Кислород при газовой сварке способствует интенсивному горению горючих газов и получению высокотемпературного пламени. При горении газов в воздухе температура пламени значительно ниже, чем при горении в кислороде. При газовой сварке применяют газообразный технический кислород трех сортов.
Первый сорт характеризуется чистотой не ниже 99,7 % по объёму, второй сорт – не ниже 99,5 %, а третий сорт – не ниже 99,2 %. Технический кислород содержит примеси, состоящие из азота и аргона. Следует учесть важное значение чистоты кислорода при сварке и резке металла. Снижение чистоты кислорода на 1 % не только ухудшает качество сварного шва, но и требует увеличения расхода кислорода на 1,5 %.
Кислород при атмосферном давлении и нормальной температуре представляет собой газ без цвета и запаха с плотностью 1,43 кг/м3. Его получают из воздуха методом низкотемпературной ректификации, основанным на разности температур кипения основных составляющих воздуха – азота (–195,8 °C) и кислорода (–182,9 °C). Воздух переводят в жидкое состояние и затем постепенным повышением температуры испаряют азот (78 %). Оставшийся кислород (21 %) очищают многократным процессом ректификации.
Ацетилен в газосварочном производстве получил наибольшее распространение благодаря важным для сварки качествам – высокой температуре пламени, большой теплоте сгорания. Он представляет собой химическое соединение углерода с водородом (С2Н2). Это бесцветный газ с характерным запахом, обусловленным наличием примесей – сероводорода, фтористого водорода и др. Ацетилен взрывоопасен при следующих условиях: нагревании до 480–500 °C, давлении 0,14–0,6 МПа, наличии 2,3–80,7 % ацетилена в смеси с воздухом, наличии 2,8–93 % ацетилена в смеси с кислородом.
Ацетилен получают при взаимодействии карбида кальция с водой по реакции:
СаС2 + 3Н2О = С2Н2 + Ca(OH)2.
карбид кальция получают путем сплавления в электропечах кокса и обожженной извести:
СаО + 3С = СаС2 + СО.
Карбид кальция очень активно вступает в реакцию с водой, реагируя даже с парами воды, насыщающими воздух. Поэтому его хранят и транспортируют в герметически закрытых стальных барабанах, содержащих 50–130 кг карбида. Из 1 кг карбида кальция в зависимости от сорта и грануляции получают 235–280 л ацетилена. Следует иметь в виду, что мелкий и пылеобразный карбид кальция применять запрещается – он взрывоопасен. Для взаимодействия 1 кг карбида кальция теоретически необходимо 0,56 л воды, практически берут 7–20 л воды для обеспечения охлаждения ацетилена и безопасной работы генератора.
Водород – газ без цвета и запаха. В смеси с кислородом или воздухом он образует взрывчатую смесь (гремучий газ), поэтому требует строгого соблюдения правил техники безопасности.
Водород хранится и транспортируется в стальных баллонах при максимальном давлении 15 МПа. Получают его электролизом воды или в специальных водородных генераторах путем воздействия серной кислотой на железную стружку или цинк.
Пиролизный газ – смесь газообразных продуктов термического разложения нефти, нефтепродуктов или мазута. Содержит вредные сернистые соединения, вызывающие коррозию мундштуков горелок и резаков, поэтому требует тщательной очистки.
Нефтяной газ – смесь горючих газов, являющихся побочным продуктом нефтеперерабатывающих заводов. Его применяют для сварки, резки и пайки сталей толщиной до 3 мм и сварки цветных металлов.
Природный газ получают из газовых месторождений. Он состоит в основном из метана (93–99 %).
Пропанабутановую смесь получают при добыче и переработке естественных нефтяных газов и нефти. Хранят и транспортируют в сжиженном состоянии в баллонах вместимостью 40 и 55 л под давлением 1,6–1,7 МПа. Жидкой смесью заполняют только половину баллона, так как при нагреве значительное повышение давления может привести к взрыву.
Бензин и керосин используют при газопламенной обработке в виде паров. Для этой цели горелки и резаки имеют специальные испарители, которые нагреваются от вспомогательного пламени или электрическим током.
Сварочное пламя
Газовым или сварочным пламенем называется основной источник теплоты при сварке и других процессах газопламенной обработки. Сварочное пламя образуется при сгорании смеси горючего газа или паров горючей жидкости с кислородом.
Свойства сварочного пламени зависят от того, какое горючее подается в горелку и при каком соотношении кислорода и горючего создается газовая смесь. Изменяя количество подаваемого в горелку кислорода и горючего газа, можно получить нормальное, окислительное или науглероживающее сварочное пламя.
