Газопламенная и газоэлектрическая обработка металлов

Сущность газопламенной обработки и применяемые газы. В технических процессах газопламенной обработки в качестве источника нагрева используется высокотемпературное газо-кислородное пламя. Пламенем обеспечивается местный нагрев, необходимый для осуществления следующих наиболее распространённых технологических процессов:

- разделительных – резки, строжки;

- соединительных – сварки, пайки;

- напыления расплавленных веществ – металлизация, напыление пластмасс др.;

- технологических нагревов – закалки, правки и др.

В качестве горючих газов в этих процессах используются углеводороды, а иногда чистый водород. Наиболее распространено использование ацетилено-кислородного пламени. Подаваемый в пламя чистый кислород поддерживает и интенсифицирует горение и повышает температуру.

Реакция полного сгорания ацетилена выражается формулой:

2С₂Н₂ + 5О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О + 52600 Дж/л. 6.1.

Здесь 52600 Дж/л соответствует низшей теплотворной способности ацетилена.

Кислород, являясь одной из составных частей воздуха, кроме того, входит в химический состав большинства веществ в природе.

Кислород – негорючий газ, но активно поддерживает горение; его соприкосновение с минеральными маслами, жирами или другими горючими веществами приводит к их самовоспламенению, а часто к взрыву.

Существует несколько способов получения кислорода для промышленных целей. Наиболее распространённый и экономичный способ – получение кислорода из воздуха посредством глубокого охлаждения последнего. Кислород может подаваться потребителям в жидком или газообразном виде. Существенным недостатком использования газообразного кислорода в баллонах является большой вес баллонов, превышающий в 8,5 раз вес самого газа. Жидкий кислород можно перевозить с кислородной станции непосредственно к потребителям в специальных сосудах

Ацетилен (С₂Н₂) – бесцветный газ без вкуса и со слабым запахом, напоминающий эфир. Ацетилен вреден для организма человека, однако вдыхание его в небольших количествах не опасно. Ацетилен взрывоопасен.

Ацетилен получается, благодаря воздействию воды на твёрдое вещество – карбид кальция (СаС₂), по уравнению:

СаС₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + С₂Н₂ 6.2.

При разложении 1 кг карбида кальция водой практически выделяется 250 – 300 литров ацетилена. Процесс получения ацетилена из карбида кальция ведут в специальных аппаратах, называемых ацетиленовыми генераторами, производительность которых от 3 до 100 м³ в час.

Для сварки и резки могут быть использованы пары бензина,, а также природный газ, пропан-бутан, но их теплотворная способность гораздо ниже ацетилена.

В условиях судостроительных заводов применяют различные схемы подачи газов к горелкам или резакам на рабочих постах:

- от индивидуального кислородного баллона и баллона с растворённым ацетиленом по шлангам (Рис. 6.16,а);

- от рампы баллонов и стационарного ацетиленового генератора средней производительности (либо от рампы, состоящей из нескольких баллонов ацетилена) по местному трубопроводу (Рис. 6.16,б);

- от центральной кислородной и ацетиленовой станций по постоянным трубопроводам и др.

Работа с горючими газами и с кислородом требует соблюдения техники безопасности. На трубопроводах устанавливают запорные вентили, а на ацетиленовом трубопроводе обязательно устанавливаю водяные затворы. На кислородном трубопроводе за запорным вентилем ставят редукционный клапан (редуктор). Такие же редукционные клапаны устанавливают и на индивидуальные баллоны с газами. Они предназначены для понижения давления выходящего из баллонов газа и для поддержания этого давления по мере его расходования, а также для предотвращения обратного удара пламени в ацетиленовый баллон.

Газовое пламя. Технология сварки и процессов нагрева. Рабочими устройствами, в которых осуществляются смешение горючего газа с кислородом и подача смеси в пламя, являются горелки. Они бывают различной формы и конструкции в зависимости от своего назначения (Ри.6.17).

Диаметр выходного отверстия в мундштуке горелки подбирают так, чтобы при давлении кислорода 100-120 кПа обеспечить выход готовой смеси со скоростью не менее 70 м/с. Такая скорость выше скорости горения газа, и следовательно, при ней не должно происходить попадания пламени внутрь горелки («обратный удар»). Строение газо-кислородного пламени и график распределения температуры по его оси показан на Рис.6.18.

Наибольшая температура достигается в средней зоне – 3100-3200⁰С. При использовании газового пламени для сварки оно оказывает сильное тепловое и химическое воздействие на свариваемые металлы. Химическое воздействие может состоять в окислении или раскислении металла, в науглероживании и в насыщении водородом.

При газовой сварке мощность пламени, т.е. количество горючего (в л/ч), выбирают в зависимости от толщины свариваемых деталей и марки их материала. Каждый номер наконечника горелки соответствует определённой мощности. Расход ацетилена на 1 мм толщины металла для сварки малоуглеродистой стали принимается 100-150 л/ч, для меди – 150-200 л/ч, для сварки алюминия – 75-100 л/ч. Пламя регулируют в соответствии со свойствами и составом свариваемых металлов: для сварки стали нормальное соотношение О₂/С₂Н₂ = 1,15 (нормальное пламя); для меди и алюминия, учитывая их повышенную окисляемость, это соотношение принимают равным 1,05; для сварки латуни используют окислительное пламя с соотношением кислорода к ацетилену 1,3 – 1,4.

