Строение и состав сварочного пламени

Для газопламенной обработки металлов в качестве горючих газов в основном применяются различные углеводороды и только в некоторых случаях водород.

Строение пламени при горении углеводородов в кислороде или в воздухе характеризуется наличием трех зон:

1) ядра;

2) средней зоны;

3) факела.

Форма, вид и относительные размеры этих зон зависят от соотношения кислорода (V_к) и горючего газа (V_г) в смеси, т. е. регулирования пламени, характеризуемого коэффициентом B = V_к/V_г.

Процесс горения проходит в несколько стадий.

Первая стадия - подготовка горючего к сгоранию - характеризуется распадом углеводорода в конечном виде на углерод и водород. Так, например, реакция распада ацетилена имеет вид:

С₂Н₂ -> 2С + Н₂ + 54 ккал/г·мол.

Реакция ускоряется в случае присутствия кислорода в смеси с углеводородом. Реакции распада осуществляются внутри ядра пламени.

Вторая стадия горения характеризуется образованием СО и Н₂. Выделяющийся в результате распада углерод окисляется находящимся в смеси кислородом по реакции

С₂Н.₂ + 0₂->2С + Н₂ + 0₂- >2СО + Н₂ + 112,8 ккал/г·мол.

Продукты этой реакции определяют состав второй зоны пламени.

 

При горении элементарные частицы углерода накаливаются, их свечение и показывает границу ядра пламени. Если кислорода в горючей смеси достаточно, за этой границей ядра свободного углерода уже нет.

 

 

При недостаточном количестве в горючей смеси подаваемого через горелку (первичного) кислорода (B < 1) часть углерода не окислится, и его частицы будут догорать в других частях пламени, уже за счет кислорода воздуха (вторичного кислорода). При взаимодействии пламени с металлом, растворяющим углерод, в этом случае будет происходить науглероживание металла.

При избытке кислорода (B > 1) уже во второй зоне пламени начинается третья стадия горения, заключающаяся в том, что образующиеся СО и Н₂ частично окисляются в СО₂ и Н₂О.

Вторая зона находится непосредственно за ядром и имеет вид клина сероватого цвета. При избытке кислорода эта зона уменьшается в своих размерах, а при недостатке кислорода (избытке ацетилена) вокруг ядра видна область белого цвета, где углерод догорает за счет реакции с кислородом воздуха.

При B = 1 процессы окисления СО и Н₂ осуществляются в третьей зоне за счет кислорода воздуха по реакциям:

2СО + 0₂ -> 2С0₂ + 136,4 ккал/г·мол;

Н₂ + 0,50₂ -> Н₂0 +57,8 ккал/г·мол.

Продукты сгорания вместе с попавшим в пламя воздухом образуют факел оранжево-фиолетовых оттенков при B = 1, желто-оранжевых оттенков при B < 1 и фиолетовых при B > 1.

Строение и схема изменения состава ацетилено-кислородного пламени при B = 1 показана на рис. 29, а внешний вид пламени при различных значениях B - на рис. 30. Однако на состав пламени, кроме того, могут влиять происходящие при высоких температурах реакции диссоциации газовых молекул (рис. 31). Так, например, непосредственно за ядром, где имеет место наивысшая температура, происходит частичный распад молекулярного водорода по реакции:

Н₂-> 2Н - 103,8 ккал/г·мол.

Поэтому во второй зоне пламени обычно кроме СО и Н₂ имеется кислород и атомарный водород. Примерный состав этой зоны в момент горения при р = 1 следующий: 60% СО, 20% Н₂, 20% Н и небольшое количество (~10^-3-10^-5%) свободного кислорода. Экспериментальный отбор газа, кроме того, показывает присутствие также и некоторого (около 8%) количества азота из воздуха.

В пламени с избытком кислорода (B > 1,3) во второй зоне кроме СО, Н₂ и Н имеются значительные количества С0₂ и Н₂0 и большее количество свободного кислорода. Эта зона пламени горячее (имеет более высокую температуру, чем при B = 1-1,1) вследствие дополнительного теплового эффекта сгорания СО в С0₂ и Н₂ в Н₂0 и обладает более высокой окислительной способностью по отношению к нагреваемому и расплавляемому металлу.