Нормальное или восстановительное пламя должно получаться при объемном отношении количества кислорода к ацетилену 1:1. Практически вследствие загрязненности кислорода нормальное пламя получается при несколько большем количестве кислорода, т. е. при 1,1:1,3. Нормальное пламя способствует раскислению металла сварочной ванны и получению качественного сварного шва. Поэтому большинство металлов и сплавов сваривают нормальным пламенем. Нормальное ацетиленокислородное пламя состоит из трех зон: ядра, восстановительной зоны и факела (рис. 75).
Рис. 75.
Схема нормального ацетиленокислородного пламени и распределения температур:
1 – ядро; 2 – восстановительная зона; 3 – факел
Форма ядра – конус с закругленной вершиной, имеющей светящуюся оболочку. Ядро состоит из продуктов распада ацетилена с выделившимися раскаленными частицами углерода, которые сгорают в наружном слое оболочки. Длина ядра зависит от скорости истечения горючей смеси из мундштука горелки. Чем больше давление газовой смеси, тем больше скорость истечения, тем длиннее ядро пламени.
Восстановительная зона по своему темному цвету заметно отличается от ядра. Она состоит в основном из оксида углерода и водорода, получающихся в результате частичного сгорания ацетилена. В этой зоне создается наивысшая температура пламени – 3000 °C на расстоянии 3–5 мм от конца ядра. Этой частью пламени производят нагревание и расплавление свариваемого металла. Находящиеся в этой зоне частицы оксида углерода и водорода могут восстанавливать образующиеся оксиды металлов.
Факел располагается за восстановительной зоной и состоит из углекислого газа и паров воды, которые получаются в результате сгорания оксида углерода и водорода, поступающих из восстановительной зоны. Сгорание происходит за счет кислорода, содержащегося в окружающем воздухе. Зона факела содержит также азот, попадающий из воздуха.
Окислительное пламя получается при избытке кислорода. Ядро такого пламени значительно короче по длине, с недостаточно резким очертанием и более бледной окраской. Восстановительная зона и факел пламени также сокращаются по длине. Пламя имеет синевато-фиолетовую окраску. Температура пламени несколько выше нормальной. Однако таким пламенем сваривать стали нельзя, так как наличие в пламени избыточного кислорода приводит к окислению расплавленного металла шва и он получается хрупким и пористым.
Науглероживающее пламя получается при избытке ацетилена. Ядро такого пламени теряет резкость своего очертания, и на его вершине появляется зеленоватый ореол, свидетельствующий о наличии избыточного ацетилена. Восстановительная зона значительно светлеет, а факел получает желтоватую окраску. Очертания зон теряют свою резкость. Избыточный ацетилен разлагается на углерод и водород. Углерод легко поглощается расплавленным металлом шва. Поэтому таким пламенем пользуются для науглероживания металла шва или восполнения выгорания углерода. Регулирование сварочного пламени производится по его форме и окраске. Важное значение имеет правильный выбор давления кислорода, его соответствие паспорту горелки и номеру наконечника. При высоком давлении кислорода смесь вытекает с большой скоростью, пламя отрывается от мундштука, происходит выдувание расплавленного металла из сварочной ванны.
При недостаточном давлении кислорода скорость истечения горючей смеси падает, пламя укорачивается и возникает опасность обратных ударов. Нормальное пламя можно получить из окислительного, постепенно увеличивая поступление ацетилена до образования яркого и четкого ядра пламени. Можно отрегулировать нормальное пламя и из науглероживающего, убавляя подачу ацетилена до исчезновения зеленоватого ореола у вершины ядра пламени. Характер пламени выбирают в зависимости от свариваемого металла. Например, при сварке чугуна и наплавке твердых сплавов применяют науглероживающее пламя, а при сварке латуни – окислительное.
Важным показателем сварочного пламени является тепловая мощность. Мощность пламени принято определять расходом ацетилена (л/ч), а удельной мощностью пламени называют часовой расход ацетилена в литрах, приходящийся на 1 мм толщины свариваемого металла. Мощность пламени зависит от толщины свариваемого металла и его теплопроводности. Например, при сварке углеродистых и низколегированных сталей, чугуна, сплавов меди и алюминия удельная мощность пламени составляет 80–150 л/(ч×мм), а при сварке меди, обладающей высокой теплопроводностью, удельную мощность выбирают в пределах 150–220 л/(ч×мм).
Техника газовой сварки
Качество сварного соединения зависит от правильного выбора режима и техники выполнения сварки. При сварке деталей из листового металла толщиной до 2 мм сварка ведется без присадочного материала за счет расплавления предварительно отбортованных кромок.
