切割工艺

切割工艺到此为止讨论的都是连接金属的方法。金属制造中另一个重要的工艺就是那些用于切割或去除金属的工艺。这些工艺常常应用于焊接形成适当形状或接头准备之前。在焊接时或在焊接之后，如果焊好的形状不满足部件的预期目的，运用这些工艺以去除焊缝上的缺陷区域或形成所需的形状，。氧-可然气体切割（OFC）切割工艺的第一种是氧燃料气体切割。就是用氧燃料火焰加热金属到其容易被氧化或燃烧的温度。所需的温度被称为燃点，并且对于钢来说，这温度是大约1700F（925C）。一旦达到这一温度，高压切割氧气流就冲到已加热的表面上，产生氧化反应。该氧气流也会去除焊渣以及由于氧化反应所产生的氧化残留物。因此可以认为OFC是一种化学切割工艺。图3.56所示的是切割碳钢时的火炬布置图。用于OFC的设备基本与OAW的相同，除了他用切割附件来替代焊嘴，该切割附件包括增加了调节杆或阀以打开切割氧，图3.57所示的是可在大部分焊接和制造车间中看到的典型的OFC设备。切割操作还需要一个特殊的割嘴装在割炬的头上。割嘴端部外缘上排列着一系列小孔。这些小孔就是让氧燃料气体混合物流出为切割提供预热。在这些孔的中央的是切割氧通道。图3.58是一典型切割嘴的横截面图。用于手工或机械切割的火炬在图3.59中说明。要注意的是可以用几种不同的燃料气体，如乙炔，甲烷，丙烷，汽油以及甲基乙炔－丙二烯。每种气体效率不同，并且可能会在切割嘴上要求作小小的改动。当选择适当燃料气体时，应该要考虑的其它因素包括所需的预热时间，切割速度，成本，有效性，使气体充分燃烧所需的氧气量，以及运送燃料容器的方便性和安全性。切割是用氧燃料混合物的预热火焰加热部件来完成的。一旦金属被加热到它的氧化温度，打开切割氧气进行热金属的氧化。金属的氧化会产生巨大的热量。这种放热的化学反应提供了迅速熔化金属并同时把氧化物从接头上吹走的必要的热量。如图3.60所示，所产生的切割的宽度被称为切缝。另外，该图也显示出了后拖量，就是在切割进入和退出之间沿着割口边缘所测得的偏移量。虽然OFC广泛地运用在大部分行业，但通常只限于碳钢和低合金钢的切割。随着各种合金元素量的增加，可能会使得钢更加难于切割，会使金属硬化或者产生热裂切割表面，二者出现其一，或二者同时出现。各种合金元素的影响在表3.61中概述。表3.61－化学元素对氧燃料切割的影响元素元素在氧气切割中的影响碳含碳量低于0.25%的钢切割没有难度。含碳量更高的碳钢应该预热以防止硬化或裂纹。石墨和碳化铁不利于切割，但含有4%碳的铸铁可以用特殊的技术切割。锰含有14%锰及1.5%碳的钢是难以切割的，应该预热以期最好的效果。硅通常含量的硅对切割是无影响的。含有4%硅的变压器铁蕊也可切割。含有大量碳和锰的硅钢必须进行预热和切割后退火以防止空气硬化和表面裂纹。铬含铬量低于5%的钢当表面清洁时切割没有太大的难度。如含铬10%的高铬钢需要特殊技术，并且当使用通常氧气乙炔切割工艺时切口粗糙。总的来说，在切割这种钢时，要用碳化焰预热。药剂注入和铁粉切割工艺可以在通常整齐的铬钢铁以及不锈钢上容易地切割。镍含镍量低于3%的钢可以用普通的氧气切割工艺；含镍量低于7%时，切口也非常满意。用药剂注入或铁粉切割工艺可以在通常的不锈钢（18－8到大约上限为35－15）的工程合金上得到高质量的切割。钼这种元素对切割的影响与铬基本相同。制造飞机用的铬－钼钢可以毫无困难的切割。然而高钼－钨钢可能只能用特殊技术来切割。钨通常含钨量低于14%的合金可以非常容易地切割。但更高含量的钨合金切割是困难的。最大钨含量限度约为20%铜含铜量低于2%的合金，铜对切割是没有影响的。铝除非大量的存在（大约10%），否则铝对切割没有什么影响。磷该元素以钢中所规定的量存在时，对切割没有影响。硫如在钢中存在的小量的硫，对切割没有影响。随着含量的上升，切割速率会降低，需注意二氧化硫烟雾。钒通常在钢中存在的钒量，是改善切割，而不是影响切割。正如所看到的，在大多数的情况下，一定量的合金元素的加入防碍常规的OFC。