При недостатке кислорода (B < 1) во второй зоне пламени не только появляется свободный углерод, но и уменьшается тепловой эффект горения. Так, например, при р = 0,8

С₂Н₂ + 0,8О₂-> 1,6СО + 0,4С + Н₂ + 101,04 ккал/г·мол.

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.2).

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 +О₂ = 2СО+ Н₂.

 

 

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

 

Рис. 2. Разновидности ацетилено-кислородного пламени и зависимость температуры от вида пламени: А — нормальное; Б — науглераживающее; В — окислительное

При этом продукты неполного сгорания догорают за счет кислорода, присутствующего в атмосферном воздухе, по следующей реакции: 2СО +Н₂ + 1,5О₂ = 2С0₂ + Н₂О. 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 высокоуглеродистых сталей, чугуна, цветных металлов и при 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. Окислительное пламя можно применять при сварке латуни и пайке твердым припоем.

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. Графическая зависимость изменения температур метан-кислородного и пропан-бутан-кислородного пламени представлена на риТехнологическая схема машиностроительного завода

 

Тема 11.Основы технологии машиностроения

11.1.Технологическая схема машиностроительного завода

11.2. Сущность литейного производства. Методы литья

11.3. Методы обработки металла давлением (прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка)

11.4. Сущность процесса сборки

11.5. Виды и организационные формы процесса сборки

11.6. Пути повышения эффективности сборки

Машиностроение является ведущей отраслью современной промышленности. Значение машиностроения в народном хозяйстве определяется тем, что оно создает один из важнейших элементов производительных сил- орудия труда. В силу разнообразных орудий производства и общественного разделения труда машиностроение подразделяется на отдельные отрасли, из которых главными являются: станкостроение, тяжелое машиностроение, транспортное, энергетическое, сельскохозяйственное, атомное.

В каждой отрасли машиностроения существуют свои специфические технологические методы и приемы, однако в целом для машиностроения характерна общность сырьевых материалов (черные и цветные металлы, их сплавы и идентичность базовых технологических принципов превращения их в детали (литье, ковка, штамповка, обработка резанием),а деталей в изделие (сварка, сборка).

В производственных процессах машиностроения используются основные принципы рациональной организации производства.

На машиностроительных заводах различают следующие основные цехи:

1.Заготовительные: чугунолитейный, сталелитейный, кузнечно-прессовый;

2.Обрабатывающие: механический, термический;

3.Выпускающие продукцию: сборочный.

Организация промышленного производства построена по одному из принципов –технологическому, предметному или смешанному. Выше приведенное разделение базовых цехов присуще при технологическом принципе организации производства. При предметном принципе организации производства оборудование для изготовления конкретных деталей или сборочных единиц сосредотачивается в отдельных цехах предприятия. При смешанном принципе – в отдельных цехах проводится обработка технологически однородных частей и выполнение однотипных технологических процессов и операций.

В остальном структура машинного производства мало чем отличается от других производств, т.е. есть вспомогательные цехи и побочные цехи, различные службы и хозяйства, органы управления предприятием, которые осуществляют организацию производственного процесса и его контроль, обеспечивают разработку технической документации и технологической оснастки, бухгалтерский учет, сбыт готовой продукции.

Τаким образом, машиностроительное предприятие представляет собой совокупность ряда производств, связанных единым технологическим процессом. Учитывая зависимость отмасштабов производства, возможностей кооперирования с другими предприятиями и от ряда других технико-экономических условий машиностроительный завод либо сам осуществляет весь технологический процесс, т.е. изготовляет все детали машины и производит ее сборку, либо изготовляет лишь основные узлы машины, а детали и полуфабрикаты (литье, поковки) получает с других специализированных предприятий и в своих цехах производит только их обработку и последующую сборку. Технологическая схема машиностроительного завода следующая: сырье и топливо из шихтарных дворов, где их хранят и соответствующим образом подготавливают для производства поступают в литейные цехи, производящие отливки. Полученное литье направляют в механический цех, туда же поступают и заготовки, изготовленные ковкой и штамповкой в кузнечно-прессовом цехе. В механическом цехе производят дальнейшую обработку заготовок резанием на различных металлорежущих станках. Кроме обработки литых и кованных заготовок на металлорежущих станках изготовляют детали из проката. Детали, требующие термической обработки, направляют в термический цех.

