Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Газовая сварка и резка металлов

Сваркой называется технологический процесс получения неразъёмных соединений из металлов, сплавов и других однородных материалов в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами (атомами) соединяемых заготовок.

Процедура сварки является одним из наиболее совершенных, экономически выгодных, высокопроизводительных и в значительной степени механизированных технологических процессов. Поэтому её широко применяют практически во всех отраслях машиностроения и строительной промышленности.

Сварка является основным технологическим процессом в судостроении при изготовлении цельносварных корпусов судов. Сварка незаменима при строительстве нефте- и газопроводов, резервуаров для хранения жидкости и газов, домен, мостов и других инженерных конструкций. В станкостроении сварка применяется для изготовления ответственных узлов станков (элементов станин, коробок скоростей, крупногабаритных шпинделей, масляных баков), в сельхозмашиностроении и автомобилестроении – для получения цельносварных конструкций, кузовов, топливных баков и многих других машин и металлоконструкций.

Особенно экономически выгодно применение сварки при изготовлении новых изделий с заменой крупногабаритных цельнолитых и кованых узлов машин на комбинированные лито-сварные, ковано-сварные и прокатно- сварные. Такая замена выгодна, если конструкция имеет сложную геометрическую форму и большую массу.

При газовой сварке в качестве источника тепла, за счёт которого происходит нагрев и расплавление кромок заготовок, используется пламя, образующееся при сгорании горючего газа в атмосфере кислорода.

Техника газовой сварки

Процесс газовой сварки (рис. 1) заключается в том, что пламенем горелки доводят кромки свариваемых деталей до плавления и затем, вводя в жидкую ванну конец присадочной проволоки, расплавляют её, образовывая шов.

Газовая сварка

Рис. 1. Схема газовой сварки

При формировании шва способ перемещения горелки играет важную роль и должен быть таким, чтобы обеспечить расплавление обеих кромок свариваемых деталей с одновременным расплавлением присадочного материала. В зависимости от толщины свариваемых материалов перемещение наконечника горелки может быть спиральным, зигзагообразным, отрывистым, в виде кружочков, запятых, прямолинейным. Размах поперечных колебаний наконечника зависит от толщины свариваемых деталей и желаемой толщины шва. Применят два способа сварки: правый и левый (рис. 2). При правом способе (рис. 2а) горелка и присадочный материал перемещаются вдоль свариваемых кромок слева направо. Присадочный материал находится сзади горелки под углом 45℃. Горелка при этом располагается под углом 70 – 90℃ к плоскости свариваемых деталей, а пламя направлено на уже наплавленный металл. При таком способе сварки поперечных колебаний не делается. Применяется он довольно редко, в основном, при сварке больших толщин.

Способы газовой сварки

Рис. 2. Способы газовой сварки: а – правый; б – левый.

При левом способе сварки (рис. 2б) горелка и присадочный материал движется справа налево. Этот способ наиболее распространен и применяется в широком диапазоне свариваемых толщин. Сварка металлов различных толщин осуществляется изменением угла наклона наконечника горелки в соответствии с рис. 3. Чем тоньше свариваемый металл, тем меньше угол наклона горелки.

Угол наклона горелки в зависимости от толщины свари ваемых деталей

Рис. 3. Угол наклона горелки в зависимости от толщины свариваемых деталей S

При сварке присадку в виде мотка проволоки держат в свободной руке и по мере ее расходования разматывают. Проволока своим концом погружается в расплавленную ванну, что предохраняет ее от окисления.

Сварочные материалы для газовой сварки

Кислород – газ без цвета и запаха – получают из воздуха путем глубокого охлаждения. При этом кислород переходит в жидкое состояние, а азот испаряется, так как имеет температуру кипения ниже, чем кислород. Транспортируется кислород в стандартных стальных баллонах емкостью 40 дм3, под давлением 150 кгс/см2 (15 МПа), окрашенных в голубой цвет.

