Сущность газокислородной сварки

Горючие газы.При газопламенной обработке (сварке, резке, поверхностной обработке, пайке) в качестве источни­ка теплоты используется газовое пламя — пламя горючего газа, сжигаемого для этой цели в кислороде в специальных горелках.

В качестве горючих газов используют ацетилен, водород, природные газы, нефтяной газ, пары бензина, керосина и др. Наиболее высокую температуру по сравнению с пла­менем других газов имеет ацетилено-кислородное пламя, поэтому оно нашло наибольшее применение.

Основным сырьем для получения ацетилена является карбид кальция. Карбид кальция — химическое соедине­ние кальция с углеродом (СаС₂). Его получают в электриче­ских дуговых печах при температуре 1900—2300° С сплав­лением кокса (С) с негашеной известью (СаО) по реакции СаО+3С=СаС₂+СО, Расплавленный карбид кальция сли­вают из печи в специальные изложницы, в которых он осты­вает и затвердевает, после чего его дробят и сортируют по кускам от 2 до 80 мм. Так как карбид кальция активно взаи­модействует с водой и интенсивно поглощает влагу из воз­духа и разлагается, его упаковывают в специальные герме­тичные барабаны из кровельной стали вместимостью 100 и 130 кг.

Ацетилен (С₂Н₂) является химическим соединением уг­лерода и водорода. Его получают в специальных аппара­тах — ацетиленовых генераторах при взаимодействии воды с карбидом кальция (СаС₂). Реакция разложения карбида кальция с образованием газообразного ацетилена и гаше­ной извести протекает бурно со значительным выделением теплоты Q: CaC₂+2H₂O = C₂H₂ + Ca(OH)₂ + Q.

При разложении 1 кг карбида кальция образуется 0,25—0,3 м³ ацетилена. Теоретически для разложения 1 кг карбида кальция требуется 0,562 кг воды, практически бе­рут от 5 до 20 кг воды для разложения и охлаждения.

Ацетилен (С₂Н₂) при нормальных условиях (температу­ра 20°С, давление 760 мм рт, ст.) представляет собой бес­цветный газ с резким специфическим чесночным запахом. Ацетилен легче воздуха — 1 м^я ацетилена при нормальных условиях имеет массу 1,09 кг. Ацетилен взрывоопасен, с воздухом он образует взрывоопасные смеси в пределах от 2,2 до 81 % по объему (ацетилена) при нормальном атмо­сферном давлении, с кислородом - от 2,3 до 93%. Наиболее взрывоопасны смеси, содержащие 7—13% ацетилена. Тем­пература самовоспламенения ацетилена колеблется в пре­делах 500—600°С при давлении 0,2 МПа, при давлении 2,2 МПа — 350°С, присутствие окислов меди снижает тем­пературу воспламенения до 240° С.

Взрывоопасность ацетилена понижается при растворении в жидкостях. Очень хорошо он растворяется в ацетоне. При нормальных условиях в одном объеме технического ацетона растворяется до 20 объемов ацетилена. Растворимость ацетилена в ацетоне увеличивается с увеличением давления и понижением температуры. К месту сварки ацетилен достав­ляется в специальных стальных баллонах, заполненных пористой пропитанной ацетоном массой, под давлением 1,9МПа.

Наряду с получением из карбида кальция ацетилен по­лучают также из природного газа, нефти, угля, что дешевле на 30—40%. Ацетилен, полученный из природного газа, называется пиролизным.

Кроме ацетилена при резке, а также при сварке, пайке, наплавке, газопламенной закалке, металлизации применя­ют и другие более дешевые и менее дефицитные горючие газы и пары жидкостей. При кислородной резке используют горючие газы, которые при сгорании в смеси с кислородом дают пламя с температурой не ниже 2000°С. Применение газов-заменителей дает более высокую чистоту реза при резке металлов малых толщин. При сварке темпе­ратура пламени газа-заменителя должна примерно вдвое превышать температуру плавления свариваемого металла.

