741 рдс 23.03.2020

23.03.2020 ЛПЗ Выполнение расчета режимов воздушно - дуговой резки металлов разных толщин.

1. Изучить теоретическую часть

2. Составить опорный конспект

3. Ответить на контрольные вопросы

4. Сделать выводы по работе

Теоретическая часть

Воздушно-дуговая резка

Воздушно-дуговая резка основывается на расплавлении металла электрической дугой и его непрерывном удалении направленной струей сжатого воздуха. Данная технология требует применения инструментов специальной конструкции. Использующиеся в работе резаки могут иметь кольцевое или последовательное расположение воздушной струи. В последнем случае обтекание электрода сжатым потоком осуществляется только с одной стороны.

Особенности

В воздушно-дуговой резке используются угольные или графитовые электроды. Последние являются более прочными, отличаются меньшим электрическим сопротивлением (0,0008 Ом против 0,0032 Ом для кубика с ребром 1 см). Возможно использование угольных омедненных электродов.

В качестве источника питания при дуговой резке металла используются преобразователи постоянного тока или трансформаторы. Подача сжатого воздуха на резак идет от цеховой сети или передвижного компрессора. Давление должно находиться в пределах 0,4–0,6 МПа. Его больший уровень нецелесообразен, так как слишком сильный поток снижает стабильность электрической дуги.

В воздушно-дуговой резке, как правило, используется постоянный ток обратной полярности как более производительный. Применение же переменного целесообразно при мелких работах, например, удалении местных неровностей сварного шва. Использование в таких случаях постоянного тока прямой полярности приводит к увеличению зоны нагрева, что затрудняет устранение расплавленного металла.

Сфера использования

Воздушно-дуговая резка широко применяется для обработки большинства черных и цветных металлов.

Чаще всего она используется в следующих случаях:

• для устранения дефектных участков сварных швов;

• резки металлических листов толщиной до 20–25 мм;

• пробивки отверстий;

• выплавки пороков литья;

• срезки заклепок и т. п.

Виды воздушно-дуговой резки

Разделительная. Используется для резки листов из низкоуглеродистой и легированной стали толщиной до 25 мм. Величина тока (300–600 А) и диаметр электрода (6–12 мм) подбираются в зависимости от размеров материала. Разделение листа осуществляется выплавкой металла вдоль траектории движения электрода. Использование разделительной воздушно-дуговой резки целесообразно, когда необходимо обработать большое количество листового металла, а требования к ширине и точности реза невысоки.

Поверхностная. Применяется для обработки дефектов сварных швов, подрубки их корней, снятия фасок. Последняя операция может осуществляться одновременно на обеих кромках листа. Ширина канавки, которая образуется при такой обработке, на 2–3 мм больше диаметра использующегося электрода. Для поверхностной обработки требуется меньшая величина тока, чем для разделительной дуговой резки.

Аппаратура и технология

Стандартный пост для воздушно-дуговой резки включает:

• пусковую аппаратуру;

• шланг с компрессором;

• источник питания;

• сварочный кабель;

• резак.

При установке в производственном помещении шланг подсоединяется к цеховому воздухопроводу, а не к компрессору. На строительных площадках пост оборудуется в передвижном или уже существующем машинном зале, с подключением к сварочному оборудованию постоянного тока.

Основным рабочим инструментом является резак типа РВД, оснащенный воздушным клапаном и устройством для зажима электрода. В качестве источников питания для резки используется стандартное сварочное оборудование: преобразователи типа ПСО, выпрямители ВД или ВДУ, другие ИП. При отсутствии компрессора и центральной сети допустимо использование баллонов со сжатым воздухом при оснащении их редуктором, понижающим давление.

Техника безопасности при воздушно-дуговой резке

Все сварочные работы связаны с определенными факторами, которые могут нанести вред здоровью человека.

К основным относятся:

• источники постоянного тока большой величины;

• расплавленный металл, образующийся при резке;

• ультрафиолетовое излучение электрической дуги;

• токсичные газы и пыль, образующиеся в процессе воздушно-дуговой резки.

Чтобы обезопасить себя от перечисленных факторов, следует точно выполнять инструкции по эксплуатации оборудования и работать только в специальной одежде. Помещение, в котором производится воздушно-дуговая резка, должно хорошо вентилироваться. Исключение составляют открытые строительные площадки, где происходит естественный воздухообмен.

В связи с высокой мощностью сварочного электрооборудования перед его включением обязательно следует проверить заземление.

Контрольные вопросы

1. Предельные состояния подразделяются на какие группы?

