Газовая сварка: оборудование, материалы, технология процесса

Важная область сварочного производст­ва — газопламенная обработка, охватывающая такие технологические процессы, как газовая сварка и рез­ка, наплавка и пайка, местная термическая обработка, сварка неметаллических материалов и др. Эти процес­сы довольно широко применяют в сельскохозяйствен­ном производстве при ремонте. Из способов газопла­менной обработки наибольшее применение находят га­зовая сварка, пайка и кислородная резка.

Газовая сварка относится к сварке плавлением, при которой кромки соединяемых кусков металла нагревают газокислородным пламенем. Высокая температура на­грева достигается в результате сгорания горючего газа (ацетилен, водород, бутан, пропан и др., а также пары бензина и керосина) в смеси с технически чистым кис­лородом.

Кислород, используемый в качестве окислителя, — газ без цвета и запаха. Плотность его при 0°С и дав­лении 100 МПа равна 0,00143 т/м³. При охлаждении до —182,97 °С и давлении 100 МПа кислород превраща­ется в жидкость голубоватого цвета. Кислород получают из воздуха, сжиженного при глубоком охлаждении, на разделительных установках. Одновременно отделяют аргон и азот. Кислород можно получить также хими­ческим способом или электролизом воды.

Карбид кальция (СаС₂) — основное сырье для полу­чения ацетилена. Карбид кальция производят в элект­рических печах спеканием кокса или антрацита с нега­шеной известью по эндотермической реакции: СаО + + ЗС = СаС₂ + СО + .452,5 кДж/моль.

Полученный карбид кальция в виде камнеобразной массы темно-серого цвета размельчают и сортируют на куски размером от 2 до 80 мм. Карбид кальция хранят и транспортируют в герметичных железных барабанах массой 50.. .130 кг.

Ацетилен (С₂Н₂) получают в генераторах при раз­ложении карбида кальция водой. Реакция протекает с выделением значительного количества теплоты: СаС₂ + + 2Н₂О = С₂Н₂+^|Са(ОН)₂+127,3 кДж/моль.

При разложении 1 кг карбида кальция образуется около 285 дм³ ацетилена.

Ацетилен широко применяют в сварочном производ­стве. При горении в чистом кислороде он дает наиболее высокую температуру пламени (до 3200°С) и выделяет наибольшее количество тепла (52,6 МДж/м³). Ацети­лен — бесцветный газ со специфическим запахом, лег­че воздуха и кислорода, плотность ацетилена 0,00171 т/м³ при 0°С и давлении 100 кПа. Воспламеня­ется ацетилен при температуре 420 °С. Взрывоопасен в смеси с воздухом при содержании 2,2.. .82 % и кисло­родом— 2,3.. .93 %, а также при длительном соприкос­новении с медью и серебром. Взрывоопасность ацетиле­на возрастает с увеличением давления. Могут проис­ходить самопроизвольные взрывы при давлении 200... 250 кПа при отсутствии кислорода и воздуха. При нагре­вании ацетилена до 150. ..180°С происходит процесс по­лимеризации, дающий жидкие смолообразные продук­ты, нежелательные при сварке.

Кроме вышеописанного способа, ацетилен для промышленных целей получают из природного газа, нефти и угля.

В связи с высокой стоимостью и дефицитностью кар­бида кальция для многих газопламенных процессов применяют более дешевые и менее дефицитные горю­чие газы (водород, пропан, бутан природный) и пары (бензин, керосин) горючих жидкостей.

Присадочный материал, вводимый в сварочную ван­ну, предназначен для заполнения зазора между кром­ками свариваемого металла и образования валика шва, который по механическим свойствам должен быть бли­зок к основному металлу. В качестве присадочного ма­териала применяют сварочную проволоку диаметром 0,3...12 мм. ГОСТ 2246—74 включает в себя 6 марок низкоуглеродистой, 30 — легированной, 41 — высоколе­гированной неомедненной и омедненной проволоки.

Цветные металлы (алюминий, медь, латунь) свари­вают проволокой из соответствующего цветного метал­ла или сплава, а бронзы и чугуны — прутками, отлиты­ми из этих сплавов.

