Новости

Термическая резка металлов. Лазерная, газокислородная и плазменная резка

Работа добавлена:






Термическая резка металлов. Лазерная, газокислородная и плазменная резка на http://mirrorref.ru

Реферат на тему

Термическая резка металлов

Лазерная, газокислородная и плазменная резка

        Выполнил:  Карпов И.Г.

         Студент группы 1470

ВВЕДЕНИЕ

Резкой металлов              Термической резкой называют обработку металла (вырезку заготовок, строжку, создание отверстий) посредством нагрева. Паз образующийся между частями металла в результате резки, называют резом. По форме и характеру реза может быть разделительная и поверхностная резка, по шероховатости поверхности реза - заготовительная и чистовая. Термическая резка отличается от других видов высокой производительностью при относительно малых затратах энергии и возможностью получения заготовок любого, сколь угодно сложного, контура при большой толщине металла.

Можно выделить три группы процессов термической резки: окислением, плавлением и плавлением-окислением. При резке окислением металл в зоне резки нагревают до температуры его воспламенения в кислороде, затем сжигают его в струе кислорода, используя образующуюся теплоту для подогрева следующих участков металла. Продукты сгорания выдувают из реза струей кислорода и газов, образующихся при горении металла. К резке окислением относятся газопламенная (кислородная) и кислородно-флюсовая резка. При резке плавлением металл в месте резки нагревают мощным концентрированным источником тепла выше температуры его плавления и выдувают расплавленный металл из реза с помощью силы давления дуговой плазмы, реакции паров металла, электродинамических и других сил, возникающих при действии источника тепла, либо специальной струей газа. К способам этой группы относятся дуговая, воздушно-дуговая, сжатой дугой (плазменная), лазерная и термогазоструйная резка.

При резке плавлением-окислением применяют одновременно оба процесса, на которых основаны две предыдущие группы способов резки. К способам этой группы относятся кислородно-дуговая, кислородно-плазменная, кислородно-лазерная резка. 

Области применения способов термической резки

Способ резки

Материал

Диапазон толщин, мм

Газо-кислородная

Углеродистые и низколегированные стали. Титан и его сплавы

от 3 до 1000, от 3 до 100

Кислородно-флюсовая

Высоколегированные хромникелевые и хромистые стали, чугун, медь, латунь, бронза

от 3 до 1000

Плазменная

и сплавы на их основе, тугоплавкие металлы

от 3 до 100

Дуговая (с подачей воздуха)

Углеродистые и низколегированные стали

неограничено по криволинейному контуру и в труднодоступных местах

Лазерная

медь и сплавы на их основе, тугоплавкие металлы, титан

до 5

ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА

Сущность процесса резки

В основе лазерной обработки лежит простой научный факт: лазерный луч можно сконцентрировать на поверхности материала в пятно диаметром в десятые доли миллиметра. Если при этом лазер обладает достаточной мощностью, то происходит расплавление, испарение, разрушение, изменение структуры материала. Для превращения лазерного луча в инструмент на его пути на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности обрабатываемого материала ставится фокусирующая линза. Процесс напоминает детское развлечение в солнечный день с выжигательным стеклом. Только вместо солнечного луча луч лазера. К числу таких перспективных процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку металлов, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки.              Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствии этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степени точностью, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечиваетсявысокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Кратко рассмотренные особенности лазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса по сравнению с традиционными методами обработки.               Лазерная резка относится к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробованых еще в начале 70-х годов. За прошедшие годы созданы лазерные установки с широким диапазоном мощности(от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт), обеспечивающие эффективную резку металлов с использованием вспомогательного газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера.Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения. При использовании кислорода или воздуха при резке металлов на поверхности разрушения образуется оксидная пленка, повышающая поглощательную способность материала, а в результате экзотермической реакции выделяется достаточно большое количество теплоты. 

Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных и газовых CO2 - лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс не может полностью заменить традиционные способы разделения металлов. В сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок стоимость лазерного оборудования для резки еще достаточно высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к ее снижению. В связи с этим процесс газолазерной резки (в дальнейшем просто лазерной резки) становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.

Схематичное изображение лазерной резки

Комплекс для лазерной резки материалов включает в себя следующие элементы:

  • Источник лазерного излучения с системой охлаждения и источником питания; Источники питания излучателей могут быть выполнены по трансформаторной или импульсной схеме. Разница массогабаритных характеристик составляет десятки раз. Однако выигрыш в размерах и весе импульсных схем питания с лихвой уравновешивается высокой степенью надежности трансформаторных.
  • Технологический координатный стол с оптической системой;
  • Систему управления столом с пакетом программного обеспечения;
  • Систему подачи технологического газа, включающая в себя компрессор (при работе с воздухом) или баллоны со сжатым технологическим газом,элементы масло- и влагоотделения и трубопроводы подачи газа в резак.
  • Систему вентиляции и удаления продуктов резки.