2. Расчетные сопротивления сталей.

3. Напишите формулы для расчета.

4. Выводы.

23.03.2020 ЛПЗ Выполнение расчета дуговой резки на постоянном токе для резки углеродистых и легированных сталей.

1. Изучить теоретическую часть

2. Составить опорный конспект

3. Ответить на контрольные вопросы

4. Сделать выводы по работе

Теоретическая часть

В современной технике к конструкционным металлам предъявляются все более высокие требования. Широкое применение получают нержавеющие, кислотоупорные, жаропрочные и другие легированные стали и сплавы, способные устойчиво работать в сложных и трудных условиях. Наибольший интерес представляют хромистые и хромо-никелевые стали, ставшие необходимым материалом при изготовлении разнообразной химической и энергетической аппаратуры, оборудования пищевой промышленности и оборудования для других областей техники.

Большинство средне- и высоколегированных сталей поддаются резке различными электрическими и кислородно-флюсовым способами. Лишь кислородные способы резки непригодны для их обработки, так как в результате взаимодействия металла с кислородом на лобовой поверхности реза образуется тугоплавкая пленка окислов хрома, затрудняющая диффузию кислорода и препятствующая непрерывному течению процесса.

Из фиг. 69 видна зависимость скорости разделительной резки наиболее широко применяемой в технике хромоникелевой стали 1Х18Н9Т от толщины разрезаемого материала. Из сравнения различных методов можно сделать вывод, что ручные процессы дуговой и кислородно-дуговой резки стали средней толщины являются малопроизводительными. Более производительно этими методами можно резать металл небольшой толщины, однако качество реза при этом получается особенно низким. Большой расход электродов и электроэнергии, свойственный дуговой резке, и высокая стоимость трубчатых электродов, используемых при кислородно-дуговой резке, делают эти процессы неэкономичными. С учетом сказанного дуговую и кислородно-дуговую резки нержавеющих сталей можно расценивать как методы, имеющие вспомогательное значение. Их следует применять при невозможности использовать более эффективные методы.

Рисунок 1. Производительность резки стали 1Х18Н9Т: 1 - кислородно-флюсовой; 2 - проникающей дугой; 3 - плазменной; 4 - дуговой; 5 - воздушно-дуговой: 6 - кислородно-дуговой

Оценку производительности других методов разделительной резки нужно делать с учетом толщины разрезаемой стали. Сталь небольшой толщины наиболее производительно резать проникающей дугой (табл. 31). Несколько ниже скорость резки свободной плазменной струей. С ростом толщины разрезаемого металла скорости резки проникающей дугой и струей плазмы снижаются и к ним приближается кривая скорости кислородно-флюсовой резки. При дальнейшем увеличении толщины стали кислородно-флюсовая резка (табл. 1) превосходит по скорости сначала плазменную, а затем и резку проникающей дугой.

Таблица 1 Ориентировочные данные по механизированной прямолинейной резке нержавеющей стали 1Х18Н9Т проникающей дугой постоянного тока

Ниже других скорость воздушно-дуговой разделительной резки. Получаемый в результате использования этого способа рез имеет грубые поверхности невысокого качества. Однако исключительная простота этого процесса в ряде случаев делает его применение целесообразным. Необходимо также отметить относительную экономическую целесообразность воздушно-дуговой разделительной резки, характеризующейся использованием дешевого воздуха и стойких угольно-графитовых электродов. В отличие от воздушно-дугового способа резка скользящей дугой с использованием плавящегося электрода связана с большим расходом проволоки и газов, требует применения очень сильных токов и потому является неэкономичной. Экономическая эффективность резки проникающей дугой, плазменной и кислородно-флюсовой резки так же, как величина oскорости, существенно зависит от толщины разрезаемой стали. Для металла небольшой толщины экономически целесообразнее применять резку проникающей дугой, для средней толщины - кислородно-флюсовую резку.

Таблица 2 Данные по механизированной прямолинейной кислородно-флюсовой резке нержавеющей стали 1Х18Н9Т [8]

Важное значение для технико-экономической оценки метода резки имеет качество получаемых кромок реза, обусловливающее степень необходимости и трудоемкость их последующей обработки.

Качество реза определяется, с одной стороны, свойствами металла на его поверхности, с другой - внешним видом кромок реза и соответствием вырезанного контура заданным размерам - точностью резки.