Готовые детали из механического цеха направляются в сборочный цех, куда поступают готовые детали их других цехов. Механические и сборочные цехи часто располагаются в одном здании, что сокращает расходы на внутризаводскую транспортировку деталей и узлов. Наиболее распространенными процессами в машиностроении литье, прокатка, волочение и прессование, ковка штамповка сварка, процессы механической обработки (обработка резанием).

Литейным производством называют процессы получения фасонных изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в полученную форму, воспроизводящую форму и размеры будущей детали. После затвердения металла в форме получается отливка, т.е. заготовка или деталь.

В структуре себестоимости литья основную долю составляют затраты на металл (до 80%). Производя технико-экономический анализ литейного производства, особое внимание крайне важно обращать на те стадии и элементы технологического процесса, которые непосредственно связаны с возможными потерями металла на угар, разбрызгивание, брак и т.д.. Себестоимость литья зависит от объёма производства, уровня механизации и автоматизации технологических процессов.

При всем разнообразии приемов литья, сложившихся за длительный период развития его технологии- принципиальная схема технологического процесса литья практически не изменилась и включает 4 базовых этапа:

1.Плавка металла.

2.Изготовление формы и стержней.

3.Заливка жидкого металла в форму.

4.Извлечение затвердевшей отливки из формы.

Преимущества литейного производства:

1.Возможность получения сложных тонкостенных отливок при рациональном использовании металла;

2.Низкая себестоимость продукции;

3.Относительная простота получения отливок.

Недостатки литейного производства:

1.Низкая производительность труда;

2.Неоднородность состава и пониженная плотность материала заготовок.

Существуют следующиеспособы литья:

1.Литье в разовые песчано-глинистые формы (земляные);

2.Литье в кокиль(постоянные металлические формы);

3.Литье под давлением;

4.Центробежный способ литья;

5.Литье по выплавляемым моделям;

6.Литье в оболочковые формы или корковое литье;

7.Литье в тонкостенные разовые формы;

8.Электрошлаковое литье.

Все вышеперечисленные способы литья, кроме литья в земляные формы, называются специальными способами литья. Отливки широко применяются в машиностроении, металлургии, строительстве.

Наиболее распространенный и относительно простой способ литья- литье в разовые песчано-глинистые формы. Этим методом получают до 80% отливок. Песчано-глинистые формы бывают приготовлены либо непосредственно в почве (в полу литейного цеха) по шаблонам, либо в специальных ящиках-опоках по моделям. Крупные отливки изготовляют в почве, мелкие- в опочных формах.

Технологический процесс производства отливок в опочных формах состоит из трех стадий: подготовительной, основной (рис. 11.2.1) и заключительной.

В подготовительную стадию входит конструирование и изготовление модельной оснастки.

Приготовление формовочной смеси		Приготовление стержневой смеси		Плавка литейного сплава
Изготовление полуформы		Изготовление стержней		Разливка в ковш
Сушка полуформы		Сушка стержней
	Сборка формы
	Заливка формы
	Выбивка форм (извлечение отливок)
		Очистка и обрубка отливок

Рис.11.2.1 Технологический процесс основного производства отливок в опочных формах.

Заключительная стадия-это контроль качества отливок. В результате проверки годные отливки поступают на термообработку и окраску. Бракованные отливки подлежат сортировке на отливки, подлежащие исправлению и отливки представляющие окончательный брак. Исправленные отливки поступают на термообработку и окраску, а окончательный брак поступает на плавку.

