Сущность процесса кислородной резки

Кислородная резка основана на свойстве металлов и их сплавов сгорать в струе технически чистого кислорода. Резке поддаются металлы, удовлетворяющие следующим ос­новным требованиям:

1. Температура плавления металла должна быть выше температуры вос­пламенения его в кислороде. Металл, не отвечающий этому требованию, плавится, а не сгорает. Например, низкоуглеродистая сталь имеет темпе­ратуру плавления около 1500° С, а воспламеняется в кислороде при темпера­туре 1300…1350°С. Увеличение содер­жания углерода в стали сопровож­дается понижением температуры плавления и повышением температуры воспламенения в кислороде. Поэтому резка стали с увеличенным содержа­нием углерода и примесей услож­няется.
2. Температура плавления оксидов должна быть ниже температуры плав­ления самого металла, чтобы образую­щиеся оксиды легко выдувались и не препятствовали дальнейшему окисле­нию и процессу резки. Например, при резке хромистых сталей образуются оксиды хрома с температурой плав­ления 2000° С, а при резке алюми­ния — оксиды с температурой плавле­ния около 2050° С. Эти оксиды покрывают поверхность металла и прекращают дальнейший процесс рез­ки.
3. Образующиеся при резке шла­ки должны быть достаточно жидко­текучи и легко выдуваться из разре­за. Тугоплавкие и вязкие шлаки будут препятствовать процессу резки.
4. Теплопроводность металла дол­жна быть наименьшей, так как при высокой теплопроводности теплота, сообщаемая металлу, интенсивно от­водится от участка резки и подо­греть металл до температуры воспла­менения будет трудно.
5. Количество теплоты, выделяю­щейся при сгорании металла, дол­жно быть возможно большим; эта теплота способствует нагреванию при­легающих участков металла и тем самым обеспечивает непрерывность процесса резки. Например, при резке низкоуглеродистой стали 65…70% общего количества теплоты выделяет­ся от сгорания металла в струе кисло­рода и только 30…35% — составляет теплота от подогревающего пламени резака.

Различают два основных вида кис­лородной резки: разделительную и поверхностную.

Рис. 1

Разделительную резку (рис. 1) применяют для вырезки различного вида заготовок, раскроя листового металла, разделки кромок под сварку и других работ, связанных с разрез­кой металла на части. Сущность про­цесса заключается в том, что металл вдоль линии разреза нагревают до температуры воспламенения его в кис­лороде, он сгорает в струе кислорода, а образующиеся оксиды вы­дуваются этой струей из места раз­реза.

Поверхностную резку (рис. 95, а, б, в) применяют для снятия поверхностного слоя металла, разделки канавок, удаления поверхностных дефектов и других работ.

Рис. 2

Применяют два вида поверхност­ной резки — строжку и обточку. При строжке резак совершает возвратно- поступательное движение как строгальный резец. При обточке резак работает как токарный peзец.

Оборудование для кислородной резки

Резаки цля кислородной резки служат для правильного решения горю­чих газов или паров жидкости с кислородом, образования подогревающего пламени и подачи в зону резки струи чистого кислорода. Резаки классифи­цируют по назначению (универсаль­ные и специальные), по принципу смешения газов (инжекторные, и безынжекторные), по виду реprи (для разделительной и поверхностной рез­ки), по применению (для ручной и машинной резки). Наибольшее применение получили универсальные инжек­торные ручные резаки для разделительной резки (рис. 3).

Рис. 3

Они отли­чаются от сварочных горелок нали­чием отдельной трубки для подачи кислорода и особым устройством го­ловки, состоящим из двyx сменных мундштуков (наружного — для подо­гревающего пламени и внутреннего — для струи чистого кислорода). Аце­тилен подается по шлангу к ниппелю 1, а кислород — к ниппелю 2. От нип­пеля 2 кислород идет по двум направ­лениям. Одна часть кислорода, как в обычных сварочных горелках, посту­пает в инжектор и затем в смеси­тельную камеру. Здесь образуется горючая смесь кислорода с ацети­леном, засасываемым через ниппель 1. Горючая смесь проходит по трубке, выходит через кольцевой зазор между внутренним и наружным мундштуком 5 и создает подогревательное пламя. Другая часть кислорода через трубки 3 и 4 поступает в центральное отверстие внутреннего мундштука 5 и образует струю режущего кислорода, сжигающую металл выдуваю­щую образующиеся оксиды из зоны реза.