Стали, содержащие 6 - 10% никеля и 12 - 14% хрома, имеют устойчивую структуру аустенита, что обеспечивает им значительную прочность, высокую пластичность, высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах и хорошую сопротивляемость окислению при высоких температурах. Другие легирующие элементы способствуют образованию феррита, получению мелкозернистой структуры и приданию других свойств металлу, в состав которого их добавляют. Содержание углерода в стали сказывается сильнее, чем других легирующих элементов. При температуре 500 - 800 °С в сталях, содержащих 0,02% С, наблюдается диффузия углерода к поверхности зерен, где он образует с хромом устойчивые соединения, называемые карбидами. В результате на границах зерен сплав обедняется хромом, и сталь приобретает склонность к межкристаллитной коррозии. Стойкость против межкристаллитной коррозии тем ниже, чем выше содержание углерода в стали. Чтобы уменьшить возможность межкристаллитной коррозии, сталь стабилизируют, вводя в ее состав элементы, обладающие более высоким, чем хром, сродством к углероду и еще более энергично образующие карбиды. Такими элементами служат титан или ниобий.

Во время резки металл по линии реза выплавляется и удаляется, образуя полость разъема. Что касается металла на кромках реза и прилегающего к ним, то он получает воздействия различного характера.

Наиболее важным из них является интенсивное тепловое воздействие дуги, в результате которого на кромках реза образуется пленка оплавленного металла, а в массе детали возникает быстро перемещающееся вместе с дугой температурное поле. Температурный градиент этого поля наиболее высок в плоскости дуги (перпендикулярно резу). Здесь на сравнительно малом расстоянии, определяемом в основном свойствами металла и скоростью резки, температура падает от точки плавления (на кромках) до температуры окружающей среды. Позади этой плоскости температурное поле расширяется и выравнивается, что завершается равномерным нагревом всей детали до некоторой температуры, постепенно снижающейся до исходного состояния. В результате нагрева и последующего охлаждения наряду с оплавлением металла происходит изменение его структуры. Неравномерность нагрева может вызвать появление местных напряжений, в отдельных случаях (при образовании хрупких структур) сопровождающихся возникновением трещин. Тепловое воздействие сопровождается также, как это было указано выше, термодиффузионными процессами в металле, обусловливающими образование внутренней химической неоднородности.

Образующаяся зона термического влияния при резке нержавеющих сталей по протяженности может быть больше, чем при кислородной резке углеродистых сталей. К оплавленной пленке на поверхности реза примыкает участок со структурой перегрева, постепенно переходящий к основному металлу. В зоне термического влияния при отсутствии в стали стабилизирующих элементов возможно выпадение карбидов хрома, снижающее стойкость металла против межкристаллитной коррозии.

Наряду с тепловым воздействием на кромках металла могут происходить химические реакции, связанные с применением активных газов (кислорода, воздуха) и внесением посторонних веществ (флюса, проволоки), а также углеродистых сред (электродов, пламени).

В результате взаимодействия металла на кромках реза с кислородом и воздухом может происходить выборочное окисление элементов. Содержание таких элементов, как хром, титан, марганец и кремний, в металле у поверхности реза понижается. В то же время у хромоникелевых сталей верхняя кромка реза обогащается никелем.

Для уменьшения степени выгорания легирующих элементов в поверхностном слое, устранения возможности образования трещин и выпадения карбидов хрома в металле, примыкающем к кромкам реза, различные методы резки целесообразно производить с наибольшими возможными скоростями.

Наконец, во время резки может происходить растворение газов в жидком металле, вследствие чего при охлаждении металла на кромках реза в нем могут образовываться газовые пузыри и поры.

Свойства кромок нержавеющей стали, полученных после резки различными методами, так же, как и свойства сварных швов, выполненных по этим кромкам, качественно близки и очень незначительно отличаются друг от друга.

При кислородно-флюсовой резке максимальная глубина слоя с измененным химическим составом не превышает 0,3 мм. Глубина зоны термического влияния [49] в сталях с аустенитной структурой достигает 1 - 1,1 мм, в сталях с мартенситной структурой - 1,1 - 1,2 мм. В обоих случаях у поверхности реза на глубине 0,1 - 0,7 мм образуется участок литого металла с дендритным строением. После резки слой металла, обедненного легирующими элементами, целесообразно удалить шлифованием на глубину 0,5 мм. В то же время результаты испытания образцов сварных соединений, выполненных по кромкам, полученным после резки без последующей механической обработки, свидетельствуют о возможности использования кислородно-флюсовой резки без последующей обработки для подготовки кромок нержавеющей стали под сварку.

