Основы газопламенной сварки
Кислород
Пламя, обладающее высокой температурой, необходимое для газопламенной сварки, образуется при сгорании горючих газов или паров в смеси с техническим кислородом. При нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса. Но при низких температурах газообразный кислород может перейти в жидкое состояние и даже превратиться в твердое вещество. Сам кислород не токсичен, не горит, но активно поддерживает горение других веществ, при котором выделяется большое количество тепла.
Соединения кислорода с горючими веществами в большой концентрации может привести к воспламенению и даже взрыву при наличии открытого огня или искры, а в сжатом состоянии при контакте с парами масел, жиров и других горючих веществ — к самовоспламенению. Получают технический кислород из атмосферного воздуха или электролизом воды. Основные физические свойства кислорода приведены в таблице 1.
Хранение и транспортировка жидкого кислорода производится в специальных транспортных резервуарах, имеющих хорошую тепловую изоляцию. К потребителю кислород поступает в баллонах под давлением, создаваемым при помощи компрессоров. Согласно ГОСТ 949-73 давление кислорода в баллонах должно быть 15±0,5 МПа или 20±0,1 МПа. При температуре от -50 до 30°С давление в баллонах должно соответствовать величинам, приведенным в таблице 2.
Хранение и транспортировка баллонов с жидким кислородом при температурах выше 60°С недопустимо.
Таблица 1. Основные физические свойства кислорода
| Показатель | Параметры |
| Молекулярная масса | 32 |
| Масса 1м3 при 0°С и давлении760ммрт. ст.,кг | 1,43 |
| То же при 20°С и давлении7 60 мм рт. ст., кг | 1,33 |
| Критическая температура, °С | -118,8 |
| Температура кипения при 760 мм рт. ст., °С | -182,97 |
| Критическое давление кгс/см2 | 51,35 |
| Масса 1л жидкости кислорода прои -182,97°С и760ммрт. ст.кг | 1,13 |
| Количество кислорода, получаемого из 1л жидкого,л | 850 |
| Температура плавления при 760 ммрт. ст.,°С | -218,4 |
Примечание: критическая температура — это наивысшая температура превращения газа в жидкость. Необходимое для этого давление называется также критическим.
Таблица 2. Величины давления в баллонах при температурах от -50 до 30°С
| Температура газа, °С | Давление в баллоне при первоначальном давлении 15Мпа ±0, 5 при20°С | Давление в баллоне при первоначальном давлении 20Мпа ±0,1 при20°С |
| -50 | 9,3 | 12,3 |
| -40 | 10,2 | 13,5 |
| -30 | 11,1 | 14,6 |
| -20 | 11,9 | 15,8 |
| -10 | 12,7 | 16,9 |
| 0 | 13,5 | 17,9 |
| 10 | 14,3 | 19,0 |
| 20 | 15,0 | 20,0 |
| 30 | 15,7 | 21,0 |
Ацетилен
Ацетилен (С2Н2) — химическое соединение углерода и водорода, в нормальном состоянии представляющее собой бесцветный горючий газ с резким запахом. Ацетилен легче воздуха и при температуре 20°С один его м³ имеет массу 1,09 кг. Низкая температура ацетилена (240 — 630°С) делает этот газ взрывоопасным в соединении с кислородом. Так, при атмосферном давлении смесь ацетилена с воздухом становится взрывоопасной при содержании ацетилена 2,2%. Ацетилен токсичен и при вдыхании его вызывает головокружение, тошноту и даже отравление.
Сгорание ацетилена в смеси с техническим кислородом сопровождается высокой температурой, достигающей 3200°С. Основные физические свойства ацетилена приведены в таблице 3.
Технический ацетилен получают двумя способами:
Из карбида кальция действием на него водой в специальных ацетиленовых генераторах.
Из углеводородных продуктов, содержащихся в природных газах, нефти и торфосланцах.
В сварочных работах, выполняемых на строительных площадках, в условиях мелких мастерских и т.д. большее распространение получил первый способ. Однако в промышленном производстве все большее распространение получает второй способ, как более прогрессивный и рентабельный.
