Газовая сварка

Введение

Способ газовой сварки был разработан в конце прошлого столетия, когда начиналось промышленное производство кислорода, водорода и  ацетилена. В тот период газовая  сварка являлась основным способом сварки металлов и обеспечивала получение  наиболее прочных сварных соединений. В дальнейшем с созданием и  внедрением высококачественных электродов для дуговой сварки, автоматической и полуавтоматической дуговой сварки под флюсом и в среде защитных газов (аргона, гелия и углекислого  газа и др.), газовая сварка была постепенно вытеснена из многих производств  этими способами электрической  сварки. Тем не менее, и до настоящего времени газовая сварка металлов наряду с другими способами сварки широко применяется в народном хозяйстве.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1. История развития

Сварка возникла на первом этапе развития человеческой цивилизации. Еще в каменном веке камнем подходящей формы древний человек мог  отковать изделия из самородков благородных  металлов – золота, серебра, меди. Таким  же технологическим приемом, когда  необходимо было увеличить размеры  изделия, соединяли эти пластины между собой, т.е. применяли один из видов сварки – холодную сварку,- сварка металлов в холодном состоянии  путем приложения деформирующих  усилий. Этот первый вышедший из древнего периода способ сварки получил развитие в настоящее время для соединения медных, алюминиевых проводов, оболочек кабелей связи, морозильных камер  холодильников и т.д. В древние  времена этот способ был использован  при сварке благородных металлов, которые практически не окисляются. Ударяя по сложенным вместе кускам металла, удавалось добиться прочного соединения. В Дублинском Национальном музее хранится золотая коробка, изготовленная в эпоху поздней  бронзы, стенки и днище ее скованы  плотным швом. За несколько тысячелетий  до н.э. некоторые племена (например, на территории Бесарабии, Украины) добывали из руды медь, свинец. Но техникой литья  они еще не овладели, поэтому они  подогревали и сковывали отдельные  куски, получая более крупные  куски и изделия из них.

Появление бронзы – сплава меди и олова – заставило древних  умельцев приняться за разработку новых  методов соединения отдельных элементов  вместе (сварку). Бронза обладает высокой  твердостью, прочностью, сопротивлению  истиранию. Однако достаточно низкая пластичность не позволяла применять кузнечную  сварку для соединения отдельных  заготовок. Вдобавок возросли и габариты изделия, и трудно равномерно разогреть  их. В III-II тыс. лет до н.э. умельцы  трипольских племен применяли скручивание, фальцовку, склепывание, паяние.

В начале железного века люди брали куски железной руды (оксиды и др. соединения железа) нагревали вместе с углем и получали комки, в которых перемешаны частицы железа, шлака и остатков угля. А затем эти комки (крицы) многократно нагревали и проковывали в горячем состоянии. Частицы шлака и угля выдавливались, а отдельные частицы железа соединялись между собой – связывались, образуя плотный металл. Многократный нагрев и ковка – сварка делали металл чище и плотнее. Для раскисления добавляли природные сланцы.

Для соединения металлов и сплавов методом заливки можно применять также сплавы, которые плавятся при значительно меньших температурах, чем материал соединяемых деталей изделий. Например, стоило только в золото добавить медь или серебро, как образовался сплав со значительно меньшей температурой (например, сплав 20% золота и 80% меди плавится при температуре 886°С (золото - 1064°С, медь - 1083°С), сплав 70% серебра и 30% меди - 780°С(Ag - 961°С)).

Это свойство сплавов и  было использовано для пайки. Искусство  пайки совершенствовалось, появлялись новые припои, начали применять флюсы, растворяющие и связывающие оксиды, мешающие припою диффундировать. В VIII-X в.в. появляются легкоплавкие припои –  свинцовисто-оловянистые.

Родиной газовой сваркй является Франция. В конце XIX века была создана газовая горелка, работающая на смеси водорода и кислорода. Однако эксплуатировать такие горелки было опасно из-за возможности проникновения пламени в резервуар с водородно-кислородной смесью и ее взрыва.

В последующем, такая горелка  была усовершенствована французским  химиком Сент-Клер Девилем, разместившим водород и кислород в разные резервуары со смешением этих газов уже в  самой горелке. Однако получаемое при  этом пламя имело недостаточную  температуру (-2200 °С) для сварки.

Развитие промышленного  способа газовой сварки стало  возможным благодаря двум обстоятельствам: во-первых, открытию метода получения  горючего газа ацетилена из карбида  кальция, во-вторых, — получению  в 1895 г. французским химиком Анри Луи Ле Шателье высокотемпературного пламени при сжигании смеси ацетилена и кислорода.

Позже, в 1901 г., французскими инженерами Эдмоном Фуше и Шарлем Пикаром была сконструирована газосварочная горелка, работающая на ацетилено-кислородной смеси. Предложенная ими конструкция газосварочной горелки практически не изменилась до настоящего времени.

Изобретатели газовой  сварки назвали ее автогенной, т.е. «самопроизводящейся». Это не столь удачное название употребляется иногда и в настоящее  время.

