Материалы для газопламенной сварки

При газопламенной сварке применяют горючие газы, кислород, присадочную проволоку и флюсы. Кислород - самый распространенный на Земле элемент. Он составляет около 50 % массы Земли, где он находится в окислах различных элементов, около 86 % массы воды в соединении с водородом и 23 % массы воздуха (21 % по объему) в смеси с азотом, аргоном и с другими газами. Кислород - бесцветный газ, без запаха, тяжелее воздуха, плотность его при нормальном давлении и комнатной температуре 1,33 кг/м3. Очень активен - соединяется со всеми химическими элементами, кроме инертных газов. Реакции веществ с кислородом экзотермические, идущие с выделением теплоты при высокой температуре, - это горение. Получают кислород из воздуха глубоким охлаждением или из воды электролизом. В первом случае воздух в несколько приемов сжимают, каждый раз отводя выделяющуюся теплоту. После каждого цикла сжатия воздух очищают от влаги и углекислого газа. При температуре -194,5 °С воздух становится жидким. Затем его разделяют на кислород и азот перегонкой (ректификацией), основанной на разности температур кипения жидкого азота (-196 °С) и кислорода (-183 °С). При ректификации жидкий воздух переливают в ректификационной колонне. Азот при этом испаряется и отводится через верхнюю часть колонны, а кислород сливается на ее дно. Часть его испаряется и отводится из колонны, а жидкий кислород закачивают в теплоизолированные цистерны (танки), в которых его транспортируют. К месту сварки кислород доставляют газообразным в баллонах синего цвета под давлением 150 кг/см2 (15 МПа). Ректификацией кислород доводят до чистоты не менее 99,2 % - это технический кислород 3-го сорта; 2-й сорт содержит 99,5 %, а 1 -й сорт - 99,7 % кислорода. Остальное - азот, аргон и другие примеси. Чем ниже чистота кислорода, тем хуже качество газопламенной обработки металла, особенно резки. Для получения кислорода электролизом через воду, налитую в емкость электролизера, пропускают постоянный ток. В результате на отрицательном электроде - катоде - выделяется газообразный водород, а на аноде - кислород. При этом на 1 м3 кислорода затрачивается 10...20 кВч электроэнергии, тогда как для получения 1 м3 кислорода глубоким охлаждением из воздуха - 0,5... 1,6 кВ-А/ч. Поэтому электролиз воды выгодно применять для получения кислорода, если используется и выделяющийся одновременно с ним водород, который может быть применен при газопламенной сварке в качестве горючего газа. При электролизе больших количеств воды водород закачивают в баллоны зеленого цвета под давлением 150 кг/см2 (15 МПа). При небольшой потребности в газах выгоднее производить электролиз воды непосредственно на месте сварки. В результате прямо из электролизера кислород и водород раздельно направляются по шлангам в сварочную горелку, где они смешиваются и на выходе из сопла горелки образуют пламя. Продукт горения при этом - водяной пар, такое пламя экологически чистое. Водород в нормальных условиях - один из самых легких газов, он в 14,5 раз легче воздуха, бесцветен, не имеет запаха, с кислородом и воздухом образует взрывчатые смеси - гремучий газ, чем опасен. Кроме водорода в качестве горючих газов применяют ацетилен, метан, природный, нефтяной, пиролизный, коксовый газы, пропан, бутан и их смесь, пары бензина и керосина. Вое они представляют собой углеводородные соединения (табл. 3). Ацетилен бесцветен, обладает резким неприятным запахом, взрывоопасен: при давлении 1,5...2 кг/см2 (0,15...0,2 МПа) для взрыва достаточно искры или быстрого нагрева до температуры 200 °С. При температуре 530 °С разлагается со взрывом. В смеси с кислородом или воздухом при концентрации 2,2...93 % может взорваться даже при нормальном давлении. Присутствие окиси меди снижает температуру его самовоспламенения до 240 °С. Может реагировать ,с медью, образуя взрывоопасные соединения. Поэтому при изготовлении ацетиле нового оборудования нельзя применять сплавы с содержанием меди более 70 %. Взрываемость ацетилена понижается при растворении его в жидкостях, особенно в ацетоне (СНз СОСН3), в одном объеме которого можно растворить 20 объемов ацетилена и еще больше, если увеличить давление и уменьшить температуру. Поэтому к месту сварки ацетилен доставляют в стальных баллонах, заполненных пористой массой (например, древесным активированным углем с размером частиц 2...3 мм). Эту массу пропитывают ацетоном, в котором под давлением 19 кг/см2 (1,9 МПа) растворен ацетилен. Метан - газ без цвета и без запаха, при концентрации в воздухе 5... 