Газообразный ацетилен может растворяться в таких жидкостях, как вода, бензол, бензин, но чаще всего его растворяют в ацетоне.
Поэтому растворенным называют ацетилен, находящийся в баллоне, заполненном пористой массой, пропитанной ацетоном. При наполнении такие баллоны искусственно охлаждают. При открывании вентиля на баллоне ацетилен начинает выделяться из ацетона в виде газа. Растворение ацетилена применяют для его длительного хранения и транспортировки, так как в жидком и твердом состоянии он взрывоопасен.
Таблица 3. Физические свойства ацетилена
| Показатель | Величина показателя |
| Молекулярная масса | 26 |
| Масса 1м³ при 0ºС и давлении 760 мм рт. ст. ,кг | 1,17 |
| Тоже при 20°С | 1,09 |
| Критическая температура, °С | 35,9 |
| Критическое давление кгс/см2 | 61,6 |
| Температура кипения при 760 ммрт. ст., °С | -81,8 |
| Температура затвердевания при 7 60 мм рт. ст.,°С | -85 |
Карбид кальция
Карбид кальция — кристаллическое вещество (СаС2) темно-серого или темно-коричневого цвета с удельным весом от 2,3 до 2,53 г/см³. При взаимодействии с парами воды, находящимися в атмосферном воздухе, имеет характерный (чесночный) запах. При взаимодействии с водой карбид кальция разлагается с образованием ацетилена и гашеной извести. Из 1 кг химически чистого карбида кальция теоретически можно получить 372 дм³ ацетилена, однако наличие примесей снижает этот показатель до 280 дм³. Процесс разложения карбида кальция в воде происходит по следующей реакции:
СаС2 Н2О = С2Н2 Са(ОН)
Карбидная пыль при смачивании водой разлагается почти мгновенно, поэтому применять ее в ацетиленовых генераторах невозможно. Для этого используют кусковый карбид кальция, загружая им ацетиленовый аппарат. В зависимости от размеров кусков и сортности карбида кальция получают фактический выход ацетилена, отраженный в таблице 4.
Таблица 4. Выход ацетилена и карбида кальция
Продолжительность разложения карбида кальция зависит от его грануляции и температуры, при которой происходит разложение. Для охлаждения ацетилена при разложении карбида кальция берут от 5 до 20 дм3 воды на 1 кг карбида кальция. Кроме того, иногда применяют «сухой» способ разложения , когда на 1 кг мелко раздробленного карбида кальция в генератор подают 0,2 — 1 дм³ воды.
Барабаны с карбидом кальция должны сохраняться в помещениях, которые отвечают следующим условиям:
помещение должно быть закрытым, сухим, построенным из негорючих материалов, защищенным от попадания влаги, хорошо проветриваться и иметь легкую кровлю, которую периодически проверяют на целостность.
в помещении не должно быть водопровода, канализации, а также водяного и парового отопления;
уровень пола в помещении должен быть на 0,2 м выше отметки наружной планировки;
помещение должно оборудоваться средствами противопожарной защиты.
Барабаны с карбидом кальция могут складироваться как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Помещения, где складируется карбид кальция, должны оборудоваться средствами механизации. Пустая тара из-под карбида кальция должна сохраняться в специальных местах вне производственных помещений.
Запрещается складировать карбид кальция в подвалах и местах, где существует угроза затопления, нельзя сохранять открытые или поврежденные барабаны с карбидом кальция. Открывать барабаны с карбидом кальция следует латунным зубилом и молотком, а запаянные барабаны — специальным режущим приспособлением. Место реза должно предварительно смазываться жировой смазкой слоем от 3 до 5 мм, что предотвращает появление искр. Открывать барабаны, развешивать карбид кальция, отсеивать мелкие фракции и пыль нужно в отдельных специальных помещениях. Просыпанный карбид кальция следует тщательно убрать.
Открытые или не полностью использованные барабаны с карбидом кальция закрывают водонепроницаемыми крышками. Открытым может быть только один барабан. В случае возникновения пожара в помещении, где хранится карбид кальция, нельзя пользоваться для тушения огня водой.
