ГАЗО – ПЛАМЕННАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

1. Цель и содержание работы

Цель работы: ознакомить с сущностью газо-пламенной обработки металлов, применяемых для этой цели газов и оборудованием. Рассмотреть различные широко применяемые виды тепловой резки и определить область их применения.

Содержание работы: рассмотреть и зарисовать строение ацетилено- кислородного пламени. Установить связь между свойствами пламени и областью его применения. Ознакомиться с условиями кислородной резки, сравнить ее технологические возможности с другими видами тепловой резки.

Основные сведения

Газовая сварка

Газовая сварка – вид сварки плавления, при котором для расплавления основного и присадочного металла (материала) используется теплота химических реакций горения газов, паров керосина и бензина в кислороде.

Используют коксовый газ (2000⁰С), метан (2100⁰С), пропан (2100⁰С) бутан (2100⁰С) Городской газ (2000⁰С), водород (2100⁰С), ацетилен (3150⁰С) и пары керосина (2500⁰С) и бензина (2550⁰С) - в скобках максимальная температура пламени. Наиболее эффективно использовать ацетилен, т.к. он обладает не только высокой температурой пламени, но и наивысшей скоростью окисления- горения (взрыв). Строение пламени представлено на рис.1.

Пламя ацетилена и других горячих газов и паров в кислороде неоднородно. Оно разбивается на три зоны, различимые визуально:

Рис.1. Строение газо-кислородного пламени и распределение температуры по его оси.

I зона подготовки - ядро пламени (бело-голубой конус), где происходит образование активных центров (пирогенное разложение газа на составные части), необходимых для осуществления цепной реакции горения и начальное окисление.

С₂Н₂ + О₂ => 2С + Н₂ + О₂; С^*; Н^*; О^*; ОН^*; СО^*; СН^* и т.д.

II_средняя часть пламени - восстановительная зона (голубовато-малиновая), где частичное окисление (горение) наиболее активных составляющих и достигается максимальная температура пламени – рабочая зона:

С₂Н₂+ О₂ => 2СО + Н₂ + Q

Кислород, участвующий в указанных зонах – первичный, т.к. он поступает в состав смеси из горелки.

Свойство пламени в рабочей зоне (средней части) контролируется и определяется соотношением газовой смеси

_- объем кислорода; - объем ацетилена

III наибольшая часть пламени – факел, где продукты, образовавшиеся после воспламенения смеси, нагретые и химические активные, интенсивно соединяются с кислородом окружающего воздуха, образуя высшие окислы

СО + Н₂ + О₂ => СО₂ + Н₂О + Q

Состав пламени и распределение температуры по его оси приведено на рисунке.

Свойство в средней части (рабочей зоне):

β = 1,05÷1,2 – нормальное пламя, имеет восстановительные свойства, за счет наличия активного водорода

FeO + 2H* = Н₂О ↑ + Fe

β = 1,3÷1,4 – окислительное пламя за счет избытка кислорода

β < 1, 05 – науглероживающее пламя имеет в данной зоне активный углерод. Пламя желто- оранжевого цвета с равными краями.

Скорость подачи горючей смеси должна превышать 70 м/сек, которая предотвратит явление «обратного удара», т.е. процесс горения (взрыва) непосредственно в газовой арматуре.

Ацетилен С₂Н₂ – газ без цвета с легким эфирным запахом, взрывоопасен. Взрывоопасен не только с воздухом и кислородом, а так же с медью и серебром образует взрывоопасные соединения. Температура самовоспламенения около 350⁰С при давлении 0,2 МПа, которая понижается при повышении давления. Газ хранится в стальных баллонах, для снижения взрывоопасности баллонов заполненных пористой массой (активированным углем и т.п.) с 5,0 л ацетона.

При давлении I,6 МПа в ацетоне растворяется ацетилен в соотношении 1:350. Арматура на баллоне стальная. Ацетилен получается при взаимодействии карбида кальция с водой.

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂

Процесс получения ведут в специальных аппаратах – ацетиленовых генераторах. Генераторы подразделяются по принципу действия: «вода на карбид», «карбид в воду», капельный и т.п. Карбид кальция получают методом сплавления обожженной извести и кокса в электропечах. Процесс энергоемкий.

