Кислородная поверхностная резка металла

Обновлено: 05.07.2024

Кислородная резка металлов основана на сгорании некоторого объема обрабатываемого металла в струе кислорода и удалении этой струей образующихся окислов.

По характеру образуемых резов кислородную резку можно разделить на разделительную (образующую сквозные разрезы, отделяющие одну часть металла от другой); поверхностную (удаляющую некоторый поверхностный слой металла в виде канавок полукруглого сечения или слоя некоторой глубины) и резку копьем (приводящую к прожиганию в металле глубоких отверстий).

Процесс кислородной резки заключается в интенсивном окислении (горении) нагретого металла при воздействии струи кислорода. При этом окисление происходит как при непосредственном контакте кислорода с поверхностью металла, так и посредством передачи (диффузии) его к поверхности металла через тонкий слой окислов - шлака. Продукты реакции - окислы - механическим действием струи кислорода удаляются (выдуваются) от места их образования.

По характеру применяемого необходимого для резки подогрева и специальных дополнительных материалов можно выделить резку газовую, электрокислородную и кислородно-флюсовую (обычно с газовым нагревом). При резке кислородным копьем посторонний источник подогрева требуется только в начале процесса.

В некоторых случаях кислородная резка производится в особых условиях (например, резка под водой). Эти особые случаи резки будут рассмотрены совместно с резкой копьем далее.

Кислородная разделительная резка является наиболее распространенной и применяется почти во всех областях металлургической, металлообрабатывающей промышленности и в строительстве. При этом ручная разделительная резка применяется в основном при раскрое листовой стали, при вырезке различных деталей, изготовляемых из листов, при резке профильного материала. Она также применяется для отрезки прибылей литых деталей, разделки поковок под обработку более мелких деталей, для различных подгонок при монтаже стальных конструкций.

Все более широкое применение получает машинная разделительная резка, осуществляемая переносными машинами, перемещающимися по разрезаемому металлу; стационарными машинами, автоматически выполняющими вырезку деталей различного контура при применении соответствующих устройств, и специальными машинами, выполняющими некоторые особые работы (фасонная и прямая отрезка труб, вырезка лазов и др.). Машинная резка с успехом заменяет в ряде случаев штамповочные, фрезерные и другие станочные работы, обеспечивая весьма высокий экономический эффект. Машинная резка широко применяется на заводах среднего и тяжелого машиностроения, транспортного и сельскохозяйственного машиностроения, судостроения и др. Относительное применение машинной резки к общему объему разделительной резки в некоторых видах производств является весьма большим (в судостроении до 70-80%).

Несколько меньшее, но достаточно широкое распространение приобретает и поверхностная резка, применяемая вместо вырубки корня шва и пороков сварных швов, при подготовке U-образных кромок под сварку, для удаления поверхностных пороков литья и при обработке блюмов и слябов перед прокаткой.

В связи с разработкой кислородно-флюсовой резки высокохромистых и хромоникелевых сталей, а также чугуна и ряда цветных сплавов этот процесс в последнее время находит все большее применение в турбостроении, при изготовлении химической аппаратуры, а также в металлургии.

Особые способы резки - резка копьем, разделительная резка под водой и электрокислородная - имеют меньшие, но достаточно важные области применения.

Кислородная резка применяется примерно с начала XX в., однако наибольшее свое развитие она получила в период Великой Отечественной войны и в послевоенные годы.

В послевоенные годы значительную роль в разработке аппаратуры, а также в разработке и усовершенствовании технологических процессов резки сыграл организованный в 1946 г. Всесоюзный научно-исследовательский институт автогенной обработки металлов (ВНИИавтогенмаш). Одновременно разработкой ряда вопросов кислородной резки занимались отраслевые научно-исследовательские и проектно-технологические институты, ряд предприятий и учебные институты.

Широкая возможность механизации и автоматизации резки, разработка и внедрение многорезаковых машин, машин с фотокопировальными устройствами и масштабным копированием, а также механизация поверхностной резки и разделки кромок под сварку обеспечивают дальнейшее развитие этого весьма эффективного процесса.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Резка

Газорезка и необходимые знания при выборе газорезательного инструмента

В данной статье мы поговорим о газовых резаках. Для чего нужен газовый резак? Как ни странно, но он нужен для резки металла. Для этого сначала нужно нагреть метал до температуры плавления, а затем подать туда струю кислорода для того, чтобы металл начал гореть, и таким образом, осуществляется резка.

