Поверхностная резка является разновидностью термической обработки металлов. Источник нагрева - электрическая или плазменная дуга - воздействует на обрабатываемую поверхность металла, в результате чего металл расплавляется и направленным потоком газа удаляется На обрабатываемой детали образуется канавки. С поверхности детали могут быть сняты выступы, усиления сварных швов или какие либо другие неровности. Лазерная резка для этого не подходит.
Существуют различные способы поверхностной резки (строжки) например: газофлюсовая, плазменная, воздушно-дуговая. Эти способы поверхностной резки основаны на тех же принципах нагрева и ведения процесса что и аналогичные способы разделительной резки.
Применение поверхностной строжки позволяет значительно облегчить условия труда рабочих. Этот процесс должен заменить пневморубку и наждачную обработку ручными пневмомашинками на предприятиях по производству сварных конструкций, на участках литейных цехов. Известно, что одной из трудоемких и вредных для здоровья является пневморубка, на долю которой приходится около 50-60% зачистных работ на обрубочных участках литейных цехов. Однако наряду с положительными характеристиками указанные процессы поверхностной строжки обладают существенными недостатками. Они загрязняют атмосферу цеха. В большом количестве при поверхностной строжке выделяются дым, окислы азота, озон, аэрозоли. Для безопасности труда рабочих требуется вентиляция. Там, где это возможно, создаются специализированные кабины с приточно-вытяжной вентиляцией или используются переносные вентиляционные установки.
Наибольшее применение в промышленности получили способы воздушно-дуговой и плазменно-дуговой резки. В первом случае расплавление металла осуществляется графитовым электродом, а удаление его — концентрированным потоком воздуха. Иногда для воздушно дуговой строжки используются специальные стальные электроды с обмазкой
Воздушно-дуговая резка является наиболее простым и общедоступным способом поверхностной обработки. Выборку дефектов под сварку удается выполнить в угловых соединениях и труднодоступных для других способов обработки местах. В зависимости от условий и назначения поверхностной обработки для воздушно-дуговой резки применяются круглые или плоские угольные электроды. Процесс воздушно-дуговой резки трудно поддается механизации, так как расходуемые угольные электроды часто приходится заменять.
Первоначально воздушно-дуговой процесс резки выполнялся на постоянном токе обратной полярности. На переменном токе трудно было обеспечить устойчивость процесса. Исследования электрических и готовых параметров процесса показали, что на переменном токе при постоянном чередовании контактов мощных дуговых разрядов тепловое выделение в дуге в шесть — восемь раз превышает джоулеву теплоту в контакте. Это и определяет дуговой характер плавления металла. В связи с этим необходимо было найти рациональные пути повышения устойчивости дугового разряда.
Проведенные исследования показали, что при малых токах вольт-амперная характеристика дуги С — Ге в воздухе падающая, а для мощных дуг — возрастающая. При увеличении сечения электрода при больших значениях силы тока вольт-амперная характеристика также падающая. Это объясняется тем, что электрод нагревается при повышенном значении тока больше. Размер активного пятна увеличивается, а размер поперечного сечения электрода ограничивает дальнейшее увеличение активного пятна. В связи с этим напряжение при ограниченном сечении электрода и при увеличении силы тока возрастает. При этом электрод нагревается до температуры, превышающей допустимую.
Процесс воздушно-дуговой резки протекает в условиях, когда ионизированный промежуток дугового разряда непрерывно нарушается струей сжатого воздуха. Для него характерно чередование коротких замыканий и дуговых разрядов.
Установлено, что повышение холостого хода трансформатора с 32 до 50—70 В уменьшает продолжительность процесса контакта (период короткого замыкания электрода). Удлинение промежутка времени между контактами, выбросами расплавленного металла и теплообмена с основным металлом способствует образованию твердых прослоек в зоне реза и концентрации напряжения в зоне распространения теплоты. Температура нагрева электрода и основного металла снижается. При этом расплавленный металл ванны подвержен колебательным движениям, которые резко повышают подвижность металла. В связи с этим переменный ток увеличивает шероховатость поверхности реза, которая все же не очень велика и соизмерима с чистотой поверхности отливок.
Следует отмстить, что при использовании постоянного тока увеличение времени контакта расплава с основным металлом, обогащенного углеродом за счет материала электрода, приводит к науглероживанию поверхности реза, что в ряде случаев недопустимо (например, при выборке дефектов (трещин) в процессе восстановления штампов из высокопрочных термообработанных сталей, при выборке дефектов и последующей их заварке, при низких температурах и т. д.). Кроме того, на постоянном токе больше глубина ЗТВ и производительность процесса более низкая, чем на переменном. При этом не обеспечивается необходимое качество реза, так как электрод сильнее заглубляется и не весь расплавленный металл удается удалить из полости реза: поверхность получается бугристой и требуется дополнительная обработка — зачистка.
