Сварочное пламя, его строение и характеристики

Главная>>Способы сварки>>Газовая сварка>>Сварочное пламя
Сварочное пламя

получается при сгорании смеси горючих газов (или паров горючих жидкостей) и кислорода в мундштуке сварочной горелки. В зависимости от того, какой газ для газовой сварки применяют и от того, в каком соотношении с кислородом он сгорает, различают три вида сварочного пламени: нормальное (или восстановительное), окислительное, науглероживающее.

Образование сварочного пламени

Реакция горения обычно протекает при соединении твердых, жидких или газообразных веществ с кислородом. Однако некоторые металлы могут гореть не только в кислороде. Для процессов газопламенной обработки наибольшее значение имеет горение различных горючих газов в кислороде или воздухе. Горение любой газовой смеси начинается с ее воспламенения при определенной температуре, зависящей от условий процесса горения.
Устойчивый процесс горения возможен лишь в том случае, если выделяющегося при сгорании горючей смеси количества теплоты достаточно для нагрева новых порций газа и компенсации потерь теплоты в окружающую среду. Необходимое условие горения газа в кислороде или воздухе — содержание горючего газа в смеси в определенных пределах, называемых пределами воспламенения.

В зависимости от скорости воспламенения горючей смеси (скорости распространения пламени) различают три вида горения: спокойное — со скоростью распространения пламени, не превышающей 10 … 15 м/с; взрывчатое — со скоростью распространения пламени, достигающей нескольких сотен метров в секунду; детонационное — со скоростью распространения пламени более 1 000 м/с.

Скорость воспламенения зависит от состава газовой смеси и ее давления; характера и объема пространства, в котором происходит горение; термомеханических условий на его границе (например, при горении смеси в трубках основным параметром, определяющим эти условия, является диаметр трубки); чистоты горючего газа и кислорода (с увеличением содержания в них примесей скорость воспламенения уменьшается).

Используемые в процессах газопламенной обработки горючие газы представляют собой преимущественно смеси углеводородов с другими газами, в чистом виде применяют только водород. Все горючие газы, содержащие углеводороды, образуют пламя со светящимся ядром, аналогичным по строению ацетиленокислородному пламени. Чем больше углерода в составе горючего газа, тем резче очерчено светящееся ядро пламени. В отличие от углеводородных газов водородно-кислородное пламя светящегося ядра не образует, что затрудняет регулирование пламени по внешнему виду.

7.1. Сварочное пламя

При газовой сварке происходят разнообразные процессы: физические, связанные с нагревом и расплавлением металла, формированием шва, а также химические, обусловленные горением, взаимодействием флюса и присадочного материала с расплавленным металлом.

Основным инструментом газосварщика является сварочное пламя. Оно образуется при сгорании горючего газа в кислороде. От соотношения объемов кислорода и горючего газа в их смеси зависят внешний вид, температура и характер влияния сварочного пламени на расплавленный металл.

Рассмотрим строение пламени (рис. 7.1). Сварочное пламя имеет три четко различимые области: ядро 7, восстановительную зону 2 и факел 3.

Рис. 7.1. Строение ацетиленового сварочного пламени и распределение температуры по длине факела: 1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел

Ядро пламени представляет собой ярко светящуюся зону, в наружном слое которой сгорают раскаленные частицы углерода, образующиеся при разложении ацетилена.

Восстановительная зона, более темная, состоит из оксида углерода и водорода, которые раскисляют расплавленный металл, отбирая кислород от его оксидов.

Факел — периферийная часть пламени — представляет собой зону полного сгорания углеводородов в кислороде окружающей среды.

В зависимости от соотношения объемов кислорода и ацетилена получают три основных вида сварочного пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Виды сварочного пламени: а — нормальное; б — окислительное; в — науглероживающее; 1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел

Нормальное сварочное пламя образуется тогда, когда в горелке на один объем кислорода приходится один объем ацетилена. В нормальном пламени ярко выражены все три зоны.

Ядро имеет резко очерченную форму, близкую к цилиндру с ярко светящейся оболочкой. Температура ядра достигает 1000 °С.

В восстановительной зоне, содержащей продукты неполного сгорания ацетилена, проводят сварку. Температура этой зоны в точке, отстоящей на 3. 6 мм от ядра, составляет 3150°С. Факел имеет температуру 1200. 2500 °С.

Нормальным сварочным пламенем осуществляют сварку сталей всех марок, меди, бронзы и алюминия.

Окислительное сварочное пламя получают при избытке кислорода, когда в горелку подают на один объем ацетилена более 1,3 объема кислорода. Ядро такого пламени имеет укороченную, конусообразную форму. Оно приобретает менее резкие очертания и более бледную окраску, чем у нормального пламени. Протяженность восстановительной зоны уменьшается по сравнению с нормальным пламенем. Факел имеет синевато-фиолетовую окраску. Горение сопровождается шумом, уровень которого зависит от давления кислорода. Температура окислительного пламени выше, чем у нормального, однако при сварке таким пламенем из-за избытка кислорода образуются пористые и хрупкие швы.

Окислительное пламя применяют при сварке латуни и пайке твердыми припоями.

Науглероживающее сварочное пламя получают при избытке ацетилена, когда в горелке на один объем ацетилена приходится не более 0,95 объема кислорода. Ядро такого пламени теряет резкость очертаний, на его конце появляется зеленый венчик, по наличию которого судят об избытке ацетилена. Восстановительная зона существенно светлее, чем у нормального пламени, и почти сливается с ядром. Факел приобретает желтую окраску. При значительном избытке ацетилена пламя коптит. Температура науглероживающего пламени ниже, чем у нормального и окислительного.

Слегка науглероживающим пламенем сваривают чугун и осуществляют наплавку твердых сплавов.

Газосварщик регулирует и устанавливает вид сварочного пламени «на глаз».

При выполнении сварочных работ необходимо, чтобы сварочное пламя обладало тепловой мощностью, достаточной для расплавления свариваемого металла.

Мощность пламени при газовой сварке зависит от расхода ацетилена — объема газа, проходящего за один час через горелку. Мощность регулируют подбором наконечника горелки и изменением положения ацетиленового вентиля. Мощность пламени выбирают в соответствии с толщиной свариваемого металла и его теплофизическими свойствами.

Расход ацетилена, дм 3 /ч, необходимый для расплавления слоя свариваемого металла толщиной 1 мм, устанавливают на практике. Так, слой низкоуглеродистой стали толщиной 1 мм расплавляется при расходе ацетилена 100. 130 дм 3 /ч. Чтобы определить расход ацетилена при сварке конкретной детали, нужно умножить расход, соответствующий единичной толщине, на действительную толщину свариваемого металла, мм.

Пример. При сварке низкоуглеродистой стали толщиной 3 мм минимальный расход ацетилена, дм 3 /ч, составит 100х3 = 300, а максимальный — 130х3 = 390.

Строение сварочного пламени

Процесс горения горючего газа начинается с воспламенения газа при определенной температуре, зависящей от условий, в которых протекает процесс горения. После начала горения дальнейший нагрев газа от внешнего источника не требуется, если выделяемой при горении теплоты достаточно для поддержания горения новых порций горючей смеси и компенсации потерь теплоты в окружающую среду.

В зависимости от хода реакции сгорания ацетилена сварочное ацетиленокислородное пламя имеет определенную форму (рис. 1). Во внутренней части ядра 1 пламени происходит постепенный подогрев до температуры воспламенения газовой смеси, поступающей из мундштука. В ядре пламени происходит термическое разложение ацетилена, которое ускоряется за счет присутствия в ядре кислорода, подаваемого в горелку. Ацетилен в ядре пламени

разлагается по реакции

С2Н2 + О2 → 2С + Н2 + О2 (2.1)

Образующийся углерод представляет собой мельчайшие твердые частицы, окружающие тонким раскаленным слоем ядро пламени, вызывая его свечение. Оболочка ядра является самой яркой частью сварочного пламени с температурой около 1 500 °С. По внешнему виду ядра можно визуально определить состав газовой смеси и исправность сварочной горелки.

