Газокислородная сварка и родственные процессы

Версия для печатиВерсия для печати

Газокислородная сварка

Газокислородная сварка - химический способ сварки плавлением, источником нагрева металла которой является тепловая энергия, получаемая в результате химического процесса сгорания газообразного (или парообразного) горючего в смеси с кислородом.

Реакция окисления органических веществ в кислороде носят экзотермический характер и протекают с выделением значительной тепловой энергии. Ускорение реакции окисления имеет место при повышении давления и температуры кислорода.

До настоящего времени газовая сварка довольно широко применяется при сварке металла малых толщин, при сварке проката из цветных металлов, ремонтной сварки литых изделий из чугуна, бронзы, алюминиевых и магниевых сплавов, пайке твердыми и мягкими припоями, при сварке пластмасс.

Среди горючих газов (углеродводородосодержащие) наиболее применим ацетилен, имеющий температуру горения в кислороде, достигающей 3150°С. Несмотря на то, что ацетилен является универсальным газом, в ряде случаев обработки металлов газовым пламенем он может быть заменен другими более дешевыми горючими. Это в первую очередь относится к тем процессам, где газокислородное пламя используется для подогрева металла до температуры ниже температуры плавления стали (кислородная резка, поверхностная закалка, нагрев для правки, гибки и др.), а также при сварке легкоплавких металлов и пайке.

Горючее Ацетилен Пропан бутан Бензин Метан Керосин Коксовый газ
Максимальная температура (°С) пламени газов и паров жидкости в смеси с кислородом 3150 2700 - 2800 2500 - 2600 2400 - 2500 2400 - 2450 2000

Типы пламени. Горение - быстро совершающаяся химическая реакция, сопровождающаяся выделением тепловой энергии. При газокислородной сварке газы нагреваются до температуры их свечения. Устойчивый процесс горения возможен только тогда, когда выделяющаяся при сгорании газовой смеси теплота оказывается достаточной не только для нагрева ещё невоспламенившихся объемов газа (горение газовой смеси - горючий газ плюс кислород или воздух - начинается с воспламенением её при определенной для данных условий температуре), но и для компенсации потерь теплоты в окружающее пространство в результате теплопроводности, лучеиспускания и конвекции. Поэтому, в трубках малого диаметра, в капиллярах, где теплоотвод стенками трубки особенно велик, горение газа невозможно. Необходимым условием горения горючего газа в кислороде или в воздухе является содержание горючего в смеси в определенных пределах, называемых температурой воспламенения.

Виды и структура газового пламени

Виды и структура газового пламени.
а - окислительное; б - нормальное; в - науглероживающее.
1 - ядро; 2 - восстановительная зона; 3 - факел

Строение пламени всех углеводородных смесей с кислородом одинаково и определяется в основном составом, т.е. соотношением горючей смеси (О2 / СхНу). Сварочное пламя состоит из трех зон: ядра, средней зоны (восстановительной зоны) и факела (окислительной зоны). Светящееся ядро имеют горючие газы, состоящие из углеводородов. Водородно-кислородное пламя ядра не образует и имеет светло-желтый оттенок.

По соотношению смеси сварочное пламя принято делить на нормальное, окислительное и науглероживающее. Нормальное пламя получают тогда, когда в горелку на один объем кислорода поступает один объем ацетилена. При избытке кислорода в смеси, пламя будет окислительным, а при избытке ацетилена - науглероживающим. Для газовой сварки применяют нормальное пламя или слегка науглероживающее (например, при сварке чугуна), а для резки металлов – слегка окислиельное.

Распределение температуры в пламени. Во внутреннем ядре пламени происходит повышение температуры смеси до температуры воспламенения. Перед фронтом пламени (поверхность воспламенения) существует незначительной толщины (≈1 мм) слой смеси, на границе которого наблюдается заметное повышение температуры, обуславливаемое теплопроводностью от фронта пламени. Именно в этом слое температура смеси повышается от начальной до температуры воспламенения. В средней зоне пламени температура резко возрастает до максимальной температуры пламени. В факеле происходит понижение температуры.

