В зависимости от соотношения кислорода и ацетилена в горючей смеси, сварочное пламя может быть нормальным, окислительным или науглероживающим
Для нормального пламени характерно отношение ацетилена к кислороду от 1:1 до 1:1,3. В нем отчетливо выражены все три зоны – ядро, средняя зона и факел.
Окисленным называют пламя, в котором есть избыток кислорода. В нем ядро имеет бледную окраску, меньшую длину и размытые очертания. Длина средней части и факела тоже короче. Такое пламя горит с шумом и его температура выше, чем нормального. Оно окислено, окисляет металл сварочной ванны, способствует получению пористости и значительно снижает качество шва. Такое пламя рекомендуется применять при сварке латуней, при пайке высокотемпературными припоями.
Пламя с избытком ацетилена называют науглероживающим. Его ядро также имеет нерезкие очертания, на его конце виден зеленый венчик. Средняя зона этого пламени светлее и почти сливается с ядром. Факел имеет желтоватую окраску,
5) Для различной толщины свариваемого металла рекомендуется применять различную мощность свариваемого пламени, которая характеризуется часовым расходом ацетилена в литрах. В процессе сварки пламя не только расплавляет металл, но и защищает расплавленную ванну от вредного влияния кислорода и азота атмосферного воздуха. Поэтому при сварке необходимо, чтобы расплавленный основной металл и конец присадочного металла находились все время в восстановительной зоне пламени (в средней зоне).
Большое влияние на качество шва имеет угол наклона пламени горелки, который берется в зависимости от толщины свариваемых заготовок. Чем больше толщина заготовки, тем больше угол наклона горелки (Рис. 3).
Рис.3. Угол наклона горелки в зависимости от толщины в зависимости от толщины свариваемого металла
Изменением угла наклона мундштука горелки к поверхности свариваемого металла можно изменять интенсивность расплавления металла. Наиболее интенсивно металл расплавляется при перпендикулярном расположении мундштука к поверхности металла. При сварке же очень тонких и, особенно, легкоплавких металлов, мундштук следует располагать почти параллельно поверхности свариваемого металла. При сварке тонколистового металла и соединений с отбортовкой кромок, горелку следует передвигать прямолинейно, без поперечных колебаний. Если же свариваемый металл толстый – толщиной более 3 мм, то горелка должна совершать поперечные колебания наряду с прямолинейным перемещением, чтобы дольше воздействовать пламенем на металл.
6) В зависимости от направления перемещения горелки и присадочного прутка по шву различают
При левом способе впереди перемещается присадочный металл, а за ним горелка. Левый способ более простой и применяется при сварке листов толщиной до 5 мм.
При правом способе впереди перемещается горелка, а за ней присадочный металл. Правый способ сложнее левого, но более производительный и экономически выгодный. Применяется этот способ при сварке более толстого металла – толщиной более 5 мм.
А б
Рис. 4.Способы газовой сварки:
А — левый; б – правый
1 – присадочный пруток; 2 – газовая горелка
Применение левого и правого способа в большей степени все-таки зависит от практических навыков сварщика.
Газовую сварку можно выполнять в различных пространственных положениях: нижнем, вертикальном, горизонтальном и потолочном
.Вертикальные швы выполняют левым способом, а горизонтальные и потолочные – правым.
2.1.3. Используемые газы.
Кислород. Основное назначение кислорода, используемого при газопламенной обработке – интенсифицировать горение газа с возможно большим тепловыделением. Кислород применяют трех сортов:
Газообразный технический первого сорта чистотой 99,7%;
второго сорта чистотой 99,5%;
третьего сорта чистотой 99,2%.
Примеси азота и аргона в техническом кислороде составляют 0.3…0,8%. Кислород при нормальной температуре представляет собой газ без цвета и запаха. Кислород получают разделением воздуха методом глубокого охлаждения или получают электролизом – разложением воды припропускании через нее электрического тока
При соприкосновении с маслами кислород взрывается!
Ацетилен – горючий газ, представляющий собой химическое соединение углерода с водородом. Ацетилен получают из карбида кальция или из природного газа, нефти, угля. Ацетиленполучают из карбида кальция при взаимодействии последнего с водой. Реакция протекает с выделением значительного количества тепла
СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са (ОН)2
Теоретически для разложения 1 кг карбида кальция требуется 0,562 дм3, а практически во избежание перегрева ацетилена расходуют 5-20 дм3 воды. Средний выход ацетилена составляет 0,23-0,28 м3/кг.
Карбид кальция получают сплавлением извести и кокса в электрических печах при температуре 1900 …23000 С. Карбид кальция транспортируют в стальных герметически закрытых барабанах.