Пропан-бутановые смеси
Пропан-бутановые смеси состоят из пропана (C3H8) с примесью бутана (С4Н10) в количестве от 5 до 30%. Их получают при переработке нефти или добыче природного газа. Для сварочных работ эти смеси поставляется в баллонах в сжиженном состоянии. Из сжиженного состояния пропан-бутановая смесь переходит в газообразное при температуре -40°С при нормальном атмосферном давлении или при нормальной температуре, но при пониженном давлении. Условия перехода пропана и бутана в жидкое состояние отражены в таблице 5.
Таблица 5. Переход пропана и бутана в жидкое состояние
| Температра, °С | Давление, при котором газ переходит в жидкое состояние, кг/см2 | |
| Пропан | Бутан | |
| -20 | 2,7 | 0,45 |
| 110 | 3,7 | 0,68 |
| 0 | 4,8 | 0,96 |
| 10 | 6,4 | 1,5 |
| 20 | 8,5 | 2,1 |
| 40 | 14,3 | 3,9 |
Испарение 1 кг пропан-бутановой смеси освобождает до 0, 535 м³ паров, которые в смеси с кислородом образуют сварочное пламя. При работе с пропан-бутановыми смесями следует учитывать, что этот состав тяжелее воздуха, поэтому при утечках скапливается в низменных местах и углублениях.
При большой концентрации такой смеси в атмосферном воздухе она становится взрывоопасной. Для своевременного обнаружения таких скоплений в смесь добавляют специальное вещество, имеющее неприятный специфический запах. Баллоны, предназначенные для хранения и транспортировки пропан-бутановой смеси заполняют не полностью, так как, испаряясь, смесь создает большое давление, что может привести к разрушению баллона и взрыву.
Переход из жидкого состояния в газообразное происходит самопроизвольно в верхней части баллона. Температура пламени, образованного пропан-бутановой смесью с кислородом, ниже температуры ацетиленового пламени, поэтому для сварки сталей такая смесь используется редко. Большей частью такие смеси применяют при газовой резке и пайке или при сварке металлов с низкой температурой плавления.
Водород
Водород — представляет собой газ без цвета и запаха. Его получают в специальных генераторах воздействуя серной кислотой на железную стружку и цинк. Этот горючий газ в смеси с кислородом образует взрывчатую смесь, называемую гремучим газом. Хранят и транспортируют водород в сжиженном состоянии, в которое он переходит при температуре -253°С. Водород в газообразном состоянии легко проникает через любые неплотности, поэтому баллоны, трубопроводы и запорная арматура должны отвечать высоким требованиям герметичности. При сгорании водорода пламя практически не светится и не имеет четких границ.
Бензин и керосин
Бензин и керосин — представляют собой жидкости, получаемые при переработке нефти. При нормальной температуре и атмосферном давлении они легко испаряются и в газопламенной обработке металлов используются в виде паров. Для испарения бензина или керосинка горелки снабжают специальными испарителями или распылителями. Чаще всего эти жидкости используют для резки металлов, заменяя ацетилен. При этом вместо 1 м³ ацетилена расходуется 1,3 кг керосина.
Кроме этого для газопламенной обработки могут применять природный газ, нефтяной газ, окись углерода и т.д. Все эти газы в смеси с кислородом или атмосферным воздухом при определенном их соотношении образуют взрывоопасные смеси, что следует учитывать в процессе работы. Пределы взрываемости газов и паров горючих газов и жидкостей в смеси с воздухом и кислородом приведены в таблице 6.