В средней зоне 2 пламени протекает неполное окисление углерода кислородом, находящимся в смеси, по реакции

2С + Н2 + О2 → 2СО + Н2 (2.2)

Выделяющаяся теплота способствует подогреву смеси и ускорению протекающих в ней окислительных процессов. Средняя зона 2 характеризуется максимальной температурой (рис. 2).

Рис. 1. Строение сварочного пламени: а — нормальное пламя: 1 — ядро; 2 — средняя зона; 3 — факел; б — окислительное пламя (с избытком кислорода); в — науглероживающее пламя (с избытком ацетилена)

В факеле 3 пламени происходит догорание оксида углерода и водорода при их взаимодействии с кислородом, поступающим из воздуха:

2СО + Н2 + 1,5О2 K 2СО2 + Н2О (2.3)

с выделением большого количества теплоты. Однако из-за большого объема зоны факела 3 температура в ней ниже, чем в средней зоне 2.

Рис. 2. Распределение температуры t вдоль оси ацетиленокислородного пламени: 1 — ядро; 2 — редняя зона; 3 — факел

Рис. 3. Зависимость максимальной температуры t пламени от содержания кислорода в газовой смеси

Для образования нормального пламени (см. рис. 1, а) и полного сгорания ацетилена необходимо на каждый его объем подводить в горелку такой же объем кислорода (отношение β = Vк/Vа = 1). Нормальное пламя получают при β = 1,1 … 1,3.

При увеличении этого отношения (β > 1,3) получают окислительное пламя, так как оно содержит избыточный кислород, окисляющий металл. В этом случае ядро пламени укорачивается, становится заостренным, с менее резкими очертаниями (см. рис. 1, б ), бледнеет и приобретает синеватую окраску.

При уменьшении количества поступающего кислорода (избыток ацетилена) получают науглероживающее пламя (см. рис. 1, в). Объем средней зоны при этом увеличивается, ядро становится расплывчатым, и за ним появляется «ацетиленовое перо» зеленоватого цвета. При значительном избытке ацетилена частицы углерода появляются и в наружной зоне, пламя становится коптящим, удлиняется и приобретает красноватую окраску.

Установлено, что наивысшая температура пламени и наивысшая производительность сварки наблюдаются при некотором избытке кислорода в смеси по сравнению с нормальным пламенем (рис. 3). Максимальную температуру для достаточно чистого кислорода и ацетилена можно принять равной 3 100 … 3 200 °С.

Строение пламени газов-заменителей, в состав которых входят углеводороды, существенно не отличается от строения ацетиленокислородного пламени, но имеет менее выраженное светящееся ядро, что затрудняет регулирование состава пламени по внешнему виду.

Нормальный (восстановительный) вид сварочного пламени

Нормальным считается сварочное пламя, при сгорании ацетилена в кислороде в соотношении О2/С2Н2=1. Но на практике кислород подаётся с примесями, не чистый. Поэтому, нормальным получается пламя, при соотношении кислорода и ацетилена в пределах 1-1,3. Такой вид пламени положительно влияет на раскисление расплавленного металла и достижение высокого качества сварки.

Сварка большинства металлов и сплавов выполняется нормальным пламенем, особенно часто при сварке низкоуглеродистых сталей. При газовой сварке алюминия применяют нормальное сварочное пламя с небольшим избытком ацетилена.

Тепловые характеристики сварочного пламени

Температура пламени — один из важнейших параметров, определяющих его тепловые свойства. Чем выше температура, тем эффективнее нагрев и плавление металла.

Так как средняя зона, имея в своем составе оксид углерода и водород, обладает и восстановительными свойствами, то сварку, естественно, осуществляют именно этой зоной, располагая горелку так, чтобы ядро пламени отстояло от поверхности металла на расстоянии 2 … 3 мм.

Существенное влияние на температуру пламени оказывает соотношение смеси горючего газа с кислородом. С увеличением β максимум температуры возрастает и смещается в сторону мундштука горелки, что объясняется увеличением скорости процесса горения смеси при избыточном содержании в ней кислорода.

Температура ацетиленокислородного пламени сварочной горелки с удельным расходом ацетилена 250 … 400 дм3/ч при соотношении смеси газов β = 1,1 … 1,2 в зависимости от расстояния до внутреннего ядра пламени изменяется следующим образом:

Расстояние, мм	3	4	11	25
Температура, °С	3 050 … 3 150	2 850 … 3 050	2 650 … 2 850	2 450 … 2 650

С изменением соотношения смеси температура пламени существенно изменяется, достигая максимальных значений при повышенном содержании кислорода.

Нагрев металла пламенем обусловлен вынужденным конвективным и лучистым теплообменом между потоком горючей смеси пламени и соприкасающимся с ним участком поверхности металла. Лучистый теплообмен невелик — 5 … 10 % общего теплообмена пламени и металла, поэтому сварочное пламя можно рассматривать как конвективный теплообменный источник.

Интенсивность вынужденного конвективного теплообмена зависит от разности температур пламени и нагреваемой поверхности металла, а также от скорости перемещения потока пламени относительно этой поверхности.

В общем виде удельный тепловой поток пламени q2, представляющий собой количество теплоты, вводимой пламенем за единицу времени через единицу площади нагреваемой поверхности металла, можно выразить правилом Ньютона:

q2 = а(Тп — Т ), (2.4)

где а — коэффициент теплообмена между пламенем и металлом, равный сумме коэффициентов вынужденного конвективного и лучистого теплообмена, Вт/(м2 · К); Тп — температура потока газов пламени, К; Т — температура поверхности металла, на которую направлен поток пламени, К.

Коэффициент а в процессе нагрева металла и увеличения его температуры уменьшается.

Направленный на поверхность металла газовый поток пламени деформируется и, растекаясь, нагревает значительный по размерам участок поверхности металла. Этот участок называют пятном нагрева. Распределение удельного теплового потока пламени по пятну нагрева зависит от угла наклона пламени, расстояния от сопла до нагреваемого металла и средней скорости истечения горючей смеси из сопла горелки.

Эффективная тепловая мощность пламени q и зависит в основном от расхода горючего газа, с увеличением которого она возрастает (рис. 4).

Эффективность нагрева металла газовым пламенем оценивается эффективным коэффициентом полезного действия (КПД) η, представляющим собой отношение эффективной мощности пламени q к полной тепловой мощности пламени qп, рассчитываемой по низшей теплоте сгорания горючего:

η = q/qп. (2.5)

Из графика (рис. 5), построенного для различных расходов ацетилена (обеспечиваемых семью номерами наконечников простой сварочной горелки), следует, что с увеличением расхода ацетилена вследствие изменения условий теплообмена пламени с поверхностью металла эффективный КПД пламени η, а следовательно, и эффективность нагрева уменьшаются.

Рис. 4. Зависимость эффективной тепловой мощности пламени q от расхода ацетилена Vа (скорость сварки 30 м/ч, толщина стали 6 мм)

Рис. 5. Зависимость эффективного КПД пламени η от расхода ацетилена Vа

Основным параметром, определяющим производительность процесса проплавления, является расход горючего газа.

