РЕЗКА МЕТАЛЛОВ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

В настоящее время, когда изготавливают сотни тысяч тонн свар­ных конструкций, трудно представить себе сварочное производство

без процессов разделительной резки металлов, необходимой для из­готовления заготовок конструкций.

В заготовительном производстве широко применяются газовая и электрическая дуговая резка металлов. Процесс газовой резки ме­таллов основан на сгорании (интенсивном окислении) металлов в струе кислорода и принудительном удалении этой струёй образую­щихся оксидов.

Хорошо известно, что большинство металлов при контакте с кисло­родсодержащими средами окисляются, и этот процесс идёт с выделе­нием теплоты. Так, окисление железа протекает по реакциям, кДж/моль:

Fe + 0,5О₂ = FeO + 268,8;

2Fe + l,5O₂ == Fe₂O₃ + 829,7;

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄+1115,6.

Интенсивность окисления возрастает с увеличением концентра­ции кислорода в газе и с повышением температуры. В технически чистом кислороде (чистотой 98-99 %) при некоторой начальной тем­пературе интенсивность окисления становится очень большой и пе­реходит в горение.

Для непрерывности горения необходимы следующие условия: -контакт окислителя с неокисленным металлом;

- подогрев неокисленного металла до температуры воспламенения;

- высокая концентрация кислорода в газовой фазе, взаимодейству­ющей со сжигаемым металлом;

- температура горения металла должна быть ниже температуры его плавления;

- продукты горения (оксиды) должны находиться в жидком со­стоянии, так как, находясь в твёрдом состоянии, они изолируют неокисленный металл от окислительной газовой фазы, а находясь в га­зообразном, уменьшают концентрацию кислорода в газовой фазе. .

Процессу резки благоприятствует повышенное количество теп­лоты, выделяющейся при сгорании металла; резка облегчается при жидкотекучести образующихся оксидов; нормальному процессу рез­ки препятствует высокая теплопроводность металла, понижающая его температуру в месте протекания реакции горения.

Из чистых металлов этим требованиям отвечают железо, марга­нец и титан. Хорошими характеристиками обладают никель и медь.

Рис. 3.84. Последовательность, форма и расположение подогревающего (1) и режущего (2) сопел

Совершенно не удовлетворяют требованиям непрерывной резки алю­миний, магний, хром, цинк.

Для начала процесса резки низкоуглеродистой стали она должна быть нагрета до 1350-1360 °С. В момент начала газовой резки подо­грев металла в начальной точке реза до воспламенения осуществля­ется исключительно теплотой пламени. Нагрев металла обычно осу­ществляется ацетилено-кислородным пламенем. При прямолиней­ной резке стали малой толщины (менее 5 мм) применяют резаки с последовательным расположением сопел (рис. 3.84, а), а при резке стали большой толщины - мундштуки, в которых подогревающее пламя образуется на выходе горючей смеси из мундштука с кольце­вым щелевым каналом (рис. 3.84, б) или из многосоплового мундш­тука, имеющего несколько отдельных цилиндрических каналов, так­же расположенных по концентрической (по отношению к режущему соплу) окружнос­ти (рис. 3.84, в).

Длительность подогрева низкоуглероди­стой стали зависит от толщины разрезаемо­го листа, и с ее увеличением от 5 до 200 мм возрастает от 5 до 40 с. После подогрева по­даётся режущая струя кислорода и осуще­ствляется процесс резки металла (рис. 3.85).

Рис. 3.85. Схема газокислородной резки: / - разрезаемый металл; 2 - струя режущего кислорода; 3 - горючая смесь; 4 - режущий мундштук; 5 - мундштук подогревающего пла­мени; 6 - подогревающее пламя; 7 - рез; 8 -шлаки

а - после вырезки газокислородной резкой по копиру из одного листа в три

прохода; б - в сборе

При разделительной кислородной резке с механизированным пе­ремещением резака можно достичь точности и чистоты поверхнос­ти реза, позволяющих во многих случаях не применять дополнитель­ную механическую обработку (рис. 3.86).

