Всё для надежной сварки
Печатная версия материала с сайта svarkainfo.ru - портала о сварке. При использовании материалов с сайта, пожалуйста, всегда указывайте источник или гиперссылку.
показать меню

Главная / Технологии / Резка / Поверхностная резка

Резка

Поверхностная резка

Поверхностная резка является разновидностью термической обработки металлов. Источник нагрева — электрическая или плазменная дуга — воздействует на обрабатываемую поверхность металла, в результате чего металл расплавляется и направленным потоком газа удаляется. На поверхности обрабатываемой детали образуется канавка. С поверхности детали могут быть сняты выступы, усиления сварных швов или какие-либо другие неровности.

Существуют различные способы поверхностной резки (строжки), например: кислородная, газофлюсовая, плазменная, воздушно-дуговая. Эти способы поверхностной резки основаны на тех же принципах нагрева и ведения процесса, что и аналогичные способы разделительной резки. Применение поверхностной строжки позволяет значительно облегчить условия труда рабочих. Этот процесс должен заменить пневморубку и наждачную обработку ручными пневмомашинками на предприятиях по производству сварных конструкций, на участках литейных цехов. Известно, что одной из наиболее трудоемких и вредных для здоровья является пневмо-рубка, на долю которой приходится около 50—60 % зачистных работ на обрубочных участках литейных цехов. Однако наряду с положительными характеристиками указанные процессы поверхностной строжки обладают существенными недостатками. Они загрязняют атмосферу цеха. В большом количестве при поверхностной строжке выделяются дым, окислы азота, озон, аэрозоли. Для безопасности труда рабочих требуется вентиляция. Там, где это возможно, создаются специализированные кабины с приточно-вытяжной вентиляцией или используются переносные вентиляционные установки.

Наибольшее применение в промышленности получили способы воздушно-дуговой и плазменно-дуговой резки. В первом случае расплавление металла осуществляется угольным (графитовым) электродом, а удаление его — концентрированным потоком воздуха. Иногда для воздушно-дуговой строжки используются специальные стальные электроды с обмазкой. Воздушно-дуговая резка является наиболее простым и общедоступным способом поверхностной обработки. Выборку дефектов под сварку удается выполнять в угловых соединениях и труднодоступных для других способов обработки местах. В зависимости от условий и назначения поверхностной обработки для воздушно-дуговой резки применяются круглые или плоские угольные электроды. Процесс воздушно-дуговой резки трудно поддается механизации, так как расходуемые угольные электроды часто приходится заменять, причем стоимость этих электродов весьма значительная и составляет 50—80 % всей стоимости процесса.

Первоначально воздушно-дуговой процесс резки выполнялся на постоянном токе обратной полярности. На переменном токе трудно было обеспечить устойчивость процесса. Исследования электрических и тепловых параметров процесса показали, что на переменном токе при постоянном чередовании контактов и мощных дуговых разрядов тепловое выделение в дуге в шесть — восемь раз превышает джоулеву теплоту в контакте. Это и определяет дуговой характер плавления металла. В связи с этим необходимо было найти рациональные пути повышения устойчивости дугового разряда.

Проведенные исследования показали, что при малых токах вольт-амперная характеристика дуги С — Ге в воздухе падающая, а для мощных дуг—возрастающая. При увеличении сечения электрода при больших значениях силы тока вольт-амперная характеристика также падающая. Это объясняется тем, что электрод нагревается при повышенном значении тока больше. Размер активного пятна увеличивается, а размер поперечного сечения электрода ограничивает дальнейшее увеличение активного пятна. В связи с этим напряжение при ограниченном сечении электрода и при увеличении силы тока возрастает. При этом электрод нагревается до температуры, превышающей допустимую.

Процесс воздушно-дуговой резки протекает в условиях, когда ионизированный промежуток дугового разряда непрерывно нарушается струей сжатого воздуха. Для него характерно чередование коротких замыканий и дуговых разрядов.

Установлено, что повышение холостого хода трансформатора с 32 до 50—70 В уменьшает продолжительность процесса контакта (период короткого замыкания электрода). Удлинение промежутка времени между контактами, выбросами расплавленного металла и теплообмена с основным металлом способствует образованию твердых прослоек в зоне реза и концентрации напряжения в зоне распространения теплоты. Температура нагрева электрода и основного металла снижается. При этом расплавленный металл ванны подвержен колебательным движениям, которые резко повышают подвижность металла. В связи с этим переменный ток увеличивает шероховатость поверхности реза, которая все же не очень велика и соизмерима с чистотой поверхности отливок.