Кислород получают путем сжижения атмосферного воздуха и отделения его и других составляющих воздуха по температуре кипения: кислород (-183⁰С), аргон (-186⁰С) и азот (-196⁰С). Характеристики газов, используемых в сварочном производстве, приведены в таблице 1.

Состав сварочного поста:

o Газовые баллоны – хранение и транспортировка газов. Баллоны окрашены в цвет в соответствии с находящимися в них газами.

o Редуктор – снижения давления выходящего газа до требуемого и его поддержание. Цвет редуктора соответствует цвету баллона.

o Газовая арматура – регулировка расхода газа «грубая» и защита от обратного удара.

o Рукав резиновый (шланги) – подвод газа к горелке и расширение рабочей зоны. Шланги так же делятся по виду газа и рабочему давлению: кислородные до 2 МПа, ацетиленовые до I МПа и т.п.

o Горелка – смешение газов и получение необходимого пламени (по мощности, свойству и т.п.), его регулировка непосредственно на рабочем месте. Горелка подбирается в соответствии с используемыми газами.

Область применения

Газовая сварка ведется только ручным способом и имеет низкую производительность и только ~ 10% тепла, выделяемого в пламени, идет на формирование сварного соединения.

Газовое пламя применяется:

1) сварка низко углеродистой стали толщиной до 6,0 мм;

2) сварка легкоплавких металлов и сплавов;

3) изготовление и ремонт (сварка + пайка) деталей из стали, чугуна, медных сплавов, алюминия, молибдена и т.п.;

4) сварка неметаллов (стекла и т.п.)

5) наплавка твердых сплавов (газо-порошковая наплавка);

6) газопрессовая сварка;

7) поверхностная закалка;

8) детонационное напыление (направленные микровзрывы смеси с порошком);

9) тепловая правка стальных конструкций.

Тепловая резка

Мощные, концентрированные источники тепла, применяемые при сварке, могут быть использованы для удаления части металла и неметалла из изделия, т.е. для тепловой резки.

Существуют различные виды тепловой резки. Рассмотрим далее широко применяемые виды.

2.2.1. Газокислородная резка (кислородная резка).

Процесс заключается в сжигании подогретого до температуры горения твердого металла в струе чистого кислорода.

Процесс резки состоит из трех этапов:

- подогрев зоны горения до температуры сгорания;

- сжигание металла в струе чистого кислорода;

- удаление продуктов сгорания струей кислорода.

Кислородной резке могут подвергаться металлы и сплавы, удовлетворяющие следующим требованиям.

1. Процесс горения (окисления) должен быть экзотермическим.

2. Температура воспламенения металла в струе чистого кислорода должна быть ниже температуры его плавления, т.е. металл в процессе резки должен сгорать, не расплавляясь (сталь с содержанием углерода более 0,45 % этому не удовлетворяет).

Т _{горения} в МеО₂ < Т_плав. Ме (Т_{солидус})

3. Температура плавления окислов должна быть ниже температуры плавления металла, делает возможным удаление продуктов сгорания (медь, алюминий, чугуны и высокоуглеродистые стали этому требованию не удовлетворяют) без оплавления кромок.

Т_плав.МеО < Т_плав. Ме

Температура плавления металлов и их окислов предоставлены в таблице 2.

4. Продукты сгорания должны обладать высокой жидкотекучестью. (легированные стали с содержанием хрома > 3%, молибдена >1% этому требованию не удовлетворяют).

5. Металл должен иметь относительно небольшую теплопроводность, что обеспечивает нагрев только зоны реза до температуры горения металла. Подогрев можно осуществлять любым пламенем (керосинорезы).

Кислородная резка эффективна для низкоуглеродистой стали при толщине более 40 мм, т.к. более 70% энергии (тепла) выделяется за счет сгорания самого металла в струе кислорода.

Недостатки кислородной резки:

1. Наличие ЗТВ из-за высокой температуры процесса горения до 2,0 мм

2. Насыщение поверхности реза кислородом, углеродом, азотом и т.п.

3. Относительно невысокое качество реза, которое зависит от оборудования. Режим резки низкоуглеродистой стали (усредненный):

V _резка = 0,5 м/мин (30 м/час), S= 10 мм, О₂ = 90 л/мин, С₂Н₂ = 10 л/мин

СВАРОЧНЫЕ ГАЗЫ

Таблица 1.

