Сутність способу газового зварювання

Кафедра загально інженерних дисциплін

ТМ-134

Лабораторна робота №4

"Газове зварювання металів"

Виконав: Тимощук Д.А.

Перевірив: Сніцар В.Г.

Житомир 2014

Лабораторна робота № 4

Газове зварювання металів

Мета роботи: ознайомитися з основними відомостями про газове зварювання металів, вибрати режими зварювання, отримати зварне з'єднання та перевірити його якість.

Обладнання, інструменти і матеріали: спецодяг зварювальника з закисною маскою; пост газового зварювання, обладнаний зварюваль­ними ацетиленовими пальниками, що живляться від генератора низько­го тиску і кисневого балона у комплекті з редукторами; зварювальний дріт марки Св-08А діаметром 1...5 мм; пластини з мало вуглецевої ста­лі 200 х 150 х (1...5) мм; ковальські кліщі, лупа 10-разового збільшен­ня.

Теоретичні відомості

Сутність способу газового зварювання

Для одержання зварного з'єднання при газовому зварюванні кром­ки основного металу деталей, що зварюються, та присадний метал нагрівають до рідкого стану полум'ям суміші горючих газів і кисню, спа­люваної за допомогою спеціальних зварювальних пальників. Газове зварювання широко використовується при різноманітних ремонтних роботах, при виготовленні газових та інших трубопроводів, при випра­вленні дефектів виливків із сірого чавуну та бронзи, а також у вироб­ництві виробів із кольорових металів і сплавів.

Газове зварювання, як правило, здійснюють із застосуванням при­садного матеріалу у вигляді дроту. Якщо формування шва можливе за рахунок розславлення кромок основного металу (наприклад, кромки деталей, що з'єднуються, відбортовані), то присадний матеріал не ви­користовується. Схема утворення зварного шва при газовому зварю­ванні показана на рис. 1.

2.Горючі гази та газозварювальне полум'я

В якості горючих газів у промисловості застосовують ацетилен, пропан-бутанову суміш, водень, природний газ (метан) та ін. Застосо­вуючи горючі гази у суміші з киснем, можна одержувати пальну суміш із температурою полум'я 2400...3200 °С. Ацетилен має найбільшу теп­лотворну здатність у порівнянні з іншими горючими газами та високу температуру згоряння (3200 °С), що дозволяє використовувати його при газовому зварюванні сталей, чавунів та більшості інших металів і сплавів. Для зварювання кольорових металів і сплавів, температура плавлення яких нижча за температуру плавлення сталі, можуть бути використані інші горючі гази, що дають більш низьку температуру го­ріння.

Рис. 1. Схема утворення зварного шва при газовому зварюванні

Ацетилен_(С₂Н₂) - горючий газ із теплотворною здатністю не мен­ше 52800 кДж/м³ при 20° С і тиску 0,1 МПа. Основним способом одер­жання ацетилену є розкладання карбіду кальцію (СаС₂} при взаємодії з водою у спеціальних апаратах - газогенераторах:

СаС₂ + 2Н₂0 = С₂Н₂1 + Са(ОН)₂.

При реакції з водою 1 кг технічного карбіду кальцію дає газоподіб­ного ацетилену 230.. .280 л.

Ацетилен вибухонебезпечний при надлишковому тиску понад 0,175 МПа і при нагріванні понад 500 °С. Якщо нагріти ацетилен понад 150... 180 °С, то починає відбуватися процес полімеризації ацетилену з утворюванням нових сполук - бензолу (С₆Н₆), стиролу (С₈Н₈) та ін. По­лімеризація супроводжується виділенням значної кількості тепла, що також може призвести до вибуху. Якщо вміст ацетилену у повітрі (або у суміші з киснем) перевищує 2,2 %, то утворюється вибухонебезпечна суміш, яка вибухає від іскри або відкритого вогню.

Ацетилен добре розчиняється в ацетоні (в одному об'ємі ацетону при тиску 0,15 МПа розчиняється 23 об'єми ацетилену). 3 підвищенням тиску розчинність ацетилену в ацетоні пропорційно збільшується. У розчиненому в ацетоні стані ацетилен не вибухає при тиску 1,6 МПа, а якщо є пориста речовина - не вибухає і ще при більшому тиску. Остан­ню властивість використовують для безпечного збереження ацетилену в балонах.

Виконують зварювання при безпосередньому живленні ацетиленом від генератора або ацетиленових балонів, пофарбованих у білий колір. В ацетиленових балонах газ зберігається під тиском до 1,9 МПа.

Пропан-бутанова суміш (СН₃СН₂СН₃ - пропан, СН₃(СН₂)₂СН₃ - бу­тан) - безбарвний газ із різким запахом, яка є побічним продуктом при переробці нафти. Суміш легко переходить у рідкий стан (бутан зріджу­ється при -0,5 °С, а пропан при -42,1 °С) при атмосферному тиску. Зріджену суміш зберігають тільки в закритих ємностях, тому що випа­ровування рідини відбувається навіть при від'ємних температурах.