Наряду с температурой пламени выбор горючего газа зависит от его теплотворной способности. Теплотвор­ной способностью газа называется количество теплоты в джоулях (килокалориях), получаемое при полном сгорании 1 м³ газа. Для расчетов замены ацетилена другим газом-заменителем пользуются коэффициентом замены аце­тилена. Коэффициентом замены ацетилена (Ψ) называется отношение расхода газа-заменителя (V_З) к расходу ацетиле­на (V_а) при одинаковой эффективной тепловой мощности q_И : Ψ = V_З/ V_а.

Эффективной тепловой мощностью пламени q_И называется количество те плоты, вводимой в нагреваемый металл в единицу времени. Чем выше тепло­творная способность газа и температура пламени, тем выше его эффективная мощность, тем меньше расход газа при сварке и резке. Основные горючие газы и жид­кости:

Водород (Н₂) — горючий газ без цвета и запаха, в 14,5 легче воздуха, взрывоопасен, получают разложением воды электрическим током.

Коксовый газ — бесцветный газ с запахом серо­водорода получают при выработке кокса из каменного угля и состоит из смеси горючих продуктов: водорода, метана и других непредельных углеводородов.

Городской газ — смесь горючих газов (в процентах по объему): метана — 70—95, водорода — до 25 тяжелых углеводородов — 1, азота — до 3, окиси углерода — до 3, двуокиси углерода — до I.

Пропан-бутановые смеси — смеси, состоящие в основном из пропана (C₃H₈)и бутана (C₄H₁₀), бесцветные газы, без запаха, обладают самой большой теплотворной способностью.

Бензин и керосин — продукты переработки нефти, бесцветные легкоиспаряющиеся жидкости.

Кислород при нормальных условиях — это бес­цветный негорючий газ, не имеющий запаха, немного тяже­лее воздуха, 1 м³ его массы равен 1,33 кг. Кислород имеет? высокую химическую активность, образуя соединения со всеми элементами (кроме инертных газов), он активно под­держивает горение с выделением большого количества теп­лоты.

Кислород получают из воздуха в специальных установ­ках. Атмосферный воздух представляет собой смесь, содер­жащую по объему: азота — 78,08%, кислорода — 20,95, инертные газы — 0,94%, остальные — углекислый газ, во­дород и другие газы. Перерабатываемый воздух, проходя через фильтры, очищается от вредных примесей, пыли, углекислоты, осушается, затем сжимается компрессором до давления 20 МПа, после чего охлаждается в теплообменни­ках до сжижения. Разделение воздуха на азот, кислород и инертные газы (аргон, гелий) основано на разнице темпера­тур их кипения и испарения: температура кипения жид­кого азота— 196°С, а жидкого кислорода — 182,9°С при нормальном атмосферном давлении.

При испарении сначала в газообразную фазу будет пе­реходить азот, так как он имеет более низкую по сравнению с кислородом температуру кипения, а остающаяся жидкость будет обогащаться кислородом. Отделенный от азота кислород перекачивается в газгольдеры, из которых и наполня­ются кислородные баллоны до давления 15 МПа. К месту сварки кислород доставляется или в газообразном состоя­нии в кислородных баллонах, или в жидком виде в специаль­ных сосудах с хорошей теплоизоляцией. Для превращения жидкого кислорода в газ используются газификаторы и насосы с испарителями для жидкого кислорода. К рабочим постам газ в этом случае поставляется по системе газопро­водов.

При нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С 1 дм³ жидкого кислорода при испарении дает 860 дм³ газообразного. Поэтому доставка кислорода в жидком со­стоянии позволяет примерно в 10 раз уменьшить массу та­ры, экономить металл на изготовление баллонов, уменьшать расходы на их транспортировку и хранение.

Для сварки и резки (ГОСТ 5583) технический кисло­род выпускается трех сортов: 1-й чистотой не менее 99,7%, 2-й — не менее 99,5, 3-й — не менее 99,2% по объему.