Металлы для лазерной резки

Обычная сталь

Возможна лазерная резка обычной стали толщиной до 4 мм. Сталь толщиной до 2 мм режется в импульсном режиме. Торцевая поверхность реза гладкая, облоя практически нет или он легко удаляется.Сталь толщиной 3 - 4 мм режется в расплавном режиме. Торцевая поверхность реза шероховатая, на нижней кромке реза образуется трудноудалимый облой, рез расширяется в нижней части.

Нержавеющая сталь

Возможна лазерная резка нержавеющей стали толщиной до 6 мм. Нержавеющая сталь толщиной до 2 мм режется в импульсном режиме. Торцевая поверхность реза гладкая, облоя практически нет, или он легко удаляется.Нержавеющая сталь толщиной 3 - 6 мм режется в расплавном режиме. Торцевая поверхность реза шероховатая, на нижней кромке реза образуется трудноудалимый облой, рез расширяется в нижней части.

Латунь

Возможна лазерная резка латуни толщиной до 6 мм. Тонкая латунь режется в импульсном, а толстая - в микроплазменном режимах. Торцевая поверхность реза пористая, шероховатая, на нижней кромке имеется легкоудалимый облой. Чем толще материал, тем хуже качество боковой поверхности.

Алюминиевые сплавы

Возможна лазерная резка алюминиевых сплавов (Д16, АМГ) толщиной до 5 мм. Тонкие алюминиевые сплавы режутся в импульсном, а толстые - в микроплазменном режимах. Торцевая поверхность реза пористая, шероховатая, на нижней кромке имеется легкоудалимый облой. Чем толще материал, тем хуже качество боковой поверхности.

Металлы, которые нерекомендуют резать на лазерноым оборудованием

Полированная латунь, анодированный алюминий, чистая медь, чистый алюминий, вольфрам, молибден, титан.

Преимущества лазерной резки металла

Как было уже сказано, лазерная резка на порядок выше по производительности и качеству резки, так как обладает массой преимуществ перед другими способами резки металлов.

  • Лазерная резка делает возможным изготовление сложных пространственных конструкций без потери качества и прочности материала в самых сложных местах разреза;
  • Лазерная резка металла имеет минимальное количество отходов;
  • Лазерная резка позволяет работать с тонкими пластинами металлов и с хрупкими материалами и сплавами;
  • Лазерная резка возможна также и неметаллических материалов;
  • Лазерная резка позволяет получать разрез толщиной в 0,05 мм с прямоугольным срезом без дефектов, заусенцев и наплывов;
  • Лазерная резка быстрее стандартных способов резки и позволяет получать даже единичные детали, при этом затраты на время изготовления - минимальные;
  • Лазерная резка металла возможна как для серийного производства, так и для единичного.

Недостатки и ограничения лазерной резки

Как и у любой технологии производства существуют свои недостатки и ограничения применения. К недостаткам лазерной резки относят лишь область применения. Лазерный луч не способен разрезать материал толщиной свыше 20 мм. А в целом,лазерная резка тонких пластин из различных материалов считается идеальной, если не превышать условия применения.

ГАЗОКИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА

Сущность процесса резки.

Газокислородной резкой называют способ разделения металла, основанный на использовании для его нагрева до температуры воспламенения теплоты газового пламени и экзотермической реакции окисления металла(илисвойстве железа гореть в струе чистого кислорода, будучи нагретым, до температуры, близкой к температуре плавления), а для удаления окислов - кинетической энергии струи режущего кислорода.

Подогревающее пламя нагревает поверхностные слои металла, которые затем контактируют со струей чистого кислорода и окисляются. Выделяющаяся при этом теплота совместно с теплотой подогревающего пламени постоянно нагревает за счет теплопроводности металл впереди резака до температуры его воспламенения в кислороде, обеспечивая непрерывность процесса. Под действием кинетической энергии струи кислорода слой окислов, а также частично жидкий металл удаляются из разреза.

Источником теплоты при резке служит подогревающее пламя резака и экзотермическая реакция окисления железа и примесей стали. В зависимости от толщины стали изменяются доли их участия в тепловом балансе: чем меньше толщина разрезаемого металла, тем больше роль подогревающего пламени (при толщине 5 мм до 80% общего количества теплоты, выделяемой при резке, а при толщине более 50 мм - только до 10%).

При газокислородной резке металлов в качестве горючих газов используют ряд углеводородов и их смесей. По показателям теплоты и температуры горения газокислородного пламени рационально применять ацетилен. Но исходя из технико-экономических показателей для газокислородной резки в качестве горючего газа наиболее широко применяют газы - заменители ацетилена. Их можно разделить на сжиженные, сжатые охлаждением, газовые смеси, растворенные газы, простые газы.