Резка и другие способы подготовки кромок

Резка материалов - процесс разъединения материала на части, размеры которых являются основой для получения элемента конструкции, а также для удаления некоторых объемов материала для получения заданной формы и размеров детали. Одной из разновидностей резки материалов является подготовка кромок материала под сварку. Как правило, для наиболее широкого применяемых методов сварки для подготовки металлических элементов под сварку разделку кромок осуществляют, если их толщина превышает 5 мм.

Точность и качество кислородной резки

Точность кислородной резки определяется соответствием размеров вырезанной детали размерам чертежа. Кислородную резку применяют как заготовительную операцию при вырезке деталей под механическую обработку и для изготовления деталей без последующей механической обработки. Качество резки характеризуется шероховатостью поверхности реза, наличием шлака и грата на нижней кромке, равномерностью ширины реза по всей толщине разрезаемого металла, степенью оплавления верхней кромки. Точность реза определяется отклонением линии или плоскости реза от заданной.

Поверхностная резка металлов

Поверхностной кислородной резкой называется процесс снятия кислородной струей слоя металла. Поверхностная резка отличается от разделительной тем, что струя режущего кислорода направляется под острым углом 15-40° к поверхности металла и перемещается с большой скоростью вдоль этой поверхности. Несмотря на внешнее различие поверхностей и разделительной кислородной резки сущность этих способов одна и та же. В обоих случаях подогревающее пламя нагревают до температуры воспламенения, происходит сгорание металла в ограниченном объеме и удаление образовавшегося при этом шлака.

Особенности технологии резки различных профилей металла

В настоящее время кислородная резка нашла широкое применение при изготовлении различного рода металлоконструкций из труб, прутков круглого и квадратного сечений, уголка, швеллера и двутавра. При вырезке из листов фланцев и дисков пользуются специальным циркульным устройством, которое состоит из ножки и выдвижной штанги. Ножку циркуля ставят в накерненную точку в центре окружности, резак укрепляют на штанге и передвигают по листу на роликах.

Основные сведения о технике кислородной резки

При выполнении разделительной кислородной резки необходимо учитывать требования, предъявляемые к точности резки и качеству поверхности реза. Большое влияние на качество реза и производительность резки оказывает подготовка металла под резку. Перед началом резки листы подают на рабочее место и укладывают на подкладки так, чтобы обеспечить беспрепятственное удаление шлаков из зоны реза. Зазор между полом и нижним листом должен быть не менее 100-150 мм.

Кислородная резка стали

Процесс кислородной резки стали зависит от содержания углерода и химического состава примесей в стали. Хорошо режутся низкоуглеродистые стали, содержащие до 0,3% углерода. При содержании углерода в сталях свыше 0,3% поверхность реза закаливается, а при содержании его свыше 0,7% резка становится затруднительной. Кремний при содержании его в сталях до 4% и одновременном содержании углерода до 0,2% процесс резки не затрудняет.

Сущность процесса кислородно-флюсовой резки

Высоколегированные хромистые, хромоникелевые стали, чугун и цветные металлы не могут подвергаться обычной кислородной резке, так как они не удовлетворяют основным условиям резки. Хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали на поверхности реза образуют тугоплавкие оксиды хрома с температурой плавления около 2000°С, которые препятствуют нормальному протеканию процесса резки.

Кислородно-флюсовая резка высоколегированных сталей

К высоколегированным сталям относятся стали, содержащие более 10% легирующих элементов. Высоколегированные стали кроме обычных примесей углерода (С), кремния (Si), марганца (Мn), серы (S) и фосфора (Р) содержат в различных количествах такие примеси, как хром (Сr), никель (Ni), титан (Ti), вольфрам (W), молибден (Мо), ванадий (V), ниобий (Nb), медь (Сu), алюминий (Аl) и др. Такие стали не могут подвергаться обычной кислородной резке, так как на поверхности их образуется пленка тугоплавких окислов.

Марганец при содержании в стали до 6% на процесс кислородной резки не влияет, при более высоком содержании марганца процесс резки затрудняется. Сера и фосфор в тех количествах, в которых они содержатся в стали, на процесс резки не влияют. Хром, так же как и кремний, повышает в стали вязкость шлака и при содержании 2-3% способствует зашлаковыванию кромок реза. При содержании в стали хрома от 1,5 до 5% возможна резка с предварительным подогревом. При более высоком содержании хрома хромистые и нержавеющие стали можно резать только кислородно-флюсовым способом. Никель обладает низким сродством к кислороду и поэтому окисляется кислородной струей при резке очень слабо. Никель при содержании его в стали до 6-7% процессу кислородной резки не препятствует, при более высоком содержании никеля процесс резки затрудняется. Молибден при содержании в стали 0,15-0,25% на процесс резки не влияет.