Следует отметить, что при использовании постоянного тока увеличение времени контакта расплава с основным металлом, обогащенного углеродом за счет материала электрода, приводит к науглероживанию поверхности реза, что в ряде случаев недопустимо (например, при выборке дефектов (трещин) в процессе восстановления штампов из высокопрочных термообработанных сталей, при выборке дефектов и последующей их заварке, при низких температурах и т. д.). Кроме того, на постоянном токе больше глубина ЗТВ и производительность процесса более низкая, чем на переменном. При этом не обеспечивается необходимое качество реза, так как электрод сильнее заглубляется и не весь расплавленный металл удается удалить из полости реза; поверхность получается бугристой и требуется дополнительная обработка—зачистка.

В качестве источников питания для воздушно-дуговой резки на постоянном и переменном токе используются обычное электросварочное оборудование и резаки типа РДВ-1. Для выполнения воздушно-дуговой резки в условиях литейного производства разработано специальное оборудование. Например, созданы трансформатор ТДР-1601, резаки РВДл-1000 и «Раздан-1200», пластинчатые графитированные электроды Э-УПК-1, ЭГ и ГМЗ . что позволило внедрить процесс на ряде предприятий.

Практическое применение воздушно-дуговой резки на переменном токе (1100—1500 А) литейными и станкостроительными предприятиями подтвердило стабильность процесса и его высокую эффективность при обработке отливок.

Поскольку обрабатываемый металл подвержен значительному нагреву под воздействием электродугового процесса, то вблизи поверхности реза образуется ЗТВ. Анализ выполненных исследований показывает, что глубина этой зоны не является величиной постоянной и уменьшается с увеличением силы тока и скорости резки, так как время контакта расплава с основным металлом при этом уменьшается. Исследования проводили на ряде сталей ферритно-перлитного класса (ЗОЛ, 35Л, 35ХМЛ). Воздушно-дуговую строжку этих сталей выполняли постоянным током обратной полярности пластинчатым графитированным электродом сечением 15X Х25 мм; режимы строжки приведены в табл. 4.17. Толщина снимаемого слоя 3—5 мм, ширина канавки 25—28 мм. Зависимость глубины ЗТВ от режима резки дана в табл. 4.18.

Таблица 4.17. Режимы воздушно-дуговой строжки на постоянном токе обратной полярности

Таблица 4.18. Глубина ЗТВ в зависимости от режима воздушно-дуговой строжки

Результаты исследований показали, что существенных отличий структурного состава ЗТВ на всех четырех режимах не наблюдалось.

Физико-химические процессы, сопровождающие резку, оказывают как тепловое, так и химическое воздействие на металл вблизи реза. Химическое воздействие заключается в основном в науглероживании. Содержание углерода на поверхности реза стали СтЗ увеличилось с 0,19 до 0,40 %, глубина науглероженного слоя составила 0,06—0,08 мм.

Характер воздействия резки зависит также от химического состава и исходной структуры обрабатываемого металла, поэтому исследовали несколько марок сталей, имеющих различную исходную структуру.

Воздушно-дуговую резку этих сталей выполняли на постоянном токе обратной полярности пластинчатым графитовым электродом сечением 25X8 мм при силе тока 700—740 А, глубина канавки 4—б мм, расход воздуха 20 м3/ч. Результаты исследований приведены в табл. 4.19.

Из таблицы следует, что в сталях с ферритно-перлитной структурой основного металла (СтЗ, 14Г2, 15ХСНД, 12ХНЗА, 20ХМФ, и 40Х) ЗТВ имеет ширину 0,9—2 мм. При этом в стали СтЗ у самой поверхности канавки отмечены только измельчение структуры перлита и незначительное повышение микротвердости в слое глубиной до 0,3 мм, далее термическое влияние проявляется только размытыми границами между перлитными и ферритными зернами. По мере повышения содержания углерода и легирующих элементов увеличиваются ширина ЗТВ и микротвердость. Так, в стали 40Х на поверхности реза (канавки) наблюдаются мартенсит и тростит с максимальной микротвердостью 800 HV, далее в глубь металла твердость постепенно снижается.

