Газопламенная обработка металлов: Рабочая программа, методические указания и задание на контрольную работу

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию Северо-Западный заочный политехнический институт Кафедра технологии материалов и сварки

Газопламенная обработка металлов РАБОЧАЯ ПРОГРАММА МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Задание на контрольную работу

Факультет технологии веществ и материалов Специальность 120500 - оборудование и технология сварочного производства

Санкт - Петербург 1997

2 Утверждено редакционно-издательским советом института УДК 621.791.55(07)

Газопламенная обработка металлов. Рабочая программа, методические указания и задание на контрольную работу. СПб: СЗПИ, 1997 - с. , табл. 2. Библиогр. 1. В курсе «Газопламенная обработка металлов» изучаются материалы и оборудование, применяемые в этом процессе; тепловые и технологические свойства газового пламени; технология газовой и газопрессовой сварки; закалка газовым пламенем; газопламенная очистка и кислородная резка. Приведена рабочая программа курса, даны методические указания по его изучению, представлены варианты задания на контрольную работу. Рабочая программа курса разработана на основании опыта преподавания данной дисциплины в СЗПИ и аналогичных программ других технических ВУЗов г. Санкт-Петербурга.

Рассмотрено на заседании кафедры технологии материалов и сварки, одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов, 1997 г. Рецензенты: кафедра технологии материалов и сварки СЗПИ (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Холопов Ю. В.); Левченко А. М., канд. техн. наук, доц. СПбГТУ. Составитель: В. В. Турбин, доц.

3

ПРЕДИСЛОВИЕ Цель преподавания дисциплины: Изучение материалов и оборудования, применяемых при газопламенной обработке; тепловых и технологических свойств газового пламени; технология газовой сварки и кислородной резки. Студент должен знать: - разновидности способов газопламенной обработки; - закономерности химических и теплофизических свойств газового пламени; - перспективы развития газопламенной обработки. Студент должен уметь: - обосновать выбор оборудования и материалов при газопламенной обработке; - выбрать технологические параметры газовой сварки и кислородной резки. Место дисциплины в учебном процессе: При изучении дисциплины используются знания студентов по физике, химии, физического металловедения и специальные знания по теории металлургических процессов при сварке. Эта дисциплина основывается на курсе «Теория сварочных процессов» и тесно связана с дисциплинами «Технология и оборудование сварки плавлением», « Сварка пластмасс и склеивание металлов».

4

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем курса 86 часов) Введение (1 час) Значение газопламенной обработки в народном хозяйстве. Области применения газовой сварки и резки металлов. Развитие производства газов и оборудования в нашей стране. Роль советских ученых и научных учреждений в развитии газопламенной обработки. Перспективы развития газовой сварки и резки металлов. Классификация основных процессов газопламенной обработки. Содержание курса «Газопламенная обработка металлов». 1. Свойство газового пламени (8 часов) Параметры, характеризующие газовое пламя. Строение и химический состав пламени. Процессы, протекающие в различных зонах пламени. Зависимость химического состава от соотношения кислорода и горючего газа. Значение температуры пламени для технологического процесса газопламенной обработки. Теплотворная способность горючих газов и жидкостей. Тепловая мощность пламени. Зависимость эффективной мощности и эффективного КПД от расхода горючих газов. КПД процесса сварки. Условия устойчивости газового пламени. 2. Материалы и оборудование, применяемые при газопламенной обработке металлов (14 часов) Горючие газы. Виды газов, применяемых при газопламенной обработке металлов и их сравнительная характеристика.

5

Свойство ацетилена и методы его получения. Растворение ацетилена. Применяемые растворители. Преимущества растворенного ацетилена. Устройство ацетиленовых баллонов. Применяемые пористые массы и требования, предъявляемые к ним. Наполнение баллонов, эксплуатация и техника безопасности при работе. Свойства кислорода и методы его получения. Принцип получения кислорода из воздуха. Жидкий кислород и использование его при газопламенной обработке. Хранение и транспортирование жидкого кислорода. Конструкция баллонов для кислорода. Требования, предъявляемые к кислородным баллонам. Испытание баллонов и техника безопасности при их эксплуатации. Производство карбида кальция и его свойства. Скорость разложения и выход ацетилена. Контроль качества карбида кальция. Транспортировка и правила хранения. Техника безопасности при хранении и использовании карбида кальция. Присадочная проволока для сварки углеродистых, легированных сталей и цветных металлов. Присадочные прутки для чугуна. Флюсы, применяемые при газопламенной обработке. Флюсы для газовой сварки и кислородно-флюсовой резки металлов. Флюсы для пайки. Припои. Назначение, свойства и подразделение припоев. ГОСТ на материалы, применяемые при газопламенной обработке. Ацетиленовые генераторы. Назначение, классификация и требования, предъявляемые к генераторам. Конструктивные и эксплуатационные характеристики различных типов генераторов. Предохранительные затворы, назначение и разновидности. Очистительные устройства и очистительные массы. Принцип устройства станций для производства ацетилена из карбида кальция. Техника безопасности эксплуатации ацетиленовых станций и генераторов. Редуцирующие приборы. Принцип редуцирования. Классификация редукторов. Эксплуатация редукторов и техника безопасности.