Полный КПД при газовой сварке невелик. Остальная теплота сжигаемого горючего расходуется на возмещение различных потерь. Например, при ацетиленокислородной сварке стали толщиной 3 мм затраты теплоты на нагрев свариваемого металла вокруг расплавляемой зоны (ванны, шва) составляют около 45 %. При увеличении толщины свариваемого металла или его теплопроводности составляющая расхода на его нагрев вне расплавляемой зоны увеличивается.

Для проплавления металла и управления формированием сварочной ванны важно механическое давление пламени, которое достигает на оси максимальной величины. В сварочных горелках большой мощности давление газов пламени достигает 0,01 МПа. Газовую сварку плавлением ввиду ее более низких производительности, тепловой эффективности и сложности автоматизации по сравнению с дуговой применяют для сварки стали малой толщины, чугуна и некоторых цветных металлов. При большой толщине металла газовую сварку используют только в тех случаях, когда по каким-либо причинам затруднено применение электросварки.

Газовая сварка. Состав и строение сварочного пламени. Взаимодействие пламени с металлом.

Сварка ацетилено-кислородным пламенем эффективна в ремонтных работах. Однако это — малопроизводительный процесс, требующий высокой квалификации сварщика.

При газовой сварке для нагрева и расплавления металла используется высокотемпературное пламя, образующееся в результате сгорания газа ацетилена в смеси с кислородом. В ряде случаев вместо ацетилена могут использоваться его заменители: пропано-бутан, метан, пары бензина или керосина, МАФ.

Горючий газ и кислород из баллонов (или специального газового генератора) поступают в сварочную горелку, где они смешиваются в определённом соотношении и на выходе из сопла поджигаются. Пламя расплавляет кромки свариваемого изделия и присадочную проволоку, а также выполняет функцию защиты расплавленного металла от атмосферы. Регулировка расхода кислорода и горючего газа осуществляется соответствующими вентилями.

Ацетилено-кислородное пламя состоит из трёх зон: ядра –1, восстановительной (средней) зоны – 2 и факела –3. В первой зоне происходит пирогенное разложение ацетилена в присутствии кислорода на углерод и водород; во второй — сгорание углерода в кислороде, поступающем из горелки; в третьей – дальнейшее окисление продуктов реакций горения и разложения (СО и Н2) кислородом, подсасываемым из окружающей среды. Максимальная температура развивается в средней зоне, в которой и располагают свариваемый металл.

Строение и виды газового пламени (а) и их температурная характеристика (б); 1 – ядро, 2 – восстановительная зона, 3 – факел.

Если объём кислорода меньше, чем объём ацетилена, то при сгорании ацетилена останутся свободные атомы углерода, которые будут повышать содержание углерода в поверхностных слоях металла. Этим иногда пользуются, чтобы упрочнить поверхностные слои изделия.

Если пламя содержит избыток кислорода, то оно сильно окисляет металл. Такое пламя, называемое окислительным и применяют обычно только для подогрева металла.

Многопостовые сварочные трансформаторы

В крупных сварочных цехах сварочные посты могут быть расположены отдельными группами на большом расстоянии друг от друга. В этом случае группы постов можно запитать от многопостового сварочного трансформатора. Сварочные посты подключаются к трансформатору параллельно друг к другу. Основным условием устойчивой работы при многопостовом питании является независимость режима работы каждого поста от работы остальных постов. Для достижения этого необходимо, чтобы напряжение источника питания не изменялось с изменением нагрузки, т.е. внешняя ВАХ питания должна быть жёсткой.

Для многопостовой сварки можно использовать трансформатор с нормальным рассеянием, который имеет жесткую ВАХ.

Схема подключения сварочных постов к трансформатору с нормальным рассеянием

Для многопостовой сварки применяются трехфазные трансформаторы с параллельным питанием нескольких сварочных постов.

Фазовое напряжение должно быть 65-70 В. Регулирование сварочного тока и формирование падающей характеристики на каждом посту осуществляется с помощью дросселя или балластного реостата.

Количество постов, которое можно подключить к источнику питания, можно рассчитать по формуле.

– число постов

– номинальный ток сварочного многопостового трансформатора

– сварочный ток поста

– коэффициент загрузки.

Многопостовые сварочные трансформаторы имеют недостатки: большие потери напряжения и энергии в низковольтовой сварочной цепи; в случае аварии многопостового трансформатора произойдет простой большого числа сварочных постов. Во избежание этого необходимо иметь резервные трансформаторы, что увеличивает затраты на оборудование. Данные недостатки ограничивают применение многопостовых трансформаторов, по этим же причинам количество постов не превышает 9 – 12.

studfiles.net

Образование сварного соединения

При нагреве пламенем горелки происходит местное расплавление металла соединяемых деталей. Расплавленный металл кромок вместе с металлом присадки образует сварочную ванну. Ее границы определяются твердым металлом. Жидкий металл смачивает кромки деталей, удаляет пленку, покрывающую их, и создает возможность проявления сил межатомного взаимодействия.

В процессе сварки газовое пламя перемещается вдоль кромок соединяемых деталей, вместе с ним перемещается и сварочная ванна. В результате последовательного охлаждения и затвердевания металла сварочной ванны образуется сварное соединение.

Объем сварочной ванны мал по сравнению с объемом соединяемых деталей, поэтому происходит интенсивный отвод теплоты. Для поддержания металла сварочной ванны в жидком состоянии и нормального протекания процесса сварки необходимо, чтобы источник нагрева имел высокую температуру и обладал большой тепловой мощностью. При ацетиленокислородной сварке на полезный нагрев металла затрачивается лишь 10 % общей тепловой мощности пламени, остальное — на возмещение различных потерь теплоты.

Металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне

Жидкий металл сварочной ванны соприкасается с газами и шлаками, образующимися в результате окисления поверхностных слоев металла. Кислород и азот поступают в сварочную ванну из воздуха. Кислород может также поступать и из газовой смеси, подаваемой горелкой. Водород попадает в основном из пламени, а также в результате взаимодействия некоторых металлов с влагой при разложении водяного пара или углеводородов, входящих в состав загрязнений, оставшихся на кромках деталей после их очистки перед сваркой.

Взаимодействие газов с металлом сварочной ванны может быть различным. Например, кислород активно соединяется с такими металлами, как алюминий Al, магний Mg и медь Cu. Азот не взаимодействует с медью и алюминием.

При газовой сварке на расплавленный металл сварочной ванны активно воздействует газовый поток средней зоны пламени, содержащей оксид углерода СО, водород Н2, пары воды H2O, диоксид углерода СО2, атомарный водород Н, кислород О2 и азот N2. В средней зоне пламени возможно также наличие в незначительном количестве свободного углерода С, не успевшего полностью окислиться в оксид углерода СО на границе ядра пламени.

Характер реакций, которые протекают в сварочной ванне, определяется составом средней зоны пламени, зависящим от соотношения газов в горючей смеси. Остальные реакции сварочной ванны — реакции окисления и восстановления.

Наибольшим изменениям подвергается металл, расплавляющийся в процессе сварки. При этом изменяется содержание примесей и легирующих добавок в металле, может происходить его обогащение кислородом, а при некоторых условиях — водородом, азотом и углеродом. Так, при сварке стали, представляющей собой сплав железа Fe с углеродом с присутствующими в виде примесей и добавок марганцем Mn, кремнием Si, серой S, фосфором P, схема взаимодействия веществ в жидком металле сварочной ванны имеет вид, представленный на рис. 6.

Скорость образования оксидов в поверхностном слое жидкого металла очень высока. Оксиды, находящиеся в сварочной ванне, взаимодействуют с расплавленным металлом. Для предотвращения или ослабления процесса окисления в сварочную ванну в составе флюсов и присадочного материала вводят раскислители, т. е. вещества, обладающие бóльшим сродством к кислороду по сравнению с металлом сварочной ванны. В качестве раскислителей применяют углерод, оксид углерода и водород, поступающие из пламени горелки. Для цветных металлов пламя горелки не обеспечивает раскисления, поэтому необходимо применять флюс.