Изменения наблюдаются в основном в бывших перлитных зернах; они приобретают структуру сорбита, тростита или мартенсита. Ферритное же зерно, перейдя при нагреве в аустенитное состояние, находится при высоких температурах недолго и не успевает «насытиться» углеродом из бывших перлитных зерен, поэтому при охлаждении оно возвращается в исходное состояние, имея несколько размытые границы.

В сталях с перлитной исходной структурой закаленный поверхностнь участок ЗТВ имеет однородную структуру мартенсита или тростита.

В сталях с мартенситной исходной структурой у поверхности канавки отмечен тонкий слой мартенсита толщиной 0,2 мм, далее следует участке отпущенного мартенсита с характерным провалом твердости. Именно на этом участке, зажатом между двумя слоями мартенсита и испытывают с их стороны напряжения сжатия, при резке иногда возникают трещины.

Величина структурных изменений и глубина ЗТВ зависят от режим» воздушно-дуговой резки. Режим необходимо подбирать в зависимости от обрабатываемых марок сталей, характера выбираемых дефектов в сварных швах или на отливках (табл. 4.20). Процесс выборки дефектных участках необходимо производить равномерно, с установленной скоростью, нельзя допускать перегрева основного металла и затеков расплавленного метала в канавку.

При плазменно-дуговой поверхностной резке выплавление металла производится высокотемпературной плазменной дугой, а удаление его, так же как и при воздушно-дуговой, направленным потоком воздуха. Процесс выполняют плазмотроном, в котором используют вольфрамовые, циркониевые или гафниевые электроды в зависимости от состава применяемой плазмообразующей среды. В отличие от разделительной плазменной резки данный процесс выполняют соплом с большим диаметром канала, т. е. с меньшими обжатием и концентрацией дуги. Охлаждение плазмотрона, как правило, воздушное. Охлаждающий воздух используют одновременно для удаления расплавленного металла и шлака, образующихся при поверхностной резке. Поток воздуха направляют концентрично плазменной дугой.

Процесс плазменной резки в отличие от воздушно-дуговой легко механизировать и приспособить для удаления сварных швов значительной протяженности, а также для подготовки кромок деталей под сварку и т. п. Н достатком является то, что плазмотрон имеет относительно большие по сравнению с резаком для воздушно-дуговой строжки габаритные размеры и ограничивает доступ в зауженнные места для обработки. Высокое напряжение на дуге (порядка 150 В) требует повышенного внимания в работе.

Таблица 4.19. Результаты металлографических исследований

Таблица 4.20. Режимы воздушно-дуговой поверхностной резки

При плазменном процессе по сравнению с воздушно-дуговым происходит значительное выделение аэрозолей, поэтому требуется создание специально оборудованных постов, снабженных мощной приточно-вытяжной вентиляцией.

В качестве источников питания применяют источники, предназначенные для разделительной плазменной резки; причем для ручного процесса поверхностной обработки с напряжением холостого хода не более 180 В используют установку УПР-201 с резаком ПРВ-202, и у стандартного сопла рекомендуется стачивать бурт, чтобы обеспечить направление охлаждающего воздуха параллельно столбу дуги.

Применяются также установки для ручной плазменной резки КДП-1 и КДП-2 с резаком РДП-2.

В целях расширения объемов применения поверхностной плазменной резки и облегчения труда рабочих-обрубщиков в литейных цехах, в штамповом производстве созданы установки УПОМ, которые используют как для ручной резки, так и для поверхностной строжки.

Электрическая схема УПОМ незначительно отличается от серийных установок для ручной плазменной резки металлов и позволяет осуществлять выплавку дефектов, удаление литниковых систем, облоя, заливов, строжку без предварительного снятия металлизированного пригара. Особенностью установок типа УПОМ является использование малогабаритного (массой 600 г) плазмотрона, который при операциях зачистки опирается на обрабатываемую поверхность. Это значительно облегчает труд рабочего-резчика и-повышает качество обрабатываемой поверхности. Установки спроектированы в трех модификациях: для работы на аргоне с азотом (УПОМ-3), азоте (УПОМ-4) и воздухе (УПОМ-5). Технические данные этих установок приведены в табл. 4.21.

Установка УПОМ состоит из источника питания, переходного- коллектора и плазмотрона. Источник питания представляет собой тирис-торный преобразователь с отрицательной обратной связью по току нагрузки.

Блок управления обеспечивает плавное нарастание рабочего тока, подачу газа, зажигание дежурной основной дуги, контроль длины вылета электрода и давление газа в плазмотроне.