6

Устройства трубопроводов для снабжения цеховых постов ацетиленом и кислородом. Материал трубопроводов. Перепускные рампы. Указатели расхода газа. Техника безопасности эксплуатации трубопроводов. Сварочные горелки, их назначение и классификация. Схемы устройства и принцип действия инжекторных и безинжекторных горелок. Конструкция горелок. Техника безопасности эксплуатации горелок. Оборудование газосварочного поста. Стационарные и передвижные сварочные посты с питанием от ацетиленового баллона и генератора. Техника безопасности при работе на сварочном посту. Оборудование для кислородной разделительной резки. Классификация ручных резаков, принцип работы и конструктивные особенности. Принцип работы и конструкция керосинорезов. Оборудование для кислородно-флюсовой и подводной резки. Назначение специальных резаков. Конструкция машин для кислородной разделительной резки. Резка по копиру, фотокопировальные устройства, программное устройство, программное управление при разделительной резке. Конструкция станков для разделительной резки. Технико-экономические показатели кислородной резки металлов. Техника безопасности при резке. Оборудование для газопрессовой сварки. 3. Технология газовой сварки и наплавки металлов (10 часов) Техника выполнения шва. Выбор мощности горелки. Факторы, определяющие тепловую мощность пламени. Способы сварки (правый, левый). Сварка в различных пространственных положениях. Угол наклона горелки. Выбор диаметра присадочной проволоки. Типы сварных соединений. Подготовка изделий к сварке, очистка кромок, прихватка. Порядок наложения шва. Выбор режима сварки, присадочной проволоки, флюса. Качество сварных соединений.

7

Сварка чугуна. Свойства чугуна и особенности технологии сварки. Общий и местный подогрев. Применение флюсов. Сварка меди и сплавов на основе меди. Свойства меди и ее сплавов (латунь, бронза). Выбор характера и мощности пламени. Обработка после сварки. Сварка алюминия и сплавов на основе алюминия. Свойства алюминия. Подготовка к сварке. Определение диаметра присадочной проволоки. Флюсы. Сварка алюминиевых сплавов. Сварка магния и его сплавов. Сварка никеля и его сплавов. Сварка свинца и цинка. Наплавка твердых сплавов. Сварка неметаллических материалов. Технико-экономические показатели газовой сварки плавлением. Техника безопасности при газовой сварке. Области применения наплавки. Наплавка цветных металлов и твердых сплавов. 4. Основы теории и технологии кислородной резки (16 часов) Сущность процесса кислородной резки. Классификация способов. Условия резки. Влияние примесей в стали и чистоты кислорода на процесс кислородной резки. Влияние резки на химические и механические свойства металла в зоне реза. Режущая струя и типы режущих сопел. Выбор мощности пламени при применении горючих газов-заменителей ацетилена. Техника резки (положение и движение резака, начало резки). Режим резки (расстояние от сопла до поверхности разрезаемого металла, скорость резки, расход газов, давление режущего кислорода). Подготовка поверхности для резки. Резка больших толщин. Пакетная резка. Резка кислородным копьем. Подводная резка. Кислородно-флюсовая резка. Резка высокохромистых, хромоникелевых сталей, чугуна, меди и ее сплавов. Газоэлектрическая резка металлов и сплавов. Резка неметаллических материалов

8

5. Газопрессовая сварка (4 часа) Сущность процесса и основные способы газопрессовой сварки. Области применения. Оборудование для газопрессовой сварки. Подготовка под сварку. Выбор мощности горелки, осадочного давления и величины осадки. Прочностные характеристики сварных соединений. Технико-экономические показатели газопрессовой сварки. Техника безопасности. 6. Технология закалки газовым пламенем (3 часа) Сущность процесса нагрева под закалку газовым пламенем, области ее применения. Оборудование. Технология закалки. Технико-экономические показатели. Техника безопасности. 7. Газопламенная очистка (4 часа) Сущность процесса пламенной очистки и область ее применения. Горелки для пламенной очистки. Выбор режима. Характер пламени. Технико-экономические показатели. Техника безопасности. 8. Газопламенная металлизация и нанесение покрытий (8 часов) Сущность процесса и область применения. Оборудование и материалы для газопламенной металлизации. Техника нанесения металлизационных покрытий. Технико-экономические показатели. Техника безопасности.