При температурах от -82,40 С до -83,60 С ацетилен превращается в жидкость, а при понижении температуры до -850 С переходит в твердое состояние. В жидком и твердом состоянии ацетилен очень взрывоопасен и взрывается от трения или удара. Ацетилено-кислородная смесь очень взрывоопасна при наличии в ней 2,9 … 93% ацетилена (по объему). Взрывоопасна и ацетилено-воздушная смесь при содержании в ней ацетилена даже до 2,2%.
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.
Виды сварочного пламени | Сварка и сварщик
Сварочное пламя образуется при сгорании горючего газа или паров горючей жидкости в кислороде. Пламя нагревает и расплавляет основной и присадочный металл в месте сварки. Наибольшее применение при газовой сварке нашло кислородно-ацетиленовое пламя, так как оно имеет высокую температуру (3150°С) и обеспечивает концентрированный нагрев. Однако в связи с дефицитностью ацетилена в настоящее время получили широкое распространение (особенно при резке металлов) газы-заменители ацетилена — пропан-бутан, метан, природный и городской газы.
От состава горючей смеси, т. е. от соотношения кислорода и горючего газа, зависят внешний вид, температура и влияние сварочного пламени на расплавленный металл. Изменяя состав горючей смеси, сварщик тем самым изменяет основные параметры сварочного пламени.
Для получения нормального пламени отношение кислорода к горючему газу должно быть для ацетилена — 1,1-1,2, природного газа — 1,5-1,6, пропана — 3,5.
Все горючие газы, содержащие углеводороды, образуют сварочное пламя, которое имеет три ярко различимые зоны:
- ядро
- восстановительная зона
- факел
Водородное пламя ярко различимых зон не имеет, что затрудняет его регулировку по внешнему виду.
При зажигании газовой струи, вытекающей из сопла, пламя перемещается по направлению движения струи газовой смеси. Скорость истечения для каждого газа подбирается такой, чтобы пламя не проникало внутрь сопла горелки и не отрывалось от него. Газ в струе должен прогреваться до температуры воспламенения, ацетилен воспламеняется при температуре 450-500°С, а газы-заменители — 550-650°С. Поэтому ядро пламени при сгорании газов-заменителей длиннее, чем при сгорании ацетилена.
а — окислительное, б — нормальное, в — науглероживающее; 1 — ядро, 2 — восстановительная зона, 3 — факел
Рисунок 1 — Виды сварочного пламени
Процесс сгорания ацетилена в кислороде можно условно разделить на две стадии. Сначала под влиянием нагрева происходит распад ацетилена на элементы: С2Н2=2С+Н2. Затем происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода смеси по реакции 2С+Н2+O2=2СО+Н2. Вторая стадия горения протекает за счет кислорода воздуха: 2СО+Н2+1,5O2=2СO2+Н2O. Процесс горения горючего газа в кислороде экзотермичен, т.е. идет с выделением теплоты.
Ядро имеет резко очерченную форму (близкую к форме цилиндра), плавно закругляющуюся в конце, с ярко светящейся оболочкой. Оболочка состоит из раскаленных частиц углерода, которые сгорают в наружном слое оболочки. Размеры ядра зависят от состава горючей смеси, ее расхода и скорости истечения. Диаметр канала мундштука горелки определяет диаметр ядра пламени, а скорость истечения газовой смеси — его длину.
Площадь поперечного сечения канала мундштука горелки прямо пропорциональна толщине свариваемого металла. Сварочное пламя не должно быть слишком «мягким» или «жестким». Мягкое пламя склонно к обратным ударам и хлопкам, жесткое — способно выдувать расплавленный металл из сварочной ванны. При увеличении давления кислорода скорость истечения горючей смеси увеличивается и ядро сварочного пламени удлиняется, при уменьшении скорости истечения ядро укорачивается. С увеличением номера мундштука размеры ядра увеличиваются. Температура ядра достигает 1000°С.
Восстановительная (средняя) зона располагается за ядром и по своему более темному цвету заметно отличается от него. Длина ее зависит от номера мундштука и достигает 20 мм. Зона состоит из продуктов неполного сгорания ацетилена — оксид углерода и водорода. Она называется восстановительной, так как оксид углерода и водорода раскисляют расплавленный металл, отнимая кислород от его оксидов. Если в процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны находится в средней зоне, то сварочный шов получается без пор газовых и шлаковых включений. Этой зоной пламени выполняю сварку и поэтому ее называют рабочей. Восстановительная зона имеет наиболее высокую температуру (3140°С) в точке, отстоящей на 3-6 мм от конца ядра.
