Виды газопламенной обработки металла

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ НПО РБ

Белебеевский ПЛ№89

Письменная экзаменационная работа

на тему: «Виды газопламенной обработки металла»

Разработал: Учащийся 21 группы ГЭС

Галиакбаров Ришат

Руководитель: Миниахметов У.Т.

Преподаватель высшей квалификационной категории

Белебей 2014-2015



Содержание

1. Газопламенная обработка

2. Основы газопламенной сварки

3. Сварочное пламя

4. Материалы для газопламенной сварки

5. Виды газопламенной обработки металлов

Выводы: Газопламенная обработка металлов

Литература



1. Газопламенная обработка

Газопламенная обработка - это совокупность технологических процессов тепловой обработки металлов пламенем горючих газов сварочных горелок: газовая сварка, газопрессовая сварка, наплавка стали, твёрдых сплавов и различных цветных металлов; пайка (особенно медными и серебряными припоями); кислородная резка стали, флюсокислородная резка; кислородная строжка (снятие поверхностного слоя стали и прокатной окалины); кислородная вырубка дефектов стальных слитков; обдирка слитков по всей боковой поверхности с удалением дефектов наружного слоя металла (прокатной окалины, ржавчины, старой краски и др. загрязнений); термообработка металла (закалка, отжиг и др.); напыление порошкообразных материалов на поверхность металла с получением покрытий из металлических и неметаллических материалов - керамики и пластмасс; металлизация, т. е. напыление высокоскоростной газовой струей капель жидкого расплавленного металла. Газопламенная обработка преимущественно ведется с применением кислорода и горючих газов (ацетилена и его заменителей). Иногда используются смеси кислорода и паров горючих жидкостей (керосина или бензина). Согласно ГОСТ 12.3.036-84 от 10 июля 2008 года, производственные помещения, в которых выполняется газопламенная обработка металлов, должны соответствовать строительным нормам и правилам на здания промышленных предприятий (категория производства Г).[3] Работы по газовой резке, сварке и другим видам газопламенной обработки металлов, а также применение открытого огня от других источников допускаются на расстоянии не менее:

v 10 м - от групповых газобаллонных установок;

v 5 м - от отдельных баллонов с пропан-бутаном;

v 3 м - от газопроводов и резинотканевых рукавов сжиженных углеводородных газов, а также от газоразборных постов при ручных газопламенных работах;

v 1,5 м - от автоматических и полуавтоматических линий.

2. Основы газопламенной сварки

Газопламенной сваркой металлов называют процесс, при котором плавление основного и присадочного материалов происходит в пламени открытой горелки. Поддержание пламени горелки осуществляют подачей одного или нескольких горючих газов или жидкостей в смеси с кислородом. И хотя газопламенная сварка не позволяет достичь той же скорости и простоты, как дуговая сварка, многие отдают ей предпочтение из-за больше мобильности и универсальности. При газовой сварке происходит сплавление двух заготовок с образованием сварного шва, который после остывания имеет такую же прочность, как исходный металл. Металл, соприкасаясь с пламенем и окружающими воздухом, подвергается структурным изменениям, характер которых зависит от свойств самого металла и режимов газопламенной обработки. При газопламенной обработке происходит изменение структуры металла, содержания в нем примесей и легирующих добавок, обогащение кислородом и другими газами, что, в свою очередь, может вызывать окислительные процессы. В результате плавления металла под воздействием пламени образуется жидкая сварочная ванна, внутри которой происходят сложные физические и химические процессы. Одним из таких процессов является образование оксида железа (FeO), который реагирует с примесями, содержащимися в металле и в первую очередь с кремнием и марганцем. При этом вредные примеси, содержащиеся в сварочной ванне, частично выводятся в сварочный шлак, а частично испаряются в атмосферу в виде газов. Для защиты сварочной ванны от атмосферного воздействия применяют те же методы, что и при дуговой сварке в первую очередь флюсы. Расплавленные флюсы вместе с вредными примесями образуют на поверхности сварочной ванны пленку, которая предохраняет жидкий металл от контакта с атмосферным воздухом и газами, содержащимися в пламени горелки, а остывая, превращается в корку шлака. Газопламенная обработка металла, выполняемая при газовой сварке, способствует повышению температуры основного и присадочного материалов, достаточной для плавления металлов в пределах границ раздела со сварочной ванной. В результате этого в сварочной ванне присутствуют два вида металлов (основной и присадочный), которые перемешиваются между собой, а под действием флюсов и газов, содержащихся в пламени и атмосферном воздухе, взаимодействуют с ними, изменяя свои свойства и состав. По мере удаления от эпицентра пламени температура металла снижается и возникают процессы кристаллизации, образуя сварочный шов. При этом структура металла шва имеет вытянутые укрупненные и направленные к центру кристаллы. Рассмотрим же более подробно процессы, происходящие в зоне действия открытого пламени горелки.

3. Сварочное пламя

Сварочное пламя образуется в результате сгорания горючих газов или паров горючих жидкостей в смеси с техническим кислородом. При этом пламя имеет сложную структуру и строение, которое показано на рис.1. Качество газовой сварки во многом зависит от правильности регулировки пламени, которое сварщик выставляет «на глаз» по форме и цвету. Поэтому очень важно знать строение и структуру пламени газовой горелки, чтобы учитывать это в повседневной работе. Форму, цвет и структуру пламени горелки меняют соотношением ацетилена и кислорода, подаваемых в зону горения. В качестве примера рассмотрим ацетилено-кислородное пламя.

Ядро пламени имеет форму цилиндра с заостренным концом, вокруг которого расположена ярко светящаяся оболочка. Длина ядра пламени регулируется скоростью подачи газовой смеси и ее качественным составом. Диаметр ядра зависит от размеров мундштука и расхода горючей смеси.