9

9. Газовая пайка металлов (10 часов) Сущность явлений, обеспечивающих паяные соединения. Классификация способов пайки и области применения. Припои. Флюсы. Пайка на воздухе с нагревом газовым пламенем. Оборудование, применяемое при пайке. Подготовка изделий под пайку, чистота поверхностей и величина зазора. Механические свойства соединений. 10. Техническое нормирование и техника безопасности (8 часов) Нормирование газовой сварки. Нормы времени и материалов. Нормирование газовой резки. Нормы расхода материалов на кислородную и кислородно-флюсовую резку. Расход материалов при плазменной резке. Техника безопасности при газопламенной обработке. Правила техники безопасности в производстве с применением открытого огня. Правила установки и эксплуатации ацетиленовых генераторов и баллонов. Условия безопасной эксплуатации аппаратуры для сварки и резки. Меры предосторожности при применении газов-заменителей. Требования техники безопасности при плазменно-дуговой резке и напылении. Литература Евсеев Г.Б., Глизманенко Д.Л. Оборудование и технология газопламенной обработки металлов и неметаллических материалов. - М.: Машиностроение.

Перечень лабораторных работ (8 часов) 1. Исследование зависимости твердости и пластичности металла шва от соотношения кислорода и ацетилена в газовой смеси.

10

2. Исследование отставания при кислородной резке углеродистых сталей. 3. Исследование растекаемости припоев. Тематический план лекций для студентов заочной формы обучения 1. Развитие и классификация способов газопламенной обработки. Влияние химического состава пламени на свойства металла швов . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Закономерности химических и тепло-физических свойств газового пламени . . . . . . . . . . . . . 3. Материалы, применяемые при газопламенной обработке. Обоснование выбора технологических параметров газовой сварки . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Физико-химические основы кислородной резки и обоснование режимов . . . . . . . . . . . . . . 5. Основы технологии газопламенной пайки, термообработки, нанесения покрытий, очистки и газопрессовой сварки.

2 часа 2 часа 2 часа 2 часа 2 часа

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Курс "Газопламенная обработка металлов" является одним из наиболее важных в подготовке инженеров сварочной специальности. Ведущее место среди тем этого предмета занимают изучение свойств газового пламени и основ теории и технологии кислородной резки. По курсу читаются лекции (10 часов), выполняются лабораторные работы (8часов) и одна контрольная работа. Ниже приведены страницы из учебника Г.Б. Евсеева и Д.Л. Глизманенко, рекомендуемые для изучения отдельных разделов курса, а также контрольные вопросы. Введение [Л. 1], с. 6-8 Вопросы для самопроверки

1. В каких областях сварочного производства применяются способы газопламенной обработки?

11 2. Какие основные способы газопламенной обработки предусматриваются классификационной схемой? 1. Свойство газового пламени [Л. 1], с. 67-77 Вопросы для самопроверки

1. Для каких целей в промышленности применяется и какими показателями характеризуется газовое пламя? 2. От каких причин зависит химический состав и температура газового пламени? 3. Какими причинами обусловливается и как рассчитывается тепловая мощность газового пламени? 4. Как определяется КПД процесса газовой сварки? 5. Какими факторами определяется устойчивость газового пламени? 6. Какое влияние оказывает химический состав рабочей зоны пламени на свойства расплавляемого металла? 2. Материалы и оборудование, применяемые при газопламенной обработке металлов [Л. 1], с. 20-44 Вопросы для самопроверки

1.

На каких принципах основано производство ацетилена и кислорода для целей газопламенной обработки? 2. Какие основные свойства ацетилена необходимо учитывать при газопламенной обработке? 3. По каким показателям производится замена ацетилена горючими заменителями? 4. Для каких целей и какие флюсы применяются при газопламенной обработке? 5. По какому принципу выбираются флюсы для газовой сварки? 6. Какое назначение имеют флюсы при резке? 7. По каким признакам подразделяются ацетиленовые генераторы? 8. В чем заключаются особенности устройства ацетиленовых баллонов и их наполнения? 9. Какие меры применяются для предупреждения взрыва генераторов? 10. Как устроены перепускные рампы и какое назначение они имеют? 11. По каким признакам классифицируются газопламенные горелки и в чем сущность этих признаков? 12. Как подразделяются машины для разделительной газовой резки?