Таблица 6. Пределы взрываемости газов, паров и жидкостей
| Наименование газа | Пределы взрываемости, выраженные в % объёме горючего газа | |
| С воздухом | С кислородом | |
| Ацетилен | 2,2-81,0 | 2,8-93,0 |
| Водород | 3,3-81,5 | 4,65-93,9 |
| Окись углерода | 11,4-77,5 | 15,5-93,9 |
| Метан | 4,8-16,7 | 5,0-59,2 |
| Пропан | 2,17-9,5 | 2,0-48,0 |
| Бутан | 1,55-8,4 | 1,3-47,0 |
| Городской газ | 3,8-24,8 | 10,0-73,6 |
| Коксовый газ | 7,0-21,0 | — |
| Природньй газ | 4,8-14,0 | 5,0-59,2 |
| Нефтяной газ | 3,5-16,3 | — |
| Пары бензина | 0,7-6,0 | 2,1-28,4 |
| Пары керосина | 1,4-5,5 | — |
Сварочная проволока и другие присадочные материалы
В качестве присадочных материалов при газопламенной сварке применяют сварочную проволоку или литые прутки, которые по своему химическому составу должны быть близкими к основному материалу. Нельзя в качестве присадочных материалов применять случайную проволоку, так как это скажется на качестве сварного соединения. Присадочные материалы должны отвечать следующим требованиям:
Применение в качестве присадочного металла различных полосок недопустимо, так как это влечет за собой неравномерную ширину сварочного шва и его неоднородность, что сказывается на качестве сварного соединения. Вместо сварочной проволоки допускается применение пруткового материала, прошедшего калибровку. При газовой сварке цветных металлов и нержавеющих сталей в виде исключения допускается применение полосок, своим химическим составом сходных с основным металлом.
Стальная проволока, предназначенная для сварки, поставляется в бухтах с обязательной маркировкой в виде бирок, на которых указаны: марка провода, ее диаметр, покрытие и т.д. Низкоуглеродистая и легированная проволока может иметь омедненную поверхность, предназначенную для защиты от атмосферного воздействия. Размеры и масса мотков проволоки приведены в таблице 7.
Таблица 7. Размеры и масса сварочной проволоки
| Диаметр проволоки, м | Внутренний диаметр мотка, мм | Масса мотка проволоки (неменее), кг | ||
| Из углеродистой стали | Из легировнной стали | Из высокорелегированной стали | ||
| 0,3-0,8 | 150-350 | 2 | 2 | 1,5 |
| 1,0-1,2 | 250-400 | 15 | 10 | 6 |
| 1,4-2,0 | 250-600 | 20 | 15 | 8 |
| 2,5-3,0 | 400-700 | 30 | 20 | 10 |
| 4,0-6,0 | 500-700 | 30 | 20 | 10 |
| 6,5-8,8 | 500-700 | 30 | 20 | 15 |
Для сварки цветных металлов промышленность выпускает сварочную проволоку с соответствующим химическим составом. Так, проволока для сварки алюминия и его сплавов выпускается диаметром от 0,8 до 12,0 мм. Она может быть тянутой или прессованной. Поставляется в бухтах, которые упаковываются во влагонепроницаемые пакеты. К каждой бухте крепится бирка, на которой указывают изготовителя, номер упаковки, условное обозначение проволоки, масса мотка и предупреждение: «Боится сырости и ударов». Химический состав проволоки должен соответствовать свариваемому сплаву.
Проволока на медной основе выпускается в бухтах и прутками. Она может быть в отожженном (мягком) и в твердом состояниях. Предусматривается следующая маркировка проволоки на медной основе:
- Ml — проволока для сварки неответственных конструкций на основе меди;
- М1р, МЗр — проволока для газовой сварки медных конструкций общего назначения;
- MCpl — для сварки ответственных электротехнических конструкций;
- JI63 — для газофлюсовой сварки латуни;
- JIO60-1 — для газофлюсовой сварки латуни, легированной оловом;
- ЛКБО62-0,2-0,04-0,5 — для газовой сварки и пайки меди и латуни без применения флюса;
- ЛМц58-2, ЛЖМц59-1-1, ЛОК59-1-0,3 — для сварки латуни, пайки меди и меди с латунью.
Флюсы
Флюсы — в газопламенной сварке и пайке используют для раскисления расплавленного металла и удаления из сварочной ванны образующихся окислов и неметаллических включений. Под действием высоких температур флюсы связывают оксиды химическим путем с образованием легкоплавких соединений или растворяют их в сварочной ванне, а образующиеся при этом шлаки всплывают. Образовавшаяся на поверхности сварочной ванны шлаковая пленка защищает металл от окисления при контакте с атмосферным кислородом.