Установка спроектирована с учетом работы в условиях повышенной запыленности в закрытых помещениях при температуре окружающей среды от +5 до +35 °С и относительной влажности до 90 %. Источник питания имеет принудительную вентиляцию, которая обеспечивает избыточное внутреннее давление.

Таблица 4.21. Технические данные установок

Переходный коллектор содержит элементы пускорегулирующей и сигнальной аппаратуры дистанционного управления и позволяет производить зачистку заготовок в радиусе 28 м от источника питания. В малогабаритных плазмотронах, применяемых в установках УПОМ, используются катоды из вольфрама для работы в среде аргона или азота, а также термохимические на основе циркония и гафния для работы в окислительных средах.

Плазмотроны с катодом из циркония или гафния рационально применять на операциях зачистки, в которых не требуется многократного включения основной дуги. Ресурс его работы достигает 2,5 ч суммарного времени горения дуги при силе тока 200—250 А и при цикличности до 300 включений.

Разомкнутая система охлаждения защитного кожуха и сопла обеспечивает дополнительную стабилизацию дуги. Наличие водовоздушной смеси повышает интенсивность охлаждения плазмотрона, дополнительно стабилизирует дугу и за счет образования воздушной пылевой завесы в два раза снижает уровень выделяющихся аэрозолей.

Визуальные наблюдения и фотографирование дуги показали, что введение воды в охлаждающий воздух вызывает интенсивное шунтирование дуги по всему фронту оплавления. Шунтирование приводит к равномерному распределению тепла анодного пятна дуги по всей поверхности фронта оплавления, что дает возможность повысить качество обработанной поверхности и производительность строжки, а также расширить технологические возможности плазменной дуги.

Плазменный способ поверхностной резки с успехом применяют для локального выплавления и разделки трещин при ремонте штампов. Дефекты, проникающие на глубину до 15—20 мм, как правило, устраняли механической проточкой штампа, что приводило к значительному расходу дорогостоящих сталей.

В целях изыскания возможностей плазменной обработки при восстановлении штампов проводили исследования по влиянию плазменной дуги на качество последующей сварки и стойкость восстановленного инструмента [40]. Исследования выполняли на пластинах толщиной 40 мм из сталей марок 5ХНМ, 7X3, 4Х5МФС, ДИ-22. Процесс резки осуществлялся на установке УПОМ-3 при силе тока 200—220 А, напряжении 120—130 В, расходе воды 0,1 л/с, расходе аргона 0,055 л/с, расходе азота 0,3 л/с.

При изучении состава ЗТВ выплавка производилась с предварительным подогревом пластин до 350—400 °С и без подогрева. Результаты макро- и микроструктурного анализа поперечного сечения шлифов показали, что без предварительного подогрева на некоторых разделках глубиной 15— 20 мм обнаружены дефекты в виде трещин и надрывов, распространяющихся на глубину до 1,0—1,5 мм, но не выходящие за пределы ЗТВ. Причем на всех исследуемых сталях имела место подкалка в ЗТВ, микротвердость достигала 700—800 HV. При выплавке разделок с предварительным подогревом заготовок трещин не обнаружено. Микротвердость в ЗТВ составила 350—430 HV и практически была одинакова с твердостью основного металла.

Исходя из полученных результатов, можно утверждать, что выплавку дефектов на заготовках из указанных марок сталей и других аналогичных сталей необходимо выполнять с предварительным подогревом заготовок и последующим их охлаждением С печью. Чтобы избежать возможных перегревов металла в процессе строжки, необходимо разделку дефекта производить за несколько проходов, каждый раз удаляя оптимальное количество металла при достаточно высоких скоростях резки. При однопроходной ручной поверхностной резке, например углеродистых сталей, можно выполнить канавку глубиной до 15—17 мм. Это достигается за счет вертикальных периодических перемещений плазмотрона. Однако при этом ЗТВ резко возрастает. Проведенные исследования и анализ технической литературы по этому вопросу показывают, что процесс поверхностной плазменной резки является эффективным способом удаления дефектов в сварных швах, а также в деталях проката и отливках и может быть использован для той же номенклатуры обрабатываемых металлов, что и процесс воздушно-дуговой строжки угольным электродом. Чтобы исключить науглероживание обрабатываемых поверхностей, необходимо применять плазменную поверхностную обработку.

Источник: Ширшов И.Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. - Л.: Машиностроение, 1987