№ п/п	Наименование газа	Химический элемент	Объем баллона, л	Давление в баллоне, МПа	Кол-во газа, м3	Плотность при нормальных условиях, г/см	Горючесть и взрывоопасность	Цвет окраски баллона
1.	Азот	N2		15,0	5,7	1,251	Не поддерживает горение	Черный полоса коричневая
2.	Аргон	Ar		15,0	6,2	1,783	Инертный	Серый полоса зеленая
3.	Ацетилен*	С2Н2		1,8	5,0	1,070	Наивысшая взрывоопасность	Белый полоса красная
4.	Водород	Н2		15,0	6,0	0,0898	Горючий, взрывоопасен	Темно-зеленый
5.	Воздух	N2, O2 примеси		15,0	6,0	1,292	Поддерживает горение	Черный
6.	Гелий	Не		15,0	6,0	0,178	Инертный	Коричневый
7.	Двуокись углерода	СО2		6,5	12,0 (25 кг)	1,969	Не поддерживает горение	Черный полоса желтая
8.	Кислород	О2		15,0	6,0	1,429	Поддерживает горение взрывоопасен	Голубой
9.	Пропан-бутан	СН3СН2СН3 СН3(СН2)2 СН 3		1,6	4,0	1,870	Высокая горючесть, взрывоопасен	Красный

Кислородно-флюсовая резка

Кислородно-флюсовая резка применяется для резки металлов и неметаллов. В зону реза (режущим кислородом) подается флюс (порошкообразный материал). Флюс обеспечивает условия кислородной резки, перечисленные ранее, и как абразив разрушает относительно прочный пограничный слой. Это позволяет резать чугун, высоколегированные стали, цветные сплавы (медные алюминиевые), огнеупоры и железобетонные конструкции. В основном флюс служит для выделения дополнительного тепла и разжижения продуктов сгорания.

При резке высоколегированных сталей и чугуна используют:

- железный порошок (Fe 100%);

- кварцевый песок (SiO₂-100%);

- железный порошок (Fe – 70%...50%) + кварцевый песок (SiO₂- 30%...50%).

Для цветных металлов, огнеупоров и железобетонных конструкций

- железный порошок (Fe– 90%...35%) + алюминиевый порошок

(Al – 10%...65%);

- железный порошок (Fe– 55%...50%) + алюминиевый порошок

(Al – 40%...20%) + азотнокислый натрий или кальций ( 5%...30%).

Установки УФР-3; УРХС-4 «Красный Октябрь».

Процесс обладает низкой производительностью и качеством реза.

Электродуговая резка

Дуговая резка происходит путем расплавления металла дугой и удаления расплавленного металла за счет: давления дуги, истекающим газом или воздухом и т.п.

Дуговая резка – производится угольным электродом и штучным электродом со специальным покрытием (например, электрод марки ОЗР-2). Покрытие обеспечивает стабилизацию дуги и низкий коэффициент расплавления. Качество резки низкое и применяется обычно в монтажных условиях.

Воздушно-дуговая резка или воздушно-дуговая строжка - процесс заключается в удалении расплавленного металла струей сжатого воздуха. Угольный (омедненный) электрод устанавливается с небольшим вылетом 35 ÷ 45 мм в специальный держатель – резак (например, резак РВД-1) и переодически по мере образования жидкого металла подается сжатый воздух. Процесс ручной и обладает низкой производительностью. Применяется для удаления поверхностных дефектов.

Резка сжатой дугой или плазменная резка – осуществляется за счет энергии сжатой дуги. Сжатая дуга имеет температуру более 15000⁰К, скорость истечения плазменного потока 1÷10 км/с.

В сварочных технологиях используют сжатую дугу прямого и косвенного действия (рис. 2).

Рис.2. Принцип получения сжатой дуги

а) прямого и б) косвенного действия

Прямая дуга применима для всех электропроводных материалов. Косвенная дуга применяется для резки неэлектропроводных материалов (процесс с низкой производительностью). Основная область ее применения – плазменное напыление.

Устройства, в которых формируется сжатая дуга называются плазматронами. Например: плазматрон для резки марки ВПР - 401 имеет диаметр сопла 3,6 мм и при силе тока 400А, напряжение 400В, расходе плазмообразующего газа (воздуха) 100 л/мин может резать сталь толщиной до 150 мм, скорость резки в 5 ÷ 10 раз выше. Качество реза высокое. При больших объемах обработки металла эффективна резка на специализированных установках с программным управлением.