Чистота кислорода имеет большое значение для кисло­родной резки. Чем чище кислород, тем выше скорость реза, чище кромки и меньше расход кислорода.

Газовое пламя. Ацетиленокислородное пламя состоит из трех зон (рис. 1): ядра пламени 1, средней восстановительной зоны 2, факела пламени — окислительной зоны 3. Ядро представляет собой газовую смесь сильно нагретого кислорода и диссоциированного (разложенного) ацетилена — 2C + H₂ +O₂, ядро выде­ляется резким очертанием и ярким све­чением. Горение начинается на внеш­ней оболочке ядра и продолжается во второй зоне. В зоне 2 происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кисло­рода, поступающего из баллона по реакции 2C + H₂ +O₂ → 2CO +H₂. Зона 2, имею­щая самую высокую температуру и обладающая восстанови­тельными свойствами, называется сварочной или рабочей зо­ной. В зоне 3 (факеле) протекает вторая стадия горения аце­тилена за счет атмосферного кислорода по реакции 2C + H₂ +½O₂ → 2CO₂ +H₂O. Углекислый газ и пары воды при высоких температурах окисляют железо, поэтому эту зону называют окислительной. Для полного сгорания одного объема ацетилена требует­ся два с половиной объема кислорода: один объем поступает из кислородного баллона и полтора объема — из воздуха. Для полного сгорания одинакового объема различных газов требуется различное количество кислорода. Газовое пламя нагревает металл вследствие процессов теплообмена — вынужденной конвекции и излучения. Тепловые характеристики газового пламени (температура, эффективная тепловая мощность, распределение теплового потока пламени по пятну нагрева) зависят от теплотворной способности горючего газа, чистоты кислорода и их соотно­шения в смеси.

Температура газового пламени (°С) неодинакова в раз­личных его частях и достигает наибольшего значения на оси пламени, вблизи конца ядра. Тепловую мощность газового пламени, получаемого в сварочных горелках, условно оце­нивают часовым расходом ацетилена (л/ч).

Эффективная мощность пламени q_И, т. е. количество теплоты, вводимой в нагреваемый металл в единицу времени, возрастает с увеличением расхода газа.

Эффективный к. п. д. процесса нагрева металла η_И газо­вым пламенем, определяемый как отношение эффективной мощности q_И к полной мощности пламени q, равен η_И = q_И/q = q_И/(kV_a), где k·V_a — полная тепловая мощность ацетиленокислородного пламени; k — коэффициент, k ≈ 0,84; η_И зависит от мощности пламени и меняется в пре­делах от 0,8 (малая мощность) до 0,25 (большая мощность).

Газовое пламя является рассредоточенным источником теплоты. Наибольший тепловой поток на оси ацетиленокислородного пламени обычной сварочной горелки в 8—12 раз меньше, чем у открытой сварочной дуги примерно оди­наковой эффективной мощности, поэтому газовое пламя нагревает металл медленнее и плавнее, чем сварочная дуга.

 

 

Технология газовой сварки.Сущность газовой сварки. Газовая сварка — это сварка плавлением, при которой металл в зоне соединения нагрева­ют до расплавления газовым пламенем (рис. 2). При нагре­ве газовым пламенем 4 кромки свариваемых заготовок 1 расплавляются вместе с присадочным металлом 2, который может дополнительно вводиться в пламя горелки 3. После затвердевания жидкого металла образуется сварной шов 5.

К преимуществам газовой сварки относятся: простота способа, несложность оборудования, отсутствие источника электрической энергии. Оборудование поста для газовой сварки показано на рис. 3. К недостаткам газовой сварки относятся: меньшая производительность, сложность меха­низации, большая зона нагрева и более низкие механичес­кие свойства сварных соединений, чем при дуговой сварке.

Газовую сварку используют при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали толщиной 1—3 мм, сварке чугуна, алюминия, меди, латуни, наплавке твердых сплавов, исправлении дефектов литья и др.

