Основные способы термической резки метала
Термической резкой называют обработку металла (вырезку заготовок, строжку, создание отверстий) посредством нагрева. Паз, образующийся между частями металла в результате резки, называют резом. По форме и характеру реза может быть разделительная и поверхностная резка, по шероховатости поверхности реза – заготовительная и чистовая. Термическая резка отличается от других видов высокой производительностью при относительно малых затратах энергии и возможностью получения заготовок любого, сколь угодно сложного, контура при большой толщине металла.
Можно выделить три группы процессов термической резки: окислением, плавлением и плавлением-окислением. При резке окислением металл в зоне резки нагревают до температуры его воспламенения в кислороде, затем сжигают его в струе кислорода, используя образующуюся теплоту для подогрева следующих участков металла. Продукты сгорания выдувают из реза струей кислорода и газов, образующихся при горении металла. К резке окислением относятся газопламенная (кислородная) и кислородно-флюсовая резка. При резке плавлением металл в месте резки нагревают мощным концентрированным источником тепла выше температуры его плавления и выдувают расплавленный металл из реза с помощью силы давления дуговой плазмы, реакции паров металла, электродинамических и других сил, возникающих при действии источника тепла, либо специальной струей газа. К способам этой группы относятся дуговая, воздушно-дуговая, сжатой дугой (плазменная), лазерная и термогазоструйная резка.
При резке плавлением-окислением применяют одновременно оба процесса, на которых основаны две предыдущие группы способов резки. К способам этой группы относятся кислородно-дуговая, кислородно-плазменная, кислородно-лазерная резка.
1. Кислородная резка металла
1.1 Сущность кислородной резки
Под газопламенной резкой (чаще ее называют кислородной) понимают способ разделения металла по прямому или криволинейному контуру. Метод основан на использовании для нагрева смесь горючих газов с кислородом и экзотермической (с выделением тепла) реакции окисления металла. Суть кислородной резки заключается в сгорании железа в струе чистого кислорода, нагретом до температуры, близкой к плавлению. Для удаления оксидов железа из зоны реза используется кинетическая энергия режущего кислорода. Сам процесс резки включает в себя стадию подогрева металла ацетиленовым (или другим заменителем) пламенем и непосредственную резку струей режущего кислорода. По характеру и направленности кислородной струи различают три основных вида резки: разделительная, при которой образуются сквозные резы, поверхностная, при которой снимают поверхностный слой металла, кислородное копье, заключающееся в прожигании в металле глубоких отверстий.
1.2 Процесс кислородной резки
Процесс кислородной резки представлен на рис.1.
Рис. 1. Процесс кислородной резки
Кислородная резка: 1 -струя кислорода; 2-подогревающее пламя; 3-металл; 4-зона реза; 5-оксиды железа.
Металл 3 нагревается в начальной точке реза до температуры воспламенения (в кислороде для стали до 1000 – 1200°С) подогревающим ацетилено-кислородным пламенем 2, после чего направляется струя режущего кислорода 1 и металл начинает гореть с выделением значительного количества тепла.
Реакции, протекающие в зоне реза, можно описать в следующем виде:
Выделяемое тепло вместе с пламенем резака разогревают нижние слои металла на всю его толщину. Роль подогревающего пламени в процессе резки меняется в зависимости от толщины разрезаемого металла. Так, при толщине металла до 5 мм подогревающее пламя занимает до 80% в общем количестве тепла, участвующего в процессе резки.
С увеличением толщины металла роль подогревающего пламени в балансе температур падает, и при толщине 50 мм и более доля подогревающего пламени падает до 10%. В результате взаимодействия расплавленного металла с кислородом образуются оксиды железа 5, которые вместе с расплавленным металлом удаляются из зоны реза кинетической энергией струи кислорода 1.
1.3 Условия качественной кислородной резки металла
Для обеспечения стабильности процесса и нормальной резки металла необходимо, чтобы в зоне реза выполнялись следующие условия:
- мощность источника тепла должна быть достаточной для нагрева металла до температуры, при которой происходит реакция сгорания металла;
- количество тепла, выделяемое при сгорании металла в струе кислорода, должно обеспечивать непрерывность процесса;
- реакция окисления металла должна происходить при температуре меньшей, чем требуется для плавления;
- температура плавления металла должна быть выше температуры образовавшихся оксидов, в противном случае пленка тугоплавких оксидов изолирует металл от кислорода;
- текучесть образовавшихся оксидов должна быть такой, чтобы они легко выдувались струей режущего кислорода;
- теплопроводность металла не должна быть высокой, иначе процесс резки может прерваться из-за интенсивного теплообмена.
1.4 Влияние примесей стали на процесс кислородной резки
Далеко не все металлы обладают свойствами, удовлетворяющими все эти условия, поэтому кислородная резка для некоторых из них становится невозможной.
К примеру, большая теплопроводность меди не обеспечивает условий для нагрева до температуры реакции сгорания металла, что затрудняет начальный этап резки. Поэтому мощности газовых резаков недостаточно для разрезания меди, которую режут другими способами. Стали с большим содержанием хрома, магния и никеля, а также алюминий образуют тугоплавкую пленку оксидов, которая препятствует контакту металла с кислородом, что затрудняет кислородную резку.
Чугун, содержащий более 1,7% углерода, кислородной резкой не обрабатывается. Это объясняется тем, что температура плавления чугуна ниже температуры плавления образующихся оксидов, поэтому металл удаляется из зоны реза без характерного окисления. Кроме того, образующиеся при нагреве оксиды имеют низкую текучесть и с трудом удаляются струей кислорода.