Состав флюсов подбирают в зависимости от химических реакций, преобладающих в сварочной ванне. Так, если в сварочной ванне преобладают основные оксиды, то используют кислые флюсы. Если же реакция сварочной ванны кислая (SiO, и др.), то флюс должен быть основным. Физические свойства наиболее часто применяемых флюсов приведены в таблице 8.
Флюсы вводят в сварочную ванну рукой, ложкой, составляют в виде паст, которые наносят на свариваемые кромки в виде газов, вводимых непосредственно в сварочное пламя и т.д.
Таблица 8. Физические свойства флюсов
| Свойства | Вид флюса | ||||||||
| В2О3 | Na2B4O2 | LiF | KF | NaF | CaF2<.sub> | LiCl | KC1 | NaCl | |
| Темтература плавления °С | 577 | 741 | 842 | 846 | 988 | 1375 | 606 | 678 | 800 |
| Температура кипения °С | — | — | 1676 | 1505 | 1695 | — | 1382 | 1417 | 1439 |
| Теплота образования, ккал/маль | 282 | — | 144,7 | 134 | 136 | 289 | 98 | 105, G | 97,7 |
| Плотность, г/см3 | 1,8 | — | 2,6 | 2,4 | 2,7 | 3,16 | 2,1 | 2,8 | 2,2 |
Приступаем к работе
Выставляем на кислородном редукторе 5 атмосфер, на газовом – 0,5. (Обычно соотношение газа к кислороду 1:10.) Все вентили резака следует поставить в закрытое положение.
Для работы резаком на редукторе ставим 5 атмосфер, на газовом – 0,5.
Берется резак, сначала немного открываем пропан (на четверть или чуть больше), поджигаем. Упираем сопло резака в металл (под наклоном) и медленно открываем регулирующий кислород(не перепутайте с режущим). Поочередно регулируем эти вентили, чтобы добиться пламени нужной нам силы.
При регулировке открываем попеременно газ, кислород, газ, кислород. Сила (или длина) пламени подбирается с расчетом толщины металла. Чем лист толще, тем сильнее пламя и расход кислорода с пропаном больше. Когда пламя отрегулировано (оно приобретает синий цвет и коронку), можно резать металл.
Подносится сопло к краю металла, держится он в 5 мм от разрезаемого предмета под углом 90°. Если лист или изделие необходимо прорезать в середине, разогревать металл следует начинать с той точки, от которой пойдет разрез. Разогреваем верхнюю кромку до 1000-1300° в зависимости от металла (до температуры его возгорания).
Визуально это выглядит так, словно поверхность начала немного «мокнуть». По времени разогрев занимает буквально несколько секунд (до 10). Когда металл воспламеняется, открываем вентиль режущего кислорода, и на лист подается мощная узконаправленная струя.
Вентиль резака следует открывать очень медленно, тогда кислород зажжется от разогретого металла самостоятельно, что позволит избежать обратного удара пламени, сопровождающегося хлопком. Не спеша ведем кислородной струей вдоль заданной линии. В этом деле очень важно правильно выбрать угол наклона.
Он должен составлять сначала 90°, затем иметь небольшое отклонение на 5-6° в сторону, обратную направлению резки. Однако если толщина металла превышает 95 мм, можно допустить отклонение в 7-10°. Когда металл уже прорезан на 15-20 мм, необходимо изменить угол наклона на 20-30°.
Схема процесса разделительной газокислородной резки.
Резать метал нужно с правильной скоростью. Определить оптимальную скорость можно визуально по тому, как разлетаются искры. Поток искр при верной скорости вылетает под углом примерно 88-90° к разрезаемой поверхности. Если поток искр полетел в сторону, противоположную движению резака, это означает, что скорость резки слишком мала. Если же угол потока искр меньше 85°, это сигнализирует о превышении скорости.
При работе всегда необходимо ориентироваться на то, какой толщины металл. Если свыше 60 мм, лучше расположите листы под наклоном, чтобы обеспечить сток шлаков, и выполните работу наиболее точно.
Резка толстого металла имеет свои особенности. Перемещать резак раньше, чем металл будет разрезан на всю толщину, нельзя. К концу процесса резки необходимо плавно уменьшить скорость продвижения и сделать угол наклона резака больше на 10-15°. Останавливаться в процессе резки не рекомендуется.