15 % взрывоопасен, является главной составляющей частью большинства природных или попутных при добыче и переработке нефти и каменного угля горючих газов. Пропан - бесцветный газ с резким запахом, получаемый при переработке нефтепродуктов. Так же получают и бутан - газ без цвета и без запаха, сжижающийся при температуре 0 °С, взрывоопасный при его содержании в воздухе 1,5...8,5 %. Для сварки применяют чаще всего смесь пропана с бутаном, которую получают как побочный продукт переработки нефти. Пропан, бутан и их смесь подают к месту сварки в стальных баллонах в жидком состоянии под давлением 16 кг/ см2 (1,6 МПа). Нефтяной и пиролизный газы получают при переработке нефти и нефтепродуктов. Они похожи по составу и свойствам, которые могут изменяться в широких пределах в зависимости от состава исходных продуктов. Бесцветны, могут обладать запахом сероводорода месту сварки подаются очищенными от смолистых примесей и сероводорода в баллонах красного цвета под давлением в 150 кг/см2 (15 МПа), в сжиженном виде или по трубопроводам. Коксовый газ бесцветен, с запахом сероводорода (тухлых яиц). Получают его при выработке кокса из каменного угля. Может содержать ядовитые цианистые соединения. Для сварки применяют после очистки от сероводорода и смолистых веществ. Жидкие горючие, бензин и керосин, доступнее, дешевле и безопаснее горючих газов. В пар они превращаются непосредственно в сварочных горелках при подогреве специальным пламенем, что усложняет конструкцию горелок. Бензин для сварки предпочтительнее использовать с низким октановым числом, например А-66. Применение этилированного бензина запрещено. Керосин нужно применять осветительный, предварительно профильтровав его через войлок и кусочки едкого натра NaOH для очистки от механических частиц, смолистых веществ и воды. Главное значение при газопламенной обработке и особенно сварке имеет температура пламени, которую эти газы могут обеспечивать при сгорании в кислороде. Этим определяются области применения различных газов при сварке (табл. 4). Наибольшую температуру пламени (до 3200 °С) обеспечивает ацетилен. Поэтому он чаще остальных газов применяется при всех видах газопламенной обработки. При замене ацетилена другими газами требуемое их количество можно примерно определить с помощью коэффициента замены: отношения объема газа-заменителя Кгаза к объему ацетилена ^с2н2 при условии, что оба эти объема обеспечивают одинаковое количество теплоты, вводимое при сварке в металл в единицу времени (одинаковую эффективную тепловую мощность (2эф). Ацетилен получают из карбида кальция СаС2, воздействуя на него водой в ацетиленовых генераторах. Идет реакция ' СаС2 + 2Н20 = С2Н2 + Са(ОН)2. Реакция эта экзотермическая, нужно принимать меры для предупреждения перегрева ацетилена, иначе возможен взрыв. Кроме ацетилена получается гашеная известь (шлам), которую используют в строительстве. Карбид кальция - это твердое вещество темно-серого или коричневого цвета (в зависимости от наличия и количества примесей) плотностью 2,26... 2,4 г/см3. Карбид кальция получают в электрических печах сплавлением извести и кокса по следующей реакции: Са0 + ЗС Щг •4 = СаС2 + СО. В Институте электросварки им.Е.О. Патона разработан способ электрошлаковой выплавки карбида кальция, который удешевляет процесс и улучшает чистоту получаемого продукта. В техническом карбиде кальция содержится до 90 % чистого карбида, остальное - известь и другие примеси. Остывший карбид кальция дробят и сортируют на куски размерами 2x8, 8x15, 15x25 и 25x80 мм. Чем крупнее куски, тем больше выход ацетилена. В среднем из 1 кг СаС2 получают 250...280 л ацетилена. Потребителям карбид кальция доставляют в герметичных барабанах из кровельного железа или в бидонах вместимостью 80... 