Кислородной резке подвергаются стали толщиной не менее 3 мм. Резка стали малых толщин сопровождается значительным перегревом, оплавлением кромок и короблением разрезаемого металла. При резке тонколистовой стали на резаках устанавливается внутренний мундштук с минимальным отверстием для режущего кислорода и наружный мундштук № 1. Лучшие результаты при резке сталей малых толщин дает резка с последовательным расположением подогревающего пламени и режущего кислорода. Резку ведут с максимальной скоростью и минимальной мощностью подогревающего пламени. Мундштук резака наклоняют под углом 15-40° к поверхности реза в сторону, обратную направлению резки. Для получения резов без грата на разрезаемых кромках необходимо применять кислород чистотой не ниже 99,5%.

Лучшее качество при кислородной резке малых толщин, особенно при массовой вырезке одинаковых деталей, дает пакетная резка. Сущность процесса кислородной пакетной резки заключается в том, что разрезаемые листы складывают в пакет, стягивают струбцинами или специальными зажимными приспособлениями и разрезают за один проход резака. Максимальная толщина каждого листа не более 4-6 мм, общая толщина пакета не более 100 мм. При этом способе необходимо, чтобы листы были хорошо очищены и плотно прилегали друг к другу. Мощность подогреваемого пламени, а также расход и давление режущего кислорода при пакетной резке устанавливают по суммарной толщине пакета. Скорость резки пакета несколько меньше скорости однослойной резки стали той же толщины. Верхний лист пакета при малой толщине коробится, поэтому на пакет накладывают лист большой толщины. Пакетную резку рекомендуется выполнять кислородом низкого давления. В этом случае не требуется принудительное сжатие листов (зазоры между листами иногда достигают 3-4 мм). Пакет закрепляют с одной стороны. По окончании пакетной резки поверхность металла очищают от окалины и остатков шлака стальной щеткой. Образующиеся в процессе пакетной резки наплывы с нижней кромки металла срубают зубилом.

а - с плотным зажатием пакета, б - с зажатием пакета со стороны, противоположной началу резки

Рисунок 1 - Пакетная кислородная резка листов стали

Кислородная резка сталей средних толщи от 10 до 100 мм не вызывает затруднений. Она выполняется обычной аппаратурой как ручными, так и механизированными способами. Резку сталей средней толщины выполняют при давлении кислорода 0,25-0,6 МПа.

Кислородную резку сталей большой толщины применяют в металлургической промышленности и на предприятиях тяжелого машиностроения. Стали толщиной до 300 мм разрезают обычными универсальными резаками.

Заготовки больших толщин разрезают специальными резаками при низком давлении кислорода, которое перед мундштуком равно 0,05-0,3 МПа. Мундштуки имеют увеличенные (по сравнению с универсальными резаками) проходные сечения для режущего кислорода без расширения на выходе. При низких скоростях истечения, не превышающих звуковую(как это имеет место при резке кислородом низкого давления), каждая частица кислорода имеет возможность дольше соприкасаться с металлом, благодаря чему уменьшаются потери кислорода. Кроме того, при этом уменьшается количество теплоты, уносимое из разреза избыточным кислородом и газами, не участвующими в реакции окисления, и сокращается общий расход кислорода, хотя ширина реза несколько увеличивается.

При резке кислородом низкого давления рез получается более широким. При этом зона дефекта заполняется расплавленным металлом и шлаками, а струя продолжает процесс резки без существенных завихрений.

Для устранения подпора газов и для свободного вытекания шлака под заготовкой должно быть свободное пространство высотой 300-500 мм. При резке стали больших толщин процесс окисления металла по толщине протекает значительно медленнее, чем при резке обычных толщин. Поэтому успех резки в значительной степени определяется правильным началом врезания кислородной струи в металл.

Стали толщиной, свыше 300 мм режут специальными резаками, мундштуки которых имеют увеличенные по сравнению с универсальными резаками проходные сечения для режущего кислорода.

Поверхностная кислородная резка

Поверхностной кислородной резкой называется процесс снятия слоя металла с поверхности обрабатываемой детали, выполняемый посредством кислородной струи.