 

 

 

Параметры режима. В зависимости от свариваемого ма­териала, его толщины и типа изделия выбирают следующие основные параметры режима сварки: мощность сварочного пламени, вид пламени, марку и диаметр присадочной про­волоки, флюс, способ и технику сварки.

 

Рис. 4 Виды газового пламени: а – нормальное; б – науглероживающее; в – окислительное, (1 – ядро, 2 – восстановительная зона, 3 – факел пламени)

 

Тепловую мощность сварочного пламени определяют расходом ацетилена, проходящего

за один час через горел­ку. Она регулируется сменными наконечниками горелки (номером наконечника, чем он больше, тем больше мощность). Мощность определяют по эмпири­ческой формуле Q_a = AS, где Q_a — расход ацетилена, дм³; S — толщина металла, мм; A — коэффициент, определяе­мый опытным путем, дм³/(ч·мм); для углеродистых сталей А = 100—130, для меди — 150, для алюминия — 75.

Для сварки различных металлов требуется определен­ный вид пламени (рис. 4) — нормальное (β=V_{кислорода}/V_{ацетилена} = 1–1,3), окис­лительное (β >1,3) или науглероживающее (β<1). Газосвар­щик устанавливает и регулирует вид сварочного пламени на глаз. Нормальным пламенем сваривают большинство ста­лей. Окислительным пламенем, которое имеет голубоватый оттенок и заостренную форму ядра, используют при сварке латуни. Науглероживающее пламя, которое становится коптящим, удлиняется и имеет красноватый оттенок, ис­пользуют в основном для сварки чугуна для компенсации выгорающего при сварке углерода.

Перед сваркой кромки соединяемых элементов и примы­кающие к ним поверхности на участке 20—40 мм (с каждой стороны) должны быть зачищены до металлического блеска от ржавчины, масла и других загрязнений металлическими или круглыми приводными щетками, иногда напильниками или наждачной бумагой. При сварке ответственных деталей применяют пескоструйную или дробеструйную обработку, механический режущий инструмент, реже — химическую очистку специальными пастами на кислотной основе.

Присадочный материал для газовой сварки применяют в виде проволоки, литых прутков и гранулированного по­рошкообразного металла (при наплавке твердыми сплавами).

Сварочная проволока для газовой сварки и наплавки поставляется по тем же техническим условиям, что и для дуговой сварки. Стальная сварочная проволока из низко­углеродистых, легированных и высоколегированных ста­лей — по ГОСТ 2246; сварочная проволока из алюминия и алюминиевых сплавов — по ГОСТ 7871, сварочная проволока и прутки из меди и сплавов на медной основе — по ГОСТ 16130.

Прутки чугунные для сварки и наплавки выпускаются по ГОСТ 2671, и в зависимости от назначения изготовля­ются следующих марок: А — для горячей газовой сварки (с общим подогревом изделия); Б — для газовой сварки с местным подогревом и для электродных стержней; НЧ-1 и НЧ-2 для низкотемпературной газовой сварки толстостен­ных отливок; БЧ и ХЧ — для износостойкой наплавки.

Для защиты расплавленного металла от окисления и уда­ления образующихся окислов при газовой сварке применя­ют легкоплавкие сварочные флюсы. Флюсы можно вводить в сварочную ванну различными способами: подсыпать в зо­ну сварки рукой, ложечкой; составлять пасты и наносить их па кромки свариваемых деталей и присадочный материал; вводить в порошкообразном и газообразном виде непосредственно в сварочное пламя через горелку.

В качестве флюсов используют буру, борную кислоту, окислы и соли бария, калия, лития, натрия, фтора и др. Например, при сварке чугуна чаще всего в качестве флюса используют порошкообразную прокаленную буру (Na₂B₄O₇) или смесь ее с другими легкоплавкими солями щелочных металлов.