在许多情况中，这些元素是抗氧化型的。为了使氧燃料切割有效地完成，材料必须符合下列条件：（1）它必须有能在氧气中燃烧的能力（可燃性），（2）它的燃点要比熔点低，（3）它的热导性应该相对的低，（4）所产生的金属氧化物必须在低于该金属熔点的某个温度下熔化，（5）所形成的渣必须低粘度。因此，为了用这种工艺切割铸铁或不锈钢，要求必要的特殊技术以及附加设备。这些技术包括火炬摆动，废板的利用，送丝，铁粉切割以及熔剂切割。OFC的优点包括它的相对便宜及便携式的设备，使得它可以在车间和现场使用。可以切割薄或厚截面。随着厚度增加，通常更容易切割。当机械化时（如图3.62），OFC可以产生相当精确的切割。当与机械切割方法相比，钢的氧燃料切割更经济。为了进一步地提高效率，使用多火炬系统或层叠切割，可一次切割几层。OFC的缺点之一是切割完成后需要进一步的清理或打磨才可以焊接。另一个重要缺点是因为它要求高温，会产生高硬度的热影响区。特别是如果该表面需要机加工，这是很重要的。预热及切割后加热的应用将有助于缓解这一问题。另外，即使切割可以相当精确，它们仍不能与机械切割方法的精确性相比。最后，所产生的火焰和热渣会造成在切割操作附近人员的安全危害。空气碳弧切割（CAC－A）另一个非常有效的切割工艺就是空气碳弧切割。该工艺采用碳棒产生用于加热的电弧，伴随着高压压缩空气流，机械化地去除熔化了的金属。图3.63所示的是这一工艺的运用。用于CAC－A的设备是由一恒流电源和与之相连特殊电极夹具以及压缩空气供应所组成。如图3.64所示的这特殊的夹具将碳棒夹在铜钳口上，其中的一个钳口有一系列的洞，这些洞是用来输送压缩空气的。进行切割时，碳棒靠近工件以产生一电弧。一旦电弧熔化金属，压缩空气被启动，吹走熔化了的金属而产生槽或切口。夹具连接至电源及压缩空气源。任何不可燃的压缩气体都可以用，但至今为止，压缩空气是最便宜的。图3.65所示的是空气碳弧切割的整个系统。CAC－A特别是因为它能用于切割任何金属，而在许多行业中应用。即使它能切割所有的金属，但对于特别的合金，需要考虑其它的切割方法。图3.66所示的是CAC－A几种金属和合金切割的电流型式和极性。当我们试图考虑用切割来去除焊缝或母材上的带缺陷的区域时，应该认识到切割可十分有效地用于焊接接头的准备。例如，对接的二部件以方形坡口接在一起。然后CAC－A工艺可用来完成图3.67所示的均匀的U型坡口。CAC－A也用于大而复杂部件的粗加工。表3.66－CAC－A对各种金属的电源要求金属电流型式焊条极性铝DC正CAC－A的基本优点之一是它是去除铜和合金AC无金属的相对有效的方法。它有能力切割铁，铸造的，可锻造的，等等。DC负任何金属。因为它所用的电源与某些焊镁DC正接所用的相同，所以设备费用很小。所镍和合金AC无必要的就是购买夹具夹具可以连接到碳钢DC正一已有的电源以及压缩空气源上。不锈钢DC正这种工艺的主要缺点是有关安全。因为它固有的噪杂和肮脏的加工过程。因此，操作工可能要用耳罩以降低噪音程度，并且通过过滤器呼吸以消除所产生的金属颗粒的吸入。也可能要求有火警戒以保证所切出的金属滴不会引起火灾。另一缺点就是所切好的金属在进一步焊接前需要清理。在切割中，可能会渗碳。等离子弧切割（PAC）最后一个要介绍的热切割方法是等离子弧切割。除了是要用于去除金属而不是把金属连接在一起之外，这个工艺大部分与PAW的相同。设备要求也相似，除了所要求的电源要比用于焊接要更高一些。由于母材要增加加热，所以要求转移弧型的焊把。典型的手工或机械切割型的PAC焊把如图3.68所示，在图3.69中所示的是整套PAC设备。对于机械化的PAC切割，不仅焊把是内部水冷却的，而且实际的切割是在水或油下进行的，以减少噪音和粉尘程度。它的主要用途是切割非铁基金属，但也常常用于切割碳钢。它的优点包括能切割OFC切割不了的金属，高质量切割以及增加了碳钢的切割速度。它的一个缺点是总的切口太大并且切割边缘可能不平整。如果希望的话，要用如水喷等特殊技术来改善边缘轮廓。另一缺点是与氧燃料切割相比，其设备成本较高。机械切割最后让我们来简单地讲一下与焊接一起使用的机械切割方法。这些方法包括剪切，锯，磨，轧制，车，弯曲，成型，钻，刨以及凿。它们可以用于接头准备，焊缝成型，部件制备，表面清理和焊缝中缺陷的去除。请见图3.70。焊接检验师应该知道如何使用这些方法。这些方法的错误应用可能会降低最终焊缝质量。如，许多这些方法用切割液来帮助操作。如果这些流体在焊接前没有完全清理干净，就可能产生诸如气孔和裂纹等缺陷。小结在金属制造中使用许多连接和切割工艺。知道各种各样工艺基础的焊接检验师能在它们进行之前或当中发现问题。技术水平与实践中获得的经验相结合可以使得焊接检验师能更好地进行焊缝的目视检验。关键术语和定义AC－交流电流；在中国，极性变化是每秒50次。合金－具有金属特性的物质，并由二个或更多的元素组成，其中至少有一个是金属元素。字母数字－运用于命名中的数字和字母的组合。安培－测量电流强度的标准单位。电弧偏吹－由于电磁力的作用，焊接电弧偏移其正常的路径。电弧长度－从电极的尖端到熔池表面的距离。钎焊（硬钎焊）－使用填充金属连接材料而母材不熔化，熔点大于840F（450C）。见软钎焊。毛细作用－在钎焊中，使与固体所接触的液体在要钎焊的接头紧密接触表面之间分布的力。碳钢－铁和小量碳的混合物。渗碳－在焊接中，用于描述多余的碳渗入热金属表面的术语。在空气碳弧切割，CAC－A中可能出现。结合－二个或多个材料连接在一起规范－由一城市，市政当局，州或国家所采用的文件，具有法律效应。DC－直流；恒定的电极DCEN－直流电流，电极接负极。称为直流正接。DCEP－直流电流，电极接正极。称为直流反接。不连续－在材料结构中的任何中断；并不一定是缺陷。后拖量－在OFC和PAC中，在切割进入点与退出点之间沿着切割边缘测量的偏移量。电极－在电弧，熔化的导电焊渣或母材上终止的电路上的一元件。接合面－一个部件与另一部件连接时接触或非常接近的的配合表面。铁基的－描述金属主要由铁为基础而组成，如钢的术语。填充金属－加入焊接，钎接的金属或合金。焊剂－用于阻止氧化物或其它不期望物在熔化的金属和固体金属表面的材料，并能熔化或帮助去除这些物质。夹渣－陷入的杂质材料，如焊渣，焊剂，钨或氧化物。未熔合－在焊接金属熔合面或连接的焊道之间没有熔合出现的一焊接不连续。接头未焊透－在坡口焊缝中跟部的焊缝金属没有贯穿整个接头厚度。惰性气体－不能与其它材料化学地相结合的气体。氩和氦是在焊接中最常用到的。切口宽度－在切割工艺中产生的切口的宽度。小孔效应焊接－在工件上穿透工件的孔。当进行焊接时，熔化了的金属在小孔后流动形成焊缝。ksi－每平方英寸一千磅的命名。70,000psi就等于70ksi。低合金钢－是一种铁和碳的合金，加入其它元素以提高强度。非铁基的－除铁基合金外的合金。铜，镍和铝合金都是非铁基的。阻尼孔－在焊接中，用于控制或压缩材料流动的小孔。等离子－在焊接中，离子化的气体流气孔－由于在固化中由残留气体而形成的空穴状的不连续。位置－在焊接中，焊池，接头，连接件以及焊接加热源之间的相互关系。例如，平面的，水平的，垂直的以及上面的。前缀－一字母或数字加在一项目的开始以改变它的意义。方向－在焊接中，该术语用于垂直焊接的方向，上坡焊和下坡焊。psi－每平方英寸磅活泼气体－能够与其它材料化学地相结合的气体。沸腾钢－含碳量极低的，带有框的或表面有浅深的钢的钢。通常在炼钢时出现。保护－防止污染。渣－在某些焊接和钎焊工艺中，焊剂和非金属杂质熔化产生的非金属物。软钎焊－用金属熔点低于840F（450C）的填充金属，而不熔化母材的连接材料方法。固溶体－对金属言，就是一种固体熔于另一固体中。飞溅－在熔化焊中，没有形成焊缝的那部分飞出的金属颗粒。后缀－一字母或数字跟在一项目后面通常改变它的意义。拉伸强度－通常是以每平方英寸多少磅来计；用横截面积除以最大载荷来计算。国际标准单位是兆帕。咬边－熔