Оборудование

Газовая горелка

Горелки для сварки. Основным назначением горелки является смешение горючего газа с кислородом и образование сварочного пламени требуемой тепловой мощности, размеров и формы.

Газовые сварочные горелки можно классифицировать по ряду общих признаков, например:

1) По числу пламень - на однопламенные и многопламенные.

2) По роду применяемого горючего - на ацетиленовые, водородные, бензиновые и другие.

3) По способу применения - на ручные и машинные.

И т.п.

Ацетиленовые генераторы. Это аппараты, предназначенные для получения газообразного ацетилена в ходе реакции взаимодействия карбида кальция с водой.

Предохранительные (огнепреградительные) затворы.

Устойчивость горения газокислородной смеси является основой его безопасного применения. Эта устойчивость зависит от граничных условий сгорания смеси при её истечении в атмосферу из отверстия мундштука, которые определяются соотношением между скоростью воспламенения смеси и скоростью её истечения. С уменьшением скорости истечения смеси длина ядра пламени будет уменьшаться, и при равенстве этих дух скоростей длина ядра пламени станет равной нулю. В этом случае поверхность пламени превращается в плоскость, и пламя проскакивает внутрь канала горелки. Данное явление соответствует начальному моменту обратного удара пламени.

Обратный преградительный клапан
Образец обратного огнепреградительного клапана - пламегасителя

Обратным ударом пламени называется проникновение фронта пламени внутрь каналов сопла горелки и распространения его навстречу потоку горючей смеси.

Скорость истечения смеси уменьшается с увеличением диаметра сопла, понижением давления и расхода смеси. Скорость воспламенения смеси резко возрастает при повышении температуры смеси и обратный удар пламени может наступать при более высоких значениях скорости истечения смеси из сопла. Для защиты газопровода горючего газа от проникновения в них обратного удара пламени и кислорода от горелки или резака служат предохранительные затворы. Затвор (как, правило, водяной) также предохраняет ацетиленовые генераторы низкого давления от подсоса в них атмосферного воздуха.

Баллоны для газов. Сжатые, сжиженные и растворенные газы хранят и транспортируют в баллонах. Кислород, водород, метан, и воздух, а также азот и инертные газы нагнетают в баллонах типа 150 и 150л; ацетилен и аммиак - в баллоны типа 100 емкостью от 0,4 до 55 л. Наибольшее распространение получили баллоны емкостью 40 л. Они имеют наружный диаметр 219 мм, высоту 1500 мм, массу около 60 кг и рассчитаны на рабочее давление до 20 МПа.

Баллоны для растворённого ацетилена. Безопасное повышение давления ацетилена в баллоне свыше 0,15 Мпа возможно только, когда газ будет располагаться в капиллярах пористого вещества. При этом взрывчатый распад ацетилена не может распространяться на всю массу газа. По этой причине баллоны для хранения и транспортировки ацетилена заполняют пористой массой (например, из березового активированного угля БАУ).

Баллоны окрашивают в условные цвета и снабжают надписями название газа, а в некоторых случаях и отличительными полосами. Баллоны для кислорода окрашивают в голубой цвет, с надписью черного цвета "Кислород", для ацетилена - в белый цвет с надписью красного цвета "Ацетилен", для водорода - в темно-зеленый цвет с надписью красного цвета "Водород", для пропана и других горючих газов - в красный цвет с надписью белого цвета "Пропан" (или другой горючий газ).

В верхней сферической части баллона должны быть нанесены клеймением следующие данные:

- товарный знак завода -изготовителя;
- номер баллона; масса порожнего баллона, кг;
- месяц и год изготовления и год следующего освидетельствования;
- рабочее давление, кгс/см;
- пробное гидравлическое давление, кгс/см;
- вместительность баллона, л;
- клеймо ОТК завода - изготовителя.