Рис. 6. Схема взаимодействия веществ в расплавленном металле сварочной ванны

Водород влияет на образование пор в сварном шве. Его растворимость в жидком и твердом металле различается. Растворимость водорода в жидком алюминии выше, чем в твердом, поэтому при затвердевании металла шва выделяются пузырьки газа, которым необходим выход в атмосферу. В противном случае, например при быстром затвердевании ванны, газ остается в металле, образуя поры. Наличие водорода также приводит к возникновению в металле остаточных напряжений. При этом снижаются пластические свойства металла и может произойти хрупкое разрушение.

С расплавленным металлом сварочной ванны взаимодействуют не только газы, но и шлаки. Обычно шлаки находятся на поверхности сварочной ванны, так как их плотность меньше плотности расплавленного металла.

Химические свойства шлаков определяются характером оксидов, входящих в состав шлаков. В зависимости от преимущественного содержания тех или иных оксидов шлаки могут быть кислыми или основными.

Желательно, чтобы шлаки, образующиеся при газовой сварке, быстро затвердевали, обладали низкими вязкостью и плотностью, высокой газопроницаемостью и слабой сцепляемостью с металлом шва в твердом состоянии. В противном случае частицы шлаков, оставаясь в металле шва, снижают его прочность и коррозионную стойкость. Газы не успевают выделиться из сварочной ванны, что приводит к образованию пор и затрудняет удаление остатков шлаков с поверхности шва, а в конечном счете ухудшает качество изделия.

При перемещении сварочной горелки ранее расплавленная сварочная ванна начинает охлаждаться. В ней происходит кристаллизация металла; при этом рост столбчатых кристаллов то замедляется, то прекращается, поэтому металл шва имеет столбчатое и слоистое (чешуйчатое) строение.

4.2. Виды пламени

В зависимости от соотношения между кислородом и ацетиленом получают три основных вида сварочного пламени:

нормальное;
окислительное;
науглероживающее

В зависимости от вида свариваемого материала сварочное пламя регулируют следующим образом:

Свариваемый металл	Науглероживающее пламя	Нормальное пламя	Окислительное пламя
Сталь	—	+	—
Чугун	+	0	—
Медь	—	+	—
Латунь	—	—	+
Алюминий	+	0	+

Табл. 6. Выбор вида сварочного пламени (18)

«+» — хорошо сваривается; 0—возможно; «-« — плохо свариваются

Нормальное пламя

Нормальное пламя получают тогда, когда в горелку на один объем кислорода подают несколько больше от 1,1 до 1,3 объема ацетилена. Нормальное пламя характеризуется отсутствием свободного кислорода и углерода в восстановительной (рабочей) зоне.

Кислорода в горелку подается немного больше из-за небольшой его загрязненности и расхода на сгорание водорода. В нормальном пламени ярко выражены все три зоны.

Рис. 60. Строение нормального пламени (18)

Окислительное пламя

Окислительное пламя получается при избытке кислорода, при подаче в горелку на один объем ацетилена более 1,3 объема кислорода. При этом ядро приобретает конусообразную форму, значительно сокращается по длине, становится с менее резкими очертаниями и приобретает более бледную окраску. Сокращаются по длине также рабочая зона и факел. Все пламя приобретает синевато-фиолетовую окраску. Пламя горит с шумом, уровень которого зависит от давления кислорода. Температура окислительного пламени выше температуры нормального пламени. Окислительное пламя можно применять при сварке латуни и пайке твердыми припоями.

Такое пламя сильно окисляет свариваемый металл, что приводит к получению хрупкого и пористого шва и выгоранию полезных примесей кремния и марганца. Можно применять окислительное пламя при сварке сталей, но при этом необходимо пользоваться присадочной проволокой, в которой повышено содержание марганца и кремния, являющихся раскислителями.

Рис. 61. Строение окислительного пламени (18)

Науглероживающее пламя

Науглероживающее пламя получается при избытке ацетилена, когда в горелку на один объем ацетилена подается 0,95 и менее объема кислорода. Ядро такого пламени теряет резкость своего очертания, на конце его появляется зеленый венчик, по которому судят об избытке ацетилена. Рабочая зона значительно светлее и почти сливается с ядром, а факел приобретает желтоватую окраску. При большем избытке ацетилена пламя начинает коптить, так как в нем ощущается недостаток кислорода, необходимого для полного сгорания ацетилена. По сварочному участку летают черные хлопья сажи. Избыточный ацетилен разлагается на водород и углерод. Углерод переходит в металл шва, поэтому ацетиленистое пламя будет науглероживать металл шва.

Температура науглероживающего пламени ниже, чем окислительного и нормального.

Рис. 62. Строение науглероживающего пламени (18)

Рис. 63. Науглероживающее пламя. Фото автора

www.e-ope.ee

Структурные превращения в сварном шве и околошовной зоне

Под воздействием теплоты пламени горелки происходят расплавление металла сварочной ванны и нагрев основного металла, примыкающего к ее границам. Та часть основного металла, структура которого изменяется при нагреве, называется зоной термического влияния (ЗТВ) или околошовной зоной.

Рис. 7. Схема сварного соединения: 1 — шов; 2 — зона термического влияния; 3 — основной металл

Различные участки ЗТВ подвергаются нагреву от температуры, близкой к температуре плавления (вблизи границы сварочной ванны), до температуры начала структурных превращений (около границы основного металла, не подвергшегося нагреву).

Сварное соединение (рис. 7) состоит из шва 1, образовавшегося в результате кристаллизации сварочной ванны, ЗТВ 2 и основного металла 3, не подвергшегося воздействию нагрева. В зависимости от характера структурных изменений ЗТВ можно разделить на отдельные участки (рис. 8).

Рис. 8. Схема строения зоны термического влияния при газовой сварке низкоуглеродистой стали: I — участок неполного расплавления; II — участок перегрева; III — участок нормализации; IV — участок неполной перекристаллизации; V — участок рекристаллизации; VI — участок синеломкости

Рядом со швом расположен участок неполного расплавления (граница сплавления). За ним идет участок перегрева (участок полной перекристаллизации), на котором металл нагревается до температуры образования жидкой фазы. Этот участок характеризуется крупнозернистой структурой и при газовой сварке имеет значительную протяженность около 21 … 23 мм от границы шва. Далее следует участок нормализации, который имеет протяженность порядка 4 … 5 мм. За ним следует участок неполной (частичной) перекристаллизации, переходящий в основной металл. Протяженность участка неполной перекристаллизации составляет 2 … 3 мм, а суммарная протяженность ЗТВ при газовой сварке стали составляет в среднем 27 … 30 мм.

Увеличение номера наконечника горелки приводит к увеличению протяженности ЗТВ. При увеличении скорости сварки размеры ЗТВ уменьшаются.

Сварочное пламя

СВОЙСТВА И РЕГУЛИРОВАНИЕ СВАРОЧНОГО ПЛАМЕНИ

Внешний вид, температура и влияние сварочного пламени на расплавленный металл зависят от состава горючей смеси, т. е. соотношения в ней кислорода и ацетилена.

При сгорании ацетилена в воздухе без добавления кислорода образуется пламя желтоватого цвета, имеющее форму длинного факела без светлого ядра. Такое пламя имеет низкую температуру и коптит, выделяя много сажи (несгоревшего углерода), поэтому непригодно для сварки.