В начальный период развития газовой сварки на предприятиях Москвы, Санкт-Петербурга, Киева и других городов действовало небольшое  число газосварочных постов, в  основном в ремонтных железнодорожных  мастерских и на некоторых машиностроительных заводах. После создания в 1931 г. Московского автогенного завода, выпускавшего аппаратуру для газовой сварки и резки металлов, применение этого способа соединения деталей значительно расширилось.

Большую роль в развитии газовой сварки, а точнее сказать, газопламенной обработки, сыграл Всесоюзный научно-исследовательский институт автогенной обработки — ВНИИавтоген (впоследствии ВНИИавтогенмаш), который  наряду с совершенствованием технологии и оборудования для этого процесса достиг значительных успехов в развитии кислородной резки, нанесении газопламенных  покрытий, поверхностной закалки  и пр.

 

 

1.2. Принцип действия

 

Для успешной газовой сварки подавляющего большинства материалов и сплавов температура сварочного пламя должна быть не менее 3000 °С. Из многочисленных горючих газов этому  условию удовлетворяет только ацетилен , получаемый в специальных ацетиленовых генераторах, в которых протекает взаимодействие карбида кальция с водой по реакции

 

 (2.5)

Карбид кальция — твердое  и тугоплавкое кристаллическое  вещество, образуется при сплавлении извести (СаО) с углем (С) в дуговых  электрических печах:

 

  (2.6)

 

Для достижения наивысшей  температуры при сгорании ацетилена  используется почти чистый кислород (97 — 98 % кислорода), который получают из атмосферного воздуха на специальных  установках и поставляют потребителю  в стальных баллонах под давлением 15 МПа (150 кг/см²).

В практике газовой сварки нашли широкое промышленное применение сварочные горелки инжекторные  или низкого давления. Схема такой  горелки показана на рис. 2.19.

По  шлангу через ниппель 1 и регулировочный вентиль 2 в инжектор 3 горелки поступает  кислород под давлением 0,3 — 0,4 МПа (3 — 4 кг/см²). Струя кислорода, выходя с большой скоростью из узкого канала инжектора, инжектирует (подсасывает) ацетилен, подводимый к горелке по шлангу через ниппель 10 под небольшим давлением — менее 0,05 МПа. В смесительной камере 4 кислород смешивается с ацетиленом, откуда смесь по смесительной трубке 5 движется к наконечнику 6 горелки.

При выходе из канала наконечника смесь  поджигается, образуя сварочное пламя сложной структуры. Нормальное чное пламя имеет три характерных зоны; первая зона 7 Со средней температурой 1500 °С, где происходит распад ацетилена (С2Н2 = 2С + Н?}, вторая зона 8, где ацетилен взаимодействует с кислородом, поступающим из горелки (по реакции С2Н2 + О2 = 2СО + Н2). В результате температура пламени возрастает до 3100 °С, причем продукты сгорания обладают восстановительными свойствами. Наконец, в третьей зоне — факел пламени 9 — идет процесс сгорания водорода и окисления СО (по реакции СО + Н2 + 3/2 О2 = = 2СО2 + НаО) за счет кислорода атмосферного воздуха. Температура факела — около 1200 °С. Обычно газосварщик работает на второй зоне пламени (восстановительной), имея возможность следить за характером пламени, корректировать состав смеси ацетиленовым вентилем горелки.

 

Рисунок 2.19. Конструктивная схема инжекторной горелки и строение сварочного пламени.

 

Газовую сварку можно выполнять  в любом пространственном положении, однако, в отличие от дуговой сварки, нагрев металла пламенем замедленный, «мягкий». Для формирования шва используется присадочный пруток.

К несомненным достоинствам газовой сварки относятся:

простота образования  высокотемпературного пламени и  легкость его регулирования;

универсальность способа, позволяющая  использовать его везде, в том  числе и в полевых условиях.

К числу существенных недостатков  газовой сварки можно отнести  следующие:

низкая производительность процесса;

значительный разогрев металла  вблизи шва, создающий большую зону термического влияния с крупным  зерном, что снижает прочностные  свойства сварных соединений.

Одновременно с развитием  газовой сварки совершенствовались и способы кислородной резки  металла. При кислородной резке  металл нагревается в начальной  точке газокислородным пламенем до температуры воспламенения, а  затем сгорает в струе кислорода, в результате образуется сквозной разрез.

Таким образом, резка осуществляется за счет сгорания металла в струе  кислорода. Образующиеся при этом продукты сгорания – окислы, удаляются кинетическим действием – струи режущего кислорода.

Процесс кислородной резки  схематически показан на рис. 2.20.