На баллонах для растворенного ацетилена указывают массу тары, т.е. массу баллона без колпака, но с пористой массой и растворителем, башмаком, кольцом и вентилем.

Окраску и нанесение надписей на вновь изготовленные баллоны производят заводы - изготовители, а в дальнейшем заводы - наполнители, наполнительные или испытательные станции (не реже 5 лет).

Каждые 5 лет баллоны подвергаются контрольной проверке. Причем, для баллонов для коррозионно-активных газов этот срок сокращен до 2 года.

Баллонные вентили. Кислородные баллонные вентили рассчитываются на максимальное рабочее давление до 20 МПа. Открытие и закрытие кислородного вентиля осуществляется маховиком. Ацетиленовый баллонный вентиль рассчитывается на рабочее давление до 3 МПа. Вентиль пропанового баллона принадлежит к вентилям мембранного типа, рассчитан на рабочее давление до 20 МПа.

Баллонный вентиль

Перепускные рампы. Предназначены для централизованной подачи кислорода и горючего газа к постам для газовой сварки и резки от батарей баллонов (в которых может насчитываться до 10 и более баллонов).

Рукава. Рукава служат для присоединения горелок и резаков к источникам газопитания. Гибкие резинотканевые рукава изготовляют трех типов: I-го - для подачи ацетилена и городского газа под рабочим давлением до 0,6 МПа, II-го - для подачи жидкого топлива (бензина, керосина) под рабочим давлением до 0,6 МПа, III-го - для подачи кислорода под рабочим давлением 1.5 МПа. Внутренний диаметр рукавов бывает 6, 9, 12 и 16 мм. Рукава I-го и II-го типов обеспечивают четырехкратный запас прочности (по сравнению с рабочим давлением), а рукава III-го типа - трехкратный. Рукава должны иметь цветной наружный слой: для кислорода - синий, для ацетилена - красный, для жидкого топлива - желтый. Длину каждого рукава допускают до 8 ... 20 м. Свыше этой длины значительно возрастают потери давления газа.

Газовые редукторы. Служат для понижения давления газа, поступающего от источника питания (баллона или распределительного трубопровода) и для поддержания постоянного его расхода и давления независимо от изменения этих параметров до редуктора. Редукторы для газопламенной обработки классифицируются:

- по роду редуцируемого газа: А - ацетиленовые, К - кислородные, М - метановые, П - пропан-бутановые;
- по схеме редуцирования: О - одноступенчатые; Д – двухступенчатые; и т.п.

Одноступенчатый редуктор

Обращение с газами и их хранение. Основным условием безопасности газовых систем, находящихся под давлением, является достаточная их прочность и герметичность, которые гарантируется соблюдением режимов эксплуатации и хранения, а также надежностью работы контрольно-измерительной аппаратуры и предохранительных устройств.

Склады для баллонов с взрыво- и пожароопасными газами, а также ацетиленовые станции должны находится в зоне молниезащиты. Складское помещение должно быть разделено несгораемыми стенами на отсеки, в каждом из которых может храниться не более 500 баллонов с горючими газами или до 1000 баллонов с негорючими газами. Хранение баллонов с кислородом и горючими газами в одном помещении не допускается. Склады для хранения баллонов должны быть одноэтажными с покрытиями легкого типа и не иметь чердачных помещений. Стены, перегородки, покрытия должны быть из несгораемых материалов; окна и двери должны открываться наружу. Высота помещений должна быть не менее 3,25 м от пола до нижних выступающих частей кровельного покрытия.

Склады должны иметь соответствующие освещение и вентиляцию. Наполненные баллоны с башмаками хранятся в вертикальном положении. Для предохранения от падения баллоны устанавливаются в специально оборудованные гнезда, клетки или ограждаться барьерами. При хранении баллонов на открытых площадках их укладывают в штабеля с прокладками (веревки, деревянные брусья или резину) между горизонтальными рядами. Высота штабелей до 1,5 м. Вентили баллонов должны быть обращены в одну сторону. Хранить баллоны следует с навернутыми колпаками. Наполненные баллоны следует хранить отдельно от порожних.