Если в пламя прибавлять кислород, оно резко меняет свой цвет и форму, а температура его значительно повышается. Изменяя соотношение кислорода и ацетилена, можно получать три основных вида сварочного пламени (рис. 84, а, б, в): нормальное, называемое также восстановительным; окислительное (с избытком кислорода) и науглероживающее (с избытком ацетилена).

Для сварки большинства металлов применяют нормальное (восстановительное) пламя. Теоретически оно образуется, когда в горелку на один объем ацетилена подается один объем кислорода. Ацетилен тогда сгорает за счет кислорода смеси по реакции

Последующее сгорание происходит за счет кислорода окружающего воздуха по реакции

Окись углерода и водород, образующиеся в пламени при I фазе сгорания, раскисляют металл, восстанавливая имеющиеся в сварочной ванне окислы. При этом металл шва получается без пор, газовых пузырей и включений окислов.

Практически в смесь подают несколько больше кислорода, чем это нужно для получения восстановительного пламени по приведенной выше схеме сгорания. Нормальное восстановительное пламя получается при избытке кислорода в смеси до 30% против теоретического, т. е. при отношении ацетилена и кислорода от 1 : 1 до 1 : 1,3.

Схема образования нормального восстановительного ацетилено-кислородного пламени показана на рис. 85, а. Нормальное пламя имеет ядро, восстановительную зону и факел. У ядра четко очерченная форма, близкая к форме цилиндра с закругленным концом, и ярко светящаяся оболочка из раскаленных частиц углерода, сгорание которых происходит в наружном слое оболочки. Размеры ядра зависят от расхода горючей смеси и скорости ее истечения. Если увеличить давление кислорода в горелке, то скорость истечения смеси увеличится и ядро удлинится. С уменьшением скорости истечения смеси ядро укорачивается. На рис. 85, а внизу приведены длины и диаметры (мм) ядер ацетилено-кислородного пламени, получаемые в мундштуках разных номеров.

Восстановительная зона имеет темный цвет, отличающий ее от ядра и остальной части пламени. Длина этой зоны достигает 20 мм от конца ядра, в зависимости от номера мундштука. Она содержит окись углерода и водород. Восстановительная зона имеет наиболее высокую температуру в точке, отстоящей на расстоянии 2—6 мм от конца ядра. Этой частью пламени нагревают и расплавляют металл в процессе сварки.

Остальная часть пламени за восстановительной зоной называется факелом. Факел содержит углекислый газ, пары воды и азот, которые образуются при сгорании окиси углерода и водорода восстановительной зоны за счет кислорода окружающего воздуха, в состав которого входиг азот. Температура факела значительно ниже температуры восстановительной зоны.

Если увеличить подачу кислорода или уменьшить подачу ацетилена в горелку, то получается окислительное пламя. Оно образуется, когда в смеси на один объем ацетилена приходится более 1,3 объема кислорода. Окислительное пламя характеризуется укороченным, заостренным ядром с менее резкими очертаниями. Температура окислительного пламени выше температуры нормального восстановительного, однако такое пламя может окислять свариваемый металл.

При уменьшении подачи кислорода или увеличении подачи ацетилена получается науглероживающее пламя, которое иногда называют ацетиленистым. Оно образуется при подаче в горелку 0,95 и менее объема кислорода на один объем ацетилена. В ацетиленистом пламени размеры зоны сгорания увеличиваются, ядро теряет резкие очертания, становится расплывчатым, а на конце ядра появляется зеленый венчик, по которому судят об избытке ацетилена. Восстановительная зона светлее, почти сливается с ядром и пламя принимает желтоватую окраску. При большом избытке ацетилена пламя коптит вследствие недостатка кислорода, необходимого для полного сгорания ацетилена.

Избыточный ацетилен в ацетиленистом пламени разлагается на водород и углерод, переходит в расплавленный металл. Температура такого пламени ниже температуры восстановительного пламени. Уменьшая подачу ацетилена в горелку (до полного исчезновения зеленого венчика на конце ядра), ацетиленистое пламя превращают в нормальное.

При регулировании пламени следует обращать внимание на правильность установки давления кислорода и размер ядра пламени. С повышением давления кислорода скорость истечения смеси из мундштука возрастает и пламя становится «жестким», т. е. раздувает металл сварочной ванны и этим затрудняет сварку. При слишком большой скорости истечения смеси пламя может отрываться от мундштука. Если же слишком низкое давление кислорода, пламя становится короче и при приближении конца мундштука к металлу горелка начинает хлопать.

Сварочное пламя должно обладать достаточной тепловой мощностью, т. е. давать количество тепла, необходимое для расплавления свариваемого и присадочного металла и покрытия потерь тепла в окружающую среду. Тепловая мощность пламени определяется расходом ацетилена (дм 3 /ч) в горелке.

При сварке тепловая мощность пламени выбирается в зависимости от толщины, свариваемого металла и его физических свойств. Металл большой толщины и хорошо проводящий тепло требует более мощного сварочного пламени, чем тонкий, менее теплопроводный и более легкоплавкий металл. Изменяя тепловую мощность пламени, можно в широких пределах регулировать скорость нагрева и расплавления металла, что является одним из положительных качеств процесса газовой сварки. Схема и распределение температур для метан-кислородного и пропан-бутан-кислородного пламени показаны на рис, 85, б.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ГАЗОВОЙ СВАРКЕ

Металлургические процессы при газовой сварке характеризуются: малым объемом^ ванны расплавленного металла; высокой температурой и концентрацией тепла в месте сварки; большой скоростью расплавления и остывания металла; интенсивным перемешиванием металла ванны газовым потоком пламени и присадочной проволокой; химическим взаимодействием расплавленного металла с газами пламени.

При избытке в пламени кислорода происходят реакции окисления железа, марганца, кремния и углерода по уравнениям:

Образующаяся закись железа (FeO) может окислять марганец, кремний и углерод по реакциям:

[Мn] 4- [FeO] = (MnO) + Fe [Si] + 2 [FeO] = (Si02) + 2Fe

Так как окислы МnО и Si02 переходят в шлак, то количество раскислителей (марганца и кремния) в металле шва уменьшается. Это приводит к появлению избытка кислорода в наплавленном металле и ухудшению его механических свойств.

При выходе окиси углерода из сварочной ванны происходит кипение и разбрызгивание металла.

Если пламя имеет восстановительный характер, в сварочной ванне будут протекать реакции восстановления, обратные приведенным выше, а именно:

1. Восстановление железа окисью углерода:

2. Восстановление железа водородом:

Водород способен хорошо растворяться в жидком железе. При быстром остывании сварочной ванны он может остаться в шве в виде мелких газовых пузырей. Однако газовая сварка обеспечивает более медленное охлаждение металла по сравнению с дуговой сваркой. Поэтому при газовой сварке углеродистой стали весь водород успевает выделиться из металла шва и последний получается плотным.

Большую опасность водород представляет для сварки меди и латуни, так как может вызвать «водородную болезнь» (растрескивание) меди и пористость шва при сварке латуни.

3. Восстановление железа из его закиси FeO осуществляется марганцем и кремнием по приведенным выше уравнениям 2 и 3.

Если в пламени имеется избыток углерода, то он может переходить в металл и науглероживать его по реакциям:

Свободный углерод образуется в пламени при разложении ацетилена по реакции С2Н2 = 2С + Н2.

При газовой сварке в металле шва происходят структурные изменения. Вследствие более медленного (по сравнению с дуговой сваркой) нагрева зона влияния при газовой сварке получается больше, чем при дуговой.