  • Ацетилен

Ацетилен относится к группе непредельных углеводородов ряда СnH2n-2.

Основным способом промышленного получения ацетилена является образование его из карбида кальция при разложении последнего водой. Кроме карбида кальция ацетилен получают из нефтяных и природных газов, используя процессы термоокислительного пиролиза углеводородных смесей.

  • Сжиженные газы

К сжиженным газам относятся углеводороды и их смеси, находящиеся при температуре t=20 0C и давлении P=760 мм.рт.ст. в газообразном состоянии, а при сравнительно небольшом повышении давления и понижения температуры переходят в жидкое состояние. К сжиженным газам относятся смеси технического пропана и бутана, а также смеси метилацетилена и пропадиена.

  • Сжимаемые газы

К сжимаемым газам относят газы, которые при обычных условиях хранения и транспортировки не переходят в жидкое состояние ни при каких значениях давления. К ним относятся водород, метан, окись углерода, коксовый, пиролизный, природные, нефтяные и сланцевые газы.

  • Жидкие горючие

Бензин и керосин - летучие и огнеопасные жидкости, являющиеся продуктами переработки нефти. Их используют в виде паров, которые получают в специальных аппаратах, обеспечивающих давление до 3 кгс/см2.

Основные физические свойства горючих газов представлены в таблице.

 

Металлы для газокислородной резки. Кислородно-флюсовая резка

Существуют некоторые условия резки, влияющие на разрезаемость металла:

  • теплоты должно быть достаточно для обеспечения температуры реакции порядка 1000 - 1150 0С.
  • температура плавления металла должна быть выше температуры его интенсивного окисления в кислороде.
  • температура плавления металла должна быть выше температуры плавления образуемых в процессе резки окислов.
  • образующийся шлак должен быть жидкотекучим.

Всем вышеперечисленным условиям удовлетворяют сталь, титан и марганец, поэтому их можно обрабатывать с помощью газокислородной резки. Особенно хорошо режутся сплавы титана, благодаря высокому сродству с кислородом и высокому тепловому эффекту образования окисла.При обычной кислородной резке высоколегированных хромистых и хромоникелевых нержавеющих сталей на поверхности реза образуется пленка тугоплавких окислов хрома, имеющих температуру плавления около 2000° С и препятствующих дальнейшему окислению металлов в месте реза. Поэтому кислородная резка этих сталей требует применения особых приемов и способов.

Классификация сталей по разрезаемости их кислородной резкой и технологические особенности процесса резки.

Группа стали

Сэ

Марка стали

Технологические особенности процесса резки

1

До 0,54

Стали углеродистые обыкновенного качества марок Ст1-Ст5 по ГОСТ 380-88

Резка без технологических ограничений

Стали углеродистые качественные марок 05-30 по ГОСТ 1050-88

0,40-0,54

Стали низколегированные марок 09Г2С; 14Г2; 09Г2СД; 15ГФ и др. по ГОСТ 19282-73

Стали легированные марок 15Х; 20Х; 15Г; 15ХМ; 12ХН2 и др. по ГОСТ 4543-71

ё2

0,54-0,70

Углеродистые стали Ст6; Сталь 35-50 по ГОСТ 1050-88, ГОСТ 380-88

Предварительный или сопутствующий подогрев до 150 °С, охлаждение на воздухе. Возможна резка без подогрева на пониженной скорости с последующим отжигом или отпуском.

Легированные стали марок 30Х; 35Х; 18ХГ; 25ХГТ; 25ХГМ и др. по ГОСТ 4543-71

3

0,70-0,94

Сталь 55; 60; 38ХА; 40Х-50Х; 35Г2; 45ХН; 38Х2Ю; 35ХГСА

Предварительный подогрев до 250-350 °С, последующее медленное охлаждение под асбестовым полотном или в песке.

4

> 0,94

35ХС; 38ХС; 40ХС; 50ХГСА; 50ХГФА; 12Х2Н3МА и др.