Зона полного сгорания (факел) располагается за восстановительной зоной. Она состоит из углекислого газа, паров воды и газа, которые образуются в пламени при сгорании оксида углерода и водорода восстановительной зоны за счет кислорода окружающего воздуха. Температура этой зоны значительно ниже, чем температура восстановительной, и колеблется от 1200 до 2520°С.
В зависимости от соотношения между кислородом и ацетиленом получают три основных вида сварочного пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее. Нормальное пламя теоретически 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 его восстановительной 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.
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 восстановительная зона и факел. Все пламя приобретает синевато-фиолетовую окраску. Пламя горит с шумом, уровень которого зависит от давления кислорода. Температура окислительного пламени выше нормального, однако сваривать стали таким пламенем нельзя из-за наличия в пламени избытка кислорода. Избыток кислорода приводит к окислению металла шва, шов получается пористым и хрупким. Окислительное пламя можно применять при газовой сварке латуни и пайке твердыми припоями.
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. Восстановительная зона значительно светлее и почти сливается с ядром, а факел приобретает желтоватую окраску. При большом избытке ацетилена пламя начинает коптить, так как в нем ощущается недостаток кислорода, необходимого для полного сгорания ацетилена. Находящийся в пламени избыточный углерод легко поглощается расплавленным металлом и ухудшает качество металла шва. Температура науглероживающего пламени ниже, чем нормального и окислительного. Уменьшая подачу ацетилена в горелку до полного исчезновения зеленого венчика на конце ядра, ацетиленовое пламя превращается в нормальное. Слегка науглероживающее пламя применяют для сварки чугуна и при наплавке твердыми сплавами.
Характер сварочного пламени сварщик определяет на глаз по форме и окраске пламени. При регулировании пламени необходимо обращать внимание на правильность подбора расхода горючего газа и кислорода.
Вытекающая из мундштука горючая смесь оказывает механическое воздействие на расплавленный металл сварочной ванны и формирует валик шва. Жидкий металл отжимается к краям ванны. Характер формообразования металла зависит от угла наклона мундштука горелки к поверхности свариваемого металла.
а — вертикальном, б — наклонном, в — схема перемещения жидкого металла в ванне
Рисунок 2 — Схема механического воздействия пламени на жидкий металл сварочный ванны при различных положениях мундштука
Давление газов оказывает влияние на жидкий металл, перемещая его к задней стенке сварочной ванны, образуя чешуйки шва. При большом давлении кислорода горючая смесь вытекает из мундштука с большой скоростью, пламя становится «жестким» и выдувает расплавленный металл из сварочной ванны, затрудняя тем самым сварку.
Качество наплавленного металла и прочность сварного шва зависят от состава пламени, поэтому во время газовой сварки сварщик должен следить за его характером, регулировать его состав в течение всего процесса сварки. Характер пламени подбирают в зависимости от свариваемого металла и его свойства. Для газовой сварки сталей требуется нормальное пламя, для сварки чугуна, наплавки твердых сплавов — науглероживающее, для сварки латуни — окислительное пламя.
Сварочное пламя
Сварочное пламя
Сварочное пламя образуется в результате сгорания горючих газов или паров горючих жидкостей в смеси с техническим кислородом. При этом пламя имеет сложную структуру и строение, которое показано на рис.1. Качество газовой сварки во многом зависит от правильности регулировки пламени, которое сварщик выставляет «на глаз» по форме и цвету. Поэтому очень важно знать строение и структуру пламени газовой горелки, чтобы учитывать это в повседневной работе. Форму, цвет и структуру пламени горелки меняют соотношением ацетилена и кислорода, подаваемых в зону горения. В качестве примера рассмотрим ацетилено-кислородное пламя.
Ядро пламени имеет форму цилиндра с заостренным концом, вокруг которого расположена ярко светящаяся оболочка. Длина ядра пламени регулируется скоростью подачи газовой смеси и ее качественным составом. Диаметр ядра зависит от размеров мундштука и расхода горючей смеси.
Строение пламени меняется при изменении соотношения смеси и может быть: нормальным, науглероженным и окислительным (рис.2).
Нормальное пламя получается, когда на один объем горючего газа подается один объем кислорода. Если в качестве горючего газа принят ацетилен, то процесс его нормального сгорания можно записать в следующем виде: С2Н2 +О2 = 2СО+ Н2.