При газовой сварке углеродистых сталей малых толщин зона теплового влияния основного металла простирается на 8-15 мм, а средних толщин — на 20 — 25 мм в ту и другую сторону от шва. Характер изменения структуры металла в зоне теплового влияния определяется составом металла (сплава) и его состоянием перед сваркой. Для улучшения структуры и свойства металла шва и околошовной зоны часто применяют горячую проковку шва, общую или местную термообработку. Местную термообработку также производят путем нагрева металла шва и околошовной зоны пламенем сварочной горелки.

Автор:

Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Напряжения и деформации

В результате менее концентрированного ввода теплоты по сравнению с дуговой сваркой нагретый металл при газовой сварке имеет больший объем, чем при дуговой. Это, в первую очередь, приводит к значительному увеличению временных деформаций, возникающих в период выполнения самой сварочной операции.

Временные деформации в ряде случаев становятся настолько существенными, что препятствуют нормальному ведению процесса сварки. Например, кромки, подлежащие сварке, расходятся на значительные расстояния. В этих случаях при сварке тонколистового металла встык и внахлестку в самом процессе сварки приходится применять правку местным прижимом или ударами.

Развитие деформаций во времени происходит с опережением выполнения самого шва, в связи с чем соединяемые сваркой элементы получают необратимые искажения. Суммируясь с деформациями при последующем охлаждении, общие остаточные деформации после газовой сварки приводят, как правило, к большему искажению формы сварных узлов, чем при дуговой сварке. Применение жесткого закрепления элементов перед газовой сваркой во многих случаях не дает желаемого результата, так как закрепление вне шва при нагреве приводит к пластическому сжатию в значительной зоне вблизи шва, которое может даже увели-

чить деформации. При закреплении вблизи свариваемых кромок большие пластические деформации, полученные в процессе нагрева, могут привести к разрушению сварного соединения при охлаждении.

Газовая сварка недостаточно жестких сварных конструкций часто не позволяет получить изделия требуемой формы.

При газовой сварке швов в жестких контурах возрастает возможность возникновения трещин в связи с большей областью пластических деформаций металла в зоне нагрева.

Подогревающее пламя для газовой резки

Кислородная (газовая) резка представляет собой процесс интенсивного окисления металла в определенном объеме с последующим удалением жидкого оксида струей кислорода. Процесс резки начинают с подогрева верхней кромки металла подогревающим пламенем до температуры воспламенения металла в кислороде, которая в зависимости от химического состава стали составляет 1 050 … 1 200 °С. При достижении температуры воспламенения на верхней кромке металла на нее из режущего сопла подается струя кислорода; при этом сталь начинает гореть в струе кислорода с образованием оксидов и выделением значительного количества теплоты, обеспечивающей разогрев стали около верхней кромки до температуры плавления. Расплав жидких оксидов и железа, образовавшийся на верхней части кромки, перемещается по боковой кромке металла струей кислорода и нагревает нижние слои металла, которые последовательно окисляются до тех пор, пока весь металл не будет прорезан на всю глубину. Одновременно с этим начинают перемещать резак с определенной скоростью в направлении резки. На лобовой поверхности реза по всей толщине образуется непрерывный слой горящего металла. Окисление металла в каждый момент времени начинается сверху и последовательно передается нижним слоям металла.

Для протекания процесса кислородной резки необходимо обеспечение следующих условий:

контакт между струей кислорода и жидким металлом;
подогрев неокисленного металла до температуры воспламенения;
выделение продуктами горения определенного количества теплоты, достаточного для создания на поверхности реза слоя расплавленного металла;
достаточная вязкость жидкого расплава для создания возможности перемешивания жидкого металла струей кислорода.

Приведенные условия определяют требования к металлу, обрабатываемому кислородной резкой. Прежде всего температура плавления оксидов должна быть ниже температуры плавления самого металла. В противном случае струя кислорода не сможет окислить расплавленный металл.

Если температура воспламенения металла будет выше температуры плавления, то металл начнет плавиться и выдуваться струей кислорода без последующего его окисления («плавильный процесс»). Этот процесс требует значительных энергетических затрат. При низкой теплоте образования оксида лобовая поверхность реза не прогревается до температуры плавления, процесс резки прерывается. По тем же причинам отрицательно влияет на способность металла подвергаться кислородной резке его высокая теплопроводность.

Высокая вязкость расплава не обеспечивает его перемещения в поверхностных слоях, в результате снижается выделение теплоты на кромке реза.

Среди чистых металлов кислородной резкой хорошо обрабатываются железо и титан. Нельзя разрезать обычным кислородным способом никель, медь, алюминий, магний, хром и цинк.

Подогревающее пламя служит для нагрева поверхностных слоев металла до температуры воспламенения. При кислородной резке в качестве горючего используют газообразные и жидкие углеводороды. При сгорании горючих веществ в смеси с кислородом образуется высокотемпературное пламя. Наивысшую температуру пламени обеспечивает ацетилен. Ацетилен является дорогостоящим газом, поскольку производство исходного продукта для его получения — карбида кальция — требует больших энергозатрат. Вследствие этого в настоящее время при кислородной резке ацетилен применяют редко. Для этих целей используют газы-заменители: природный газ, пропан или пропан-бутановые смеси и др.

Процесс нагрева металла газовым пламенем протекает в две стадии. На первой стадии осуществляется разогрев кромки металла до температуры воспламенения в струе кислорода при неподвижном источнике теплоты. Время нагрева до заданной температуры зависит от мощности источника теплоты, теплофизических свойств материала и его массы. С увеличением толщины разрезаемого металла необходимо повышать расход горючего газа. Переход на горючий газ с меньшей теплотой сгорания по сравнению с ацетиленом требует увеличения его расхода. Увеличение расхода горючего газа необходимо также в том случае, если поверхность металла покрыта различными загрязнениями (окалина, пригар) или увеличено расстояние между поверхностью разрезаемого металла и резаком по технологическим соображениям.

На второй стадии процесса подогревающее пламя разогревает впереди лежащие поверхностные слои металла до температуры воспламенения, чем обеспечивается непрерывность ведения процесса. На первой стадии процесса применяют, как правило, пламя с избыточным содержанием кислорода, что обеспечивает ускоренный разогрев кромки. В процессе резки подогрев металла осуществляется пламенем нормального состава.

Смесь горючего газа и подогревающего кислорода выходит из специальных отверстий в мундштуках, расположенных определенным образом по отношению к выходному отверстию режущего кислорода. Для ручных и машинных резаков применяют концентрическое расположение выходных отверстий по отношению к режущему соплу. В ручных резаках пламя выходит из щели, образуемой наружной поверхностью внутреннего мундштука и внутренней поверхностью наружного мундштука.

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 шлак5

.
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 + Н2Опар

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.

При газовой сварке, схема которой представлена на рис. 3.15, заготовки 1

Рис. 3.15. Схема газовой сварки

Рис. 3.13. Схема электрошлаковой сварки

Свариваемые заготовки 1

В начале процесса возбуждают дугу, флюс плавится и образуется электропроводный шлак5

и
3
, которые затем удаляют газовой резкой.

3.2.8.1. Газы, применяемые при сварке

СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са(ОН)2

Рис. 3.16. Схемы газовых горелок: а

– инжекторной;
б
– безынжекторной

Кислород к инжектору (рис. 3.16, а

) работает при давлении ацетилена более 0,05 МПа и кислорода до 0,5 МПа.

3.2.8.2. Сварочное ацетилено-кислородное пламя

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

С2Н2 + 2,5О2 = 2СО2 + Н2Опар

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

• нейтральное

• науглероживающее пламя

Струя режущего кислорода

Струя режущего кислорода служит инструментом; от ее свойств в значительной мере зависят качество поверхности реза и производительность резки. Одно из главных требований к струе режущего кислорода состоит в том, что она должна сохранять свои геометрические размеры по всей толщине разрезаемого металла.