Технологический процесс основного производства отливок изображен на рис.11.2.1

Модели изготовляют из дерева, пластмассы или металла, которые изготавливают в модельных цехах. Для того, чтобы модели легко извлекались из формы, их делают разъемными. Модель сообщает форме только наружные очертания будущей детали. Для получения отливок с отверстиями на моделях в соответствующих местах предусматривают выступы-стержневые знаки, которые оставляют в форме отпечатки для установления стержней. Место, занимаемое в форме стержней, не заполняется металлом и в отливке после удаления стержня образуется отверстие. Для заливки жидкого металла устраивают систему каналов- литниковую систему, которая служит также для задержки шлака и выхода воздуха из полости формы.

В качестве основного формовочного материала для приготовления формовочной и стержневой смеси применяются кварцевые пески определенной зернистости и жароупорности.

К вспомогательным материалам относятся крепители (олифа, льняное масло), служащие для придания прочности стержневой смеси; связующие вещества (увлажненная глина, жидкое стекло, декстрин); вещества, увеличивающие газопроницаемость смеси (опилки и торфяная крошка); противопригарные материал-графит; каменноугольная пыль.

Основная операция в технологическом процессе изготовления отливок-формовка, т.е. наполнение опок формовочной смесью и наполнение стержней стержневой смесью, а также уплотнение смеси. Это сложная и трудоемкая операция. В условиях массового и крупносерийного производства мелких и средних по массе отливок применяется машинная формовка, ручная формовка находит применение в индивидуальном и мелкосерийном производстве, а также при производстве крупных отливок. Сущность машинной формовки состоит в механизации базовых операций- наполнения опок формовочной смесью, уплотнения смеси и удаления моделей из форм.

После затвердения и охлаждения до определенной температуры, при которой отливки приобретают достаточную механическую прочность, производится выбивка из форм; стержни выбиваются позднее, после дополнительного охлаждения отливок.

Сущность процесса выбивки состоит в разрушении формы и освобождения отливок от окружающей их формовочной смеси. В современных литейных цехах процесс выбивки механизирован.

После выбивки производится обрубка и очистка отливок. Обрубка состоит в отделении от отливок прибылей, выпоров и заливов. Эта тяжелая операция, трудно поддается механизации и осуществляется с помощью пневматических зубил, ленточных пил, газовой резки.

Очистка состоит в удалении пригара формовочной земли, мелких заусениц. Перед отправкой в механические цехи стальные отливки подвергаются термической обработке отжигу или нормализации для снятия внутренних напряжений и измельчения зерна металла.

Специальные способы литья имеют ряд преимуществ:

1. Отливки более точных размеров с хорошим качеством поверхности;

2. Уменьшается расход металла и трудоемкость механической обработки;

3. Повышаются механические свойства отливок и уменьшаются потери от брака;

4. Значительно снижается или исключается расход формовочного материала;

5. Сокращаются производственные площади;

6. Повышается производительность труда и улучшаются санитарно-гигиенические условия.

7. Большинство операций легко поддаются механизации и автоматизации.

Экономическая целесообразность замены литья в разовые песчано—глинистые формы тем или иным специальным способом зависит от масштаба производства, формы и размеров отливок, применяемых литейных сплавов. Она определяется на базе тщательного технико-экономического анализа всех затрат, связанных с новым техногическим процессом.

электрошлаковое литьё (ЭШЛ) — вид электрошлакового процесса (ЭШП), литейная технология с защитой металлической ванны от взаимодействия с воздухом находящейся сверху шлаковой ванной, подогреваемой проходящим через неё электрическим током. Используется, например, при изготовлении биметаллических прокатных валков.

