поток от смеси СО2, N2, He; охлаждаща вода; плътността на енергията е 10 9 W / cm 2 .
Скоростта на рязане в зависимост от материала е в границите от 30 до 1000 cm / min .
Разгледаните въпроси по заваряване и рязане на металите намират широко приложение в полевия ремонт. Внимание заслужават последните методи на рязане които са съвременни, високопроизводителни и имат голямо бъдеще при използването им за ремонт на БТ и АТ особено в стационарни условия.