12 13. В чем заключаются особенности оборудования, применяемого для кислородно-флюсовой резки? 14. В чем состоит различие применяемых при газопламенной обработке редукторов? 3. Технология газовой сварки и наплавки металлов [Л. 1], с. 92-100 Вопросы для самопроверки

1. Какие типы сварных соединений предпочтительно выполняются газовой сваркой? 2. В чем различие правого и левого способов сварки? 3. На основании каких данных назначается расход горючих при сварке? 4. В чем заключаются особенности сварки медных и алюминиевых сплавов? 5. Для каких целей применяется наплавка и в чем состоит особенность технологического процесса? 4. Основы теории и технологии кислородной резки [Л. 1], с. 169-176, 182-188 Вопросы для самопроверки

1.

Какие способы резки предусматриваются классификационной

схемой?

2.

В чем заключается сущность кислородной резки и какие условия необходимы для осуществления этого процесса? 3. Какими параметрами характеризуется режим резки, и на основании каких данных определяется значение параметров? 4. Как изменяется химический состав разрезаемого металла в области реза в процессе резки? 5. Чем вызваны конусность кислородной струи и отставание при резке? 6. Какими материалами может быть заменен ацетилен и какое влияние это оказывает на процесс резки? 7. В чем состоит сущность способа кислородно-флюсовой резки и в каких случаях она применяется? 8. Какое влияние оказывают примеси в стали на свойство подвергаться кислородной резке?

13 9. Какие неметаллические материалы подвергаются резке и как осуществляется этот процесс? 10. Какие способы газоэлектрической резки применяются в промышленности и в чем состоит их сущность? 5-9. Газопрессовая сварка. Технология закалки газовым пламенем. Газопламенная очистка. Газопламенная металлизация и нанесение покрытий. Газовая пайка металлов [Л. 1], с. 129-137, 142-168 Вопросы для самопроверки

1.

Какие способы газопламенной поверхностной закалки применяются в зависимости от формы и размеров закаливаемых изделий? 2. На основании каких данных выбирается режим поверхностной закалки? 3. Для каких целей применяется пламенная очистка и в чем сущность этого процесса? 4. В чем сущность и принцип технологии газопламенной металлизации и нанесения покрытий? 5. Какими должны быть поверхности, подготовленные к нанесению покрытий? 6. В чем сущность технологии газопрессовой сварки и для каких целей она преимущественно применяется? 7. В чем особенности сварочных горелок, применяемых при газопрессовой сварке? 8. Какими параметрами определяется режим газопрессовой сварки? 9. Какие требования предъявляются к флюсам, применяемым при пайке, припоям? 10. Из каких операций состоит технологический процесс пайки с нагревом газовым пламенем? 11. Какие конструкции соединений предпочтительно применяются при пайке?

10. Техническое нормирование и техника безопасности [Л. 1], с. 301-307 Вопросы для самопроверки

1. Из каких основных частей складывается норма времени и расход материалов на газовую сварку и резку?

14 2. В чем заключаются правила техники безопасности при газопламенной обработке? 3. С чем связаны особо строгие меры техники безопасности при газопламенной обработке? 4. Какие особые меры безопасности необходимо соблюдать при работе в стесненных помещениях (резервуары, котлы и др.)? 5. Какие нормы существуют для установки баллонов с кислородом и горючим газом? 6. Какие меры безопасности должны быть выполнены при применении газов-заменителей ацетилена?

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ 1. Определить технологические параметры режима и рассчитать расход сварочных материалов (ацетилена, карбида кальция, кислорода и присадочной проволоки) при сварке листов встык из малоуглеродистой стали. Исходные данные выбираются из табл. 1. При этом длина шва и скорость сварки выбираются в соответствии с последней цифрой шифра, а толщина листов - в соответствии с предпоследней цифрой. Студенту необходимо определить способ сварки (левый, правый), выбрать диаметр присадочной проволоки и мощность пламени; определить конструктивные элементы подготовки кромок, площадь поперечного сечения наплавленного металла и рассчитать расход материалов на весь шов; определить полную и эффективную тепловую мощность пламени, а также тепловые коэффициенты полезного действия проплавления, наплавки и сварки. Применяется карбид кальция первого сорта с размерами граней кусков от 25 до 80 мм, коэффициент использования генератора - 0.95. Исходные данные Длина шва, м Толщина листов, мм Скорость сварки, м/ч

__________ Варианты__________ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 30 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Таблица 1 Цифра шифра последняя

4.5 1.0 1.2 1.5 2.0 2.2 2.5 3.0 3.5 4.0 предпоследняя 4.6 7.0 6.8 6.0 5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8

последняя

15

2. Определить скорость чистовой машинной прямолинейной резки малоуглеродистой стали толщиной 50 мм и рассчитать общий расход ацетилена и природного газа при вырезке заданного количества полос длиной l. При использовании ацетилена расход составляет 0.14 дм3/с (500 л/ч) для указанной толщины. Исходные данные приведены в табл. 2. Длина полос выбирается в соответствии с последней цифрой шифра, а количество полос - в соответствии с предпоследней. Исходные данные Длина полос, м Количество полос, шт.