Большое применение получил руч­ной универсальный резак «Факел» (улучшенная конструкция резака «Пламя»). Он имеет пять внутренних и два наружных мундштука, позволяющих резать металл толщиной до 300 мм со скоростью (в зависимо­сти от металла и его толщины) 80…560 мм/мин. Для работы на газах-заменителях ацетилена используются резаки РЗР. Они отличаются боль­шими размерами сечении инжекторов и мундштуков. Промышленность се­рийно выпускает вставные сменные резаки, предназначенные для присоединения к стволам универсальных сварочных горелок (например, резак РГС-70 к горелкам «Звезда» и ГС-3, резак РГМ-70 — к горелкам «Звез­дочка» и ГС-2). Это создает большие удобства в строительно-монтажных условиях при частых переходах от сварки к резке и наоборот.

Рис. 4

Для машинной резки применяют стационарные шарнирные машины АСШ-2 (рис. 4) и АСШ-70, отли­чающийся от АСШ-2 более совер­шенным приводом и наличием панто­графа, позволяющего производить вырезку одновременно трех деталей. Толщина разрезаемого металла 5… 100 мм. Переносные машины пред­ставляют собой самоходные тележки, оснащенные резаком и перемещающиеся по разрезаемому металлу. Приводом служит электродвигатель, пружинный механизм или газовая тур­бина. Например, машина «Радуга» предназначена для резки стальных листов толщиной 5… 160 мм со ско­ростью 90… 1600 мм/мин. Масса машины 16 кг. Переносные машины «Спутник-3» предназначены для резки стальных труб диаметром 194…1620 мм при толщине стенки 5…75 мм со скоростью 100…900 мм/мин. Масса машины — 18 кг.

Технология кислородной резки

Поверхность разрезаемого метал­ла должна быть хорошо очищена от грязи, краски, окалины и ржавчины. Для удаления окалины, краски и мас­ла следует медленно провести пламе­нем горелки или резака по поверх­ности металла вдоль намеченной ли­нии разреза. При этом краска и масло выгорают, а окалина отстает от ме­талла. Затем поверхность металла окончательно зачищают металличе­ской щеткой.

Процесс резки начинают с нагре­вания металла. Подогревающее пламя резака направляют на край разрезаемого металла и нагревают до температуры воспламенения его в кислороде (практически почти до температуры плавления). Затем пускают струю режущего кислорода и переме­щают резак вдоль линии разреза. Кислород сжигает верхние нагретые слои металла. Теплота, выделяющаяся при сгорании, нагревает нижележащие слои металла до темпера­туры воспламенения и поддерживает непрерывность процесса резки.

При резке листового материала толщиной 20…30 мм мундштук резака устанавливают вначале под углом 0…5° к поверхности, а затем — под углом 20…30° в сторону, обратную движению резака. Это ускоряет процесс разогрева металла и повышает производительность.

Рис. 5

Резку металла большой толщины выполняют следующим образом. Мундштук резака вначале устанавливают перпендикулярно поверхности разрезаемого металла, так чтобы струя подогревающего пламени, а за­тем и режущего кислорода распола­галась вдоль вертикальной грани разрезаемого металла. После прогре­ва металла до температуры воспла­менения пускают струю режущего кислорода. Перемещение резака вдоль линии резания начинают после того, как в начале этой линии ме­талл будет прорезан на всю его толщину. Чтобы не допустить отста­вания резки в нижних слоях металла, в конце процесса следует постепенно замедлить скорость перемещения резака и увеличить его наклон до 10…15° в сторону, обратную движению. Рекомендуется начинать процесс резки с нижней кромки, как пока­зано на рис. 5. Предварительный подогрев до 300…400°С позволяет производить резку с повышенной ско­ростью. Скорость перемещения реза­ка должна соответствовать скорости горения металла. Если скорость перемещения резака установлена правиль­но, то поток искр и шлака вылетает из разреза прямо вниз, а кромки получаются чистыми, без натеков и подплавлений. При большой скоро­сти перемещения резака поток искр отстает от него, металл в нижней кромке не успевает сгорать и поэтому сквозное прорезание прекращается. При малой скорости сноп искр опережает резак, кромки разреза оплав­ляются и покрываются натеками.