Строение пламени меняется при изменении соотношения смеси и может быть: нормальным, науглероженным и окислительным (рис.).

Нормальное пламя получается, когда на один объем горючего газа подается один объем кислорода. Если в качестве горючего газа принят ацетилен, то процесс его нормального сгорания можно записать в следующем виде:

С2Н2 -Ю2 = 2СО+ Н2.

Рис. 1 Составляющие ацетилено-кислородного пламени: 1 -- ядро; 2 -- восстановительная зона; 3 -- факел пламени

Рис. 2 Разновидности ацетилено-кислородного пламени: А -- нормальное; Б -- науглераживающее; В -- окислительное

При этом продукты неполного сгорания догорают за счет кислорода, присутствующего в атмосферном воздухе, по следующей реакции: 2СО +Н, + 1,50., = 2С02 + Н70. Так как абсолютно чистых веществ в природе не бывает и кислород содержит в себе некоторое количество примесей, то нормальное пламя получается при некотором его повышенном значении, то есть при соотношении ацетилена и кислорода, равном 1,1 -1,2. Ядро нормального пламени светлое со слегка затемненной восстановительной зоной и факелом. По форме ядро пламени напоминает цилиндр с четкими очертаниями и закругленным концом. Диаметр цилиндра зависит от размера мундштука сварочной горелки, а длина - определяется скоростью истечения газовой смеси. Вокруг ядра пламени размещается светлая оболочка, в которой происходит сгорание раскаленных частиц углерода. При высокой скорости подачи газа пламя способствует сгоранию металла и выдуванию его из сварочной ванны. Малая скорость подачи газов чревата обратными ударами и хлопками. Восстановительная зона пламени имеет более темный цвет и располагается в пространстве в пределах 20 мм от конца ядра. Температура пламени в этой зоне может достигать 3150°С (при сгорании ацетилена). Размер восстановительной зоны зависит от номера сварочного мундштука. При помощи этой зоны пламени нагревают метал, плавят его и ведут сварку. Остальная часть пламени, расположенная за восстановительной зоной, состоящая из углекислого газа, паров воды и азота, имеет значительно меньшую температуру. Науглероженное пламя получается, когда соотношение ацетилена и кислорода превышает указанное соотношение, то есть становится больше значения 1,1. Теоретически науглероженное пламя получается, когда в горелку подается 0,95 объема кислорода и менее. В этом случае ядро пламени увеличивается в объеме и теряет свои очертания. Недостаток кислорода в таком пламени приводит к неполному его сгоранию, и оно начинает коптить. Избыток ацетилена в науглероженном пламени приводит к его разложению на углерод и водород. Углерод из пламени переходит в металл, науглераживая его. Обычно науглероженное пламя применяют для сварки алюминия и наплавке твердых сплавов. Восстановительная зона науглероженного пламени светлая и практически сливается с ядром. Температура такого пламени ниже, поэтому работать с ним более тяжело. Для перевода пламени в нормальное состояние увеличивают подачу кислорода или снижают подачу ацетилена. Окислительное пламя получается при недостатке ацетилена, то есть соотношение ацетилен: кислород становится меньше 1,1. Практически окислительное пламя получается при объеме кислорода, превышающем в 1,3 объем ацетилена. Ядро такого пламени укорачивается и заостряется, а его края становятся расплывчатыми, цвет бледнеет. Температура такого пламени выше температуры нормального. Избыточный кислород окисляет железо и примеси, находящиеся в стали, что в конечном итоге приводит к хрупкости сварочного шва, пористости его структуры, обедненной марганцем и кремнием. Поэтому при сварке сталей окислительным пламенем пользуются присадочной проволокой с повышенным содержанием этих элементов, являющихся раскислителями. Самая высокая температура нормального пламени достигается в восстановительной зоне. Примерный химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени приведен в таблице 1. Нужно отметить, что ацетилено-кислородная смесь дает самую высокую температуру пламени. Изменение горючих газов несколько снижает температуру пламени и распределение ее по объему.

Таблица 1 Химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени

Часть пламени	Содержание по объёму %
	СО	Н2	CО2	Н2О	N2	О2	Прочие газы
В близи конца ядра	60	31	-	-	8	-	1
В конце восстановительной зоны	33	15	9	6	33	-	4
В средней части факела	3,7	2,5	22	2,6	58	8	3,2
В близи конца факела	-	-	8	2,2	74	15	0,8

Металлургические процессы в сварочной ванне при ее газопламенной обработке, а также в прилегающей к ней зоне имеют довольно сложный характер и несколько отличаются от металлургических процессов, происходящих при дуговой сварке. Это обусловлено тем, что расплавленный металл при его газопламенной обработке взаимодействует с газами, поддерживающими процесс горения. В зависимости от характера пламени, который меняет соотношение газов, изменяются и металлургические процессы. При сварке нормальным пламенем, когда количество поступающих в зону сварки газов регламентировано, происходят в основном восстановительные реакции:

FeO + СО = Fe + СО2, и FeO + Н2 = Fe + Н2О

Кроме восстановительных реакций оксидов железа аналогичные процессы происходят и с другими оксидами, находящимися в сварочной ванне. газопламенный сварка горелка металл

При сварке окислительным пламенем происходят реакции окисления железа и других элементов, присутствующих в сварочной ванне, а образующиеся при этом оксиды железа могут окислять углерод, кремний и марганец. Сварка науглероженным пламенем способствует насыщению металла углеродом, что влечет за собой увеличение прочностных характеристик сварочного шва со снижением его пластических свойств.