а | |
б | |
в
| |
| Рис. 1. Составляющие ацетилено-кислородного пламени: 1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел пламени |
|
Рис. 2. Разновидности ацетилено-кислородного пламени и зависимость температуры от вида пламени: А — нормальное; Б — науглераживающее; В — окислительное
При этом продукты неполного сгорания догорают за счет кислорода, присутствующего в атмосферном воздухе, по следующей реакции: 2СО +Н2 + 1,5О2 = 2С02 + Н2О. Так как абсолютно чистых веществ в природе не бывает и кислород содержит в себе некоторое количество примесей, то нормальное пламя получается при некотором его повышенном значении, то есть при соотношении ацетилена и кислорода, равном 1,1 -1,2. Ядро нормального пламени светлое со слегка затемненной восстановительной зоной и факелом. По форме ядро пламени напоминает цилиндр с четкими очертаниями и закругленным концом. Диаметр цилиндра зависит от размера мундштука сварочной горелки, а длина — определяется скоростью истечения газовой смеси. Вокруг ядра пламени размещается светлая оболочка, в которой происходит сгорание раскаленных частиц углерода. При высокой скорости подачи газа пламя способствует сгоранию металла и выдуванию его из сварочной ванны. Малая скорость подачи газов чревата обратными ударами и хлопками.
Восстановительная зона пламени имеет более темный цвет и располагается в пространстве в пределах 20 мм от конца ядра. Температура пламени в этой зоне может достигать 3150°С (при сгорании ацетилена). Размер восстановительной зоны зависит от номера сварочного мундштука. При помощи этой зоны пламени нагревают метал, плавят его и ведут сварку. Остальная часть пламени, расположенная за восстановительной зоной, состоящая из углекислого газа, паров воды и азота, имеет значительно меньшую температуру.
Науглероженное пламя получается, когда соотношение ацетилена и кислорода превышает указанное соотношение, то есть становится больше значения 1,1. Теоретически науглероженное пламя получается, когда в горелку подается 0,95 объема кислорода и менее. В этом случае ядро пламени увеличивается в объеме и теряет свои очертания. Недостаток кислорода в таком пламени приводит к неполному его сгоранию, и оно начинает коптить. Избыток ацетилена в науглероженном пламени приводит к его разложению на углерод и водород. Углерод из пламени переходит в металл, науглераживая его. Обычно науглероженное пламя применяют для сварки высокоуглеродистых сталей, чугуна, цветных металлов и при наплавке твердых сплавов.
Восстановительная зона науглероженного пламени светлая и практически сливается с ядром. Температура такого пламени ниже, поэтому работать с ним более тяжело. Для перевода пламени в нормальное состояние увеличивают подачу кислорода или снижают подачу ацетилена.
Окислительное пламя получается при недостатке ацетилена, то есть соотношение ацетилен: кислород становится меньше 1,1. Практически окислительное пламя получается при объеме кислорода, превышающем в 1,3 объем ацетилена. Ядро такого пламени укорачивается и заостряется, а его края становятся расплывчатыми, цвет бледнеет. Температура такого пламени выше температуры нормального. Избыточный кислород окисляет железо и примеси, находящиеся в стали, что в конечном итоге приводит к хрупкости сварочного шва, пористости его структуры, обедненной марганцем и кремнием. Поэтому при сварке сталей окислительным пламенем пользуются присадочной проволокой с повышенным содержанием этих элементов, являющихся раскислителями. Самая высокая температура нормального пламени достигается в восстановительной зоне. Окислительное пламя можно применять при сварке латуни и пайке твердым припоем.
Примерный химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени приведен в таблице 1. Нужно отметить, что ацетилено-кислородная смесь дает самую высокую температуру пламени. Изменение горючих газов несколько снижает температуру пламени и распределение ее по объему. Графическая зависимость изменения температур метан-кислородного и пропан-бутан-кислородного пламени представлена на рис.3.
Таблица 1. Химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени
Часть пламени | Содержание по объему % | ||||||
СО | Н2 | CО2 | Н2О | N2 | О2 | Прочие газы | |
Вблизи конца ядра | 60 | 31 | — | — | 8 | — | 1 |
В конце восстановительной зоны | 33 | 15 | 9 | 6 | 33 | — | 4 |
В средней части факела | 3,7 | 2,5 | 22 | 2,6 | 58 | 8 | 3,2 |
Вблизи конца факела | — | — | 8 | 2,2 | 74 | 15 | 0,8 |
а | б |
Рис. 3. Динамика роста температур метан-кислородного (А) и пропан-бутан-кислородного пламени (Б): 1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел; 4 — свариваемый металл; L — длина ядра
Значительный объем тепла, сконцентрированного в пламени газовой горелки, рассеивается в окружающую среду, поэтому его коэффициент полезного действия (К.П.Д.) низок и практически не превышает 7%. Расход энергии пламени при газопламенной обработке приведен в таблице 2.