Давление режущего кислорода устанавливают в зависимости от тол­щины разрезаемого металла и чисто­ты кислорода. Чем выше чистота кислорода, тем меньше давление и расход кислорода. Зависимость дав­ления кислорода от толщины металла при ручной резке следующая:

Ширина и чистота разреза зави­сят от способа резки и толщины разрезаемого металла. Машинная резка дает более чистые кромки и меньшую ширину разреза, чем руч­ная резка. Чем больше толщина ме­талла, тем больше ширина разреза. Это видно из следующих данных:

ГОСТ 14792—80 «Детали и заго­товки, вырезаемые кислородной и плазменно-дуговой резкой. Точность, качество поверхности реза» предусматривает предельные отклонения номинальных размеров деталей (заго­товок) в зависимости от способа резки, размеров деталей (заготовок) и тол­щины металла; установлено три класса точности:

Предусмотрены также показатели качества поверхности реза:

 Эти показатели относятся к ма­шинной кислородной резке низко­углеродистой стали кислородом 1-го и 2-го сортов.

Процесс резки вызывает измене­ние структуры, химического состава и механических свойств металла. При резке низкоуглеродистой стали тепло­вое влияние процесса на ее струк­туру незначительно. Наряду с участками перлита появляется неравно­весная составляющая сорбита, что да­же несколько улучшает механические свойства металла. При резке стали, имеющей повышенное содержание уг­лерода, а также легирующие примеси, кроме сорбита, образуются троостит и даже мартенсит. При этом сильно повышатся твердость и хрупкость стали и ухудшается обрабатываемость кромок разреза. Возможно образова­ние холодных трещин. Изменение химического состава стали проявля­ется в образовании обезуглероженного слоя металла непосредственно на поверхности резания в результате выгорания углерода под воздействием струи режущего кислорода. Несколь­ко глубже находится участок с боль­шим содержанием углерода, чем у исходного металла. Затем по мере удаления от разреза содержание уг­лерода уменьшается до исходного. Так же происходит выгорание леги­рующих элементов стали.

Механические свойства низкоугле­родистой стали при резке почти не изменяются. Стали с повышенным содержанием углерода, марганца, хрома и молибдена закаливаются, становят­ся более твердыми и дают трещины в зоне резания.

Нержавеющие хромистые и хромо­никелевые стали, чугуны, цветные ме­таллы и их сплавы не поддаются обычной газокислородной резке, так как не удовлетворяют указанным вы­ше условиям.

Для этих металлов применяют кислородно-флюсовую резку, сущ­ность которой заключается в следующем. В зону резания с помощью специальной аппаратуры непрерывно подается порошкообразный флюс, при сгорании которого выделяется дополнительная теплота и повыша­ется температура места разреза. Кроме того, продукты сгорания флюса реагируют с тугоплавкими оксидами и дают жидкотекучие шлаки, легко вытекающие из места разреза.

В качестве флюса используется мелкогранулировянный железный по­рошок марки ПЖ5М (ГОСТ 9849 — 74). При резке хромистых и хромо­никелевых сталей во флюс добавляют 25…50% окалины. При резке чугуна добавляют ~30…35% доменного фер­рофосфора. При резке меди и ее спла­вов применяют флюс, состоящий из смеси железного порошка с алюминиевым порошком (15…20%) и ферро­фосфором (10… 15%).

Резку производят установкой УРХС-5 состоящей из флюсопитателя и резака. Установка ис­пользуется для ручной и машин­ной кислородно-флюсовой резки высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей толщиной 10… 200 мм при скорости резания 230…760 мм/мин. На 1 м разреза расхо­дуется кислорода 0,20…2,75 м³ , аце­тилена — 0,017…0,130 м³ и флюса — 0,20…1,3 кг.

При кислородно-флюсовой резке некоторая часть теплоты подогре­вающего пламени уходит на нагре­вание флюса. Поэтому мощность пла­мени берется на 15…25% выше, чем при обычной газовой резке. Пламя должно быть нормальным или с не­которым избытком ацетилена. Рас­стояние от торца мундштука резака до поверхности разрезаемого металла устанавливается 15…25 мм. При ма­лом расстоянии частицы флюса отражаются от поверхности металла и, попадая в сопло резака, вызывают хлопки и обратные удары. Кроме того, наблюдается перегрев мундшту­ка, приводящий к нарушению про­цесса резки. Угол наклона мундштука должен составлять 0…10⁰ в сторону, обратную направлению резки. Хоро­шие результаты дает предварительный подогрев. Хромистые и хромоникелевые стали требуют подогрева до 300…400°С, а сплавы меди — до 200…350°С.

Скорость резки зависит от свойств металла и его толщины. Чугун тол­щиной 50 мм режут со скоростью 70…100 мм/мин. При этом на 1 м разреза расходуется 2…4 м³ кислоро­да, 0,16…0,25 м³ ацетилена и 3,5…6 кг флюса. Примерно такие же данные получают при резке сплавов меди. При резке хромистых и хромоникелевых сталей расход всех материалов снижается почти в 3 раза.