4. Материалы для газопламенной сварки

Кислород

Пламя, обладающее высокой температурой, необходимое для газопламенной сварки, образуется при сгорании горючих газов или паров в смеси с техническим кислородом. При нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса. Но при низких температурах газообразный кислород может перейти в жидкое состояние и даже превратиться в твердое вещество. Сам кислород не токсичен, не горит, но активно поддерживает горение других веществ, при котором выделяется большое количество тепла. Соединения кислорода с горючими веществами в большой концентрации может привести к воспламенению и даже взрыву при наличии открытого огня или искры, а в сжатом состоянии при контакте с парами масел, жиров и других горючих веществ -- к самовоспламенению. Получают технический кислород из атмосферного воздуха или электролизом воды.

Хранение и транспортировка жидкого кислорода производится в специальных транспортных резервуарах, имеющих хорошую тепловую изоляцию. К потребителю кислород поступает в баллонах под давлением, создаваемым при помощи компрессоров. Согласно ГОСТ 949-73 давление кислорода в баллонах должно быть 15±0,5 МПа или 20±0,1 МПа. При температуре от -50 до +30°С Хранение и транспортировка баллонов с жидким кислородом при температурах выше +60°С недопустимо.

Ацетилен

Ацетилен (С2Н2) - химическое соединение углерода и водорода, в нормальном состоянии представляющее собой бесцветный горючий газ с резким запахом. Ацетилен легче воздуха и при температуре 20°С один его мі имеет массу 1,09 кг. Низкая температура ацетилена (240 - 630°С) делает этот газ взрывоопасным в соединении с кислородом. Так, при атмосферном давлении смесь ацетилена с воздухом становится взрывоопасной при содержании ацетилена 2,2%. Ацетилен токсичен и при вдыхании его вызывает головокружение, тошноту и даже отравление.

Сгорание ацетилена в смеси с техническим кислородом сопровождается высокой температурой, достигающей 3200°С.

Технический ацетилен получают двумя способами:

- Из карбида кальция действием на него водой в специальных ацетиленовых генераторах.

- Из углеводородных продуктов, содержащихся в природных газах, нефти и торфосланцах.

В сварочных работах, выполняемых на строительных площадках, в условиях мелких мастерских и т.д. большее распространение получил первый способ. Однако в промышленном производстве все большее распространение получает второй способ, как более прогрессивный и рентабельный. Газообразный ацетилен может растворяться в таких жидкостях, как вода, бензол, бензин, но чаще всего его растворяют в ацетоне. Поэтому растворенным называют ацетилен, находящийся в баллоне, заполненном пористой массой, пропитанной ацетоном. При наполнении такие баллоны искусственно охлаждают. При открывании вентиля на баллоне ацетилен начинает выделяться из ацетона в виде газа. Растворение ацетилена применяют для его длительного хранения и транспортировки, так как в жидком и твердом состоянии он взрывоопасен.

Карбид кальция

Карбид кальция - кристаллическое вещество (СаС2) темно-серого или темно-коричневого цвета с удельным весом от 2,3 до 2,53 г/смі. При взаимодействии с парами воды, находящимися в атмосферном воздухе, имеет характерный (чесночный) запах. При взаимодействии с водой карбид кальция разлагается с образованием ацетилена и гашеной извести. Из 1 кг химически чистого карбида кальция теоретически можно получить 372 дмі ацетилена, однако наличие примесей снижает этот показатель до 280 дмі. Процесс разложения карбида кальция в воде происходит по следующей реакции:

СаС2 + Н2О = С2Н2 + Са(ОН)

Карбидная пыль при смачивании водой разлагается почти мгновенно, поэтому применять ее в ацетиленовых генераторах невозможно. Для этого используют кусковый карбид кальция, загружая им ацетиленовый аппарат. Продолжительность разложения карбида кальция зависит от его грануляции и температуры, при которой происходит разложение. Для охлаждения ацетилена при разложении карбида кальция берут от 5 до 20 дм3 воды на 1 кг карбида кальция. Кроме того, иногда применяют «сухой» способ разложения, когда на 1 кг мелко раздробленного карбида кальция в генератор подают 0,2 -- 1 дмі воды. Барабаны с карбидом кальция должны сохраняться в помещениях, которые отвечают следующим условиям: помещение должно быть закрытым, сухим, построенным из негорючих материалов, защищенным от попадания влаги, хорошо проветриваться и иметь легкую кровлю, которую периодически проверяют на целостность. В помещении не должно быть водопровода, канализации, а также водяного и парового отопления; уровень пола в помещении должен быть на 0,2 м выше отметки наружной планировки; помещение должно оборудоваться средствами противопожарной защиты. Барабаны с карбидом кальция могут складироваться как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Помещения, где складируется карбид кальция, должны оборудоваться средствами механизации. Пустая тара из-под карбида кальция должна сохраняться в специальных местах вне производственных помещений. Запрещается складировать карбид кальция в подвалах и местах, где существует угроза затопления, нельзя сохранять открытые или поврежденные барабаны с карбидом кальция. Открывать барабаны с карбидом кальция следует латунным зубилом и молотком, а запаянные барабаны - специальным режущим приспособлением. Место реза должно предварительно смазываться жировой смазкой слоем от 3 до 5 мм, что предотвращает появление искр. Открывать барабаны, развешивать карбид кальция, отсеивать мелкие фракции и пыль нужно в отдельных специальных помещениях. Просыпанный карбид кальция следует тщательно убрать. Открытые или не полностью использованные барабаны с карбидом кальция закрывают водонепроницаемыми крышками. Открытым может быть только один барабан. В случае возникновения пожара в помещении, где хранится карбид кальция, нельзя пользоваться для тушения огня водой.

Пропан-бутановые смеси

Пропан-бутановые смеси состоят из пропана (C3H8) с примесью бутана (С4Н10) в количестве от 5 до 30%. Их получают при переработке нефти или добыче природного газа. Для сварочных работ эти смеси поставляется в баллонах в сжиженном состоянии. Из сжиженного состояния пропан-бутановая смесь переходит в газообразное при температуре -40°С при нормальном атмосферном давлении или при нормальной температуре, но при пониженном давлении.