До місця зварювання суміш доставляють у рідкому стані в сталевих балонах, пофарбованих у червоний колір при атмосферному тиску або по газопроводах через пропускну рампу.

При випаровуванні 1 кг рідкої пропан-бутанової суміші утворюєть­ся 500 дм³ газу.

Водень (Н₂) у нормальних умовах являє собою горючий газ без ко­льору й запаху. Це найлегший з газів, він у 14,4 рази легший за повітря. Теплотворна здатність водню більша, ніж в ацетилену, але температура горіння менша. Водень утворює у певних пропорціях з повітрям і киснем вибухонебезпечні суміші. Тому при зварювальних роботах необ­хідно суворо дотримуватися правил техніки безпеки.

Одержують водень розщепленням води електричним струмом. До місця зварювання водень доставляють в газоподібному стані у сталевих балонах під тиском до 15 МПа. Балони для водню фарбують у зелений колір. Водень, що застосовується для зварювальних робіт, повинен за­довольняти вимоги ГОСТ 3022-70 «Водень технічний».

У табл. 1 наведено основні властивості горючих газів, що засто­совуються для зварювання металів.

Кисень (0₂) при нормальних умовах - безбарвний негорючий газ, який активно підтримує горіння. Кисень окислює всі хімічні елементи, крім деяких інертних газів; Реакції з'єднання з киснем, що протікають з виділенням великої кількості тепла, носять екзотермічний характер.

Кисень для промисловості одержують зі зрідженого повітря при температурі -185 °С. При нормальному атмосферному тиску і темпера­турі 20 °С маса 1 м³ газоподібного кисню складає 1,091 кг. З 1 л рідкого кисню при випаровуванні утворюється 790 дм³ газоподібного.

Для зварювання та різання згідно ГОСТ 5583-78 технічний кисень ви­пускається трьох сортів: І сорт - з чистотою не менше 99,7 %, II сорт - не менше 99,5 %, III сорт - не менше 99,2 %.

Таблиця 1.

Основні властивості горючих газів

Горючий газ	Густина кг/м3 при 20 °С та 0,1 МПа	Температура полум'я в суміші з киснем, °С	Коефіцієнт заміни ацетилену	Кількість кисню на 1 м3 газу
Ацетилен	1,090	3100...3200	1,0	1,0...1,3
Пропан-бутанова суміш	1,867	2500...2700	0,6	3,5
Водень	0,084	2400...2600	5,2	0,3...0,4

До місця зварювання кисень доставляють у сталевих балонах бла­китного кольору під тиском 20 МПа або по трубопроводах. Основні галузі застосування наведені в табл. 2.

Таблиця 2.

Основні властивості застосування горючих газів

Газ	Застосування
Ацетилен	Зварювання та різання усіх металів, паяння та поверхневе гартування
Водень	Зварювання сталей товщиною до 2 мм, чавуну, алюмінію та його сплавів, різання
Коксовий газ	Паяння та зварювання легкоплавких кольоро­вих металів, різання
Нафтовий газ	Зварювання сталей товщиною до 2 мм, чавуну, кольорових металів та їх сплавів, паяння і рі­зання
Піролізний газ	Паяння, різання, поверхневе гартування
Природній газ (метан)	Зварювання легкоплавких металів, паяння, рі­зання
Пари гасу	Паяння, різання, поверхневе гартування
Пропан-бутанова суміш	Зварювання та паяння сталі, чавуну і кольоро­вих металів, різання, поверхневе гартування

Карбід кальцію (СаС₂) - основна сировина для одержання ацетил­ену безпосередньо на місці зварювання. Отримують його сплавленням вапна і коксу при температурі 1900 ...2300 °С в електричних печах. Ка­рбід кальцію активно взаємодіє з водою та інтенсивно поглинає вологу з повітря, виділяючи при цьому ацетилен.

З 1 кг карбіду кальцію, в залежності від його чистоти та грануляції, можна одержати від 235 до 285 дм³ ацетилену. Карбід кальцію транс­портують у спеціальних герметично закритих сталевих ємностях.

Газозварювальне полум'я утворюється в результаті згоряння аце­тилену або іншого горючого газу, що змішується у визначених пропор­ціях із киснем у зварювальних пальниках.

Ацетиленово-кисневе полум'я (рис. 2) складається з трьох зон: ядра полум'я 1, середньої (зварювальної) зони 2, факела полум'я 3.

Рис. 2. Розподіл температури в зонах зварювального полум'я

Найвища температура полум'я спостерігається наприкінці серед­ньої зони.

