Тема 8. Газовая сварка и резка металлов.

Вопросы темы:

Суть газовой сварки и резки. Сварочное пламя, его строение. Температуры различных зон пламени. Виды пламени и его регулирование. Режимы сварки и резки, их технологические особенности. Оборудование газосварщика и резчика.

Газовая сварка

Газовая сварка является малопроизводительной, не обеспечивающей высокое качество сварочного соединения.

Газовая сварка осуществляется плавлением при нагреве кромок и присадочного материала теплотой сгорания горючих газов в кислороде. Газовую сварку классифицируют по виду применяемого горючего газа: ацетилено-кислородная, водородно-кислородная, керосино-кислородная, бензино-кислородная, пропан-бутано-кислородная и др. Широкое распространение получили газовые сварки ацетилено-кислородная и пропан-бутано-кислородная.

Пламя газовой горелки 3 имеет три зоны: ядро 4, восстановительную зону 5 и факел 6. Сварку ведут восстановительной зоной пламени, где металл не подвергается окислению и науглероживанию.

Кислород – газ без цвета и запаха, обладающий способностью соединяться почти со всеми металлами. Поставляется в стальных, окрашенных в голубой цвет, баллонах объемом 40 л под давлением 15 МПа (150 кгс/см²). На баллоне черной краской наносится надпись «Кислород». При возврате баллона остаточное давление кислорода должно быть в пределах 0,05 – 0,5 МПа (0,5 – 5 кгс/см²).

Ацетилен– бесцветный газ с характерным запахом, являющийся самым распространенным при процессах газопламенной обработки. Поставляется с заводов в баллонах объемом 40 л (5 м³ ) при максимальном давлении 1,9 МПа (19 кгс/см²), баллоны окрашены в белый цвет с надписью красной краской «Ацетилен». Ацетилен представляет собой находящийся под давлением в баллоне раствор ацетилена в ацетоне, распределенный в пористой массе. Остаточное давление при возврате баллона должно быть, МПА (кгс/см²).

Ацетилен получают с ацетиленового завода или на месте производства работ из карбида кальция в генераторах. Пользование ацетиленом из баллонов очень удобно, так как освобождает от необходимости ухода за газогенератором.

Пропан – бутан применяют как заменитель ацетилена при газовой сварке и кислородной резке малоуглеродистой стали. Он представляет собой сжиженную смесь газов пропана и бутана. Хранят и транспортируют его в стальных баллонах объемом 40 и 55 л под давлением 1,6 – 1,7 МПа (16 – 17 кгс/см²). 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 испарители, которые нагревают вспомогательным пламенем или электрическим током.

Карбид кальция (ГОСТ 1460 – 76) представляет собой сплав извести с антрацитом или коксом. При разложении карбида кальция водой получаются ацетилен в газообразном виде и гашеная известь в виде отходов.

По внешнему виду карбид кальция – твердое кристаллическое вещество темно-серого или темно-коричневого цвета. В результате взаимодействия его с парами воды, находящимися в атмосферном воздухе, он имеет характерный резкий чесночный запах. Его упаковывают и транспортируют в герметически закрытых стальных барабанах массой 50 – 130 кг. На складах и рабочих местах его хранят в специальных бидонах с герметическими крышками. Барабаны вскрывают специальным ножом или латунным зубилом и молотком во избежание образования искры и взрыва. Из 1 кг карбида кальция в зависимости от сорта и грануляции получают 235 – 280 л ацетилена. Мелкий (мельче 2 мм) и пылеобразный карбид кальция применять запрещается (взрывоопасно).

Давление горючих газов, находящихся в баллонах, снижают до давления, необходимого для работы горелки (0,1…0,4 МПа), ацетиленовыми 2 и 3 кислородными редукторами. Из баллона можно отбирать газ до остаточного давления не ниже 0,05 МПА. Полностью выпускать газ из баллона нельзя, т.к. при этом на заводе потребуется проверка баллона.