Флюсы при сварке применяют для растворения окис­лов металлов и образования легкоплавких шлаков с малой плотностью. Образующиеся при сварке шлаки всплывают на поверхность сварочной ванны, освобождая наплавленный металл от неметаллических вклю­чений. Флюсы подбирают в зависимости от химического состава и свойств свариваемого материала. В качестве флюсов используют буру, борную кисло­ту, окислы и соли бария, лития, натрия, фтора и др. При сварке углеродистых сталей флюсы не при­меняют, так как сварочное пламя защищает расплав­ленный металл.

Газовые редукторыслужат для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержания постоянного рабочего давления. Редукторы бывают с одно- и двух­ступенчатым редуцированием. Последний обеспечивает меньший перепад давления и более низкий предел реду­цирования. Двухступенчатый кислородный редуктор изготовляют в двух вариантах: ДКД-8-65 для сварки и ДКД-15-65 для резки.

Кислородные редукторы присоединяют к штуцеру вентиля баллона накидными гайками, а ацетилено­вые — крепят хомутом с упорным винтом. Кислородные редукторы регулируют давление от 0,1 до 1,5 МПа, а у ацетиленового (ДЛП-1-65) наибольшее давление на выходе — 3 МПа.

Наибольшее рабочее давление 0,12 МПа, расход га­за при наибольшем рабочем давлении — 5 м³/ч. Наи­меньшее рабочее давление составляет 0,001 МПа, рас­ход газа при этом давлении — 3 м³/ч.

Сжатый кислород из редукто­ра поступает в камеру высокого давления А, где мано­метр 1 показывает его давление. Проходя через клапан 12, кислород попадает в камеру низкого давления Б. Отсюда кислород поступает в кислородный рукав, ко­торый соединен с горелкой или резаком. Мембрана 6, регулировочный винт 4, пружины 5 к 13 служат для регулирования давления газа в камере низкого давле­ния. При ввертывании винта 4 пружины 5 и 13 сжима­ются и давление в камере Б повышается, а при вывер­тывании понижается.

Ацетиленовые генераторы-аппараты, в которых по­лучают ацетилен разложением карбида кальция водой. Генератор состоит из газообразователя, газгольдера для сбора и хранения газа, химического очистителя ацети­лена от примесей и предохранительного затвора для ис­ключения взрыва.

По характеру взаимодействия карбида кальция с водой различают следующие основные системы ацети­леновых генераторов: «карбид в воду», «вода на кар­бид», «с вытеснением воды» и «с погружением карбида».

Генераторы системы «карбид в воду» обеспечива­ют наилучшие условия разложения карбида кальция и дают наибольший выход ацетилена (около 95 %). Кар­бид кальция забрасывают отдельными порциями в большой объем воды. Ацетилен хорошо промывается и охлаждается, что практически исключает его полиме­ризацию.

Генераторы системы «вода на карбид» имеют периодическую загрузку карбида кальция и дозированную подачу воды в зону реакции. В этих генераторах кар­бид кальция реагирует с относительно малым количест­вом воды и в ходе реакции обволакивается слоем гид­рата окиси кальция Са(ОН)₂, разъединяющим куски карбида кальция с водой, поэтому реакция разложения не доходит до конца и выход ацетилена снижается до 85. . .90 %. Зона реакции охлаждается недостаточно, по­этому возможны перегрев ацетилена и его полимериза­ция. Этот тип генераторов наиболее распространен на производстве благодаря простоте конструкции.

В генераторах системы «с вытеснением воды» загрузочное устройство с карбидом кальция неподвижно, а уровень воды периодически изменяется в зависимости от расхода ацетилена. Количество вырабатываемого ацетилена регулируют изменением объема карбида кальция, взаимодействующего с водой. Генераторы этой системы просты по конструкции, но имеют низкий выход ацетилена.

Возможно сочетание в одном генераторе разных сис­тем. В настоящее время широко применяют на мон­тажных и ремонтных работах при температуре до —25°С генератор АНВ-1,25-68 (рис. 5.16). Это перенос­ной генератор низкого давления, работающий по систе­ме «с вытеснением воды» в сочетании с системой «вода на карбид».

Генератор состоит из корпуса 1 с вваренной в него ретортой 2, в которой помещена загрузочная корзина 3. Корпус генератора разделен на нижнюю (газосборник) и верхнюю (водосборник) части горизонтальной перегородкой 25. Эти части соединяет циркуляционная fpy-ба 8, доходящая почти до дна газосборника. Между газосборником и водяным затвором 14 помещен кар­бидный осушитель 22, соединенный с ними резиновыми шлангами 20 и 23.