Испарение 1 кг пропан-бутановой смеси освобождает до 0, 535 мі паров, которые в смеси с кислородом образуют сварочное пламя. При работе с пропан-бутановыми смесями следует учитывать, что этот состав тяжелее воздуха, поэтому при утечках скапливается в низменных местах и углублениях. При большой концентрации такой смеси в атмосферном воздухе она становится взрывоопасной. Для своевременного обнаружения таких скоплений в смесь добавляют специальное вещество, имеющее неприятный специфический запах. Баллоны, предназначенные для хранения и транспортировки пропан-бутановой смеси заполняют не полностью, так как, испаряясь, смесь создает большое давление, что может привести к разрушению баллона и взрыву. Переход из жидкого состояния в газообразное происходит самопроизвольно в верхней части баллона. Температура пламени, образованного пропан-бутановой смесью с кислородом, ниже температуры ацетиленового пламени, поэтому для сварки сталей такая смесь используется редко. Большей частью такие смеси применяют при газовой резке и пайке или при сварке металлов с низкой температурой плавления.

Водород

Водород -- представляет собой газ без цвета и запаха. Его получают в специальных генераторах воздействуя серной кислотой на железную стружку и цинк. Этот горючий газ в смеси с кислородом образует взрывчатую смесь, называемую гремучим газом. Хранят и транспортируют водород в сжиженном состоянии, в которое он переходит при температуре -253°С. Водород в газообразном состоянии легко проникает через любые неплотности, поэтому баллоны, трубопроводы и запорная арматура должны отвечать высоким требованиям герметичности. При сгорании водорода пламя практически не светится и не имеет четких границ.

Бензин и керосин

Бензин и керосин - представляют собой жидкости, получаемые при переработке нефти. При нормальной температуре и атмосферном давлении они легко испаряются и в газопламенной обработке металлов используются в виде паров. Для испарения бензина или керосинка горелки снабжают специальными испарителями или распылителями. Чаще всего эти жидкости используют для резки металлов, заменяя ацетилен. При этом вместо 1 мі ацетилена расходуется 1,3 кг керосина.

Кроме этого для газопламенной обработки могут применять природный газ, нефтяной газ, окись углерода и т.д. Все эти газы в смеси с кислородом или атмосферным воздухом при определенном их соотношении образуют взрывоопасные смеси, что следует учитывать в процессе работы.

Виды газопламенной обработки металлов

Газо-кислородное пламя в настоящее время начинает находить применение в технике не только для сварки и резки, но и для выполнения некоторых других процессов, связанных с высоким местным нагревом.

Кислородная резка, несмотря на некоторые ограничения, и сегодня остается одним из основных процессов газопламенной обработки.

Рис. 3



Сущность кислородной резки заключается в сжигании металла в кислороде и выдувании струей кислорода продуктов горения. Для успешного протекания процесса металл должен быть предварительно нагрет до температуры его воспламенения в кислороде. Процесс резки начинается с нагрева металла в начальной точке реза до температуры, достаточной для его воспламенения. Направленный на нагретый участок, режущий кислород вызывает интенсивное окисление верхних слоев металла, которые, сгорая, выделяют значительное количество теплоты и нагревают до температуры воспламенения нижележащие слои, т. е. процесс, в определенной степени, входит в режим автонагрева. Это обстоятельство дает предпосылки достаточно экономного расхода горючего газа в процессе резки. Процесс резки легко поддается механизации и автоматизации. Машины для кислородной резки могут резать углеродистые стали толщиной до 300 мм несколькими резаками, в том числе и V- или Х-образной подготовкой кромок под сварку с одновременной резкой. Они дешевле плазменных и лазерных и более просты в обслуживании. Некоторые специальные машины, например для металлургического производства, позволяют производить резку сталей толщиной до 1200мм. Машины для газокислородной резки осуществляют разделительную и поверхностную резку. Условно их можно классифицировать следующим образом

Рис. 4

Ручную газокислородную резку также подразделяют на разделительную и поверхностную. Поверхностная резка заключается в снятии слоя (как правило - дефектного) с поверхности металла, а также вырезке одиночных канавок, например удаление дефектного сварного шва. Разделительной резке подвергаются не только металлы, но и некоторые неметаллические материалы, например бетон. Для этих целей в настоящее время все более широкое применение находят газокислородные установки для резки бетона, установки кислородно-порошковой копьевой резки, кислородно-флюсовой резки. В первом приближении оборудование для ручной газовой резки можно классифицировать следующим образом.

Рис. 5

Несмотря на кажущуюся простоту процесса, далеко не все металлы поддаются газокислородной резке. Это, в первую очередь, связано с тем, что у большинства металлов температура плавления ниже температуры воспламенения в кислороде, что и приводит к невозможности процесса резки. Кроме того, препятствием на пути этого процесса зачастую становится высокая температура плавления окислов металла, их недостаточная жидкотекучесть, высокая теплопроводность металла и др. факторы. Эти ограничения в середине 50-х годов прошлого века привели к появлению новых, более концентрированных, чем газовое пламя, источников нагрева. Возникают процессы газоэлектрической, плазменной, электронно-лучевой и (в 70-х годах) газолазерной резки. Осваиваются способы обработки неметаллических материалов высокотемпературной порошково-кислородной и термореактивной струями газа. Это обусловило появление в технической литературе вместо собирательного термина «газовая» или «огневая» резка, охватывающего различные процессы кислородной резки, нового, объединяющего названия - «термическая» резка, принятого Международным институтом сварки.