Принцип действия всех редукторов одинаков. Газ из баллона подается в камеру 3 высокого давления. Клапан 1, прижатый пружиной 4, не пропускает газ в камеру 8 низкого давления. Для того, чтобы открыть подачу газа, поворачивают регулировочный винт 11, который сжимает пружину 10 и поднимает клапан 1 над седлом; таким образом газ поступает в камеру 8 и через вентиль 7 в горелку. При движении через седло давление газа, который преодолевает большое сопротивление, под клапаном 1 снижается до 0,1…0,4 МПа. Если при заданном положении винта 11 расход и поступление газа равны, то рабочее давление остается постоянным и мембрана 9 находится в одном положении. Если расход газа больше чем его поступление, то давление в камере 8 понизится. При этом давление на мембрану 9 и пружину 10 уменьшится, пружина 10 удлинится, клапан 1 откроется, поступление газа в камеру 8 увеличится, и давление газа возрастет до первоначального значения. При уменьшении расхода газа происходит обратный процесс. Т.о. автоматически поддерживается заданное давление.

Давление на входе и выходе редуктора контролируется манометрами 2, 6. Чтобы исключить поломку редуктора при негерметичности клапана 1 и повышении давления в камере 8, установлен предохранительный клапан 5.

Кроме одноступенчатого редуктора выпускают двухступенчатые, в которых давление газа вначале снижается до 3 … 5 МПа, а затем до рабочего. Эти редукторы более точно поддерживают заданное давление и не нуждаются в частом регулировании.

Ацетиленовые генераторы служат для получения ацетилена разложением карбида кальция водой (табл. 31.10). Ацетиленовые генераторы (ГОСТ 5190 – 78) классифицируются по следующим признакам:

а) по производительности;

б) по способу применения – передвижные, стационарные;

в) по давлению получаемого ацетилена – низкого и среднего давления;

г) по способу взаимодействия карбида кальция с водой – генераторы КВ (карбид на воду); ВК (вода на карбид); К (контактный); ВВ (вытеснение воды); по системе ВВ в сочетании с ВК.

Все ацетиленовые генераторы состоят из следующих основных элементов: газообразователя, газосборника, предохранительного затвора (для предохранения от взрывной волны при обратных ударах от горелки или резака), деталей авторегулировки вырабатываемого ацетилена в зависимости от его потребления. К корпусу генератора прикрепляется табличка со следующими данными: марка, заводской номер и год выпуска генератора; производительность (м³/ч); рабочее давление (МПа или кгс/см²); единовременная загрузка карбида (кг); пределы температур, в которых может работать ацетиленовый генератор (обычно для генераторов передвижных типов от – 25⁰ до 40⁰С).

Ацетиленовые генераторы применяют только при отсутствии ацетиленовых баллонов, так как питание постов сварки и резки ацетиленом от ацетиленовых генераторов связано с рядом неудобств.

Сварочные горелки – основной инструмент газосварщика – предназначены для смешивания горючего газа или паров горючей жидкости с кислородом и получения устойчивого сварочного пламени требуемой мощности.

По ГОСТ 1077 – 79 горелки классифицируются:

а) по способу подачи горючего в смесительную камеру – инжекторные и безынжекторные;

б) по роду применяемого горючего;

в) по мощности, определяемой расходом ацетилена: микромощности, малой, средней и больной мощности;

г) по способу применения – ручные и машинные;

д) по числу пламени – однопламенные и многопламенные;

е) по назначению – универсальные (сварка, резка, пайка, наплавка) и специализированные (выполнение одной операции).

В инжекторной горелке горючий газ подается в смесительную камеру вследствие подсоса (инжекции) газа более низкого давления (0,001 – 0,12 МПа) струей кислорода давлением 0,15 – 0,5 МПа. В безынжекторной горелке горючий газ и кислород подаются примерно с одинаковым давлением (0,05 – 0,1 МПа). Здесь инжектор заменен простым смесительным соплом, ввертываемым в трубку наконечника горелки. Недостаток инжекторной горелки – непостоянство состава горючей смеси, а преимущество ее в том, что она работает на горючем газе как среднего, так и низкого давления. Для нормальной работы безынжекторных горелок сварочный пост дополнительно снабжают регулятором равного давления, обеспечивающим равенство рабочих давлений кислорода и горючего газа.