Завершив резку, сначала перекрываем режущий кислород, затем отключаем регулирующий кислород, в последнюю очередь отключаем пропан.
Сварка окислительным пламенем и раскислением
Эта технология создана для соединения деталей из малоуглеродистых стальных сплавов. Пламя здесь имеет резко окислительный характер, вследствие чего в сварочной ванне образуются окислы железа. Если есть окисление, необходимо и так называемое раскисление.
Его добиваются с помощью специальной присадочной проволоки с высокими долями марганца и кремния. Отличный способ с производительностью выше на 10%, чем остальные методы.
Горизонтальные швы формируются с использованием правого способа газовой сварки. Бывают ситуации, когда процесс ведут справа налево с мундштуком внизу ванны, а проволокой сверху. Так шов образуется быстрее и легче, а расплавленный металл в ванне не стекает вниз.
Вертикальные швы наоборот, производятся левым способом с направлением снизу-вверх. Если металл толстый, применяют шов с двойным валиком.
Потолочные швы – одни из самых сложных для исполнения. Здесь нужно сначала нагреть кромки заготовки, затем до момента их оплавления в ванну помещают проволоку, которая быстро оплавляется.
Жидкий металл в ванне удерживается от стекания вниз давлением газов из горелки. Сварку делают правым способом. Лучше всего использовать технологию многослойных швов с несколькими проходами.
Низкоуглеродистую сталь можно варить практически с любыми газами. Важно выбирать правильную присадочную проволоку: она должны быть выполнена также из стали с низким содержанием углерода.
Легированные стали бывают с очень разными составами. Поэтому единого метода газовой сварки для них нет и не может быть. Если сплав жаропрочный нержавеющий, детали из него варятся с помощью проволоки с содержанием никеля и хрома.
Встречаются отдельные марки, которые можно варить только с применением молибдена в составе присадочной проволоки.
Медь и ее сплавы всегда требуют сильного пламени. Во время расплавления она чрезвычайно текучая, поэтому зазор нужно делать минимальным. Помимо проволоки из меди, в работе применяются флюсовые смеси для раскисления металла шва.
Латунь – весьма непростой металл для работы из-за его состава. Здесь высокий риск образования пор в сварочном шве из-за летучести цинка. Этот риск можно значительно снизить, подавая в смеситель горелки больше кислорода и применяя латунную проволоку в качестве присадки.
Бронза – еще один капризный сплав. Во время сварки важно не выжечь из состава его важные элементы: олово, кремний и алюминий. Поэтому пламя должно быть восстановительное, а присадка – бронзовая с добавкой кремния, который поможет в дальнейшем раскислению шва.
Слабые места и нюансы технологии
Если начали с плюсов, будет честным остановиться и на минусах. Недостаток в скорости нагревания металла – она низкая.
Кроме того, рабочий участок при таком методе «распластан» — уж очень большая зона нагревания металла, из-за чего теряется много тепловой энергии. Имеет место и такое неприятное явление как коробление.
Таким образом производительность рабочего процесса не очень высокая, а с увеличением толщины кромок свариваемых заготовок снижается еще больше.
Поэтому, если толщина вашего металлического листа больше шести миллиметров, начинайте думать о применении газовой сварки где-нибудь в другом месте. А толстый край лучше варить, к примеру, дуговым способом.
Газовая сварка – не самый дорогой способ сварки, это общеизвестно. Но газ для сварки — ацетилен и кислород, которые любят использовать в качестве сварочной газовой смеси, стоят все-таки дороже, чем электричество.
А если добавить довольно высокие риски взрывов и серьезную пожар опасность, которые мгновенно возникнут при неправильном обращении с горючими жидкостями, газами, кислородными баллонами и элементарным карбидом кальция, энтузиазм немного снижается.
Технология газовой сварки отлично подходит для широкого спектра сварочных работ: от соединения деталей из алюминия и стали до работы по бронзе и чугуну.
Сразу отметим, что газовой сварке по силам практически все металлы, включая такие капризные как медь, свинец или чугун: они варятся легче именно газовой технологией, чем какими-либо другими.