Таблица 2. Расход энергии пламени при газопламенной обработки
Распределение энергии пламени | Количество, % |
Количество тепла, расходуемого на плавление металла и поддержание режима сварочного процесса | 6-7 |
Потери тепла: |
|
— от неполноты сгорания | 55-63 |
— с отходящими газами | 13-15 |
— на излучение и конвекцию | 9-10 |
— на нагрев околошовной зоны | 15-18 |
— на искрообразование | 1-2 |
Металлургические процессы в сварочной ванне при ее газопламенной обработке, а также в прилегающей к ней зоне имеют довольно сложный характер и несколько отличаются от металлургических процессов, происходящих при дуговой сварке. Это обусловлено тем, что расплавленный металл при его газопламенной обработке взаимодействует с газами, поддерживающими процесс горения. В зависимости от характера пламени, который меняет соотношение газов, изменяются и металлургические процессы.
При сварке нормальным пламенем, когда количество поступающих в зону сварки газов регламентировано, происходят в основном восстановительные реакции:
FeO + СО = Fe + СО2,
и
FeO + Н2 = Fe + Н2О
Кроме восстановительных реакций оксидов железа аналогичные процессы происходят и с другими оксидами, находящимися в сварочной ванне.
При сварке окислительным пламенем происходят реакции окисления железа и других элементов, присутствующих в сварочной ванне, а образующиеся при этом оксиды железа могут окислять углерод, кремний и марганец.
Сварка науглероженным пламенем способствует насыщению металла углеродом, что влечет за собой увеличение прочностных характеристик сварочного шва со снижением его пластических свойств.
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)
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
Газопламенная сварка и резка металлов
Сущность процесса газовой сварки и резки
Газовая сварка это — сварка плавлением, при которой для нагрева используется тепло пламени смеси газов, сжигаемой с помощью горелки.
Газовая резка — представляет собой процесс основанный на сгорании (быстром окислении) металла в струе кислорода и удалении этой струей образующихся окислов.
При газопламенной сварке и резке металлов для нагрева используют газовое пламя получаемое при сгорании горючего газа в смеси с кислородом, в специальных горелках.
В качестве горючих газов применяют ацетилен, водород, природные газы, нефтяной газ, пары бензина, керосина и др. Наибольшее распространение получил ацетиле так как имеет самую высокую температуру по сравнению с пламенем других газов.
При газовой сварке кроме кромок свариваемых деталей расплавляются присадочный материал, который вводится в пламя горелки. После затвердевания жидкого металла образуется сварной шов.
К преимуществам газовой сварки относятся:
- простота способа;
- несложность оборудования;
- отсутствие источника электрической энергии.
К недостаткам газовой сварки относятся:
- меньшая производительность;
- сложность механизации,
- большая зона нагрева и более низкие механические свойства сварных соединений, чем при дуговой сварке.
Газовую сварку используют при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали толщиной 1-3 мм, сварке чугуна, алюминия, меди, латуни, наплавке твёрдых сплавов, исправлении дефектов. литья и др.
Виды сварочного пламени
Сварочное пламя образуется в результате сгорания горючих газов или паров горючих жидкостей в смеси с техническим кислородом. При этом пламя имеет сложную структуру и строение, которое показано ниже на рисунке. Качество газовой сварки во многом зависит от правильности регулировки пламени, которое сварщик выставляет «наглаз» по форме и цвету. Поэтому очень важно знать строение и структуру пламени газовой горелки, чтобы учитывать это в повседневной работе. Форму, цвет и структуру пламени горелки меняют соотношением ацетилена и кислорода,подаваемых в зону горения. В качестве примера рассмотрим строение ацетилен-кислородное пламя.
Составляющие ацетилен-кислородного пламени: 1-ядро; 2-восстановительная зона; 3-факел пламениЯдро пламени имеет форму цилиндра с заостренным концом, вокруг которого расположена ярко светящаяся оболочка. Длина ядра пламени регулируется скоростью подачи газовой смеси и ее качественным составом. Диаметр ядра зависит от размеров мундштука и расхода горючей смеси.
Строение пламени меняется при изменении соотношения смеси и может быть: нормальным,науглероженным и окислительным.
Нормальный (восстановительный) вид сварочного пламени
Нормальное пламя получается, когда на один объем горючего газа подается один объем кислорода. Если в качестве горючего газа принят ацетилен, то процесс его нормального сгорания можно записать в следующем виде: С2Н2+ О2 = 2СО+ Н2.