Лазерная резка основана на тепловом действии лазерного луча и происходит при непрерывном или периодическом перемещении источника тепла, сформированного специальной оптической системой в пятно с высокой плотностью мощности. В зависимости от конструктивных особенностей излучателя возможны непрерывный (газовый лазер) и импульсный (твердотельный лазер) режим резки. В настоящее время наибольшее распространение для резки получили лазеры непрерывного действия. Для повышения эффективности резки в зону обработки совместно с лазерным лучом подается струя газа, способствующая удалению продуктов из зоны реза, а в некоторых случаях и инициирующая химическую реакцию в месте воздействия на металл (газолазерная резка).

Рис. 6

В первом случае используют инертные или нейтральные газы (аргон, азот, углекислый газ), во втором - кислород или воздух. Наибольшее распространение получил способ резки лазерным излучением с подачей струи кислорода в зону реза соосно с лучом лазера.

В конце 70-х - начале 80-х годов, сразу после ее освоения газолазерную резку считали наиболее перспективной среди всех способов термической резки. Действительно, начало было многообещающим: возможность резки практически любых толщин и любых материалов, в том числе и неметаллических, ширина зоны реза - доли миллиметра, а чистота поверхности реза такова, что в большинстве случаев вообще не требуется дополнительной механической обработки. Все это помогало строительству. Если теперь учесть, что современные машины для перемещения режущего инструмента при термической резке, позволяют производить высокоточную резку, то становятся очевидными преимущества газолазерной резки. Однако энергозатраты при лазерной резке перечеркивают все преимущества этого способа, не говоря уже о стоимости оборудования, которая и на сегодняшний день находится на заоблачных высотах. Достаточно сказать, что кпд газового (углекислотного) лазера составляет порядка 12%, а твердотельного, например, на алюмоиттриевом гранате - не превышает 2%. Кроме того, долговечность излучателей, зеркал и других элементов современных лазерных устройств еще недостаточна. Даже в твердотельных лазерных системах при мощностях излучения, не превышающих 0,5 кВт, срок службы зеркал составляет около 1000 ч. В системах большей мощности срок службы активных твердотельных элементов не превышает 500 ч, ламп накачки - 100-200 ч. В начале 80-х годов для развития этих процессов лазерной резки и сварки в МВТУ им. Баумана была создана специальная кафедра лазерной сварки и резки. Исследования, проведенные учеными кафедры, показали экономическую неэффективность лазерной сварки, а лазерная резка может быть эффективна только в некоторых случаях, когда другие способы термической резки дают неудовлетворительный результат.

Плазменная резка - это термическая резка сжатой электрической дугой. Сжатие дуги производится соплом горелки, потоком газа или внешним электромагнитным полем.



Рис. 7

Сжатая плазменная дуга обладает свойством самопроизвольно углубляться в металл, поэтому ее называют проникающей плазменной дугой. За счет сжатия дуги создается высокая концентрация тепловой энергии, обеспечивающая достаточную производительность и хорошее качество резки. В качестве плазмообразующего используют как однокомпонентные газы (аргон, азот, гелий, кислород), так и многокомпонентные (аргон + водород, воздух, азот + кислород). В последние годы для резки низкоуглеродистых и низколегированных сталей широко применяют очищенный от масла и влаги воздух.

Оборудование для плазменной резки состоит из плазмотрона (режущий инструмент), источника питания электрической дуги, блока управления процессом, газового хозяйства, системы охлаждения, механизма перемещения плазмотрона вдоль линии реза. Плазмотрон имеет два основных узла: электродный и сопловый. По принципу действия электродного узла плазмотроны подразделяются на образующие дуговую плазму прямого действия и косвенного действия. В первом случае положительным электродом является разрезаемое изделие, следовательно, использование такого плазмотрона возможно только для резки электропроводных материалов. Резка электроизоляционных материалов возможна только с использованием плазмотрона второго типа.

Бесспорным преимуществом плазменной резки является возможность термической резки практически любых материалов и сплавов. К недостаткам этого процесса относится невысокая эффективность (низкая скорость) резки, особенно сталей больших (50 мм и более) толщин, высокая стоимость оборудования, плохие санитарно-гигиенические характеристики процесса, высокий уровень шума.

Электронно-лучевая резка, заключающаяся в бомбардировке зоны реза высококонцентрированным пучком электронов, исходящим из электронной пушки, отличается наивысшей точностью и чистотой реза и получением ширины реза, исчисляющейся сотыми, а иногда и тысячными долями миллиметра. Однако этот процесс возможен только в вакуумной камере, поэтому широкого распространения не получил, а используется только в некоторых специальных отраслях.

Сущность газоэлектрической резки заключается в расплавлении металла электрической угольной дугой с выдуванием этого расплава струей сжатого воздуха. Этим способом можно производить как разделительную, так и поверхностную резку металлов. Способ возник в середине 50-х годов прошлого века как альтернатива пневматической вырубке по сравнению с которой он давал весьма хорошие результаты.

Рис. 8



Было создано несколько типов воздушно-дуговых резаков и даже налажен их массовый выпуск, однако, вскоре выяснилось, что плазменная и, особенно, газокислородная строжка значительно более эффективны. В настоящее время газоэлектрическая резка в промышленности практически не используется.

Сравнение современных методов резки со ставшей уже традиционной газокислородной резкой металлов приводит к тому, что противопоставление этих методов друг другу, по меньшей мере, не корректно. Действительно, у каждого из этих способов есть свои преимущества и недостатки. Но они не указывают в пользу или против того или иного способа вообще, а лишь определяют область его рационального применения (на самолете летать комфортно и удобно - но очень дорого, на велосипеде ездить не так комфортно - но очень дешево, надежно и полезно для здоровья; вопрос: какой вид транспорта мы выберем, если ежедневно надо преодолеть расстояние в пределах 10 км?).