В отличие от разделительной резки, при которой кислородная струя направляется перпендикулярно поверхности обрабатываемого металла или углом вперед с углом атаки φ = 45° и более, при поверхностной резке угол атаки меньше и составляет обычно 10-30°. В результате наклонного направления струи и малой скорости ее истечения в связи с применением относительно небольших давлений кислорода (редко выше 4-5 кгс/см 2 ) и больших сечений выходных каналов для кислорода, струя, врезаясь в подготовленный в тепловом отношении металл, деформируется и выбрасывается в сторону той же поверхности, с которой она и была введена. На эту же поверхность выбрасывается и сожженный металл в виде расплавленного шлака. Если резак перемещать вперед с определенной для конкретных условий скоростью, то кислородная струя будет сжигать следующие объемы уже подогретого металла. При этом шлак в значительной степени облегчает тепловую подготовку металла, подлежащего резке кислородной струей, позволяя применять значительную линейную скорость резки и сжигать в единицу времени большее количество металла поверхностного слоя.

Шлак, получающийся при поверхностной кислородной резке, отличается от шлака при разделительной резке большим количеством несожженного железа, а его влияние на тепловую подготовку металла при установившемся процессе резки значительно сильнее, чем при разделительной. Общий вид процесса поверхностной кислородной резки представлен на рис. 118. Примеры применения поверхностной кислородной резки приведены на рис. 119.

Как правило, в результате поверхностной кислородной резки, в зависимости от ее режима, на поверхности металла образуются канавки, имеющие полукруглую, параболическую или почти прямоугольную форму в поперечном сечении.

При линейном (ручном или механическом) перемещении резака по отношению к обрабатываемой поверхности получается обработка, подобная строжке, которая может выполняться в виде выборки отдельных канавок (рис. 119, а, в, г, д) или снятия слоя со всей поверхности (рис. 119, б). Такая обработка носит название поверхностной кислородной строжки. Эта операция может выполняться в несколько проходов одной кислородной струей либо в один проход рядом струй, расположенных определенным образом.

При обработке тел вращения резак перемещается подобно резцу на токарном станке, а обрабатываемая деталь вращается в станке. Снятие поверхностного слоя кислородной струей называется поверхностной кислородной обточкой. Применяется она для грубой обработки поверхностного слоя или, реже, в качестве подготовительной операции при нарезке ленточной резьбы (рис. 119, е, ж).

Еще реже применяется выборка конусных углублений - кислородное сверление (рис. 119, з). Кислородное сверление выполняется подачей резака в направлении действия кислородной струи с применением колебательных движений.

Иногда является эффективным комбинированное применение строжки канавкой и разделительной резки (рис. 119, и), например, для получения разделок под сварку металла больших толщин.

Механизация поверхностной кислородной резки позволяет с успехом применять этот процесс в качестве замены черновой станочной обработки.

Поверхностная кислородная резка наибольшее распространение получила в металлургической промышленности, а как вспомогательный процесс применяется при ремонте литья и изготовления сварных конструкций. В металлургической промышленности она применяется для механизированной зачистки горячего и холодного металла перед прокаткой. Ручная поверхностная резка применяется для удаления поверхностных пороков литья перед их заваркой, а также для строжки корня шва перед наложением подварочных валиков. При этом хорошо выявляются внутренние пороки швов, которые легко могут быть удалены. Реже поверхностная резка применяется для создания разделки под сварку, иногда совместно с разделительной.

Аппаратура для поверхностной кислородной резки

Процесс кислородной поверхностной резки характеризуется большим расходом режущего кислорода - до 80 м 3 /ч на один резак. В связи с этим при резке для питания кислородом применяется следующая аппаратура: постовые вентили (при питании от трубопровода) с увеличенными проходными каналами; редукторы большой пропускной способности (обычно рамповые, в частности ДКР-250); шланги диаметром не менее 9,0 мм.

Резаки для поверхностной резки, как ручной, так и механизированной, имеют большие проходные сечения и диаметры выходных отверстий кислородной струи (в ручных резаках - круглое сечение диаметром 2,5-9,5 мм). Машинные резаки для строжки поверхностей иногда имеют отверстия щелевого типа. Подогревательное пламя применяется концентрированное, сфокусированное соответствующим сверлением отверстий для горючей смеси. В резаках для поверхностной резки используются как ацетилен (с расходом примерно 1-2 м 3 /ч), так и его заменители (с соответственно большим расходом).

Резаки для ручной поверхностной резки имеют, как правило, большую длину (800-1200 мм) и снабжены щитками для защиты руки резчика. В ряде случаев резаки устанавливаются на тележку, облегчающую поддержание необходимого угла атаки струи.