При истечении газа из сопла в атмосферу струя на некотором расстоянии от сопла сохраняет свои параметры (скорость, температуру торможения), равные значениям на выходе струи из сопла. Распространяясь далее, струя захватывает частички окружающей среды (воздуха), вследствие чего вокруг зоны с постоянными параметрами образуется турбулентный пограничный слой, толщина которого с удалением струи от сопла увеличивается. Вследствие этого струя режущего кислорода по мере удаления от сопла расширяется и одновременно ее скорость уменьшается, при этом снижается чистота кислорода.

Стальной прокат толщиной 5 … 8 мм обрабатывают при давлении режущего кислорода перед резаком 392 … 1 176 кПа. Для резки стальных отливок и поковок большой толщины (более 300 мм) применяют низкое давление кислорода (до 392 кПа) при применении в мундштуках сопел режущего кислорода цилиндрического типа.

Важным параметром режущей струи является скорость ее истечения из сопла. При кислородной резке наиболее благоприятным считается получение максимальных скоростей потока кислорода на выходе, причем статическое давление в струе на срезе сопла не должно отличаться от атмосферного.

Превышение давления на срезе по сравнению с атмосферным давлением приводит к расширению газовой струи на выходе из сопла. Это снижает кинетическую энергию струи и ухудшает ее режущие свойства.

Повышение скорости потока режущего кислорода увеличивает степень динамического воздействия на пленку жидкого металла, что обеспечивает повышение скорости кислородной резки при прочих равных условиях (рис. 9). В связи с этим для резки следует применять кислород высокого давления. Кроме определенного объема кислорода, поступающего для окисления металла, в зону реза необходимо подать дополнительное количество кислорода для выдувания из щели реза жидких шлаков. Практика кислородной резки показывает, что коэффициент использования кислорода определяется в основном требованиями, предъявляемыми к качеству поверхности реза, и толщиной металла. Коэффициент использования кислорода имеет наименьшие значения (0,2 … 0,4) при резке металла толщиной 5 … 10 мм, а с увеличением толщины до 100 мм возрастает примерно в 2 раза и далее изменяется несущественно.

Рис. 9. Зависимость скорости резки vр от скорости потока кислорода w при толщине стали 20 мм (1) и 100 мм (2)

Значительное влияние на процесс кислородной резки оказывает чистота кислорода режущей струи. Поскольку струя кислорода используется не только для окисления металла, но и для выдувания оксидов из реза, в нижней части реза концентрация примесей в кислороде значительно возрастает. При коэффициенте использования кислорода, равном 0,5, количество инертных примесей в струе кислорода возрастает в 2 раза. Проникновение частиц кислорода через слой инертных примесей затрудняется, и реакция окисления замедляется. При резке кислородом пониженной чистоты на нижних кромках появляется большое количество трудноотделяемого грата. В этом случае для получения необходимого качества поверхности реза приходится снижать скорость резки. Современные установки для получения кислорода обеспечивают высокую чистоту кислорода — не ниже первого сорта (99,2 %). В настоящее время нижний предел чистоты кислорода, используемого для кислородной резки, ограничивается 98 %.

Привет студент

Существенной особенностью газовой сварки является применение в качестве источника тепла газового пламени. При газовой сварке в качестве горючего можно применять ацетилен, водород, блаугаз, газы коксовальных печей, естественные и нефтяные газы и др., а также пары нефтепродуктов; наибольшее распространение имеет ацетилен. Газы и пары нефтепродуктов, сгорая в кислороде, развивают температуру, позволяющую быстро расплавлять свариваемый и присадочный металл.

В табл. 40 помещены данные, характеризующие применяемое при газовой сварке горючее.

Так как в процессе газовой сварки необходимо иметь и восстановительную зону сварочного пламени, то теплотворная способность горючего не может быть полностью использована; используется лишь та ее часть, которая идет на выделение тепла в первой восстановительной зоне горения; поэтому при сравнении различных видов горючего, применяемого при газовой сварке, нужно иметь в виду не только теплотворную способность топлива и температуру его пламени, но также и его способность выделять тепло в этой первой зоне сгорания.

Необходимо также отметить, что и удельная мощность пламени при сгорании ацетилена приблизительно втрое выше, чем в случае сгорания других газов.

Сварочное ацетилено-кислородное пламя

Для правильного понимания процесса газовой сварки необходимо прежде всего ознакомиться с пламенем, образующимся при сгорании газов, подаваемых сварочной горелкой. Это пламя образуется при сгорании смеси горючего газа и кислорода, поступающего через ту же горелку, а также кислорода окружающего воздуха,

К сварочному пламени предъявляют следующие требования:

1) достаточно высокая, необходимая для быстрого расплавления свариваемого металла, температура;

2) во избежание загрязнения металла сварного шва окислами сварочное пламя не должно быть окислительным;

3) небольшой объем сварочного пламени для концентрации нагрева.

Для того чтобы обеспечить наличие восстановительной зоны горения, в горелку подается недостаточное для полного сгорания количество кислорода. Например, для полного сгорания 1 м3 ацетилена требуется 2,5 м3 кислорода, а в горелку подается лишь 1,15 м3; для полного сгорания 1 м3 водорода требуется 0,5 м3 кислорода, а в горелку подается только 0,25 м3; поэтому процесс сгорания здесь состоит из двух, как принято говорить, фаз:

1) фазы сгорания за счет кислорода, подаваемого в горелку, и

2) фазы сгорания за счет кислорода окружающего воздуха.

В первой фазе сгорание будет неполным; область первой фазы соответствует восстановительной зоне сварочного пламени. Во второй фазе сгорание происходит полностью. Продукты полного сгорания окружают восстановительную зону и защищают свариваемый металл от соприкосновения с кислородом воздуха.

На фиг. 320 дано схематическое изображение сварочного ацетилено-кислородного пламени: через мундштук 1 горелки поступает смесь ацетилена и кислорода; зона 2, называемая ядром пламени, состоит из несгоревших частиц газовой смеси; на поверхности ядра начинается процесс горения и выделяется тепло; частицы углерода раскаляются и испускают яркий свет; сгорание ацетилена, начинаясь на поверхности ядра, происходит во всей зоне 3. Но так как на 1 м3 ацетилена дается не 2,5 м3 кислорода, необходимого для полного сгорания, а лишь 1,0—1,25 м3, то горение будет неполным и выразится уравнением

Зона 4 и является той частью сварочного пламени, которая расплавляет свариваемый металл. Чем меньше объем, занимаемый восстановительной зоной 4, тем, при прочих равных условиях, лучше сосредоточивается тепло на поверхности подлежащего нагреву металла. На небольшой толщине по поверхности восстановительной зоны слева от металла и правее восстановительной зоны происходит полное сгорание за счет кислорода окружающего воздуха (зона 5) по уравнению

Зона полного сгорания со всех сторон окружает восстановительную зону а предохраняет расплавленный металл от окисления воздухом.

Если объем подаваемого кислорода будет меньше, чем объем ацетилена, в восстановительной зоне будет происходить распад неокислившейся части ацетилена на углерод и водород, которые могут поглощаться расплавленным

металлом, ухудшая свойства получаемого сваркой шва. Пламя приобретает более светлый оттенок и увеличивается в длину.

При увеличении количества кислорода восстановительная зона уменьшается, пламя приобретает синеватый цвет, расплавленный металл загрязняется окислами, что ведет к снижению качества сварочного шва,

На фиг. 321 показано в виде примера распределение температур по различным зонам сварочного пламени горелки, питаемой ацетиленом.

Из приведенного графика видно, что максимальную температуру, несколько превышающую 3000°, пламя ацетиленовой сварочной горелки имеет в восстановительной зоне.