Лучше всего подходит для кислородной резки углеродистая сталь, которая удовлетворяет всем условиям, необходимым для поддержания непрерывности процесса. Влияние примесей в стали на процесс кислородной резки отражено таблице 1.
Таблица 1. Влияние примесей стали на процесс кислородной резки
|
Элемент |
Влияние на процесс резки |
|
Углерод |
При содержании до 0, 4% процесс резки не меняется, при более высоком содержании ухудшается, а при содержании 1-1,25%- становится невозможным |
|
Марганец |
Содержание до 0,4% на процесс резки заметно не влияет. При более высоком содержании процесс резки затрудняется, а при 14% становится |
|
Кремний |
Содержание в количестве, обычном для сталей отрицательного влияния на процесс резки не оказывает. При повышенном содержании процесс усложняется, а при содержании более 4% -становиться невозможным |
|
Фосфор и сера |
В обычных количествах отрицательного влияния не оказывает |
|
Хром |
Содержание до 4-5% отрицательного влияния на процесс резки не оказывает. При большем Содержании процесс резки становится невозможным и требует применения флюса. |
|
Никель |
Содержание до 7-8% отрицательного влияния на процесс резки не оказывает. С увеличением содержания процесс резки усложняется. |
|
Молибден |
Содержание до 0,25% отрицательного влияния на процесс резки не оказывает. |
|
Вольфрам |
Содержание до 10% отрицательного влияния на Процесс резки не оказывает. При более высоком содержании процесс резки затрудняется, а при 20% |
|
Ванадий |
В обычных количествах отрицательного влияния не оказывает |
|
Медь |
Содержание до 0,7% влияния на процесс резки не оказывает |
|
Алюминий |
Содержание до 0,5 % влияния на процесс резки не оказывает |
2. Плазменная резка
2.1 Плазменная резка — вид плазменной обработки материалов резанием, при котором в качестве режущего инструмента вместо резца используется факел плазмы.
2.2 Процесс
Между электродом и соплом аппарата, или между электродом и разрезаемым металлом зажигается электрическая дуга. В сопло подаётся газ под давлением несколько атмосфер, превращаемый электрической дугой в струю плазмы с температурой от 5000 до 30000 градусов и скоростью от 500 до 1500 м/с. Толщина разрезаемого металла может доходить до 100 мм. Первоначальное зажигание дуги осуществляется высокочастотным импульсом или коротким замыканием между форсункой и разрезаемым металлом. Форсунки охлаждаются потоком газа (воздушное охлаждение) или жидкостным охлаждением. Воздушные форсунки как правило надежнее, форсунки с жидкостным охлаждением используются в установках большой мощности и дают лучшее качество обработки.
2.3 Газы для плазменной резки
Используемые для получения плазменной струи газы делятся на активные (кислород, воздух) и неактивные (азот, аргон, водород, водяной пар). Активные газы в основном используются для резки чёрных металлов, а неактивные – цветных металлов и сплавов.
2.4 Преимущества плазменной резки:
обрабатываются любые металлы – черные, цветные, тугоплавкие сплавы и т.д.
скорость резания в несколько раз выше газопламенной резки
небольшой и локальный нагрев разрезаемой заготовки, исключающий ее тепловую деформацию
высокая чистота и качество поверхности разреза
безопасность процесса (нет необходимости в баллонах с сжатым кислородом, горючим газом и т.д.)
3. Лазерная резка
3.1 Описание
Технология резки и раскроя материалов использующая лазер высокой мощности и обычно применяемая на промышленных производственных линиях. Сфокусированный лазерный луч, обычно управляемый компьютером, обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств. В процессе резки, под воздействием лазерного луча материал разрезаемого участка плавится, возгорается, испаряется или выдувается струей газа. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. Лазерная резка отличается отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого 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. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.
3.2 Процесс
Для лазерной резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных и газовых CO2-лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс не может полностью заменить традиционные способы разделения металлов. В сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок стоимость лазерного оборудования для резки ещё достаточно высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к её снижению. В связи с этим процесс лазерной резки становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.
Лазерная резка осуществляется путём сквозного прожига листовых металлов лучом лазера. Такая технология имеет ряд очевидных преимуществ перед другими способами раскроя:
Отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и деформирующиеся материалы;
Обработке поддаются материалы из твердых сплавов;
При выпуске небольших партий продукции целесообразней провести лазерный раскрой материала, чем изготавливать для этого дорогостоящие пресс-формы или формы для литья;
Для автоматического раскроя материала достаточно подготовить файл рисунка в любой чертежной программе и перенести файл на компьютер установки, которая выдержит погрешности в очень малых величинах;
3.3 Охлаждение
Лазер и его оптика (включая фокусирующие линзы) нуждаются в охлаждении. В зависимости от размеров и конфигурации установки, избыток тепла может быть отведен теплоносителем или воздушным обдувом. Вода, обычно применяемая в качестве теплоносителя обычно циркулирует через теплообменник или холодильную установку.
3.4 Энергопотребление
Эффективность промышленных лазеров может варьироваться от 5% до 15%. Энергопотребление и эффективность будут зависеть от выходной мощности лазера, его рабочих параметров и того как хорошо лазер подходит для конкретной работы. Величина необходимой затрачиваемой мощности, необходимой для резки зависит от типа материала, его толщины, среды обработки, скорости обработки.
Метки: Резка металлаПохожие статьи:
Один комментарией to “Основные способы термической резки метала”
Оставить комментарий
Спасибо! Написано понятно.