Метод газовой сварки прост, универсален, не требует дорогостоящего оборудования и используется в заводских или цеховых условиях, а также при строительно-монтажных и ремонтных работах на любых производствах. При ручной сварке пламя горелки направляют на свариваемые кромки так, чтобы они находились в восстановительной зоне на расстоянии 2–6 мм от конца ядра. Конец присадочной проволоки держат в восстановительной зоне или в сварочной ванне.
Положением горелки называется угол наклона мундштука к поверхности свариваемого металла. Этот угол зависит от толщины соединяемых кромок изделия и теплопроводности металла (рис. 76).
Рис. 76.
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
Чем толще металл и чем больше его теплопроводность, тем угол наклона мундштука горелки должен быть больше. Это способствует более концентрированному нагреву металла вследствие подведения большего количества теплоты. При сварке низкоуглеродистой стали вначале для быстрого и лучшего прогрева металла устанавливают наибольший угол наклона, затем в процессе сварки угол уменьшают до нормы, а в конце сварки постепенно уменьшают, чтобы лучше заполнить кратер и предупредить пережог металла.
Различают два основных способа газовой сварки: правый и левый.
При правом способе (рис. 77а) процесс сварки ведется слева направо. Горелка перемещается впереди присадочного прутка, а пламя направлено на формирующийся шов. Этим обеспечивается хорошая защита сварочной ванны от воздействия атмосферного воздуха и замедленное охлаждение сварного шва. Такой способ позволяет получать швы высокого качества.
При левом способе (рис. 77б) процесс сварки производится справа налево. Горелка перемещается за присадочным прутком, а пламя направляется на несваренные кромки и подогревает их, подготавливая к сварке.
Рис. 77. Схема газовой сварки:
а – правым способом; б – левым способом; 1 – металл; 2 – присадочный пруток; 3 – горелка; 4 – пламя горелки; 5 – готовый шов
Правый способ применяют при сварке металла толщиной более 5 мм. Пламя горелки при этом способе ограничено с двух сторон кромками изделия, а спереди наплавленным валиком, что значительно уменьшает рассеивание теплоты и повышает степень его использования.
Однако при левом способе внешний вид шва лучшие, так как сварщик отчетливо видит шов, поэтому может получить его равномерную высоту и ширину. Все это особенно важно при сварке тонких листов. Поэтому тонкий металл сваривают левым способом. Кроме того, при левом способе пламя свободно растекается по поверхности металла, что снижает опасность его пережога.
Способ сварки также зависит от пространственного положения шва.
Нижние швы выполняют как левым, так и правым способом в зависимости от толщины металла.
Вертикальные швы при толщине металла до 2 мм рекомендуется сваривать правым способом сверху вниз и левым способом снизу вверх. При больших толщинах металла сварку следует выполнять способом двойного валика.
Горизонтальные швы выполняют правым способом – пламя горелки направляют на заваренный шов, а присадочный пруток вводят сверху в сварочную ванну, расположенную под некоторым углом к оси шва. Эти меры предупреждают вытекание расплавленного металла.
Потолочные швы легче сваривать правым способом, так как в этом случае газовый поток пламени направлен непосредственно на шов и тем самым препятствует вытеканию металла из сварочной ванны.
В процессе сварки мундштук горелки и присадочный пруток совершают одновременно два движения: одно – вдоль оси свариваемого шва и второе – колебательные движения поперек оси шва. При этом конец присадочного прутка движется в направлении, обратном движению мундштука.
Для получения сварного шва с высокими механическими свойствами необходимо хорошо подготовить свариваемые кромки, правильно подобрать мощность горелки, отрегулировать сварочное пламя, выбрать присадочный материал, установить положение горелки и направление перемещения ее по свариваемому шву.
Подготовка кромок заключается в очистке их от масла, окалины и других загрязнений, разделке под сварку и прихвате короткими швами. Свариваемые кромки очищают на ширину 20–30 мм с каждой стороны шва. Для этой цели можно использовать пламя сварочной горелки. При нагреве окалина отстает от металла, а краска и масло выгорают. Затем поверхность свариваемых деталей зачищают стальной щеткой до металлического блеска. При необходимости (например, при сварке алюминия) свариваемые кромки травят в кислоте, а затем промывают и сушат.
Разделка кромок под сварку зависит от типа сварного соединения, который, в свою очередь, зависит от взаимного расположения свариваемых деталей.