Предварительный подогрев 350 °С, последующим охлаждением в печ

Более совершенным способом резки высоколегированных нержавеющих сталей являетсякислородно-флюсовая резка. В качестве флюса применяют, как правило, железный порошок с зернами 0,1—0,2 мм. Сгорая в струе режущего кислорода, железный порошок выделяет дополнительное тепло, которое повышает температуру в месте реза. Вследствие этого тугоплавкие окислы остаются в жидком состоянии и, будучи разбавлены продуктами сгорания железа, дают жидкотекучие шлаки. Резка протекает с нормальной скоростью, а поверхность реза получается чистой. Кислородная резка чугуна без флюса также затруднена, так как температура плавления чугуна ниже температуры горения железа. Содержащийся в чугуне кремний дает тугоплавкую пленку окиси, которая препятствует нормальному протеканию резки. При сгорании углерода чугуна образуется газообразная окись углерода, загрязняющая режущий кислород и препятствующая сгоранию железа.Разрезать чугун можно без флюса, только применяя более мощное ацетиленокислородное пламя с избытком ацетилена. Ядро пламени должно иметь длину, равную толщине разрезаемого чугуна.

Состав флюса для резки различных материалов

Разрезаемый материал

Состав флюса

хромоникелевая сталь

Железный порошок (100%)

Кварцевый песок (100%)

Доломитизированный известняк (100%)

фосфористый кальций (1–2%)

Чугун

Железный порошок (100%)

Кварцевый песок (100%)

Доломитизированный известняк (100%)

Цветные металлы, огнеупоры, бетон

алюминиевый порошок (10–65%)

азотнокислый натрий (5–30%)

В последние годы в связи с развитием плазменной резки кислородно-флюсовая резка находит ограниченное применение. Основная область ее использования – в металлургии и тяжелом машиностроении при обрезке прибылей литья, резке слябов и блюмов в холодном состоянии, обрезке от горячего слитка мерных заготовок и др.

Схематичное изображение газового резака

Вредности и опасности при газовой сварке и резке

Основными источниками опасности при газовой сварке и резке могут быть взрывы ацетилено-воздушной смеси при неправильном обращении с ацетиленовыми генераторами, карбидом кальция и горелками, при обратном ударе пламени. Возможны случаи воспламенения клапанов кислородных редукторов при попадании на них следов масел или резком открывании вентиля баллона. Наиболее опасен взрыв кислородного баллона, находящегося под высоким давлением.

Неосторожное обращение с пламенем горелки может явиться причиной ожога сварщика и пожара в помещении.

При газовой сварке и резке металлов на зрение вредно действуют следующие лучи: на сетчатую и сосудистую оболочку глаз — видимые лучи; на роговицу и хрусталик глаза — невидимые инфракрасные лучи. Если длительное время смотреть незащищенными глазами на газовое пламя, то возможна временная потеря зрения и образование катаракты (помутнение хрусталика глаза). Опасность для глаз представляют также искры, образующиеся при нагревании и плавлении металла, а также брызги расплавленных шлаков.

Меры безопасности при работе с газовыми резаками

Перед присоединенном редуктора к вентилю баллона необходимо продуть штуцер вентиля (см. рис.), убедиться в исправности фибровой прокладки на штуцере редуктора и резьбы накидной гайки редуктора, в отсутствии на них загрязнений и масла. После установки редуктора надо убедиться в плотности его присоединения к баллону путем кратковременного открытия вентиля баллона.

Во избежание обратного удара пламени следуетде ржать резак на расстоянии 7 - 10 мм от металла. При возникновении обратного удара и хлопков необходимо закрыть на резаке ацетиленовый и кислородный вентили, перекрыть вентили на баллонах, охладить резак в воде, проверить рукава и продуть их газами. После охлаждения резака необходимо прочистить сопло латунной шпилькой, отрегулировать давление и продуть резак кислородом.

Следует соблюдать правильную очередность пользования запорными вентилями при зажигании резака. Первым должно быть пущено горючее, затем подогревающий кислород и зажжено пламя; после подогрева испарителя необходимо открыть вентиль кислорода. При тушении сначала закрыть вентиль горючего, а затем - вентиль подачи кислорода.

Наиболее вероятной причиной взрывов кислородных баллонов, имевших место во время работ по газопламенной обработке металлов (кислородной резке), следует считать образование в них взрывчатой смеси кислород — горючий газ.

Как показали исследования Б. А. Иванова и др.* (Б. А. Иванов и др. Причины взрывов кислородных баллонов. «Безопасность труда в промышленности», №9, 1971), подтвержденные опытами А. К. Нинбурга (ВНИИавтогенмаш), при давлении кислорода в баллоне ниже пределов рабочего давления, на которое установлен редуктор, может происходить перетекание горючего газа в кислородный баллон и образование в нем взрывчатой смеси. Это более вероятно при резке на газах-заменителях ацетилена, так как канал инжектора в резаках для них имеет больший диаметр, чем в резаках для ацетилена.

Преимущества газокислородной резки

Преимущества газовой сварки и резки особенно проявляются при ремонтных и монтажных работах ввиду простоты процессов и мобильности оборудования.

  • Максимальная толщина разрезаемого материала может достигать 500 мм;
  • Минимальные капитальные затраты;
  • Минимальные требования к т