Для успешного осуществления  кислородной резки необходимо, чтобы  температура воспламенения металла  в кислороде была ниже температуры  его плавления. Этому условию  удовлетворяют многие марки сталей. Так, например, температура воспламенения  низкоуглеродистой стали равна 1150 °С, а температура плавления — 1540 °С. Второе важное условие кислородной резки — температура плавления металла должна быть выше температуры плавления образуемых в процессе резки окислов, иначе тугоплавкие окислы препятствуют контакту металла с кислородом. Это условие не удовлетворяется при резке алюминия, магния и их сплавов, а также в сталях с большим содержанием хрома и никеля (нержавеющие стали), Так, например, температура плавления алюминия составляет всего 660 °С, а его окислов ( ) — 2050 °С.

Все материалы с ограниченной разрезаемостью или неразрезаемые приходится разрезать  с использованием порошково-кислородной (флюсокислородной) резки, заключающейся  в том, что вместе с кислородной  струей в зону реза подаются порошки, химически взаимодействующие с  окислами соответствующих металлов или механически воздействующие на окисную пленку.

 

Рис. 2.20. Схема процесса кислородной  резки:

1 - разрешаемый металл; 2 —  струя кислорода: 3 — подогревающие  пламя; 4 — мундштук горючей смеси; 5 - мундштук кислорода; К —  горючая смесь для подогревающего  пламени; 7 — поверхность реза  с окислами; 8 – шлаки, выносимые струей кислорода; 9 — изотерма подогретого металла; V — вектор резки.

Однако более эффективно для резки таких металлов использовать высокотемпературную дуговую плазму, температура факела которой может  достигать 15 — 25 тыс. °С, или газолазерную резку.

В связи с большим объемом  разделительной резки металлов важное значение приобретает механизация  и автоматизация процесса резки. В последнее время в промышленности используются высокопроизводительные координатные машины для кислородной  резки консольного или портального  типа, управляемые по специальным  программам с помощью ЭВМ. Они  позволяют производить вырезку  деталей любой конфигурации с  высокой точностью и производительностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3.  Классификация

Материалы, применяемые  при газовой сварке.

Кислород при атмосферном давлении и обычной температуре газ без цвета и запаха, несколько тяжелее воздуха. При атмосферном давлении и температуре 20 гр. масса 1м3 кислород равен 1.33 кг. Сгорание горючих газов и паров горючих жидкостей в чистом виде кислороде происходит очень энергично с большой скоростью, а возникновение в зоне горения возникает высокая температура.  
Для получения сварочного пламени с высокой температурой, необходимо для быстрого расплавления металла в месте сварки, горючий газ или пары горючей жидкости сжигают в смеси с чистым кислородом.  
При возникновении сжатого газообразного кислорода с маслом или жирами последние могут самовоспламеняться, что может быть причиной пожара. Поэтому при обращении с кислородными баллонами и аппаратурой необходима тщательно следить за тем, чтобы на них не падали даже незначительные следы масла и жиров. Смесь кислорода с горючих жидкостей при определенных соотношениях кислорода и горючего вещества взрывается.  
Технический кислород добывают из атмосферного воздуха который подвергают обработке в воздухоразделительных установках, где он очищается от углекислоты и осушается от влаги.  
Жидкий кислород хранят и перевозят в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией. Для сварки выпускают технический кислород трех сортов: высшего, чистотой не ниже 99.5%  
1-ого сорта чистотой 99.2% 
2-ого сорта чистотой 98.5% по объему.  
Остаток 0.5-0.1% составляет азот и аргон 
Ацетилен В качестве горючего газа для газовой сварки получил распространение ацетилен соединение кислорода с водородом. При нормальной to и давлением ацетилен находится в газообразном состоянии. Ацетилен бесцветный газ. В нем присутствуют примеси сероводорода и аммиак.  
Ацетилен есть взрывоопасный газ. Чистый ацетилен способен взрываться при избыточном давлении свыше 1.5 кгс/см², при быстром нагревании до 450-500С. Смесь ацетилена с воздухом взрываться при атмосферном давлении, если в смеси содержится от 2.2 до 93% ацетилена по объему. Ацетилен для промышленных целей получают разложением жидких горючих действием электродугового разряда, а так же разложением карбида кальция водой.  
Газы заменители ацетилена. При сварке металлов можно применять другие газы и пары жидкостей. Для эффективного нагрева и расплавления металла при сварке необходимо чтобы to пламени была примерно в два раза превышала to плавления свариваемого металла.  
Для сгорания горючих различных газов требуется различное кол-во кислорода подаваемого в горелку. В таб.8 приведены основные хар-ки горючих газов для сварки.  
Газы заменители ацетилена применяют во многих отраслях промышленности. Поэтому их производство и добыча в больших масштабах и они являются очень дешевыми, в этом их основное преимущество перед ацетиленом.  
Вследствие более низкой t пламени этих газов применение их ограничено некоторыми процессами нагрева и плавления металлов.  
При сварке же стали с пропаном или метаном приходится применять сварочную проволоку содержащею повышенное количество кремния и марганца, используемых в качестве раскислителей, а при сварке чугуна и цветных металлов использовать флюсы.  
Газы – заменители с низкой теплопроводной способностью неэкономично транспортировать в баллонах. Это ограничивает их применение для газопламенной обработки.