В отличие от резки металлов процесс кислородной резки неме­таллов (бетона, шлака, огнеупоров) основан на сгорании в режущей струе кислорода металлических порошков, вводимых в зону резки, расплавлении выделенной теплотой неметаллов и последующем уда­лении расплава струёй кислорода.

Источником теплоты при электрической резке служит электричес­кая дуга. Дуговая резка угольным или металлическим электродом с покрытием основана на расплавлении металла электрической дугой и стекании расплавленного металла вниз под действием собственного веса (рис. 3.87). Резку производят при горизонтальном положении листов пилообразным движением электрода, что облегчает стекание жид­кого металла. Этот способ применяют для резки чугуна, цветных металлов и сплавов. Рез при этом получается широким, с оплавлен­ными торцами кромок.

Воздушно-дуговая резка состоит в том, что металл, расплавлен­ный электрической дугой, непрерывно удаляется струёй сжатого воз­духа. Дуга горит между угольным электродом и поверхностью раз­резаемого изделия, а сжатый воздух в зону реза подаётся из горелки.

Кислородно-дуговая резка основана на расплавлении металла электрической дугой и его сгорании в струе кислорода. Образующи­еся при этом шлаки удаляются из зоны реза кислородной струёй. Качество реза при этом более высокое, чем при воздушно-дуговой резке. Резку можно производить как угольным, так и металлическим электродом. Для подводной кислородно-дуговой резки используют трубчатые металлические электроды, по внутреннему каналу кото­рых подаётся режущий кислород (рис. 3.88).

В последние годы для выполнения высокого качества резки спла­вов алюминия, легированных и даже низкоуглеродистых сталей ши­роко применяется плазменная резка. Сущность её заключается в том, что металл в зоне реза расплавляется и частично испаряется с помо­щью струи плазмы, получаемой в дуге. Этой же струёй металл уда­ляется из зоны реза. Температура плазмы достигает 30000 °С, а ско­рость её истечения из сопла плазменной горелки 2000 м/с. Плазмен­ная резка может применяться для металла толщиной от долей до де­сятков миллиметров. Для резки тонких материалов (металлов, кера­мики) применяют процесс с плазменной струёй (см. рис. 3.23, б, в). А для резки толстых листов из алюминия, магния, меди, никеля, не­ржавеющих сталей и некоторых других материалов целесообразно применять процесс со сжатой дугой (см. рис. 3.23, а). Мощными плаз­менными горелками, работающими при напряже­нии до 200 В, можно разрезать плиты толщиной до 150 мм и более.

Высокопроизводительная и точная резка по программе изделий из металла, пластика, дерева и пр. достигается с помощью лазеров. Например, технологический комплекс на базе лазера ЛГТ-2.01 М разработки Института сварки (Россия) обеспечивает высокое качество резки металлов толщиной 0,5-4 мм и диэлектриков толщиной 0,5-25 мм (рис. 3.89).

Рис. 3.87. Схема дуговой резки ме­таллическим электродом: 1 - разрезаемый металл; 2 - ме­таллический электрод с покрыти­ем; 3 - траектория движения кон­ца электрода; 4 - вытекающий жидкий металл

Рис. 3.88. Схема подводной кислород­но-дуговой резки:

1 - канал для режущего кислорода; 2 -стальной трубчатый стержень; 3 -элек­тродное покрытие; 4 - гидроизоляция

Рис. 3.89. Общий вид технологического комплекса на базе лазера ЛГТ-2.01 М

(а) и образцы вырезанных деталей (б)

технологический комплекс на базе лазера ЛГТ-2.01 М разработки Института сварки (Россия) обеспечивает высокое качество резки металлов толщиной 0,5-4 мм и диэлектриков толщиной 0,5-25 мм (рис. 3.89).