Поверхность реза хромоникелевой стали, выполненного струей аргоновой плазмы, имеет литой слой глубиной 0,2 - 0,5 мм. Протяженность зоны влияния с измененным зерном составляет 0,9 мм. На поверхности реза наблюдается изменение химического состава металла. Особенно заметно выгорает титан, содержание которого в поверхностных участках сокращается в 2 - 3 раза. Однако механические свойства и склонность к межкристаллитной коррозии сварных швов, выполненных по кромкам, подготовленным плазменной резкой без последующей обработки, практически равноценны соответствующим характеристикам соединений, сваренных по кромкам, подготовленным фрезерованием. Аналогичные результаты получают при резке аргоно-азотной плазмой и при резке аустенитных сталей проникающей дугой. Резке проникающей дугой в аргоне и аргоно-азотных смесях соответствует зона термического влияния глубиной 0,3 - 0,75 мм. В поверхностной пленке толщиной 0,005 - 0,35 мм наблюдается дендритная структура литого металла. Литой поверхностный слой после резки в азоте и азотно-аргоновых смесях приобретает повышенную твердость. Здесь обнаруживаются тугоплавкие соединения, содержащие окислы и нитриды, которые могут затруднять процесс последующей сварки. В то же время швы, сваренные под флюсом АН-26 по необработанным кромкам, разрезанным проникающей дугой, по коррозионной стойкости равноценны швам, сваренным после механической подготовки кромок

Протяженность зоны термического влияния после резки стали проникающей дугой в аргоно-водородных, азотно-водородных смесях и чистом водороде составляет 0,7 - 0,8 мм. У поверхности реза образуется пленка оплавленного металла с водородными включениями. После сварки подготовленных таким образом кромок сварные швы могут иметь удовлетворительные свойства. Однако для большей надежности наводороженный слой металла целесообразно удалять шлифованием на глубину 0,5 мм.

При воздушно-дуговой резке зона термического влияния имеет протяженность до 1 мм. Толщина литого слоя 0,08 - 0,7 мм. Эта литая полоса имеет аустенитно-ферритную структуру, причем твердость металла в литой кромке на глубине примерно 0,01 - 0,03 мм повышена по сравнению с твердостью основного металла. На некоторых образцах после воздушно-дуговой резки были обнаружены отдельные очаги коррозии, что явилось, очевидно, следствием местного науглероживания, возникшего в отдельных точках поверхности реза в результате случайного соприкосновения конца электрода с металлом. Обогащение кромок реза углеродом при обработке хромистых и хромоникелевых сталей особенно опасно. Наряду с понижением коррозионной стойкости, связанной с выпадением карбидов хрома, и затруднением механической обработки в результате повышения твердости при заметном науглероживании возможно появление трещин в поверхностном слое. Меры, предупреждающие науглероживание, заключаются в недопущении зажигания дуги без подачи воздуха и касания электродом поверхностей реза, в использовании наиболее стойких электродов с высоким содержанием графита и работе при оптимальных значениях тока и скорости резки.

При благоприятных условиях резки повышение содержания углерода в металле на кромках не превышает 0,01 - 0,03%, а глубина зоны науглероживания составляет около 0,1 мм. Твердость при этом несколько повышается. Так, твердость стали Х23Н18 составляет НВ 180 - 190, а науглероженного слоя НВ 310 - 320.

Из изложенного следует, что после разделительной воздушно- дуговой резки целесообразна очистка кромок реза от поврежденного металла и грата. Ее выполняют, удаляя поверхностный слой при помощи зубила или шлифовального круга на глубину 0,2 - 1,0 мм.

Легированную сталь небольшой толщины целесообразно резать струей дуговой плазмы. Область рационального применения плазменной резки распространяется на сталь толщиной от 1 до 10 мм (при резке вручную). При механизации процесса плазменная резка металла толщиной 3 - 4 мм менее рациональна, чем резка проникающей дугой. Резка проникающей дугой целесообразна для металла толщиной от 3 до 30 - 80 мм. Для легированной стали толщиной 5 - 25 мм может быть применена разделительная воздушно-дуговая резка (в грубых заготовительных операциях).

Кислородно-флюсовая резка стали толщиной свыше 80 мм имеет экономические и другие преимущества (выше качество реза, безопаснее условия работы и т. д.). Область применения кислородно-флюсовой резки нержавеющих сталей в настоящее время ограничивается толщиной 300 мм.

Контрольные вопросы

1. Предельные состояния подразделяются на какие группы?

2. Расчетные сопротивления сталей.

3. Напишите формулы для расчета.

4. Выводы.