У першій зоні відбувається екзотермічний розпад ацетилену на складові елементи - вуглець та водень:

2С₂Н₂ + 20₂ = 4С + 2Н₂ + 20₂.

Температура першої зони не перевищує 1000 °С, а саме ядро по­лум'я яскраво світиться за рахунок часток вуглецю, що розжарилися.

У другій зоні відбувається неповне згоряння часток вуглецю:

4С + 2Н₂ + 20₂ = 4СО + 2Н₂.

Внаслідок утворення окису вуглецю та водню друга зона має відновлювальний характер. Найбільш висока температура у цій зоні зна­ходиться на відстані 2...4 мм від кінця зони. Цю частину полум'я й ви­користовують при газовому зварюванні.

У третій зоні за рахунок кисню повітря відбувається згоряння окису вуглецю та водню:

4СО + 2Н₂ + 30₂ = 4С0₂ + 2Н₂0.

Теплову потужність газозварювального полум'я, що визначається втратою ацетилену (дм³/год.), обчислюють за емпіричною формулою:

Р = А +δ,

де А — коефіцієнт, що визначається дослідним шляхом (для вуглецевих сталей А = 100, для міді А = 150, для алюмінію А = 75); δ - товщина ме­талу, мм.

Для розрахунків із заміни ацетилену іншим газом користуються ко­ефіцієнтом заміни ацетилену ψ. Коефіцієнт заміни ацетилену - це від­ношення витрат газу-замінника V_з до витрат ацетилену V_А три однако­вій тепловій потужності.

Газозварювальні пальники

Газозварювальні пальники - це головний інструмент газозварювальника. Пальники призначені для змішування у необхідних пропорціях горючого газу з киснем для утворення зварювального полум'я необхід­ної потужності, розмірів і форми. Зварювальні пальники відповідно до ГОСТ 1077-69 поділяються наступним чином:

1. За способом подачі горючого газу та кисню в змішувальну каме­ру (інжекторні та безінжекторні).

2. За родом горючого газу, що застосовується (ацетиленові, для різ­них газів-замінників).

3. За призначенням - універсальні (зварювання, різання, паяння, та наплавлення) і спеціалізовані (для виконання однієї операції).

4. За кількістю джерел полум'я - однополуменеві, багатополуменеві.

5. За потужністю полум'я - пальники мікро потужності (витрати ацетилену - 5...60 л/год), малої потужності (25...700 л/год), середньої потужності (50...2500 л/год), великої потужності (2500...7000 л/год).

У промисловості найбільш поширені інжекторні пальники, придат­ні для використання ацетилену низького та середнього тиску. Принцип роботи такого пальника засновано на підсмоктуванні (інжекції) ацетил­ену струменем кисню. На рис. 3 показана схема інжекторного паль­ника.

Рис. 3. Схема газозварювального інжекторного пальника

Ацетилен і кисень подаються через ацетиленовий 1 і кисневий 2 ні­пелі. На корпусі 6 держака-рукоятки 3 знаходяться регулювальні вентилі 4 та 5. За допомогою накидної гайки 7 до корпусу 6 приєднуються змінні наконечники 9, які мають змішувальну камеру 8 та мундштук 10. Кисень під тиском 0,2...0,4 МПа подається крізь вузьке сопло в інжек­тор 11, який має поздовжні пази для надходження ацетилену. Кисень створює, завдяки великій швидкості, у камері 8 розрідження, завдяки чому через поздовжні пази інжектора засмоктується ацетилен, який має значно менший тиск.

У табл. 3 наведено технічні характеристики найбільш розповсю­джених ацетиленових інжекторних пальників «Звезда» та ГС-З у зале­жності від номера наконечника.

Різаки. Для кисневого різання із застосуванням ацетилену викорис­товують те ж саме обладнання, що й для ацетиленового зварювання, але замість зварювального пальника застосовують так званий різак, за­звичай інжекторного типу.

Таблиця 3

Технічні характеристики пальників "Звезда" та ГС-3

Показники	Номер наконечника
Товщина металу, що зварю­ється (маловуглецева сталь)	0,5 ... 1,5	1,0...2,5	2,5 ...4	4...7	7 ...11	10... 18	0,5 ...1,5
Витрати ацетилену, дм3/год	50... 125	120... 240	230... 240	400... 700	660... 1100	1050... 1750	50... 125
Витрати кисню, дм3/год	55 ... 135	130... 260	250... 440	430... 750	740... 12С0	1150... 1950	55 ...135
Тиск кисню, МПа	0,1...0,4	0,15... 0,4	0,2... 0,4	0,2... 0,4	0,2... 0,4	0,2... 0,4	0,1...0,4
Тиск ацетилену, МПа	не менше 0,001

Для різання широко застосовують різаки типу «Пламя-62» і РГС-60М. Конструкція різака майже така сама, як і ацетиленового пальника.