Сварочные горелки

Сварочная горелка служит для смешивания горючего газа с кислородом в требуемых соотношениях, обеспечивая устойчивое пламя, а также является устройством, позволяющим легко и удобно подводить сварочное пламя к месту нагрева металла. Она состоит из следующих главных частей: 1) корпуса-рукоятки, за которую держат горелку; на корпусе находятся и регулирующие подвод кислорода и горючего газа вентили; 2) смесительной камеры; 3) мундштука, через который горючая смесь выходит из смесительной камеры.

Сварочные горелки делают инжекторными, иначе называемыми горелками низкого давления, и безинжекторными, или горелки высокого давления.

На фиг. 322, а представлена схема устройства инжекторной горелки; кислород через регулирующий вентиль под давлением около 3 aт подается через центральный канал в сопло 1 (инжектор) с отверстием малого диаметра, по выходе из которого он расширяется и его струя приобретает большую скорость; вследствие этого в кольцевом (внешнем) канале 2, по которому подается горючий газ (ацетилен), создается разрежение, увлекающее горючий газ, подаваемый под небольшим давлением (обычно от 0,1 до 0,2 aт), вместе с кислородом в смесительную камеру 3. Из смесительной камеры 3 струя горючей смеси через мундштук 4 выбрасывается наружу.

На фиг. 322, б представлена схема устройства безинжекторной горелки.

Кислород в такой горелке подается через регулирующие вентили 2 в смесительную камеру 1 под давлением 1—3 aт, горючее — под давлением 0,5—1,5 aт; из смесительной камеры через мундштук 3 горючая смесь выходит наружу.

Преимуществом инжекторных горелок является возможность работать на низком давлении горючего; преимуществом безинжекторных — большая устойчивость в работе.

На фиг. 323 показана конструкция инжекторной горелки марки СУ (сварочная универсальная); нипель 1 служит для надевания на него резинового шланга, по которому поступает кислород; нипель 2 предназначен для

шланга, подающего горючее (ацетилен); трубка 3 подводит кислород к инжектору; полая рукоятка 4 служит для подвода горючего к инжектору; вентили 5—6 регулируют подвод газов; в стойке 7 крепится сменный наконечник го

релки гайкой 8; через инжектор 9 горючее поступает в смесительную камеру 10 и через трубку 11 подается к мундштуку 12. На фиг. 324 показано устройство безинжекторной горелки для сварки водородом.

Кислород

Так как высокая температура при газовой сварке достигается в результате сгорания газов в смеси с чистым кислородом, то рассмотрение газов, применяемых в сварочных процессах, удобнее начать с кислорода.

При давлении 760 мм рт. ст. и 0°С 1 м3 кислорода весит 1,429 кг. Будучи охлажден до —181,4°, кислород сжижается, образуя прозрачную жидкость голубого оттенка; 1 л жидкого кислорода весит 1,106 кг и при испарении дает 790 л газообразного кислорода.

Горение в кислороде характеризуется сильно концентрированным пламенем.

Выше было сказано, что расширение применения газовой сварки находилось в прямой зависимости от совершенствования промышленных способов получения кислорода.

В настоящее время наиболее распространенным является способ получения кислорода из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения. Сущность способа заключается в том, что воздух сжимают компрессором, и затем сжатый, очищенный от углекислого газа и осушенный воздух поступает в разделительный аппарат, где он охлаждается (за счет расширения) до температуры сжижения и разделяется на составные части (кислород, азот, аргон).

На единицу объема воздуха приходится 1/5 объема кислорода, и 4/5 азота; отделение азота и кислорода от полученного жидкого воздуха основано на разности температур кипения кислорода (—183°) и азота (—196°); в установках, предназначенных для получения кислорода, азот обычно не используется и выпускается в атмосферу.

Потребитель может получать кислород для сварки или резки как в газообразном, так и в жидком состоянии. Кислород в больших количествах удобнее хранить и транспортировать в жидком виде, так как отпадает необходимость в большом баллонном парке. Например, для перевозки жидкого кислорода в танке емкостью 2400 л требуется одна 5-тонная автомашина. Для перевозки соответствующего количества газообразного кислорода (380 баллонов) потребуется двенадцать 3-тонных автомашин.

Необходимо, с другой стороны, учесть испарение жидкого кислорода из танка через испаритель в количестве 0,3—0,35% в час, что делает невыгодным длительное хранение жидкого кислорода.

На кислородном заводе (или станции) из кислородной установки жидкий кислород переливают в хранилища, называемые стационарными танками. Танки представляют собой сосуды шарообразной формы; каждый танк состоит из латунного шара, помещенного внутри стально го шара; промежуток между внутренним и наружным шарами заполняют теплоизоляционными материалами. Жидкий кислород находится в танке под давлением, немного превосходящим атмосферное. При переливании жидкого кислорода из стационарного танка в транспортный используется давление, создаваемое испаряющимся кислородом, образующим в верхней части танка газовую подушку; под этим давлением жидкий кислород по трубке перетекает в транспортный танк.

В России стационарные танки для жидкого кислорода строятся вместимостью до 8000 л, а транспортные — до 2900 л. Для перевозки и хранения больших количеств кислорода строятся специальные цистерны емкостью др 30 000 а жидкого кислорода.

Для использования жидкого кислорода на месте его потребления устраивают газификаторы, в которые и переливают жидкий кислород из транспортных танков. Назначение газификаторов—не только хранить жидкий кислород, но и выдавать его для потребления в газообразном виде. На фиг. 325 показано одно из устройств газификатора. Отверстие 1 для заливки жидкого кислорода закрывают пробкой после заполнения газификатора. В кожух 3 вставлен стальной цилиндр 4, внутри которого находится латунный тонкостенный цилиндр 5. Испарение жидкого кислорода, вытесняемого из цилиндра 5, происходит в змеевиках 6 и 7. Кожух 3 заполняется водой, подогреваемой паром, пропускаемым через змеевик 8; вследствие подогрева заполняющей кожух 3 воды испарение кислорода идет очень интенсивно, и давление газообразного кислорода достигает 150 aт. В целях предупреждения подъема давления сверх допускаемого газификатор снабжается предохранительным клапаном.

Жидкий кислород применяют лишь на крупных заводах, где оправдываются расходы по устройству и содержанию газификаторов, и где потребление кислорода так велико, что потеря кислорода от его испарения из танков не играет существенной роли.

Газообразным кислородом наполняют баллоны под давлением 150 aт при 15°. Устройство кислородного баллона показано на фиг. 326. Корпус баллона 1 своим днищем 2 сажается в предварительно разогретый башмак 3. На горловину 4 надевается кольцо 5, на которое навертывается колпак 6, закрывающий вентиль 7. Выдачу газа из баллона производят через редуктор, понижающий давление в выпускаемом газе до 3 aт и менее.

Кислородные баллоны окрашивают в светло-синий цвет и снабжают надписью поперек баллона черными буквами «Кислород». Емкость кислородных баллонов по ГОСТ 949-41 составляет от 0,4 до 50 л; для сварки и резки применяют баллоны емкостью 40 и 50 л. Размеры баллона емкостью 40 л: наружный диаметр 219 мм, высота корпуса 1390 мм, толщина стенок 8 мм; вес баллона емкостью 40 л 67 кг (без кислорода).

Для смазки арматуры кислородных баллонов нельзя применять масла и жиры, так как при большом давлении в присутствии кислорода они дают взрыв; в случае надобности в смазке применяют 5%-ный раствор глицерина в дистиллированной воде.

Не следует также применять эбонитовых или фибролитовых прокладок, могущих давать взрывы; прокладки должны быть металлическими или асбестоедными.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Пароль на архив: privetstudent.com