120 кг. При хранении карбид кальция надо оберегать от влаги, которую он активно поглощает из воздуха, образуя ацетилен. Присадочная проволока для газопламенной сварки сталей применяется согласно ГОСТ 2246 - 70, она такая же, как и при всех видах дуговой сварки. Это 6 марок низкоуглеродистой, 30 марок легированной, 41 марка высоколегированной стальной холоднотянутой проволоки диаметром от 0,3 до 12 мм. Поставляется она в мотках массой не более 80 кг, с обязательной маркировкой. Обозначение стальной проволоки включает в себя буквы Св (сварочная) и буквенно-цифровое обозначение ее состава. Так же, как и при маркировке сталей, в марке проволоки легирующие элементы обозначают: Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Н - никель, С - кремний, Ф - ванадий, X - хром, Ц - цирконий, Ю - алюминий. Цифры перед буквами Св обозначают диаметр проволоки, после этих букв - содержание углерода в сотых долях процента. После букв, обозначающих легирующие элементы, - процентное содержание этих элементов (отсутствие цифр означает, что данного элемента около 1 %). Буква А в конце условного обозначения проволоки указывает на повышенную чистоту металла проволоки по содержанию серы и фосфора, две буквы А - на более высокую степень очистки. Буква О после этих букв означает, что проволока омедненная. Для сварки чугуна применяют чугунные прутки, которые маркируют в зависимости от назначения: А - для горячей газовой сварки (с общим подогревом изделия), Б - для газовой сварки с местным подогревом, Н4-1 и Н4-2- для низкотемпературной газовой сварки толстостенных отливок, Б4 и Х4 - для износостойкой наплавки. Для сварки алюминия, меди и латуни применяют проволоки или нарубленные из листа полоски, соответствующие по составу свариваемому материалу. При сварке латуни лучше применять специальные присадочные проволоки с добавками кремния и олова, которые препятствуют испарению цинка и увеличивают проплавляющую способность газового пламени, разжижая сварочную ванну. При сварке медных сплавов введение в сварочную проволоку бора делает ее самофлюсующейся. Образующийся борный ангидрид В20з связывает окислы меди и цинка СиО и ZnO в борнокислые соли, переходящие в шлак. Можно сваривать без флюсов. Любой присадочный материал для газопламенной сварки должен отвечать ряду общих требований. Он должен иметь температуру плавления не выше, чем свариваемый металл. Его поверхность должна быть ровной, чистой: без окалины, ржавчины и других загрязнений. Плавиться присадочный материал должен спокойно, без разбрызгивания, обеспечивая свойства металла шва, близкие к свойствам ос нового металла. В составе присадочного металла должно быть минимальное количество вредных примесей. Флюсы при газопламенной сварке применяют для разрушения окис лов на поверхности свариваемого металла, для его защиты от окисления и для удаления из металла сварочной ванны окислов и других химических элементов, отрицательно влияющих на свойства сварного шва. Флюсы применяют в виде порошков или паст, подавая их на свариваемые кромки в процессе сварки или нанося заранее. К сварочным флюсам предъявляется ряд технологических и металлургических требований. Флюс должен быть более легкоплавким, чем основной и присадочный металл. Расплавляемый флюс должен хорошо растекаться по нагретой поверхности металла, обладать высокой жидкотекучестью. Он не должен выделять в процессе сварки ядовитые газы и не должен способствовать коррозии сварного соединения. Флюс должен иметь высокую реакционную способность, активно раскислять окислы, переводить их в легкоплавкие соединения или растворять их так, чтобы процесс удаления окислов из металла заканчивался до затвердевания сварочной ванны. Образующийся во время сварки шлак должен хорошо защищать металл от окисления и от взаимодействия с газами окружаю щей атмосферы, а также хорошо Отделяться от металла после остывания. Плотность флюса должна быть меньше плотности основного и присадочного металла, чтобы шлак всплывал на поверхность сварочной ванны, а не оставался в металле шва. Свойства флюса не должны меняться под влиянием высокой температуры газового пламени. Флюс должен быть дешевым и недефицитным. Состав и марки флюсов, способы их применения и механизмы действия рассмотрим при изучении технологии газопламенной сварки основных свариваемых материалов.

При газопламенной сварке используют ацетиленовые генераторы, газовые баллоны и редукторы, сварочные горелки, предохранительные затворы, химические очистители газов и устройства для измерения расхода газов - расходомеры.