Газовая сварка

При газовой сварке, схема которой представлена на рис. 3.15, заготовки 1 и присадочный материал 2 в виде прутка или проволоки расплавляют высокотемпературным пламенем 4 газовой горелки 3.

Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. Мощность пламени регулируют сменой наконечников горелки.

Рис. 3.15. Схема газовой сварки

Нагрев заготовки осуществляется более плавно, чем при дуговой сварке, поэтому газовую сварку применяют для сварки: металла малой толщины (0,2–5 мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов; металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения (инструментальные стали, латуни); для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При увеличении толщины металла снижается производительность и увеличивается деформация.

Рис. 3.13. Схема электрошлаковой сварки

Свариваемые заготовки 1 устанавливают в вертикальном положении. В замкнутое пространство между водоохлаждаемыми медными ползунами 4 и вертикально установленными кромками изделий засыпают флюс и подают электродную проволоку 7 при помощи специального механизма подачи 6.

В начале процесса возбуждают дугу, флюс плавится и образуется электропроводный шлак 5. Шлак шунтирует дугу, она гаснет, выходная цепь источника питания замыкается через шлак. Ток, проходя через шлак, разогревает его, это приводит к расплавлению кромок основного металла и электрода. Расплав стекает вниз и образует сварочную ванну 8, выжимая шлак вверх, и затвердевает.

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты: в начале шва – непровар кромок, в конце шва – усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают и заканчивают на специальных планках 2 и 3, которые затем удаляют газовой резкой.

Преимущества способа: возможна сварка металла любой толщины (начиная с 16 мм). Заготовки толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечное колебание в плоскости стыка. При толщине заготовки более 150 мм используют несколько проволок. Есть опыт сварки металла толщиной до 2 м.

Недостаток способа – образование крупного зерна в шве и околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. Необходимо проведение термической обработки: нормализации или отжига для измельчения зерна.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано-сварных и литосварных конструкций: это станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т. п.

3.2.8.1. Газы, применяемые при сварке

В качестве горючих газов могут быть использованы ацетилен С₂Н₂, водород Н₂, природный газ (содержащий примерно 94 % СН₄,) нефтегаз, пары бензина и керосина. В сварочном производстве обычно применяют ацетилен: при горении в технически чистом кислороде он дает наиболее высокую температуру пламени (3150 °С) и выделяет наибольшее количество тепла (11470 ккал/м³). Ацетилен легче воздуха и кислорода. При содержании в воздухе 2,8–80 % С₂Н₂ образуется взрывчатая смесь. Воспламеняется ацетилен при 420 °С, становится взрывоопасным при сжатии свыше 0,18 МПа, а также при длительном соприкосновении с медью и серебром.

Ацетилен получают из карбида кальция при взаимодействии последнего с водой. Реакция протекает с выделением значительного количества тепла:

СаС₂ + 2Н₂О = С₂Н₂ + Са(ОН)₂

Ацетилен для сварки поступает из генератора, в котором его получают, или из металлических баллонов. В баллонах ацетилен находится в смеси с ацетоном под давлением 1,5−1,6 МПа. Для безопасности баллон с ацетиленом заполняют древесным углем, создающим систему капиллярных сосудов.

Технический кислород (98,5–99,5 %) поступает к сварочным постам по трубопроводам под давлением 0,5−1,6 МПа или из баллонов под давлением до 15 МПа. Для понижения давления кислорода на выходе из баллона и поддержания давления постоянным при работе применяют газовые редукторы: они снижают давление с 15 до 0,1 МПа. Ацетиленовые редукторы снижают давление с 1,6 до 0,02 МПа.

Из редукторов баллонов кислород и горючий газ раздельно поступают в сварочную горелку, которая предназначена для правильного смешения кислорода с горючим газом, подачи горючей смеси к месту сварки и создания концентрированного пламени требуемой мощности.