При этом продукты неполного сгорания догорают за счет кислорода, присутствующего в атмосферном воздухе. Так как абсолютно чистых веществ в природе не бывает и кислород содержит в себе некоторое количество примесей, то нормальное пламя получается при некотором его повышенном значении, то есть при соотношении ацетилена и кислорода, равном 1,1 -1,2. Ядро нормального пламени светлое со слегка затемненной восстановительной зоной и факелом. По форме ядро пламени напоминает цилиндр с четкими очертаниями и закругленным концом. Диаметр ядра зависит от размера мундштука сварочной горелки, а длина — определяется скоростью выхода газовой смеси. Вокруг ядра пламени размещается светлая оболочка, в которой происходит сгорание раскаленных частиц углерода. При высокой скорости подачи газа пламя способствует сгоранию металла и выдуванию его из сварочной ванны.
Восстановительная зона газового пламени имеет более темный цвет и располагается в пространстве в пределах 20 мм от конца ядра. Температура пламени в этой зоне может достигать 3150°С (при сгорании ацетилена). Размер восстановительной зоны зависит от номера сварочного мундштука. При помощи этой зоны пламени нагревают метал, плавят его и ведут сварку. Остальная часть пламени, расположенная за восстановительной зоной, состоящая из углекислого газа, паров воды и азота, имеет значительно меньшую температуру.
Науглероживающий вид сварочного пламени
Науглероженное пламя получается, когда соотношение ацетилена и кислорода превышает указанное соотношение, то есть становится больше значения 1,1. Теоретически науглероженное пламя получается, когда в горелку подается 0,95 объема кислорода и менее. В этом случае ядро пламени увеличивается в объеме и теряет свои очертания. Недостаток кислорода в таком пламени приводит к неполному его сгоранию, и оно начинает коптить. Избыток ацетилена в науглероженном пламени приводит к его разложению на углерод и водород. Углерод из пламени переходит в металл, науглероживая его. Обычно науглероженное пламя применяют для сварки алюминия и наплавке твердых сплавов.
Восстановительная зона науглероженного пламени светлая и практически сливается с ядром.Температура такого пламени ниже, поэтому работать с ним более тяжело. Для перевода пламени в нормальное состояние увеличивают подачу кислорода или снижают подачу ацетилена.
Окислительный вид сварочного пламени
Окислительное пламя получается при недостатке ацетилена, то есть соотношение ацетилен :кислород становится меньше 1,1. Практически окислительное пламя получается при объеме кислорода, превышающем в 1,3 объем ацетилена. Ядро такого пламени укорачивается и заостряется, а его края становятся расплывчатыми, цвет бледнеет. Температура такого пламени выше температуры нормального. Избыточный кислород окисляет железо и примеси, находящиеся в стали, что в конечном итоге приводит к хрупкости сварочного шва, пористости его структуры, обедненной марганцем и кремнием. Поэтому при сварке сталей окислительным пламенем пользуются присадочной проволокой с повышенным содержанием этих элементов, являющихся раскислителями. Самая высокая температура нормального пламени достигается в восстановительной зоне.
Состав сварочного пламени
Примерный химический состав нормального ацетилен-кислородного пламени приведен ниже в таблице.
Нужно отметить, что ацетилен-кислородная смесь дает самую высокую температуру пламени. Изменение горючих газов несколько снижает температуру пламени и распределение ее по объему.
Химический состав нормального ацетилен-кислородного пламени
Часть пламени | Содержание по объёму % | ||||||
СО | Н2 | CО2 | Н2О | N2 | О2 | Прочие газы | |
Вблизи конца ядра | 60 | 31 | — | — | 8 | — | 1 |
В конце восстановительной зоны | 33 | 15 | 9 | 6 | 33 | — | 4 |
В средней части факела | 3,7 | 2,5 | 22 | 2,6 | 58 | 8 | 32 |
Вблизи конца факела | — | — | 8 | 2,2 | 74 | 15 | 0,8 |
Характеристики сварочного пламени
Значительный объем тепла, сконцентрированного в пламени газовой горелки, рассеивается в окружающую среду, поэтому его коэффициент полезного действия (К.П.Д.) низок и практически не превышает 7%. Расход энергии пламени при газопламенной обработке приведен ниже в таблице.
| Распределение энергии пламени | Количество, % |
| Количество тепла, расходуемого на плавление металла и поддержание режима сварочного процесса | 6-7 |
| Потери тепла: | |
| — от неполноты сгорания | 55-63 |
| — с отходящими газами | 13-15 |
| — на излучение и конвекцию | 9-10 |
| — на нагрев около шовной зоны | 15-18 |
| — на искра образование | 1-2 |
Металлургические процессы в сварочной ванне при ее газопламенной обработке, а также в прилегающей к ней зоне имеют довольно сложный характер и несколько отличаются от металлургических процессов, происходящих при дуговой сварке. Это обусловлено тем, что расплавленный металл при его газопламенной обработке взаимодействует с газами, поддерживающими процесс горения. В зависимости от характера пламени,который меняет соотношение газов, изменяются и металлургические процессы.