На сварочном участке при наличии не более 10 постов допускается для каждого поста иметь по одному запасному баллону с кислородом и ацетиленом. Запасные баллоны должны быть либо ограждены стальными щитами, либо хранится в отдельных пристройках. При наличии на участке более 10 сварочных постов должно быть устроено централизованное снабжение газа.

Баллоны с газом устанавливаемые в помещениях, должны находится от радиаторов отопления и других отопительных приборов и печей на расстоянии не менее 1 м, а от источников тепла с открытым огнём - на расстоянии 5 м.

Баллоны для сжатых газов, принимаемые заводами-наполнителями от потребителей, должны иметь остаточное давление не менее 0,05 МПа, а баллоны для растворенного ацетилена - не менее 0,05 МПа и не более 0,1 МПа.

Перевозка наполненных газом баллонов должна производиться на рессорном транспорте или на автокарах в горизонтальном положении обязательно с прокладками. В летнее время баллоны следует защищать от солнечных лучей. Разрешается перевозка баллонов в специальных контейнерах, а также без контейнеров в вертикальном положении обязательно с прокладками между ними и ограждением от возможного падения.

Цеховые газопроводы, как правило, прокладывают по стенам или колоннам здания. Возможна прокладка в непроходных каналах, засыпаемых песком и перекрываемых съемными несгораемыми плитами. Допускается совместная прокладка кислородопровода и трубопровода с горючими газами, в том числе ацетилена, в одном канале при условии наличия разделительной стенки и засыпки обоих отделений канала песком.

Газопроводы изготовляют из стальных бесшовных труб. Исключение составляют кислородопроводы высокого давления, изготавливаемые из медных или латунных труб.

Трубопроводы подлежат гидравлическому испытанию на прочность и пневматическому испытанию на герметичность. Все цеховые трубопроводы должны иметь опознавательную окраску.

Типы сварных соединений и подготовка кромок под сварку. Наиболее распространенным соединением является стыковое. При толщине листов до 1,5 мм его выполняют с отбортовкой кромок.

При сварке деталей толщиной 3 … 6 мм с использованием заменителей ацетилена скос кромок делают по всей толщине без притупления с углом скоса 30 - 45° и зазором 1 … 3 мм, так как опасность прожога острой грани кромки в этом случае значительно меньше. Тавровые и угловые соединения при толщине листов до 5 мм подготавливают без скоса кромок.

Режимы и техника сварки. Режим сварки зависит от теплофизических свойств металла, габаритных размеров и формы изделия и включает в себя: выбор способа сварки, мощности и состава пламени, угла наклона горелки, диаметра присадочного прутка, порядка наложения швов, положения шва в пространстве. Различают левый и правый способ сварки

Левый способ газовой сваркиПравый способ газовой сварки

При левом способе пламя направляют на еще не сваренные кромки металла, а присадочный пруток перемещают перед пламенем, при этом для более полного и равномерного прогрева и перемешивания сварочной ванны горелку и пруток перемещают зигзагообразно. При правом способе сварки пламя направляют на уже сваренную часть шва, а пруток перемещают вслед за ним по спирали. Горелку при этом перемещают прямолинейно.

Правый способ сварки повышает производительность процесса при одновременном снижении удельного расхода газов за счет лучшего использования теплоты пламени, а также снижает коробление металла вследствие большой сосредоточенности нагрева.

Левый способ целесообразно применять для сварки металлов толщиной до 4 - 5 мм, а также металлов с пониженной (по сравнению со сталью) температурой плавления. Кроме того, при левом способе лучше формируется шов.

Во избежание деформации свариваемых деталей их собирают и прихватывают короткими швами для обеспечения правильного взаимного расположения при сварке.

Угол наклона мундштука горелки к поверхности металла зависит от толщины свариваемых листов и тепло-физических свойств металла. Чем толще металл, тем этот угол больше. Больше он и в начале процесса сварки, когда изделие "холодное", затем уменьшается до 30 - 40°. К концу сварки, когда кромки изделия сильно прогреты, во избежание пережога металла угол еще меньше.