Основным недостатком газокислородной резки являются указанные выше ограничения. Действительно, далеко не каждый металл поддается удовлетворительной резке этим способом. Но учитывая, что абсолютное большинство конструкционных сталей, т.е. металлов, которые в основном и подвергаются процессу термической резки, относятся к классу низкоуглеродистых или низколегированных, на которые перечисленные выше ограничения не распространяются, становится ясно, почему среди всех процессов термической резки по объему выполняемых работ газокислородная резка стоит на первом месте.

Смею заверить читателей, что до тех пор, пока человечество не изобрело более мобильного, экономичного и менее энергоемкого процесса термической резки, чем газокислородная, этот процесс будет занимать лидирующее место среди всех процессов термической резки.

Газовая сварка - способ сварки плавлением, при котором нагрев металла осуществляется газовым пламенем посредством специальных сварочных горелок.

Рис. 9

Сварочное пламя получают при сжигании газообразных топлив (ацетилена или пропан-бутана) в технически чистом кислороде. Газовая сварка сравнительно проста и не требует сложного оборудования и источника электроэнергии. Раздельное введение тепла и присадочного металла в сварочную ванну позволяет сварщику легко контролировать количество вводимого тепла, температуру нагрева, размеры и внешний вид швов.

Основным недостатком газовой сварки является более низкая производительность по сравнению с дуговой сваркой, а при сварке больших толщин (более 6 мм) себестоимость сварочных работ выше себестоимости дуговой сварки. Кроме того, газовая сварка трудно поддается механизации и автоматизации процесса. Однако возможность выполнения сварных швов во всех пространственных положениях без ограничений, мобильность и дешевизна используемого при этом оборудования вполне оправдывают применение этого способа сварки. Наиболее выгодно использование этой сварки в условиях ремонтных мастерских, в сельском хозяйстве, в строительстве недвижимости, а зачастую и на предприятиях с индивидуальным и мелкосерийным производством, особенно в тех случаях, когда производится сварка стыковых швов с отбортовкой кромок, где нет необходимости использовать присадочный материал. Поэтому вплоть до настоящего времени газовая сварка достаточно широко используется при ручной сварке тонколистовой стали, чугуна и медных сплавов. Наибольшее распространение она получила при изготовлении и ремонте санитарно-технического оборудования и трубопроводов из труб малого диаметра в промышленном и жилищном строительстве. В последние годы, в связи с использованием в качестве горючего газа газов-заменителей пропан-бутан и, особенно, газ МАФ, которые значительно дешевле ацетилена, затраты на газовую сварку в ряде случаев, особенно тонкого металла, находятся вне всякой конкуренции в сравнении с другими способами сварки плавлением.

Газопрессовая сварка

Особым видом газовой сварки является газопрессовая сварка. Нормальной сварочной адетилено-кислородной горелкой можно не плавить металл, а лишь нагреть его до пластического состояния и выполнить сварку давлением, применив прессование или проковку разогретого металла. Подобный процесс считался нерациональным, экономически невыгодным пока нагрев осуществлялся дешевыми промышленными газами, сжигаемыми не в технически чистом кислороде, а в воздухе. Низкотемпературное пламя позволяло нагревать металл медленно и равномерно без опасения местного расплавления и в сочетании с проковкой осуществлять сварку удовлетворительного качества (например, сварку водяным газом). Подобный способ сварки сложен, дорог, малопроизводителен, требует громоздкого оборудования и поэтому в настоящее время не применяется.

Пайка - древнейший способ получения неразъемных соединений металлов с нагревом ниже их автономного расплавления. Паяное соединение образуется путем смачивания, растекания и заполнения зазора между соединяемыми деталями расплавленным припоем и сцепления их при кристаллизации шва.



Рис. 10

Существует большое разнообразие способов пайки, среди которых значительное место занимает газопламенная пайка, отличающаяся тем, что в качестве источника нагрева используется газовое пламя.

Газопламенная пайка подразделяется на капиллярную пайку (высокотемпературную и низкотемпературную) и некапиллярную (пайкосварку). Наибольшее распространение имеет капиллярная пайка, при которой паяемое изделие нагревается газовым пламенем до температуры выше температуры плавления припоя и ниже температуры плавления основного металла. При этом основной металл должен быть нагрет до температуры, обеспечивающей хорошее смачивание его жидким припоем (обычно определяется визуально). В процессе смачивания происходит сближения атомов граничных поверхностей до установления межатомных связей, либо до проникновения атомов жидкого припоя в поверхностный слой нерасплавленного (основного) металла (диффузии). Отличительной особенностью пайкосварки является то, что она производится с разделкой соединяемых кромок и заполнение шва жидким металлом происходит под действием гравитационных сил, а капиллярные силы практически не участвуют в растекании жидкого металла. В остальном сущность процесса не отличается от капиллярной пайки. Этот способ пайки применяется для соединения разнородных металлов (например, латунь - сталь) с нагревом более легкоплавкого металла до температуры, превышающей температуру его автономного плавления. По своей природе этот процесс ближе к сварке плавлением.

Газокислородное пламя применяют преимущественно для высокотемпературной капиллярной пайки. Так как температура пламени не является определяющей характеристикой при выборе горючего (температура плавления припоев не превышает 1100оС), для пайки в большинстве случаев используют заменители ацетилена (пропан-бутан, метан, газ МАФ, керосин и т. п.). При ручной пайке ацетилено-кислородное пламя обеспечивает большую скорость процесса, но такая скоростная техника нагрева доступна только очень опытным паяльщикам. Именно это обстоятельство в большей мере способствует переходу на заменители ацетилена, которые обеспечивают более равномерный прогрев соединения, не ухудшая при этом качества соединения и обеспечивая более экономичный процесс.В случаях низкотемпературной капиллярной пайки преимущественно используется газовоздушное пламя, которое, в связи с более низкой температурой, дает лучшие результаты, чем газокислородное пламя. Художественное литье и ковка изделий из черных и цветных металлов освоено человечеством давно. А вот художественная пайка получила развитие только с освоением современных методов капиллярной пайки с использованием в качестве источника нагрева газокислородного пламени. Современные мастера методами художественной пайки получают такие произведения искусства, которые можно сравнить разве только с творениями природы.