Целесообразным является клапанное включение и перекрытие кислородной струи (например, в резаках РП-51) вместо вентильного. Приспособления для подачи прутка в начале процесса себя не оправдали ни при механизированном устройстве, ни при подаче вручную, так как это увеличивает вес резаков.

В резаках для механизированной резки наиболее сильно нагревающиеся части обычно охлаждаются проточной водой, а у ручных резаков медные мундштуки бронируются жаропрочной сталью в месте их контакта с разрезаемым металлом.

Технические характеристики резаков ВНИИавтогенмаша для ручной поверхностной кислородной резки приведены в табл. 23.

Основные сведения по технологии и механизации поверхностной резки

Процесс поверхностной резки, так же как и разделительной, требует начальной тепловой подготовки металла до температуры его воспламенения в кислороде.

При больших скоростях поверхностной резки (до 10 м/мин) сокращение длительности предварительного подогрева является весьма важным. Наиболее эффективным методом сокращения этого времени является подача к начальной точке реза стального прутка диаметром 4-6 мм, который, быстрее нагреваясь и воспламеняясь, дает дополнительное тепло для начала резки. Так как устройства для подачи такого прутка утяжеляют резак, эта операция часто осуществляется подсобным рабочим, выполняющим и ряд других вспомогательных операций (очистку от шлака, подготовку деталей и пр.). В ряде случаев подача присадки заменяется созданием начальных зарубок зубилом, особенно в случае, если начало резки не совпадает с кромкой детали. При начальном подогреве резак устанавливают почти вертикально, а в момент включения режущего кислорода поворачивают в соответствующее положение (с углом атаки 10-30°).

При меньшем угле атаки канавки получаются шире и мельче, а при большем угле - глубже и уже.

При поперечно-колебательных движениях резака, выполняемых одновременно с линейным его перемещением, канавки имеют периодические выступы (в плане имеют вид, получивший название елочки). Этот способ резки (хотя он и производительней снятия металла гладкими канавками) может скрыть пороки в месте зачистки и поэтому имеет ограниченное применение.

Весьма важным для производительности резки является сокращение расстояния от оси канала резака до поверхности металла (а₁ на рис. 120). Так, например, при диаметре канала кислорода 5мм, расходе кислорода 20 м 3 /ч, скорости резки 6 м/мин и угле атаки φ = 20° увеличение расстояния а₁ с 7 до 20 мм уменьшает размеры канавки по глубине с 9 до 7 мм, а по ширине с 21 до 16 мм.

При прямолинейной и равномерной подаче режущего кислорода поверхность канавки может получаться либо ровной, либо волнистой, что определяется скоростью резки и режимом кислородной струи (рис. 121).

Весьма важной при поверхностной резке является чистота кислорода, причем снижение чистоты от 99 до 98% уменьшает производительность и повышает удельный расход кислорода примерно на 15%. Резка кислородом чистотой ниже 95% вообще невозможна.

В результате напряженного состояния и структурных изменений металла, вызываемых тепловым воздействием поверхностной резки, при некоторых составах сталей вблизи реза образуются трещины, в связи с чем в ряде случаев резка применяется с предварительным подогревом.

Не требуют подогрева при резке углеродистые стали с содержанием С до 0,5% и низколегированные стали 15М, 15ХМ, 20ХМ, 20Х2Н4А и др. Предварительный подогрев до 120° С требуется только при резке в зимнее время для сталей 25ХН4, 30Н, 30ХМА, 35Х и др. Всегда требуют предварительного подогрева до 120-300° С стали углеродистые с содержанием С более 0,6%, а также низколегированные 30Г2, 30ХГСА, 35ХМА, 38ХМЮА, 50ХГ и др. Еще больший нагрев (300-450° С) требуется для сталей марок от У9 до У13, 55С2, ШХ6, ШХ15, 9ХВГ и др.

Глубокая выборка металла может осуществляться путем удаления металла в несколько проходов. Последовательность выполнения такой резки показана на рис. 122.

Для повышения производительности при необходимости последовательного снятия канавок ручную резку выполняют без переходов, т. е. резчик, заканчивая канавку, поворачивает резак и продолжает резку в противоположном направлении по уже подогретому металлу.

Весьма сложными являются специализированные машины для снятия загрязненного слоя с поверхностей слябов и блюмов. Такие машины устанавливаются в рабочей линии стана. Машина для очистки обжимает блюм со всех сторон газорежущими головками и при их относительном перемещении снимает одновременно со всех сторон слои металла, глубина которых задается пультом управления.

Поверхностная кислородная резка может дать значительный производственный эффект при ее правильном применении, в частности взамен пневматической рубки.

Читайте также: