手工自蔓延切割技術(shù)的切割過程

吳永勝，辛文彤，袁東升，王松葉

?

手工自蔓延切割技術(shù)的切割過程

吳永勝1，辛文彤2，袁東升1，王松葉1

（1．武漢軍械士官學(xué)校，湖北武漢，430075；2．軍械工程學(xué)院，河北石家莊，050003）

以切割筆為切割材料、工業(yè)用Q235鋼為切割試件進(jìn)行了手工自蔓延切割。通過對(duì)切割試件切口斷面進(jìn)行掃描電鏡（SEM）顯微觀察及能譜儀（EDS）元素分析，分析了手工自蔓延切割技術(shù)的切割過程，研究表明手工自蔓延切割技術(shù)是一種熔斷切割加工方法。并提出了提高手工自蔓延切割技術(shù)切割效率的途徑。

手工蔓延切割技術(shù)；切割筆；切割過程

切割技術(shù)是戰(zhàn)場(chǎng)上武器裝備快速搶修必不可少的重要技術(shù)，也是部隊(duì)和平時(shí)期軍械裝備各級(jí)修理和搶險(xiǎn)救災(zāi)（如地震、水災(zāi)、雪災(zāi)等）以及消防破拆中必不可少的重要技術(shù)之一。目前常用的是等離子切割或氣割方法，然而等離子切割需要大功率電源和沉重昂貴的設(shè)備，靈活機(jī)動(dòng)性差；氣割需要高壓儲(chǔ)氣設(shè)備，給工作帶來安全隱患[1]。因此，開發(fā)一種無需外界能源和設(shè)備、使用方便的切割筆，對(duì)完成野外緊急情況下的快速搶修，具有十分重要的意義。手工自蔓延切割技術(shù)是以燃燒合成反應(yīng)放出的熱量為高溫?zé)嵩矗瑢⒐ぜ植考訜崛刍?，利用燃燒合成反?yīng)的吹力吹除熔渣和熔融金屬，實(shí)現(xiàn)金屬切割的一種熱熔斷切割方法。其切割材料是切割筆[2]，由高熱劑、造氣劑、造渣劑和合金劑等組成。手工自蔓延切割技術(shù)作為一種特殊的熱切割技術(shù)，與其他熱熔斷切割技術(shù)有差別，故對(duì)手工自蔓延切割技術(shù)的切口形成過程進(jìn)行分析非常必要，能為提高切割效率和切口質(zhì)量提供相關(guān)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用表1所示配方，制作成直徑12mm、長(zhǎng)度140mm的切割筆為切割材料。切割試件為工業(yè)用Q235鋼，規(guī)格為70mm×40mm×5mm，化學(xué)成分見表2。試驗(yàn)采用平板切割，切割時(shí)切割速度為7~8 mm·s-1，切割傾角為80~90°，燃弧長(zhǎng)為5~10mm，切割所得試樣如圖1所示。

表1 切割筆成分 (%)

Tab.1 The chemical compositions of the cutting pen

表2 Q235鋼的化學(xué)成分[3]（%）

Tab.2 The chemical compositions of Q235

圖1 試樣選取部位

首先參照?qǐng)D1中位置縱向取樣以觀測(cè)切口的形成，切取試樣大小為10mm×6mm×5mm。對(duì)所切取的試樣進(jìn)行初步磨平，然后進(jìn)行試樣鑲嵌、研磨、拋光，得到滿足顯微組織顯示要求的金相試樣。最后采用化學(xué)試劑浸蝕法顯示金相顯微組織，針對(duì)本文試驗(yàn)材料Q235，顯示劑選用硝酸酒精溶液（HNO34mL，95%酒精100mL），試件在顯示劑中浸蝕30s即可成功顯示金相組織。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

手工自蔓延切割技術(shù)利用切割筆進(jìn)行切割，整個(gè)切割筆切割過程可分為互有關(guān)聯(lián)的4個(gè)階段：首先，起割點(diǎn)處的金屬表面由燃燒弧加熱熔化，初步形成熔池；接著切割筆反應(yīng)產(chǎn)物和熱量進(jìn)一步作用熔池，熔池向金屬下層遞進(jìn)；然后切割筆所形成的吹力排除上層熔渣，沿厚度方向割開金屬；最后利用熔渣的預(yù)熱和切割筆產(chǎn)生的熱量將切口前緣的金屬上層加熱熔化形成熔池。上述過程不斷重復(fù)，切割過程就連續(xù)地進(jìn)行。

如圖2所示，圖2（a）為按圖1中位置切口取樣，圖2（b）為手工自蔓延切割技術(shù)切口形成示意圖。切割筆燃燒合成產(chǎn)生高溫使反應(yīng)產(chǎn)物形成熔滴，熔滴呈液態(tài)噴射到試件表面，由于熔滴溫度遠(yuǎn)高于試件的熔點(diǎn)，使試件部分熔化形成熔池。圖2（b）區(qū)域1中，因切割筆燃燒弧直接作用于試件上表面，熱量散失較小，并且由于熔池?zé)醾鲗?dǎo)和熔渣的預(yù)熱作用，故切口前緣熔化速度最快，且切口前壁雖有傾斜，但切割速度在一定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，前壁的傾斜度變化不大。此時(shí)，切割筆反應(yīng)生成物及熔融金屬以較快的速度向下流進(jìn)后方熔池中。

(a) (b)

圖3為區(qū)域1切口熔敷層微觀組織及成分分析結(jié)果。由圖3可見，此區(qū)域中切割面銅鐵合金銅含量最高，由于熱量散失小，切割筆吹力直接作用，試件熔化后熔融金屬迅速流向后方熔池中，切割筆自蔓延反應(yīng)所產(chǎn)生的銅與少量鐵粘附于切割面，形成銅鐵合金層，所以在此區(qū)域銅含量明顯高于鐵含量。由SEM照片可以看出，銅鐵合金互溶性差，此區(qū)域中銅鐵合金以富銅相為主，少量富鐵相樹枝晶分散在富銅相之間。

圖3 區(qū)域1切口熔敷層微觀組織及成分分析

在圖2（b）區(qū)域2，區(qū)域1中切割筆反應(yīng)生成物及熔融金屬在此區(qū)域形成較長(zhǎng)熔池，由于熔池中切割筆反應(yīng)生成物及熔融金屬聚集，切割筆燃燒弧的熱量不能直接作用在試件，只能作用在熔池上，依靠熔池內(nèi)部高溫過熱液態(tài)金屬及熔渣，以對(duì)流為主的傳熱方式作用于試件下層金屬而達(dá)到試件熔化的目的。與此同時(shí)，切割筆向前運(yùn)動(dòng)并與切割方向形成一定傾角，切割筆所產(chǎn)生的吹力方向與切割所進(jìn)行的方向相反，熔池中的液態(tài)金屬及熔渣在吹力作用下向切口后部流動(dòng)。

對(duì)區(qū)域2切口熔敷層黑色選框SEM觀測(cè)并進(jìn)行EDS面掃描，如圖4所示，此區(qū)域中銅含量明顯下降，鐵含量顯著上升。

圖4 區(qū)域2切口熔敷層微觀組織及成分分析

與區(qū)域1相反，此區(qū)域中銅鐵合金以富鐵相為主，少量富銅相分散在富鐵相之間。分析認(rèn)為：在切割過程中，試件形成熔池后，由于切割筆熱量作用于熔池表面，使得作用時(shí)間加長(zhǎng)，熔融金屬停留時(shí)間增長(zhǎng)，試件熔化后進(jìn)入熔池，使鐵含量增加；另一方面切割筆生成的富銅合金部分在區(qū)域1凝固，使得熔池中銅含量相對(duì)減少，所以此區(qū)域凝固所形成的銅鐵合金以富鐵相為主。

在區(qū)域3中，試件熱傳導(dǎo)對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，由熔池流出的液態(tài)金屬及熔渣提供熱量熔化試件形成切口。此區(qū)域主要熱源為金屬流和熔渣流，熱源所提供的熱量相對(duì)較小，形成一定的后拖量，導(dǎo)致形成切口速度較慢。但減少了切割筆對(duì)試件的燒蝕，試件熔化減弱，所以切口寬度變窄。

對(duì)區(qū)域3切口熔敷層黑色選框SEM觀測(cè)并進(jìn)行EDS面掃描，如圖5所示，由圖5可知，此區(qū)域銅鐵合金由熔池流出形成，熔融銅鐵合金在流出熔池前，受到熔池對(duì)流、吹力攪拌等作用，混合較為均勻，故在此區(qū)域銅鐵含量基本相當(dāng)，富鐵相與富銅相均勻分布。由于在此區(qū)域形成一定的后拖量，流速逐漸減緩的金屬流和熔渣流進(jìn)一步受到阻礙，熔融金屬凝固切口和試件底部，使得切口熔敷層厚度明顯增加，在試件底部形成金屬瘤，熔渣少量夾雜進(jìn)入金屬。

圖5 區(qū)域3切口熔敷層微觀組織及成分分析

3 結(jié)論

手工自蔓延切割技術(shù)是在無電源和氣源條件下，將裝入特制藥管中的切割用特殊切割劑引燃，切割劑在藥管中燃燒反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，以及高溫熔融金屬與熔渣混合熔體、氧氣等氧化性氣體；產(chǎn)物高速射向被切割金屬表面使表層熔化形成熔池，切割筆中的合金劑和造渣劑進(jìn)入熔池，強(qiáng)烈的化學(xué)冶金反應(yīng)降低了熔融金屬和熔渣的凝固點(diǎn)，有效增加熔池熔深，氧氣等氧化性氣體對(duì)試件有氧化作用，產(chǎn)生一定熱量，與此同時(shí)，切割筆所產(chǎn)生的吹力吹除熔渣且加速熔融金屬的流動(dòng)，從而形成切口、實(shí)現(xiàn)熱切割。因此，從宏觀上來說，手工自蔓延切割技術(shù)是將切割筆自蔓延高溫合成反應(yīng)的化學(xué)過程和借助切割筆吹力排除熔渣的物理過程相結(jié)合的一種熔斷切割加工方法，集中切割筆能量可提高切割筆能量利用率，加大切割筆吹力能提高切割筆的切割效率。

[1] Commission I of the ⅡW. Some historical notes on thermal cutting processes[J].Welding in the World,1980, 18(1/2):23-27.

[2] 吳永勝,辛文彤,李志尊,李寶峰.切割用燃燒型焊條高熱劑的研究[J].熱加工工藝,2009,38(21):144-146.

[3] 祝燮權(quán).實(shí)用金屬材料手冊(cè)[M].上海:科學(xué)技術(shù)出版社, 1993.

Cutting Process of Manual SHS Cutting Technology

WU Yong-sheng1，XIN Wen-tong2，YUAN Dong-sheng1，WANG Song-ye1

(1. Wuhan Ordnance N.C.O Academy of PLA，Wuhan，430075；2. Ordnance Engineering College，Shijiazhuang，050003)

The manual self-propagating high-temperature synthesis (SHS) cutting technology was carried out, based on industrial Q235 steel specimen as tester and cutting pen as cut material. The kerf was analyzed by SEM and EDS, as well as the cutting process was studied. The study show that manual SHS cutting technology is considered to be a fuse cutting process method. Meanwhile, the way to improve efficiency of manual SHS cutting technology is proposed.

Manual SHS cutting technology；Cutting pen；Cutting process

1003-1480（2015）05-0014-03

TJ45+9

A

2015-05-28

吳永勝（1985 -），男，講師，主要從事自蔓延焊接與切割技術(shù)研究。