Стандартом предусматривают окраску баллонов в условный цвет, присвоенный данному газу: кислород – голубой, ацетилен – белый, аргон – серый, углекислый газ – чёрный, водород – зелёный, другие газы – красный цвет. На верхней части баллона выбивают паспортные данные баллона: знак завода-изготовителя баллона, номер баллона, вес в кг, емкость в литрах, рабочее испытательное давление в кгс/см2, дата изготовления и год следующего испытания, клеймо ОТК завода-изготовителя. На этой части баллона выбивают клеймо при последующих испытаниях, которые проводятся через пять лет.

Для приближённого расчёта количества кислорода в баллоне ёмкость баллона (дм3) умножают на давление газа в нём (кгс/см2).

Пример: ёмкость баллона 40 дм3, давление 150 кгс/см3. Количество кислорода в баллоне равно 40·150 = 6000 дм3 (при атмосферном давлении). Зная часовой расход газа при сварке, определяют, на сколько часов работы хватит этого количества газа.

При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с плёнкой масел и жиров происходит самовоспламенение масел и взрыв баллона. Поэтому кислородные баллоны следует тщательно предохранять от загрязнений маслом. Особенно опасны пропитанные жидким кислородом вата, уголь, одежда, волосы: насыщенные кислородом, они легко загораются.

Горючие газы. Основным горючим газом при сварке и резке является ацетилен (С2H2). Все остальные газы (пропан, природный газ, водород, нефтяные газы, пары бензина или керосина) являются газами-заменителями, так как ацетилен даёт самую высокую температуру пламени (3150–3200℃).

Ацетилен не имеет цвета, но обладает резким неприятным характерным запахом.

Чистый ацетилен является взрывоопасным. Смеси ацетилена с воздухом способны взрываться, если содержание ацетилена в смеси с воздухом в пределах 2,2–100% (по объёму).

Сварочный ацетилен получают из карбида кальция путем разложения последнего водой. Карбид кальция получают путем сплавления в дуговых электропечах кокса и обожжённой извести по схеме:

СaO +3C = CaC2 + CO

Карбид кальция (СaC2) представляет кускообразное вещество тёмно-серого или коричневого цвета. При разложении 1 кг карбида водой получается практически от 230 до 280 дм3 ацетилена и известь по схеме:

СaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2.

Количественное соотношение реагентов: Карбид кальция 1 кг + Вода 0,562 кг → Ацетилен 0,406 кг+ Гашёная известь 1,156 кг

Наполнение, хранение и транспортировка ацетилена в обычных баллонах недопустима из-за возможности взрыва ацетилена, находящегося в баллоне под давлением, или в смеси с воздухом. Поэтому, чтобы обеспечить безопасность, баллоны заполняют древесным углём в количестве 290–320 г на 1 дм3 ёмкости баллона. Массу в баллоне пропитывают ацетоном (225–300 г на 1 дм3 ёмкости баллона). Ацетилен в больших количествах растворяется в ацетоне и становится безопасным.

Сварочная (присадочная) проволока. При газовой сварке применяют проволоку, близкую по химическому составу к свариваемому металлу. Диаметр проволоки выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла. Для сварки меди, латуни, алюминия и его сплавов применяют проволоку из цветного металла соответствующей марки. Чугун и бронзы сваривают при помощи прутков, отлитых из этих металлов. В чугунный пруток желательно добавить кремний.

Флюсы служат для частичной защиты расплавленного металла от окисления кислородом воздуха и, главное, для удаления образующихся окислов.

Составы флюсов выбирают в зависимости от состава и свойств свариваемого металла. Флюс должен плавиться раньше, чем свариваемый металл, и хорошо растекаться по шву. В качестве флюсов используют прокалённую буру, борную кислоту, кремниевую кислоту и т.д.

При сварке углеродистых сталей флюсы не применяют, так как в данном случае сварочное пламя хорошо защищает металл от окисления. Чугуны, хромистые и хромоникелевые стали, медь и её сплавы, алюминий и его сплавы, магниевые сплавы необходимо сваривать с применением флюсов.