В процессе формирования сварного шва горелке придают два вида движения: поперечное по отношению к оси шва и поступательное вдоль оси шва. Поперечное движение необходимо для равномерного прогрева кромок свариваемого металла, одновременного их расплавления и равномерного распределения присадочного металла.

Специальные газокислородные процессы

Кислородное копье. Резка кислородным копьем заключается в прожигании в материале отверстия под действием химико-термомеханического воздействия. Воздействие на материал осуществляется стальной трубкой, конец которой нагрет до воспламенения, и через которую под давлением подается кислород.

Пламенная очистка, правка и предварительный подогрев. Для очистки поверхностей применяют газопламенный процесс. В зависимости от вида загрязнения применяют те или иные горючие газы, температура горения которых в кислороде достигает 2000 ... 3000°С. Загрязнения в виде масел, красок, лаков сгорают в пламени, так как имеют низкую температуру плавления и воспламенения, и поэтому легко удаляются струёй пламени.

Окислы на поверхности деталей или элементов конструкции удалять сложнее. Очистка от окислов основана на локальном термомеханическом воздействии газокислородного пламени. Под действием температуры нагретые участки поверхности с окислами расширяются. Из-за различия в коэффициентах температурного расширения между окислами и основой возрастают напряжения, под действием которых может произойти разрушение их связи с поверхностью. Если же связи окислов с поверхностью прочны, то окислы пластически деформируются. А так как у них, как правило, низкий запас пластичности при обычных температурах, то их довольно легко можно удалять механическим воздействием, если они не разрушились самопроизвольно под воздействием остаточных напряжений, возникших в результате термического цикла нагрев - охлаждение.

Газопламенный нагрев применяют и для правки изделий, доводя дефектные участки до пластического состояния или упруго-пластического состояния. В зависимости от материала и степени правки температура процесса может достигать 0,4 ... 0,6 Тпл. При достижении упруго-пластического или пластического состояния под действием незначительного механического воздействия осуществляют правку. Правку можно осуществлять без механического воздействия на дефектные участки. Как правило, это касается правки тонколистовых конструкций. Созданием необходимых условий для получения пластического сжатия при нагреве и возникновением растягивающих напряжений при охлаждении в дефектных местах осуществляют термическую правку.

Газопламенный нагрев применяют для предварительного и сопутствующего подогрева при сварке высокоуглеродистых или высоколегированных сталей и чугунов, медных сплавов.

Предварительный подогрев необходим для уменьшения влияния возникающих термических напряжений в результате локального сварочного нагрева на прочность сталей и чугунов при их сварке, а также для компенсации влияния теплопроводности меди и её сплавов при их сварке.

Как правило, газопламенный нагрев для правки, предварительного и сопутствующего подогрева изделий осуществляют многопламенными горелками. Необходимый горючий газ подбирают в зависимости от необходимой температуры и скорости нагрева.

Горелка для нагрева изделий из черных и цветных металлов
Горелка для нагрева изделий из черных и цветных металлов

Газопрессовая сварка. При газопрессовой сварке место соединения нагревается пламенем многосопловой горелки до пластического состояния или оплавления, и свариваемые детали сжимаются путем приложения внешнего осевого усилия.

Здоровье и безопасность

При использовании газокислородных процессов выполняются все требования по безопасности, которые предусмотрены правилами обращения с газами, работы в условиях повышенных температур и загазованности производственных помещений.

Для защиты от тепловых, механических и других воздействий применяются индивидуальные средства (теплозащитные одежда, обувь, нарукавники, нагрудники из огнестойкого мягкого материала). Защита органов дыхания осуществляется при помощи приточно-вытяжной вентиляции общего назначения, а также респираторов и противогазов. Для защиты глаз от действия лучистой энергии, а также искр и брызг расплавленного металла применяют специальные очки со светофильтрами или защитными очками с бесцветными стеклами.