Рабочая поверхность валков холодной прокатки должна быть износостойкой, а для этого — твёрдой. Иначе она быстро сомнётся. Дешёвый, но достаточно твёрдый материал — серый чугун. Но он не достаточно прочен. Весь же валок должен быть прочным, иначе он не выдержит нагрузки и сразу лопнет. Достаточно прочный материал — конструкционная сталь. Но она слишком мягкая. Можно сделать весь валок из инструментальной стали. Но инструментальная сталь дороже, а валок — не резец. У него значительно больше объём и масса, из-за чего такое изделие окажется много дороже большинства инструментов, а служит он всё равно недолго. Выход: сделать поверхность твёрдой, а основное тело валка — прочным. Для этого применяют плазменную наплавку инструментальной стали на конструкционную. Но во-первых, это лишь частично решает проблему дороговизны материала (инструментальной стали), а во-вторых, достаточно дорога сама технология. Одна из альтернатив — наворачивание цельно чугунного бандажа на цельно стальное основное тело валка (обе детали должны иметь резьбу). Но при эксплуатации таких валков бандаж сворачивается с основного тела валка. Кроме того, недостаточная прочность чугуна обуславливает формы разрушения бандажа в процессе эксплуатации, отличные от мгновенного хрупкого разрушения, в первую очередь по поверхности контакта бандажа с основным телом валка. Значит, нужен прочный белый чугун. Но белый чугун дороже серого. Электрошлаковое же литьё позволяет дешево отбелить серый чугун за счёт экономного легирования серого чугуна хромом. Эта же технология позволяет соединить сплавлением (сварить по всей поверхности контакта) бандаж и основное тело валка. При обычном литье аналогичных изделий диспергирование струи ведёт к избыточному окислению металла, а из-за слишком быстрой кристаллизации чугун шва будет иметь повышенную хрупкость (а не прочность) и не произойдёт сплавление достаточных объёмов стали и чугуна, из-за чего шов будет тонким и в нём не сформируется область плавного перехода по составу от чугуна к стали. Электрошлаковая же технология позволяет решить все эти проблемы. Поверхности кокиля (литейной формы, если она используется) и заготовок(ки) обмазываются фторидами и хлоридамищелочных и щёлочноземельных металлов, термическое разложение этих солей создаёт защитную атмосферу. Струя металла также диспергируется, но теперь это ведёт не к окислению, а к рафинированию металла. Рафинирование металла более интенсивно продолжается также и в шлаке. Остальные проблемы решаются подогревом зоны кристаллизации. Кроме того, элетрошлаковая технология позволяет создать переходный слой (шов) с рельефом двух встречных псевдорезьб. Этот рельеф и работает аналогично двум встречным резьбам (как у талрепа — резьбового приспособления для натяжения тросов), дополнительно скрепляя части изделия, но при этом, не допуская сворачивания бандажа.

Поддерживается также раздельное легирование зон отливки. При ЭШЛ в шлаковой ванне существует магнитное поле и в ней же протекает электрический ток. Силовые линии магнитного поля ориентированы вертикально, а вектор плотности электрического тока в любой точке имеет горизонтальные проекции. В результате взаимодействия электрического тока с магнитным полем возникает горизонтальная сила Лоренца. Радиальная компонента плотности тока обуславливает азимутальную составляющую этой силы, причём, во внешней и внутренней, относительно электрода, зонах знак радиальной проекции плотности тока противоположен, а направление магнитного поля совпадает. В результате направление азимутальной составляющей силы Лоренца в этих областях противоположно. А это ведёт к возбуждению двух встречных тороидальных потоков шлака. Причём, характер течения ламинарный. Поэтому оба потока не смешиваются. Материал электрода делится между ними ровно пополам, но даже его концентрация в различных зонах шлаковой ванны может быть не одинакова. Если эти зоны имеют различный объём, то в них концентрация материала электрода обратно пропорциональна объёмам зон. В металлической ванне (которая находится под шлаковой) имеет место диффузия, но состав до конца всё равно не выравнивается. Таким образом, электрод из порошковой проволоки можно использовать для раздельного легирования зон отливки. Кроме того, подача легирующих сверху непосредственно во внутреннюю, или во внешнюю зону шлаковой ванны позволяет добиться раздельного легирования, независимого от соотношения объёмов зон, так как присадки в одну зону вообще не попадают в другую.