Оборудование для газовой сварки

Ацетиленовые генераторы (газогенераторы) – это аппараты для разложения карбида кальция водой с целью получения газообразного ацетилена (рис. 4).

Схема ацетилено-кислородного резака

Рис. 4. Схема ацетиленового генератора системы «карбид в воду»:

1 – бункер, 2 – газообразователь, 3 – питатель,

4 – решётка, 5 – спуск ила, 6 – отбор газа

Согласно ГОСТ 5190-67 ацетиленовые генераторы классифицируются следующим образом:

  • по производительности: 0,5; 0,75; 1,25; 2,5; 3; 5; 10; 20; . . . 320 м3/час ацетилена;
  • по способу устройства: передвижные и стационарные;
  • в зависимости от системы взаимодействия карбида кальция с водой: «карбид на воду», «вода на карбид», «вытеснения» «комбинированные» (вода на карбид и вытеснение), «сухие»;
  • в зависимости от давления вырабатываемого ацетилена: низкого давления - до 0,1 кгсм/см2; среднего давления - от 0,1 до 1,5 кгсм/см2.

На пути следования ацетилена от генератора к сварочной горелке устанавливают водяной затвор для предотвращения взрыва ацетилена в газогенераторе при обратном ударе пламени. Обратный удар возникает, когда скорость истечения газов становится меньше скорости их горения. Практически это происходит при перегреве горелки и засорении сопла или центрального отверстия инжектора. Для газов-заменителей ацетилена применяются для этой цели обратные клапаны.

Сварочные горелки бывают инжекторными и безинжекторными. Наибольшее применение находят инжекторные горелки (рис. 5), которые предназначены для сварки чёрных и цветных металлов толщиной от 0,5 до 30 мм.

Схема инжекторной горелки

Рис. 5. Схема инжекторной горелки:

1, 3 — мундштук и сменный наконечник для ацетиленокислородной горелки;

2 — ниппель наконечника; 4 — зазор между стенками смесительной камеры и корпусом;

5, 12 — регулирующие вентили подачи кислорода и горючего газа соответственно; 6 — корпус;

7, 11, 17 — трубки для подвода кислорода, горючего газа и горючей смеси соответственно;

8 — рукоятка; 9, 10, 19 — штуцеры; 13 — инжектор; 14 — канал малого сечения; 15 — канал смесительной камеры;

16 — смесительная камера; 18 — подогреватель; 20, 21 — боковые отверстия в штуцере;

I, II — сменные наконечники для ацетиленокислородной и пропанбутанокислородной горелки соответственно

Виды, свойства и регулирование сварочного пламени

Строение, температура и свойства сварочного пламени зависят от соотношения кислорода и ацетилена в горючей смеси. Различают три вида кислородно-ацетиленового пламени:

  • нейтральное пламя (его называют также нормальным или восстановительным). Оно образуется при соотношении
    O2: С2H2 = 1:1,2. Таким пламенем сваривают большинство металлов и сплавов;
  • науглероживающее пламя образуется при соотношении O2: C2H2 < 1, т. е. при избытке ацетилена. Такое пламя применяют для сварки чугуна, наплавки быстрорежущей стали и твёрдых сплавов;
  • окислительное пламя образуется при соотношении O2: C2H2 > 1,2, т. е. при избытке кислорода. Применяется при сварке латуней. Строение нормального пламени представлено на рис. 6.
Строение нормального пламени и распределение температур

Рис. 6. Строение нормального пламени и распределение температур

Газосварочное пламя состоит из трёх зон: ядра, рабочей (сварочной) зоны и факела пламени. Ядро – самая яркая часть пламени, состоит из кислорода и раскаленных продуктов разложения ацетилена. Рабочая (сварочная) зона имеет синеватое свечение и самую высокую температуру, состоит из продуктов горения ацетилена: Н2 и СО. Этой частью пламени нагревают и плавят металл при сварке. Факел пламени состоит из СО2, паров воды и кислорода воздуха. Эта часть пламени является окислительной, так как углекислый газ и пары воды при высоких температурах окисляют железо.