Стыковые соединения являются для газовой сварки наиболее распространенным типом соединений. Металлы толщиной до 2 мм сваривают встык с отбортовкой кромок без присадочного материала или встык без разделки и без зазора, но с присадочным материалом. Металл толщиной 2–5 мм сваривают встык без разделки кромок, но с зазором между ними. При сварке металла толщиной более 5 мм применяют V-образную или Х-образную разделку кромок. Угол скоса выбирают в пределах 70–90°, что обеспечивает хороший провар вершины шва.
Угловые соединения также часто применяются при сварке металлов малой толщины. Такие соединения сваривают без присадочного металла. Шов выполняется за счет расплавления кромок свариваемых деталей.
Нахлесточные и тавровые соединения допустимы только при сварке металла толщиной менее 3 мм, так как при больших толщинах металла неравномерный местный нагрев вызывает большие внутренние напряжения и деформации и даже трещины в шве и основном металле. Скос кромок производят ручным или пневматическим зубилом, а также на специальных кромкострогальных или фрезерных станках. Экономичным способом является ручная или механизированная кислородная резка, образующиеся при этом шлаки и окалину удаляют зубилом и металлической щеткой.
Сборка под сварку производится в специальных приспособлениях или на прихватках, обеспечивающих точность положения свариваемых деталей и зазора между кромками в течение всего процесса сварки. Длина прихваток, их число и расстояние между ними зависят от толщины металла, длины и конфигурации свариваемого шва. При сварке тонкого металла и коротких швах длина прихваток составляет 5–7 мм, а расстояние между прихватками около 70–100 мм. При сварке толстого металла и при швах значительной длины прихватки делаются длиной 20–30 мм, а расстояние между ними – 300–500 мм.
Основные параметры режима сварки выбирают в зависимости от свариваемого металла, его толщины и типа изделия. Определяют оптимальную мощность и вид пламени, марку и диаметр присадочной проволоки, способ и технику сварки. Швы накладывают однослойные и многослойные. При толщине металла до 6–8 мм применяют однослойные швы, до 10 мм – швы выполняют в два слоя, а при толщине металла 10 мм швы сваривают в три слоя и более.
Толщина слоя при многослойной сварке зависит от размеров шва, толщины металла и составляет 3–7 мм.
Перед наложением очередного слоя поверхность предыдущего слоя должна быть хорошо очищена металлической щеткой. Сварку производят поочередно короткими участками. При этом стыки валиков в слоях не должны совпадать. При многослойной сварке зона нагрева меньше, чем при однослойной. В процессе сварки при наплавке очередного слоя происходит отжиг нижележащих слоев. Кроме того, каждый слой можно подвергнуть проковке.
Все эти условия позволяют получить сварной шов высокого качества, что очень важно при сварке ответственных конструкций. Однако следует учесть, что производительность сварки снижается и при этом рекомендуется больше горючего газа.
Низкоуглеродистые стали сваривают газовой сваркой без особых затруднений. Сварка выполняется нормальным пламенем. Присадочным материалом служит сварочная проволока. Ответственные сварные узлы и конструкции из низкоуглеродистой стали выполняют применением низколегированной проволоки. Наилучшие результаты дают кремне-марганцовистая и марганцовистая проволоки марок Св–08ГА, Св–10Г2, Св–08ГС, Св–08Г2С. Они позволяют получить сварной шов с высокими механическими свойствами.
Среднеуглеродистые стали свариваются удовлетворительно, однако при сварке возможно образование в сварном шве и зоне термического влияния закалочных структур и трещин. Сварку выполняют слегка науглероживающим пламенем, так как даже при небольшом избытке в пламени кислорода происходит существенное выгорание углерода. Удельная мощность пламени должна быть в пределах 80–100 л/(чмм). Рекомендуется левый способ сварки, чтобы снизить перегрев металла. При толщине металла более 3 мм следует проводить предварительный общий подогрев детали до 250–300 °C или местный нагрев до 650–700 °C.
Присадочным материалом во время сварки служат марки сварочной проволоки, указанные для малоуглеродистой стали, и проволока марки Св–12ГС. При определении мощности пламени следует иметь в виду, что при сварке правым способом удельная мощность должна быть повышена на 20–25 %. Увеличение мощности пламени повышает производительность сварки, однако при этом возрастает опасность пережога металла.
Диаметр присадочной проволоки d (мм) при сварке металла толщиной до 15 мм левым способом определяют по формуле:
d = (s/2)+1
где s – толщина свариваемой стали, мм.
При правом способе сварки диаметр проволоки берут равным половине толщины свариваемого металла. При сварке металла толщиной более 15 мм применяют проволоку диаметром 6–8 мм. После сварки можно рекомендовать проковку металла шва в горячем состоянии и затем нормализацию с температуры 800–900 °C. При этом металл приобретает достаточную пластичность и мелкозернистую структуру.