__________ Варианты__________ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Таблица 2 Цифра шифра

3.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8

последняя

18

предпоследняя

40 35 32 30 28

26 24 22

20

Указания к выполнению контрольной работы Направление движения горелки при газовой сварке влияет на производительность процесса и качество сварного шва и выбирается в зависимости от толщины свариваемых кромок. При левом способе сварки пламя сварочной горелки направлено от шва, горелка перемещается за присадочной проволокой. Факел пламени подогревает металл кромок, подлежащий расплавлению. При правом способе пламя направлено на формирующийся шов, благодаря чему обеспечивается более полная защита шва от окружающего воздуха и замедленное охлаждение металла. Практически установлено, что при сварке встык кромок толщиной до 3 мм, более производительным является левый способ, а при большей толщине (в особенности при сварке со скосом кромок) - правый способ. Форма подготовки кромок (со скосом, без скоса, с отбортовкой кромок и др.) должна выбираться с таким расчетом, чтобы обеспечивалась максимальная эффективность сварки, определяемая производительностью процесса, расходом сварочных

16

материалов, количеством и трудоемкостью операций и другими показателями. При сварке с отбортовкой кромок свариваемые элементы толщиной до 1.5 мм собираются без зазора. Высота отбортовки равна одной - двум толщинам свариваемых кромок. Средняя ширина проплавления в этом случае принимается равной 4 мм. Если сварка производится без отбортовки и без разделки кромок, при сборке между свариваемыми элементами устанавливается зазор 1-2 мм в зависимости от толщины кромок. Площадь поперечного сечения проплавления в этом случае может быть рассчитана по формуле: Fпр = (0.8e - b)S

(1)

где e - ширина шва; b - величина зазора; S - толщина свариваемых кромок. При сварке встык ширина шва приблизительно равна двум толщинам свариваемого материала плюс зазор. В том случае, когда производится разделка кромок, выбирается угол разделки и величина зазора. Проплавление кромок по скосу произойдет в среднем на глубину 1.5 мм. При определении площади поперечного сечения наплавленного металла учитывается величина зазора, разделка, если она применяется, и усиление шва. При этом площадь поперечного сечения усиления приблизительно равна: Fу = (2ec) / 3

(2)

где e - ширина шва; c - величина усиления шва. При определении расхода присадочной проволоки должны учитываться потери ее на угар и разбрызгивание - 5% от общего веса. КПД проплавления и наплавки (эффективность процессов) представляет собой отношение количества тепла, затраченного на проплавление основного металла или на наплавку присадочного к полной тепловой мощности пламени. На с. 77 учебника приведена формула для определения КПД проплавления. Аналогично определяется и КПД наплавки, но вместо площади поперечного сечения проплавления под-

17

ставляется площадь поперечного сечения наплавляемого металла. В соответствии со второй частью задания необходимо определить расход ацетилена и метана на всю работу. При замене ацетилена другим горючим газом обычно исходят из условия одинаковой производительности нагрева, т.е. устанавливают такой расход горючего газа-заменителя, при котором обеспечивается заданная тепловая мощность пламени. Отношение расхода газа-заменителя к расходу ацетилена называется коэффициентом замены ацетилена: ψ = Vз / Vа

(3)

Таким образом, зная расход ацетилена и значение коэффициента замены ψ, можно определить расход газа-заменителя. Скорость разделительной резки с использованием газовзаменителей при одинаковой мощности пламени такая же, как и при работе на ацетилене, но время нагрева кромки перед резкой увеличивается на 40-60%. При разделительной резке листов большой протяженности, где время подогрева кромки составляет малую часть общего времени, разницей во времени на подогреве при использовании ацетилена и газа-заменителя можно пренебречь. В том случае, когда резка производится короткими резами, разницей во времени пренебрегать нельзя, так как она составляет заметную часть общего времени. В этих случаях замену ацетилена производят с таким расчетом, чтобы время нагрева перед резкой, при работе на газах-заменителях, было равно времени нагрева ацетилено-кислородным пламенем. Для этого коэффициенты замены повышают в 1.5-2.5 раза.