Генератор заполняют водой через открытую верхнюю часть корпуса до уровня воды 24. Вода в реторту по­ступает по газоотводящей трубке 28 через отверстие 26 при открытии вентиля 27. Реторта закрывается крыш­кой 5, рычагом 6 и специальной гайкой 7.

Ацетилен, выделяющийся в результате взаимодей­ствия карбида кальция с водой, поступает по газоотво­дящей трубке 28 в газосборник и вытесняет находя­щуюся в нем воду через циркуляционную трубу 8 в верхнюю часть генератора. Вода в реторту поступает до тех пор, пока она не будет вытеснена из газосборни­ка ниже уровня вентиля 27. При этом по мере выделе­ния ацетилена и возрастания давления его в газосбор­нике и реторте вода вытесняется из реторты 2 в камеру 13 через трубу 12. Благодаря вытеснению воды из ре­торты дальнейшее газообразование замедляется. При отборе газа давление ацетилена в газосборнике и ре­торте падает, а вода, вытесненная в камеру, возвраща­ется в реторту, и газообразование возобновляется.

При падении давления в генераторе до 2,3. ..2,7кПа вода в газосборнике поднимается выше вентиля 27 и начинает пополнять реторту. Поступление воды в ре­торту прекращается после того, как давление газа пре­высит 2,7.. .2,8 кПа, то есть когда уровень воды в газо­сборнике снова опустится ниже уровня вентиля.

Газ при отборе поступает из газосборника в кар­бидный осушитель 22, загруженный карбидом, после чего проходит в водяной затвор 14, а из него через нип­пель 15 — в горелку или резак.

Генераторы подразделяют по производительности {низкая — до 3 м³/ч, средняя — до 10 и высокая — до 80 м³/ч) и давлению выработанного ацетилена (низ­кое— до 0,01, среднее — 0,01...0,15 МПа). Генераторы производительностью до 3 м³/ч изготовляют передвиж­ными, а свыше 3 м³/ч — стационарными.

На пути следования газа от генератора к сварочной горелке устанавливают предохранительные водяные зат­воры, предотвращающие проникновение кислородно-ацетиленового пламени в ацетиленовый генератор при его обратном ударе. Обратный удар возникает, когда скорость истечения газов становится меньше скорости их горения. Практически обратный удар происходит при перегреве горелки и засорении сопла или центрального отверстия инжектора.

Сварочная горелкапредназначена для смешивания кислорода с горючим газом, подачи смеси к месту свар­ки и создания концентрированного пламени требуемой мощности. Горелки по принципу действия разделяют на инжекторные низкого давления, безинжекторные сред­него и высокого давления; внутрисопловые и внешнего смешивания; по назначению — универсальные (для сварки, пайки, наплавки, нагрева) и специализирован­ные (для наплавки, закалки, очистки металлов от ржавчины, сварки пластмасс и т. д.); по числу рабочих пламен — однопламенные и многопламенные; по приме­нению и степени механизации—для ручных работ и ме­ханизированных процессов. Наиболее широко приме­няют инжекторые горелки ГС-1, ГС-2, ГС-3, ГС-4, так как они работают при низком (0,001. . .0,01 МПа) и среднем (до 0,15 МПа) давлении ацетилена. В инжекторной горелке кислород под давлением 0,2. . . 0,4 МПа поступает по трубке 10 через вентиль 6 в центральное сопло инжектора 12, откуда с большой скоростью выходит в смесительную камеру 3. За счет этого создается разрежение и ацетилен через вентиль 11 поступает в периферийные каналы инжектора 12 под небольшим давлением. Горючая смесь из камеры 3 по каналу сменного наконечника 2, присоединяемому к корпусу 5 накидной гайкой 4, попадает в мундштук 13 и при выходе из него сгорает. Горелки снабжают смен­ными наконечниками для сварки изделий различной толщины.

Универсальные резакиприменяют для ручной и ма­шинной газокислородной резки металлов. Для раздели­тельной ручной резки наиболее широко используют ре­заки «Маяк», «Факел», «Пламя», РЗР-62, РУЛ-70, РУЗ-70, керосинорез РК-71 и др.