Газовую сварку в судостроении выполняют в ограниченных объёмах и только для неответственных судокорпусных конструкций малых толщин (до 3-4 мм), а также для сварки труб вентиляции, тонкостенных сосудов и пр. В качестве оборудования для газовой сварки используют горелку со сменными наконечниками, ацетилено-кислородную смесь и присадочную проволоку диаметром 2-3 мм. Схемы способов газовой сварки показаны на Рис.6.19.

Более широкое применение газовое пламя нашло при проведении резки металлов, но в последнее время этот способ резки вытесняется газоэлектрическим методом (плазменная резка). В судостроении газовое пламя применяется при проведении правки конструкций, а также при выполнении напыления, металлизации и упрочнения поверхностей деталей судовых технических средств (СТС).

Схема процесса кислородной разделительной резки показана на Рис.6.20. Схема дуговой плазменной горелки показана ранее на Рис.1.5.

Сущность и виды тепловой резки металлов. Газовое пламя и другие концентрированные источники тепла, применяемые в сварочной технике, могут быть использованы не только для нанесения, но для удаления частиц металла из заготовки, т.е. для тепловой резки. В качестве источников тепла при резке можно использовать газокислородное пламя или электрическую дугу. Могут быть выделены три вида резки. В судостроении находят применение: газокислородная, кислородно-флюсовая, воздушно-дуговая и плазменно-дуговая.

Резка газокислородная. Этот способ резки для упрощения часто именуют просто резкой кислородной. Процесс газокислородной резки заключается в сжигании подогретого до температуры горения твёрдого металла в струе чистого кислорода. Когда поверхность металла нагрета до температуры воспламенения, подаётся струя «режущего» кислорода, которая быстро окисляет подогретый металл. Образовавшиеся в месте реза жидкие окислы выдуваются, а окружающий его металл остаётся твёрдым. Кислородной резке могут подвергаться металлы и сплавы, удовлетворяющие ниже перечисленным требованиям:

1. Температура воспламенения метла в струе чистого кислорода должна быть ниже температуры его плавления, т.е. металл в процессе резки должен сгорать, не расплавляясь. Стали с содержанием углерода менее 0,5-0,7% этому требованию удовлетворяют.

2. Температура плавления окислов должна быть ниже температуры плавления металла, что делает возможным удаление продуктов сгорания из места разреза.

3. Металл не должен содержать примесей, ухудшающих процесс резки.

4. Для обеспечения непрерывности процесса реакция горения металла в кислороде должна быть экзотермической, т.е. должна сопровождаться выделением теплоты.

5. Теплопроводность разрезаемого металла должна быть относительно небольшой, чтобы можно было довести температуру в зоне разреза до воспламенения.

6. Качество и производительность кислородной резки зависят от ряда факторов, в том числе, от чистоты кислорода, скорости перемещения пламени, расстояния между поверхностью метала и наконечником и др. С понижением чистоты кислорода процесс окисления замедляется, а расход кислорода увеличивается.

Резка кислородно-флюсовая. Отличается от газокислородной тем, что в зону горения металла подаётся из дополнительного канала резака порошкообразный флюс. Его назначение – выделять дополнительное количество теплоты и производить металлургическую обработку (флюсование) окислов. Она применяется для резки легированных сталей и чугуна.

Резка дуговая. Состоит в выплавлении металла источником тепла – дугой, проходящей по линии реза. Этот способ практически не используется.

Резка газоэлектрическая. Она включает в себя воздушно-дуговую и плазменно-дуговую (проникающей дугой) резки.

Первый способ– это обычная воздушно-дуговая строжка угольным электродом.

При резке плазменно-дуговой (Рис.1.5.) дуга горит между изделием и электродом 2 (вольфрамовым лантанированным прутком диаметром от 3 до 8 мм). В отличие от обычной дуговой сварки или резки здесь дуговой разряд стабилизирован газовым потоком 1 из аргона, технического азота, водорода, гелия или их смесей, а иногда воздуха. Стабилизирующий газ продувается сквозь столб разряда, образуя плазму. Поток плазмы представляет собой узкий концентрированный высокотемпературный столб из заряженных частиц. Он выплавляет металл по линии реза. Концентрация теплоты достигается обжатием столба дуги под действием струи стабилизирующего газа.

Скорость плазменно-дуговой резки превышает скорость ацетилено-кислородной резки примерно в 5-6 раз (для толщин металла 15-20 мм). Напряжение на дуге составляет от 75 до 120 в, а величина тока – от 220 до 400а (ручная резка) и до 700 а и выше при машинной резке, при напряжении до 500в.

Контрольные вопросы.

1. Состав установки для РДС.

2. Состав установки для механизированной сварки с применением автоматов.

3. Выбор источников питания для различных способов сварки.

4. Требования к источникам питания сварочной дуги.

5. Режим работы многопостового преобразователя постоянного тока.

6. Сварочные выпрямители.

7. Источники питания для ЭШС.

8. Основные параметры источников питания дуги.

9. Что такое односторонняя сварка на «весу»?

10. Состав установки для односторонней сварки на медно-флюсовой подкладке.

11. Сварка на медном охлаждаемом ползуне. Принцип работы автоматов этого типа.