Горелки по принципу действия разделяют на инжекторные (всасывающие) низкого давления газа и безынжекторные среднего и высокого давления. Различают одно- и многопламенные горелки.

Рис. 3.16. Схемы газовых горелок: а – инжекторной; б – безынжекторной

Кислород к инжектору (рис. 3.16, а) поступает через вентиль по шлангу под рабочим давлением 0,1–0,5 МПа. Вытекая с большой скоростью из инжектора в смесительную камеру, струя кислорода создает разрежение, обеспечивающее подсос ацетилена. Ацетилен под низким давлением (0,001– 0,05 МПа) поступает по шлангу, а затем через корпус горелки – в смесительную камеру, где смешивается с кислородом. Полученная горючая смесь поступает в мундштук. По выходе из него смесь сгорает, образуя сварочное пламя.

Безынжекторная горелка (рис. 3.16, б) работает при давлении ацетилена более 0,05 МПа и кислорода до 0,5 МПа.

При зажигании горелки сначала на четверть оборота открывают вентиль кислорода, затем открывают вентиль ацетилена и поджигают выходящую из наконечника газовую смесь.

3.2.8.2. Сварочное ацетилено-кислородное пламя

Строение, температура и влияние сварочного пламени на расплавленный металл зависят от соотношения кислорода и ацетилена в горючей смеси.

Горение ацетилена может быть представлено следующей реакцией, протекающей в две стадии:

С₂Н₂ + 2,5О₂ = 2СО₂ + Н₂О_пар

В первой стадии в горелку подают один объем ацетилена и один объем кислорода (С₂Н₂ + О₂ = 2СО + Н₂).

Во второй стадии за счет кислорода окружающего воздуха протекает реакция

2СО + Н₂ + 1,5О₂ = 2СО₂ + Н₂О

В зависимости от соотношения кислорода и ацетилена в исходной горючей смеси различают три вида кислородно-ацетиленового пламени:

• нейтральное, или нормальное восстановительное, пламя при соотношении О2: С2Н2 = 1: 1,2. Таким пламенем сваривают большинство металлов и сплавов;

• науглероживающее пламя при соотношении О₂: С₂Н < 1, т. е. при избытке ацетилена. Ядро пламени при этом удлиняется по сравнению с ядром нормального пламени, пламя теряет резкие очертания. Такое пламя применяют при сварке чугуна и наплавке быстрорежущих сталей и твердых сплавов;

• окислительное пламя при соотношении О2: С2Н2 > 1,2, т. е. при избытке кислорода. Пламя при этом приобретает голубоватый оттенок, размеры ядра пламени уменьшаются. Такое пламя применяют при сварке латуней.

На рис. 3.17 показана схема строения нормального сварочного пламени, образующегося при горении ацетилена. Пламя состоит из трех зон: ядра 1, восстановительной зоны 2 и окислительной зоны 3. Ядро пламени имеет вид усеченного конуса с округленным концом. Эта часть пламени состоит из смеси кислорода и раскаленных продуктов разложения ацетилена и кислорода (самая яркая часть пламени).

Рис. 3.17. Схема строения нормального ацетилено-кислородного пламени и график распределения температуры по его длине

В восстановительной зоне происходит выделение тепла в основном за счет окисления раскаленных частиц углерода в окись углерода. Наивысшая температура в этой зоне (до 3150°С) создается на расстоянии 3−5 мм от конца ядра пламени. Эта зона имеет характерное синеватое свечение.

Находящиеся в восстановительной зоне продукты горения ацетилена СО и Н₂ нагревают и расплавляют металл. Они также могут восстанавливать окислы, в том числе образующиеся при сварке окислы железа.

В окислительной зоне при избытке кислорода воздуха СО догорает в СО₂ и Н₂ − в Н₂Опар. Эта часть пламени имеет желтоватую окраску с красным оттенком. Газообразные продукты этой зоны обладают окислительной способностью, однако они препятствуют контакту расплавленного металла с воздухом.