Технология газовой сварки

Качественный шов обеспечивается правильным подбором мощности горелки, вида сварочного пламени, способа сварки, угла наклона горелки, применением соответствующего присадочного материала и флюса.

Мощность сварочного пламени оценивают по расходу ацетилена А, который вычисляют по формуле:

А=K-S,

где S - толщина свариваемых листов, мм;

K - коэффициент; для углеродистой стали и чугуна K=100-120; для нержавеющей стали K=70-80; для меди K=160-200; для алюминия K=75. По мощности пламени определяют номер наконечника сварочной горелки.

Диаметр присадочной проволоки d выбирают в зависимости от толщины S свариваемых листов. При толщине свариваемых листов S< 10 мм можно пользоваться формулой:

d=0,5·S+1

При толщине S>10 мм диаметр присадочного прутка принимают равным 5 мм.

Существуют два основных способа газовой сварки: правый и левый. При толщине металла менее 3 мм применяют левую сварку, при которой горелка движется вдоль стыка справа налево. Присадочный пруток находится слева от горелки. При толщине металла больше 5 мм применяют правую сварку: горелка движется слева направо. Правый способ обеспечивает некоторую термическую обработку выполненного соединения, поэтому его предпочтительно применять для сварки закаливающихся сталей любой толщины.

Угол α наклона горелки к свариваемой поверхности зависит от толщины свариваемого металла.

При увеличении толщины металла нужна большая концентрация тепла и, соответственно, больший угол наклона горелки.

Пост для газовой сварки

Пост для газовой сварки (рис. 7) включает: сварочный стол 1, армированный шамотным кирпичом, свариваемые заготовки 2, присадочную сварочную проволоку 3, горелку 4, гибкие сварочные шланги 5, баллон 8 с ацетиленом и редуктором 7 (окрашенным в белый цвет, как и баллон), баллон 8 с кислородом и редуктором 6 (окрашенным в голубой цвет, как и баллон). Каждый редуктор оснащен двумя манометрами: один показывает давление газа в баллоне, другой – давление на выходе (в шланге).

Схема поста газовой сварки

Рис. 7. Схема поста газовой сварки

Преимущества газовой сварки заключаются в следующем:

  • Вследствие меньшей мощности газового пламени по сравнению с электрической дугой металл заготовок в зоне плавления нагревается медленнее, управление процессом сварки легче вследствие его визуального контроля и широкого изменения пределов температуры плавления;
  • Возможность сварки тонкостенных конструкций из стали, легкоплавких цветных металлов и их сплавов (Al, Sn, Zn, Pb и др.), чугунных изделий и др.;
  • Процесс сварки не требует сложного дорогостоящего оборудования и источников электроэнергии. Выполнять её можно как в стационарных, так и в полевых условиях.
  • К недостаткам газовой сварки следует отнести:

  • Большие деформации сварных конструкций вследствие увеличения зоны термического влияния по сравнению с дуговой сваркой и взрывоопасность используемых горючих газов;
  • При увеличении толщины свариваемых листов резко снижается производительность сварки и качество швов;
  • Необходима высокая квалификация сварщика.

Применение

  • Сварка тонких листов (0,2–2 мм).
  • Ремонт различных машин и механизмов, заварка дефектов в отливках, в том числе из чугуна и бронзы, монтаж и ремонт сантехнических и теплотехнических коммуникаций.
  • Наплавка специальных легированных сталей (жаропрочных, износостойких и др.) на конструкционную сталь.
  • Пайка и резка металлов.