Принцип смешивания горючего газа во всех резаках одинаков, в основном это резаки инжекторного типа. Они отличаются от газовых горелок наличием дополни­тельной трубки для подачи режущего кислорода и кон­струкцией мундштука. Мундштуки для ре­заков изготовляют с кольцевой щелью или с концентри­чески расположенными отверстиями для смеси подогре­вательного пламени и центральным отверстием для ре­жущего кислорода. Мундштуки с кольцевой щелью ис­пользуют для резаков небольшой мощности. У резаков, работающих на газах-заменителях ацетилена, делают увеличенные проходные каналы для горючей смеси в смесительной камере, инжекторе и кольцевой щели мундштука. Керосинорез РК-71 имеет дополнительное устройство для испарения горючего перед его поступ­лением в смесительную камеру.

Технология газовой сварки и резки:

Качественный шов получают при правиль­ном выборе мощности горелки, вида сварочного пламени, способа сварки, угла наклона горелки, при применении соответствующего присадочного материала и флюса. Мощность горелки выбирают в зависимости от толщины и теплопроводности свариваемого металла. Для сварки металла с высокой теплопроводностью нужен наконечник с большим расходом газа.

Тепловую мощность сварочного пламени (расход го­рючих газов в единицу времени) регулируют сменой наконечников горелки. Она зависит от теплофизических свойств и толщины свариваемого металла.

Скорость и температуру нагрева металла регулиру­ют углом наклона горелки к поверхности свариваемого изделия (максимальные значения при угле 90°). Угол наклона горелки выбирают в зависимости от толщины и рода свариваемого металла. Чем толще металл и вы­ше его теплопроводность, тем больше должен быть этот угол.

Газовую сварку ведут правым и левым способами. При толщине металла до 3 мм применяют левую свар­ку, при которой горелку перемещают спра­ва налево. Присадочный пруток располагают слева от горелки и передвигают впереди пламени. Это не препятствует наблюдению за формированием шва. Дви­жения горелки и прутка встречно пересекающиеся зиг­загообразные.

При правом способе горелку переме­щают слева направо, что позволяет полнее использо­вать тепло пламени, лучше защитить сварочную ванну, замедлить охлаждение металла шва и получить шов бо­лее высокого качества. Движения горелки и присадоч­ного прутка зигзагообразные или движение горелки прямолинейное, а прутка-спиральное. Этот способ применяют при сварке металла толщиной более 5 мм.

Диаметр сварочной проволоки определяют в зависи­мости от толщины свариваемого металла по формулам.

Газовая резка основана на сжигании металла стру­ей кислорода с выделением значительного количества тепла и удалении этой струей образующихся окислов. Процесс резки начинают с нагрева металла подогреваю­щим пламенем до температуры воспламенения в кислороде, после чего пускают струю режущего кислорода.

Газовой резке могут подвергаться металлы, у кото­рых температура плавления выше температуры воспла­менения в кислороде, температура плавления окислов, образующихся при резке, ниже температуры плавле­ния металла и максимальной температуры резки. Теп­ловыделение при образовании окислов металлов долж­но быть достаточно для прогрева глубинных слоев, так как подогревающее пламя резака выделяет не более 30 % тепла, необходимого для резки. Низкая теплопроводность металла должна обеспечивать быстрый и кон­центрированный нагрев.

Перечисленными свойствами обладают низкоуглеро­дистые стали, содержащие до 0,25 % углерода. Они хо­рошо режутся. Среднеуглеродистые стали (0,25. .. 0,5 % углерода) режутся удовлетворительно при сопут­ствующем или предварительном подогреве, что исклю­чает закалку кромок и образование трещин. Резка ста­лей затрудняется с повышением в них содержания уг­лерода и легирующих элементов. Высокохромистые и хромоникелевые стали, чугуны, медные и алюминиевые сплавы обычной кислородной резке не поддаются. Высо­кохромистые и хромоникелевые стали образуют туго­плавкие и густотекучие шлаки, затрудняющие доступ кислорода к обрабатываемой поверхности. Температу­ра воспламенения чугуна выше, чем температура его плавления. У цветных сплавов высокая теплопровод­ность и образуются тугоплавкие окислы. Такие сплавы режут кислородно-флюсовым способом, при котором в струю режущего кислорода подают порошкообразный флюс.

Сгорание флюса способствует выделению допол­нительного тепла, температура в зоне реакции повы­шается, и тугоплавкие окислы разжижаются. В каче­стве флюсов применяют железные (ПЖ1-..ПЖ6) и алюминиевые (АПВ) порошки.