В комплект горелки входят ствол и сменные наконечники, присоединяемые к стволу накидной гайкой. Наконечники служат для сварки металла толщиной 0,5 – 30 мм.

Газовую сварку обычно применяют при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали толщиной 1 – 3 мм, монтаже, труб малого и среднего диаметров, сварке соединений и узлов из тонкостенных труб, сварке изделий из алюминия и его сплавов, меди, латуни и свинца, сварке чугуна с применением в качестве присадки чугунных, латунных и бронзовых прутков.

Для заполнения шва в качестве присадочного материала используют мягкую стальную проволоку, поверхность которой должна быть чистой и ровной, без окалины, ржавчины и грязи. Для газовой сварки труб из низкоуглеродистой стали применяют низкоуглеродистую проволоку СВ-08 или СВ-08А. А для легированной стали – легированную проволоку. Диаметр проволоки соответствует толщине свариваемого металла: при толщине стенок труб до 3 мм – он должен быть 2…3 мм, а при 3 – 4 мм – 3…4 мм.

Газовую сварку можно использовать для соединения почти всех металлов и сплавов, применяемых в промышленности. Газовая сварка наиболее распространена для стыковых соединений. Металлы толщиной до 2 мм сваривают стык с отбортованной кромкой без присадочного материала или встык без разделки кромок и без зазора, но с присадочным материалом. Метал толщиной 2 – 5 мм сваривают встык без разделки кромок, но с зазором между ними. При сварке металла толщиной более 5 мм применяют V- или Х-образную разделку кромок с углом скоса 70 – 90 ⁰.

В практике используют два способа газовой сварки: правый и левый. При левом способе сварка выполняется справа налево (присадочная проволока движется впереди горелки), а при правом способе сварка производится слева направо (присадочная проволока движется вслед за горелкой). Диаметр присадочной проволоки зависит от толщины свариваемого металла и способа сварки.

Во время работы сварщик направляет пламя горелки с таким расчетом, чтобы расплавление основного металла и конца присадочной проволоки производилось восстановительной зоной пламени.

Ядро пламени должно находиться на расстоянии 2 – 6 мм от металла и не должно касаться поверхности расплавленного металла или присадочной проволоки, т.к. это приводит к науглероживанию металла.

В процессе газовой сварки мундштуком горелки одновременно совершаются два движения – поступательное по оси сварки и поперечно-колебательное.

Сварочное пламя

Имеет следующие зоны:

1) ядро пламени, имеющее ярко светящуюся и четко очерченную форму конуса с закругленным концом, и состоящее из раскаленных частиц углерода, сгорание которых происходит в наружном слое.

2) восстановительную зону, состоящую из окиси углерода и кислорода и имеющую более темный цвет, чем остальные части пламени, температура этой зоны 3000⁰ С.

3) факел пламени, состоящий из углекислого газа, водяных паров и азота.

При нагревании и расплавлении металла при сварке пользуются восстановительной зоной пламени, обладающей наивысшей температурой и обеспечивающей надежную защиту металла от кислорода и азота воздуха.

Газосварочные посты (рабочие посты сварщиков) должны иметь следующее оборудование и инвентарь: ацетиленовый генератор или баллон с горючим газом; кислородный баллон; редукторы (кислородный и для баллона с горючим газом) для понижения давления газа; сварочную горелку с набором сменных наконечников; резиновые шланги для подачи горючего газа и кислорода к горелке; сварочный стол (при сварке отдельных деталей в цеху); приспособления, необходимые для сборки изделий под сварку; комплект инструментов; присадочную проволоку; очки с защитными темными стеклами; спецодежду для сварщика; набор ключей, молоток, зубило, стальные щетки и др.