При сварке нормальным пламенем, когда количество поступающих в зону сварки газов регламентировано, происходят в основном восстановительные реакции:
FeO + СО = Fe + СО2,
FeO + Н2 = Fe + Н2О
Кроме восстановительных реакций оксидов железа аналогичные процессы происходят и с другими оксидами, находящимися в сварочной ванне.
При сварке окислительным пламенем происходят реакции окисления железа и других элементов, присутствующих в сварочной ванне, а образующиеся при этом оксиды железа могут окислять углерод, кремний и марганец.
Сварка науглероженным пламенем способствует насыщению металла углеродом, что влечет за собой увеличение прочностных характеристик сварочного шва со снижением его пластических свойств.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Сварочное пламя
СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ
Внешний вид, температура сварочного пламени и влияние его на расплавленный металл зависят от состава горючей смеси. Изменяя соотношение кислорода и ацетилена в смеси, можно получить три основных вида пламени: нормальное восстановительное; окислительное; науглероживающее.
Для сварки большинства металлов применяют восстановительное пламя. Теоретически оно получается в том случае, когда в смеси на один объем ацетилена приходится один объем кислорода. Ацетилен тогда сгорает по следующей схеме:
1 объем ацетилена |
1 объем кислорода
2 объема окиси углерода -}- 1 объем водорода
Реакцию сгорания ацетилена в пламени горелки условно можно представить протекающей в две фазы:
I фаза — сгорание ацетилена за счет кислорода смеси:
С2Н2 + 02 = 2С0 + Н2;
II фаза — сгорание продуктов реакции I фазы за счет кислорода окружающего воздуха:
2СО + Н2 + 1,502 = 2С02 4- Н20.
Окись углерода и водород, образующиеся в продуктах сгорания, раскисляют металл, восстанавливая имеющиеся в сварочной ванне окислы. При этих условиях металл шва получается однородным — без пор, газовых пузырей и включений окислов.
Практически в смесь подают несколько больше кислорода, чем это нужно для получения восстановительного пламени по приведенной выше теоретической схеме сгорания. Нормальное восстановительное пламя можно получить при избытке кислорода в смеси до 30% против теоретического, т. е. при отношении ацетилена к кислороду от 1 : 1 до 1 : 1,3. Схема нормального восстановительного ацетилено-кислородного пламени показана на рис. 160.
Рис. 160. Схема нормального ацетилето-кислородного пламени и график распределения температуры по его длине ‘ |
Ядро пламени имеет резко очерченную форму цилиндра или конуса с закругленным концом и ярко светящейся оболочкой, состоящей из раскаленных частиц углерода, сгорание которых происходит в наружном слое оболочки. Длина ядра зависит от скорости истечения горючей смеси. Если увеличить давление кислорода в горелке, скорость истечения смеси увеличится и ядро удлинится. С уменьшением скорости истечения смеси длина ядра уменьшается.
Восстановительная зона имеет темный цвет, заметно отличающий ее от ядра и остальной части пламени. Эта зона занимает пространство до 20 мм от конца ядра пламени. Она состоит из окиси углерода и водорода. Восстановительная зона имеет наиболее высокую температуру в точке, отстоящей на расстоянии 2—4 мм от конца ядра. Этой частью пламени нагревают и расплавляют металл в процессе сварки. Остальная часть пламени, расположенная за восстановительной зоной, носит название факела. Факел состоит из углекислого газа, паров воды и азота, которые появляются в пламени при сгорании окиси углерода и водорода восстановительной зоны за счет кислорода окружающего воздуха. Поэтому температура факела будет значительно ниже температуры восстановительной зоны. Азот попадает в пламя из воздуха.
Если увеличивать подачу кислорода в горелку или уменьшать подачу ацетилена, то получим окислительное пламя. Оно образуется в том случае, если в смеси на один объем ацетилена приходится более 1,3 объема кислорода. Окислительное пламя характеризуется укороченным, заостренным ядром с менее резкими очертаниями и более бледной окраской. Температура окислительного пламени выше температуры нормального восстановительного пламени, однако такое пламя будет сильно окислять свариваемый металл.
При уменьшении подачи кислорода или увеличении подачи ацетилена получается науглероживающее пламя или, как его иногда называют, ацетиленистое. Оно образуется при подаче в горелку менее одного объема кислорода на один объем ацетилена. В ацети — ленистом пламени ядро теряет свои резкие очертания, и на его конце появляется зеленый ореол, по которому судят об избытке ацетилена.
Содержащийся в пламени избыточный ацетилен разлагается на водород и углерод, последний переходит в расплавленный металл. Поэтому ацетиленистое пламя будет науглероживать металл шва. Уменьшая подачу ацетилена в горелку до полного исчезновения зеленого ореола у конца ядра, можно ацетиленистое пламя превратить в нормальное восстановительное.