Наплавка применяется для восстановления размеров изношенных деталей и придания особых свойств рабочим поверхностям новым деталям.



Рис. 11

В массовом и крупносерийном производстве наибольшее распространения получили электродуговые методы наплавки. Однако в ремонтных условиях и индивидуальном (единичном) производстве зачастую значительно эффективнее использование газопламенной наплавки, при котором изделие нагревается и присадочный металл расплавляется газокислородным пламенем. Особенность такого нагрева заключается в том, что при этом легче регулировать степень нагрева основного и присадочного металлов, благодаря чему удается избежать глубокого проплавления основного металла и перемешивания его с наплавленным. Кроме того, при нагреве газовым пламенем уменьшается окисление и испарение компонентов наплавляемого металла и появляется возможность получить наплавленный слой малой толщины (порядка 0,1 мм), что при электродуговой наплавке вызывает значительные сложности. Наиболее эффективна газопламенная наплавка медно-цинковых сплавов (латуней) на черные металлы (сталь, чугун), процесс которой сродни процессу капиллярной пайки. Наплавка черных металлов производится в основном с целью повышения износостойкости деталей, изготовленных из различных марок сталей и чугунов. Наиболее перспективным процессом здесь является газопорошковая наплавка, при которой наплавочный материал в виде порошкового сплава подается через газокислородное пламя в место наплавки. В результате нагрева пламенем частицы порошка достигают поверхности детали в высокопластичном или расплавленном состоянии и после затвердевания образуют слой наплавленного металла, пригодный для восстановления и упрочнения деталей машин.

Термическая обработка (термообработка) стали, сплавов бывает следующих видов: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Термическая обработка позволяет улучшить свойства металлов и сплавов, не изменяя химический состав металла.

Обычно термически обрабатывают детали на начальном или конечном, а иногда и промежуточных этапах подготовки. Термическая обработка производится с целью размягчения или укрепления заготовки. У каждого вида металла существует своя собственная температура термического воздействия, соответственно и виды термообработки тоже различны.

Отжиг -- термическая обработка металлоизделий, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение.

Эта термообработка бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла). Отжиг позволяет устранить последствия неравномерного нагрева и охлаждения материала при предыдущей обработке. Данный вид термообработки используют если возникает необходимость в снижении твердости заготовки, а также в придании ей легкости. После отжига металл становится менее напряженным и более однородным.

Закалка -- термическая обработка металлоизделий, основанная на перекристаллизации стали при нагреве до температуры выше критической. После достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур. Закаленный металл становится тверже, но одновременно с этим и более хрупким. Если выполнить закалку несколько раз, металл теряет пластичность и вязкость.

Отпуск -- термическая обработка металлоизделий, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла. Применяется для увеличения пластичности делали и уменьшения хрупкости, прочность металла при этом остается практически без изменений. Различают три вида отпуска в зависимости от значения температуры -- низкий, средний и высокий отпуск.

v При низком отпуске деталь приобретает высокую прочность, но она становится неприспособленной для динамических нагрузок. Такой способ термообработки подходит для режущих изделий.

v При среднем отпуске деталь становится крепкой и упругой -- такую отработку выполняют для рессор и пружин.

v При высоком отпуске у детали появляется высокая пластичность, прочность, вязкость.

Таким способом осуществляют термообработку изделий, которые впоследствии будут принимать ударные нагрузки: валов или шестеренок.

Нормализация -- термическая обработка, схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге -- в печи).

Напыление металлов

В последние годы для нанесения на детали защитных и упрочняющих покрытий, а также для восстановления изношенных поверхностей широкое применение нашло применение различных способов напыления. Все они основаны на нагреве мелких частиц напыляемого материала до высоковязкого или расплавленного состояния и переносе их на поверхность изделия. Соударяясь с поверхностью изделия частицы, закрепляются на ней и формируют покрытие. Чем больше скорость частиц, тем выше качество покрытия - его плотность и прочность сцепления с основой.



Рис. 12

Данным способом можно создавать многослойные покрытия из слоев различного состава. Расход материалов при напылении невелик, т.к. подложка не плавится и не разбивает материал покрытия. Материалом покрытия могут быть металлы, керамика, полимеры. Подложкой - металл, стекло, ткани и др. К основным способам напыления относятся: газопламенное напыление, плазменное напыление, электродуговая металлизация, детонационное и вакуумное напыление.

Дуговая металлизация основана на горении дуги между двумя плавящимися электродами, подаваемыми под углом друг к другу. Капли металла сдувают воздухом или другим газом на подложку. Диаметр проволоки 1,5-3 мм. Источник питания дуги - сварочный выпрямитель. Обычно металлизатор закрепляется на стенке или держится в руках. Метод используется главным образом для нанесения цинковых и алюминиевых покрытий рис.



Рис. 13 Схема электродугового металлизатора: 1 - электроды; 2 - электрические провода; 3 - подающие ролики; 4 - наконечник; 5 - воздушное сопло; 6 - электрическая дуга

При газопламенном напылении плавление наносимого материала осуществляется при помощи кислородно-ацитиленового, либо кислородно-пропанового пламени. Расстояние от горелки до детали 10-15 см. Температура пламени невысока.

Плазменное напыление является логическим продолжением технологии газопламенного напыления; оно отличается более высокой температурой и скоростью газовой струи. Высокая температура плазмы позволяет наносить покрытие из всех материалов, которые не успевают разложиться или сгореть в плазменной струе. Поэтому при плазменном напылении шире круг напыляемых материалов и выше качество покрытия.