Кислородная (газовая) резка металлов основана на способности металла сгорать в струе технически чистого кислорода. При нагревании металла до температуры горения (воспламенения) он сгорает в струе кислорода с выделением теплоты, которая передается нижележащим слоям, и по всей толщине разрезаемого металла образуется узкая щель (рез). Образующиеся продукты горения (окислы и шлаки) удаляются (выдуваются) из области реза струей кислорода. Кислородную резку металла выполняют с помощью резаков, работающих на ацетилене низкого давления.

Резак РР-53 (рис. 38, а) состоит из корпуса 8, рукоятки 7 и ниппелей 5 и 6 для присоединения соответственно кислородного и ацетиленового шлангов. К корпусу с помощью накидной гайки 11 присоединена смесительная камера 12, в которую ввернут инжектор 10 – устройство для засасывания газа. Кислород, поступающий в горелку через ниппель 5, разветвляется по двум направлениям.

Часть кислорода, регулируемая вентилем 4, поступает через инжектор 10 в смесительную камеру 12. В эту же камеру через ниппель 6 и регулирующий вентиль 9 поступает ацетилен. В смесительной камере кислород и ацетилен образуют горючую смесь, которая по трубке 13 проходит к головке 1 горелки, выходит через зазор между наружным 15 и внутренним 14 мундштуками и сгорает, образуя подогревательное пламя.

Другая часть (струя) кислорода, регулируемая вентилем 3, проходит через трубку 2 к головке 1, откуда выходит через центральный канал мундштука 14 и образует режущую струю. Чтобы облегчить перемещение резака, используют простейшие приспособления для резки труб (рис. 38, б), вырезки фланцев (рис. 38, в).

Вместо ацетилена для резки металла могут быть использованы пары бензина, бензола и керосина. В этом случае применяют бензо- и керосинорезы. Установка для резки парами керосина или бензина состоит из резака, бачка для горючего и кислородного баллона с редуктором.

Кислородно-дуговая резка, основана на расплавлении металла электрической дугой, а затем сжигании металла в струе кислорода. При этом способе резки между трубчатым электродом и обрабатываемым изделием образуется электрическая дуга. Струя кислорода, поступающая из баллона с редуктором в трубчатый электрод, попадает на нагретую поверхность и окисляет металл по всей толщине.

При воздушно-дуговой резке металл по линии реза расплавляется дугой, горящей между изделием и электродом, и непрерывно удаляется струей сжатого воздуха.

Плазменно-дуговая резка заключается в проплавлении металла мощным дуговым разрядом, локализованным на малом участке поверхности разрезаемого металла, с последующим удалением металла из зоны реза высокоскоростным газовым потоком. Холодный газ, попадающий в горелку (плазмотрон), обтекает электрод в зоне дугового разряда и превращается в плазму – высокотемпературный газ, содержащий большое количество положительно и отрицательно заряженных частиц (ионов, электронов). Плазма истекает через отверстие малого диаметра в сопле в виде яркосветящейся струи с большой скоростью и температурой 20 000…30 000⁰ С.

Плазменно-дуговая резка обеспечивает высокую скоростью процесса и позволяет обрабатывать металлы, которые нельзя резать другими способами (медь, алюминий и их сплавы, высоколегированная сталь)

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем заключается сущность газовой сварки?

2. Назовите газы, используемые при газовой сварке, и охарактеризуйте их.

3. Назовите основные зоны ацетилено-кислородного пламени и их температуры.

4. Охарактеризуйте назначение и принцип действия оборудования, используемого при газовой сварке.

5. Опишите технологию газового сваривания.

6. Назовите оборудование газосварочного поста.

7. В чем заключается сущность газовой резки?

8. Назовите правила техники безопасности при производстве работ.

Литература:

Л 1 стр. 194 – 218 (§ 54 – § 58)

Д/з Технология кислородной резки.

§ 57