При регулировании следует обращать внимание на правильность установки рабочего давления кислорода в соответствии с паспортом данной горелки и наконечника. Правильно установленное давление кислорода дает ровно и устойчиво горящее пламя, которое не сдувает расплавленного металла с поверхности ванны.
Режим газовой сварки характеризуется удельной мощностью пламени, под которой понимается часовой расход ацетилена в литрах, приходящийся на 1 мм толщины свариваемого металла. Сварка различных металлов требует различной удельной мощности сварочного пламени. Металл большой толщины и хорошо проводящий тепло требует более мощного сварочного пламени, чем тонкий менее теплопроводный или более легкоплавкий металл.
С каждым днем лазерная резки металла становиться все более востребованной. Давайте разберемся в этом почему же так?
В наши дни, работа сварочным оборудованием используется во многих сферах жизни: начиная от строительства высокоэтажных домов и заканчивая созданием предметов интерьера. Но что же скрывается за этим, малопонятным непосвященному, словом? …
Лазерная резка является чрезвычайно распространенным процессом во многих отраслях. Она используется на производственных предприятиях, для лазерной хирургии и даже в качестве инструмента искусства. Несмотря на это использование, резка вместе со …
Пламя от объема поступающего в горелку кислорода и ацетилена
Характер пламени ацетилено-кислородной горелки, определяется его взаимодействием с металлом сварочной ванны.
1. Если объем поступающего в горелку, кислорода будет равен объему поступающего ацетилена, то суммарное уравнение горения можно записать так:
С2Н2 + 02 -> 2СО + Н2.
В этом случае металл сварочной ванны не подвергается окислению и, наоборот, окисленный металл может восстанавливаться водородом и окисью углерода. Мы получили так называемое нормальное пламя, сохраняющее свои свойства даже при небольшом избытке кислорода (1,1 —1,2).
2. Если объем кислорода меньше, чем объем ацетилена, то при сгорании ацетилена останутся свободные атомы углерода, которые, попадая в металл, будут его науглероживать, т. е. повышать содержание углерода в стали. Иногда этим пользуются для того, чтобы упрочнить поверхностные слои изделия.
3. Если пламя содержит избыток кислорода, то оно сильно окисляет металл. Это используют для резки металлов: в начале процесса создают пламя для подогрева металла до температуры плавления, затем дают большой избыток кислорода, и металл начинает гореть, образуя сквозной канал — рез. Таким образом, можно разрезать сталь значительной толщины. Исследования показали, что из реза металл удаляется под давлением струи кислорода в виде окислов.
Трудноокисляющиеся стали — хромоникелевые (нержавеющие) так резать нельзя, в струю кислорода необходимо вводить железный порошок, который снижает концентрацию хрома и никеля и делает сталь хорошо окисляющейся. Окисление железного порошка сопровождается выделением значительного количества теплоты, что повышает температуру в зоне реза.
При ацетилено-кислородной сварке цветных металлов, таких, как медь и алюминий, применяют флюсы или вещества, которые при своем плавлении растворяют окислы на кромках металла и на поверхности сварочной ванны.
Например, алюминий образует очень прочный окисел А1203, имеющий температуру плавления 2050° С, в то время как сам алюминий плавится при температуре 660° С. Если ввести в качестве флюса криолит и некоторые хлориды, то А1203 растворится в них и уйдет в шлак на поверхности шва.
Кроме сварки и резки, пламя ацетилено-кислородной горелки можно использовать для наплавки одного металла на другой с целью изменения свойств поверхности. Наплавляя на углеродистую сталь твердые сплавы, можно повышать твердость стальной поверхности, или, наоборот, наплавляя на сталь медные сплавы — понижать твердость, сообщая поверхности антифрикционные свойства (низкие коэффициенты трения).
Можно применять пламя ацетилено-кислородной горелки для напыления или металлизации. В этом случае на твердую поверхность (подложку) направляют поток мелких капель и паров металла, полученных при расплавлении металла проволоки в пламени ацетилено-кислородной горелки — газового металлизатора. Путем металлизации, например, наращивают изношенные поверхности шеек коленчатых валов тракторов и автомашин, причем по сроку службы восстановленные детали не уступают новым.
Газовая сварка и другие виды газопламенной обработки универсальны, опытный газосварщик может выполнять самые разнообразные работы, что необходимо при ремонте машин и различных деталей. Однако газовая сварка малопроизводительный процесс и в массовом производстве она не может конкурировать с автоматической дуговой сваркой. В монтажных условиях она очень удобна (газовые сети).