Однако во всех случаях качество покрытия сильно зависит от качества подготовки поверхности или подложки детали. Поэтому подготовка поверхности включает: обезжиривание, удаление окислов, придание шероховатости и др.

Способ детонационного напыления основан на разгоне порошка при взрыве кислородно-ацетиленовой смеси в составе специальной установки. Скорость частиц порошка увеличивается до 600-1000 м/c. Сталкиваясь с поверхностью подложки, частицы нагреваются до 4000єС. Высокая скорость частиц, их высокая температура обеспечивает получение прочных и плотных покрытий. Общая толщина наносимого слоя 0,25-0,3 мм. Однако дорогое оборудование, сложность его эксплуатации сдерживает его широкое применение. Применяется для повышения жаро и теплостойкости деталей и т.д.

Вакуумное напыление имеет две разновидности: термическое напыление и ионное осаждение. При термическом напылении металл нагревается в вакууме до температуры, при которой давление его паров около 1 Па. На пути потока паров помещают подложку (деталь) и пары конденсируются на ней. Этим способом получают коррозионно-стойкие покрытия толщиной до 100 мкм с хорошей адгезией с основой.

Ионное осаждение заключается в том, что пары осаждаемого металла или сплава ионизируются в плазме тлеющего разряда, в котором катодом служит испаряемый материал, а анодом подложка. Пары металла попадают в плазму инертного газа под давлением 0,1-1 Па. При этом происходит ионизация паров, ионы ускоряются электрическим полем и поток ионов осаждается на детали или подложке. Достоинства метода: возможность ионной очистки поверхности непосредственно перед напылением, плотность и однородность покрытия, хорошая адгезия (сцепление) покрытия с основной деталью.

Существует вибрационный способ нанесения пластмасс. В его основу положено свойство порошкообразных материалов при колебаниях "течь" как жидкость в результате уменьшения трения между частицами порошка. При погружении нагретого металла в сосуд с таким порошком частицы порошка оплавляются и образуют прочное покрытие.

Металлизировать напылением металлов можно любую поверхность: из стали, меди, алюминия, бетона, керамики, стекла, гипса, древесины, пластмассы, бумаги, кожи, ткани. Металлизация не вызывает каких-либо структурных изменений в покрываемом материале, так как он в процессе напыления нагревается незначительно.

Возможности применения металлизации в производстве разнообразны. Особое значение имеет напыление металла на стальные детали для предохранения их от коррозии.

Огромная экономия цветных металлов и сплавов (свинца, олова, цинка, алюминия) может быть достигнута при выполнении защитного покрытия поверхностей баков, ванн, труб, способом напыления металлов. Металлизацией можно наносить покрытия на поверхности неметаллических деталей, например можно значительно повысить невозгораемость древесины.

Напылением алюминия на поверхности можно придать материалам свойства, необходимые для выполнения специальных функций: отражать лучи, проводить электрический ток, не пропускать пар и т. д.

Металлизированные поверхности можно подвергать дальнейшей обработке в зависимости от свойств материалов основания; никелировать, хромировать, оксидировать и т.д.

Напылением на поверхность силикатных и других материалов можно создавать тугоплавкие и жаростойкие пленки из порошков с высокой температурой плавления.



Выводы: Газопламенная обработка металлов

При производстве газопламенной обработки металлов и электросварке, причиной травматизма могут явиться:

1) взрывы смесей горючих газов с воздухом и кислородом, взрывы карбидных барабанов при раскупорке из-за наличия в них ацетилено-воздушной смеси, воспламенение кислородных шлангов при обратных ударах в бензорезах и керосинорезах и др.;

2) взрывы горючих газов, в частности ацетилена, вследствие полимеризации, распада и детонации при высокой температуре, возникающей в результате нарушения правил техники безопасности;

3) воспламенение и взрывы, вызванные соприкосновением находящегося под высоким давлением кислорода с маслом или жиром;

4) взрывы, вызванные разрушением баллонов, находящихся под высоким давлением, вследствие нагрева, падений, ударов и других нарушений правил техники безопасности;

5) отравление вредными газами, выделяющимися при электросварке, и продуктами сгорания горючих газов при газосварке и резке;

6) взрывы при сварке сосудов, находящихся под давлением, тары из-под горючего вещества и при работе вблизи легковоспламеняющихся и взрывоопасных веществ;

7) ожоги от разбрызгивания капель расплавленного металла и шлаков;

8) пожары от расплавленного металла и шлака и т. п.;

9) поражение электрическим током при соприкосновении человека с токоведущими частями электрической цепи, находящейся под напряжением;

10) поражение лучами электрической дуги глаз и открытых участков кожи и раздражение глаз лучами пламени при газопламенной обработке металлов (газовой сварке к резке).

Ясное представление о причинах, которые могут вызвать ту или иную опасность, строгое и неуклонное соблюдение всех требовании техники безопасности гарантируют безопасность и сохранение здоровья работающих при производстве всех видов сварочных работ.



Литература

1. Полевой Г. В. Газопламенная обработка металлов./ Г. К. Сухинин. - М.: Академия, 2005. - 336 с.;

2. Герасименко А. И. Справочник электрогазосварщика. М.: Феникс, 2009 г. - 412 с.;

3. Галушкина В. Н. Технология производства сварных конструкций. - М.: Академия, 2010. - 192 с.

4. Левадный В. С. Сварочные работы: практическое пособие./ А. П. Бурлака. - М.: ООО «Аделант», 2002. - 448 с.;

5. Чебан В. А. Сварочные работы: учебное пособие. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2006 г.;

6. Горбов А. М. Справочник по электросварке. - Сталкер АСТ, 2007. - 128 с.

Размещено на Allbest.ru