Бура при разложении в зоне сварки выделяет Na₂O и В₂О₃, которые активно взаимодействуют с окислами, пере­водя их в шлак. При сварке алюминия и его сплавов при­меняют флюс марки АФ-4а, содержащий 50% хлористого калия, 14% хлористого лития, 8% фтористого натрия и 28% хлористого натрия. Флюс разводят дистиллированной водой и наносят на свариваемые кромки и присадочный пруток в виде пасты.

При сварке меди и ее сплавов наряду с порошкообраз­ными флюсами на основе буры хорошее качество достигается применением флюса БМ-1, состоящего из 25% метилового спирта и 75% метилбората, или флюса БМ-2, состоящего из одного метилбората В(СН₃0)₃. Эти флюсы вводятся в сва­рочную ванну в виде паров вместе с ацетиленом с помощью специального флюсопитателя, через который пропускается ацетилен перед поступлением в горелку.

 

Техника сварки.В практике применяют два способа сварки — правый и левый (см. рис. 2). При правом способе сварку ведут слева направо, сварочное пламя направляют на сваренный участок шва, а присадочную проволоку перемещают вслед за горелкой. Так как при правом способа пламя направлено на сваренный шов, то обеспечиваются лучшая защита сварочной ванны от кислорода и азота воздуха, большая глубина проплавления, замедленное охлаж­дение металла шва в процессе кристаллизации. Теплота пла­мени рассеивается меньше, чем при левом способе, поэтому угол разделки кромок делается не 90 °, а 50—70°, что умень­шает количество наплавленного металла и коробление. При правом способе производительность на 20—25% выше, а расход газов на 15—20% меньше, чем при левом. Правый способ целесообразно применять при сварке металла тол­щиной более 5 мм и металлов с большой теплопроводно­стью.

При левом способе сварку ведут справа налево, свароч­ное пламя направляют на еще не сваренные кромки метал­ла, а присадочную проволоку перемещают впереди пламени. При левом способе сварщик хорошо видит свариваемый металл, поэтому внешний вид шва лучше, чем при правом способе; предварительный подогрев кромок свариваемого металла обеспечивает хорошее перемешивание сварочной ванны. Благодаря этим свойствам левый способ наиболее распространен и применяется для сварки тонколистовых материалов и легкоплавких металлов,

Мощность сварочной горелки при правом способе выби­рают из расчета 120—150 дм³/ч ацетилена, а при левом — 100—130 дм³/ч на 1 мм толщины свариваемого металла.

Диаметр присадочной проволоки выбирают в зависимос­ти от толщины свариваемого металла и способа сварки. При правом способе сварки диаметр присадочной проволоки d=S/2 мм, но не более 6 мм, при левом d—S/2+l мм, где S — толщина свариваемого металла, мм.

Скорость нагрева регулируют изменением угла наклона, а мундштука к поверхности свариваемого металла (рис. 5, а). Чем толще металл и больше его теплопроводность, тем больше угол наклона мундштука к поверхности сваривае­мого металла.

В процессе сварки газосварщик концом мундштука горелки совершает одновременно два движения: поперечное (перпендикулярно оси шва) и продольное (вдоль оси шва; рис. 5), Основным является продольное движение. Попе­речное движение служит для равномерного прогрева кромок основного металла и получения шва необходимой ширины. Газовой сваркой можно выполнять нижние, горизон­тальные (на вертикальной плоскости), вертикальные и потолочные швы. Горизонтальные и потолочные швы обычно выполняют правым способом сварки, вертикальные снизу вверх — левым способом.

Наплавку газокислородным пламе­нем применяют редко из-за относительно больших де­формаций наплавляемых деталей. Газокислородное пламя используют главным образом для наплавки литыми тверды­ми сплавами.

 

Рис. 5. Углы наклона мундштука горелки при сварке различных тол­щин (а) и способы перемещения мундштука горелки (б): 1 — с отрывом горелки, 2 — спиралеобразный, 3 — полумесяцем, 4 — волнистый.