В качестве источников питания для воздушно-дуговой резки на постоянном и переменном токе используются обычное электросварочное оборудование и резаки. Для выполнения воздушно-дуговой резки в условиях литейного производства разработано специальное оборудование, что позволило внедрить процесс на ряде предприятий.
Практическое применение воздушно-дуговой резки на переменном токе (1100—1500 А) литейными и станкостроительными предприятиями подтвердило стабильность процесса и его высокую эффективность при обработке отливок.
Поскольку обрабатываемый металл подвержен значительному нагреву под воздействием электродугового процесса, то вблизи поверхности реза образуется ЗТВ. Анализ выполненных исследований показывает, что глубина этой зоны не является величиной постоянной и уменьшается с увеличением силы тока и скорости резки, так как время контакта расплава с основным металлом при этом уменьшается. Исследования проводили на ряде сталей ферритно-перлитного класса (ЗОЛ, 35Л, 35ХМЛ). Воздушно-дуговую строжку этих сталей выполняли постоянным током обратной полярности пластинчатым графитированным электродом сечением 15X25 мм.
Характер воздействия резки зависит также от химического состава и исходной структуры обрабатываемого металла, поэтому исследовали несколько марок сталей, имеющих различную исходную структуру.
В сталях с ферритно-перлитной структурой основного металла (СтЗ. 14Г2, 15ХСНД. I2XH3A. 20ХМФ, и 40Х) ЗТВ имеет ширину 0,9 - 2 мм при ,том в стали Ст3 у самой поверхности канав отмечены только измельчение структуры перлита и незначительное повышение микротвердости в слое глубиной до 0,3 мм, далее термическое влияние проявляется только размытыми границами между перлитными и ферритными зернами.По мере повышения содержания углерода и легирующих элементов увеличиваются ширина ЗТВ и микротвердость. Так в сталт 40Х на поверхности реза (канавки) наблюдаются мартенсит и троостит с максимальной твердостью 800 HV, далее в глубь металла твердость постепенно снижается.
Изменения наблюдаются в основном в бывших перлитных зернах, они приобретают структуру сорбита, тростита или мартенсита. Ферритное же зерно перейдя при нагреве в аустенитное состояние, находится при высоких температурах недолго и не успевает «насытиться» углеродом из-за бывших перлитных зерен, поэтому при охлаждении оно возвращаемся в исходное состояние, имея несколько размытые границы.
Величина структурных изменений и глубина ЗТВ зависят от режимов воздушно-дуговой резки. Режим необходимо подбирать в зависимости от обрабатываемых марок сталей, характера выбираемых дефектов в сварных швах или на отливках. Процесс выборки дефектных участков необходимо производить равномерно, с установленной скоростью, нельзя допускать перегрева основного металла и затеков расплавленного металла в канавку.
При плазменно-дуговой поверхностной резке выплавление металла производится высокотемпературной плазменной дугой, а удаление его, так же как и при воздушно-дуговой, направленным потоком воздуха. Процесс выполняют плазмотроном, в котором используют вольфрамовые, циркониевые или гафниевые электроды в зависимости от состава применяемой плазмообразующей среды. В отличие от разделительной плазменной резки данный процесс выполняют соплом с большим диаметром канала, т. е. с меньшими обжатием и концентрацией дуги. Охлаждение плазмотрона, как правило, воздушное. Охлаждающий воздух используют одновременно для удаления расплавленного металла и шлака, образующихся при поверхностной резке. Поток воздуха направляют концентрично плазменной дуге.
Процесс плазменной резки в отличие от воздушно-дуговой легко механизировать и приспособить для удаления сварных швов значительной протяженности, а также для подготовки кромок деталей под сварку и т. п. Недостатком является то, что плазмотрон имеет относительно большие по сравнению с резаком для воздушно-дуговой строжки габаритные размеры и ограничивает доступ в зауженнные места для обработки. Высокое напряжение на дуге требует повышенного внимания в работе.
При плазменном процессе по сравнению с воздушно-дуговым происходит значительное выделение аэрозолей, поэтому требуется создание специально оборудованных постов, снабженных мошной приточно-вытяжной вентиляцией. В качестве источников питания применяют источники, предназначенные для разделительной плазменной резки металла, после которой остаются обрезки стали. Выгодно реализовать их можно здесь.