Газовая ацетиленокислородная резка металлов

Кислородная резка основана на способности некоторых металлов гореть в струе кислорода при температуре ниже температуры плавления, с выделением тепла. Газовой ацетиленокислородной резкой можно резать только те металлы, которые удовлетворяют следующим условиям:

  • Температура плавления металла должна быть выше температуры сгорания металла в кислороде. Например, железо имеет температуру плавления 1539℃, а температура воспламенения чистого порошка железа в кислороде 315℃. Этому условию не удовлетворяет чугун. У него температура плавления ниже температуры сгорания. По этой причине чугун невозможно разрезать кислородной резкой.
  • Температура плавления окислов металла должна быть ниже температуры плавления металла. Например, этому условию не удовлетворяет алюминий и его сплавы: температура плавления алюминия 660℃, а образующаяся на поверхности алюминия тугоплавкая пленка Al2O3 имеет температуру плавления 2050℃ и препятствует резке и сварке.

Схема ацетиленокислородного резака представлена на рис. 8. Конструкция резака такая же, как и газовой горелки, только резак имеет дополнительный канал для подачи режущего кислорода. Мундштук 15 имеет два отверстия: для подачи режущего кислорода и горючей смеси для создания подогревательного пламени.

Шланги применяются с внутренним диаметром 5,5; 9,5 и 13 мм и с наружным диаметром 17,5 или 22 мм. Для горючих газов шланги допускают рабочее давление 3 атм (304 кН/м2), а для кислорода – 10 атм (1013 кН/м2).

Длина шланга при работе от баллона должна быть не менее 8 м, а при работе от генератора – не менее 10 м.

Газы-заменители ацетилена, применяемые при газовой сварке и резке менее эффективны, чем ацетилен.

Нефтяной газ – смесь горючих газов, являющихся побочным продуктом нефтеперерабатывающих заводов.

Схема ацетиленового

Рис. 8. Схема ацетиленокислородного резака:

1, 4, 7, 13 — трубки, 2, 3, 10 — вентили, 5, 6— ниппели, 8— рукоятка, 9 — корпус,

11 — инжектор, 12 — смесительная камера, 13 —наконечник резака,

15, 16 — наружный и внутренний мундштуки

Природный газ получают из газовых месторождений. Он состоит в основном из метана (93–99 %). Пропан-бутановую смесь получают при добыче и переработке нефтяных газов и нефти. Хранится и транспортируется в сжиженном состоянии в баллонах ёмкостью 23,33 кг и 45 кг под давлением 16–17 атм (1621– 1722 кН/м2). Жидкая смесь заполняет только половину баллона, так как при нагреве значительное повышение давления может привести к его взрыву.

Бензин и керосин используют в виде паров. Для этой цели горелки и резаки имеют специальные испарители, которые нагреваются от вспомогательного пламени или электрическим током.

Кислородно-флюсовая резка применяется для резки металлов, которые невозможно разрезать ацетиленокислородной резкой. При этом способе в зону резки вместе с режущим кислородом вдувается порошкообразный флюс на основе порошка железа и ферро фосфора. Для подачи флюса в зону резки резак имеет дополнительную трубку.

При сгорании порошка железа выделяется дополнительное тепло, а главное – флюс образует легкоплавкий жидкотекучий шлак.

Этим способом режут чугун, медь и её сплавы, алюминий и его сплавы, нержавеющие стали.

Резка кислородным копьём выполняется тонкостенной стальной трубкой, присоединённой к рукоятке. Применяют газовые трубы диаметром ¼ дюйма. Кислород проходит через копьё, прижатое свободным концом к прожигаемому металлу. Начинают резку с подогрева края заготовки электрической дугой или газовым пламенем. При подаче кислорода в копьё его конец загорается и дальнейший подогрев не нужен.

Резка копьём может быть применена для разборки бетонных плит при катастрофах.

Другие способы огневой резки металлов. Дуговая электрическая резка имеет низкую производительность и качество реза. Воздушно-дуговая резка угольным электродом в настоящее время редко применяется. Плазменно- дуговая резка наиболее перспективна, так как обеспечивает чистый рез и высокую производительность.

Понравилась статья? Задавайте вопросы или ваши пожелания в этот раздел? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал, где выходят обучающие ролики по чертежам.