9.2 Основні теоретичні положення

Газове зварювання – це процес одержання нероз'ємних з’єднань шляхом розплавлення кромок з’єднуваних деталей і присаджувального матеріалу за рахунок теплоти згоряння горючих газів у кисні.

У промисловості та будівництві газове зварювання застосовується під час виготовлення тонкостінних виробів із маловуглецевих, низьколегованих і нержавіючих сталей, алюмінію, міді та їх сплавів, а також під час ремонтних робіт, зварювання труб малих і середніх діаметрів.

Газополуменеве різання базується на спалюванні металу в струмені кисню, яке супроводжується значним виділенням теплоти.

У процесі газового зварювання і різання використовують ацетилен, природний і коксовий гази, метан, водень, пари гасу та ін. На практиці часто застосовують ацетилен С₂Н₂, який у процесі згоряння в струмені кисню дає найбільш високу температуру (3200 °С) і містить у собі С₂ та Н₂.

Основною сировиною для одержання ацетилену є карбід кальцію СаС₂. Це тверда речовина темно-сірого кольору, яку одержують шляхом сплавлення коксу (С) з негашеним вапном в електропечах при температурі 1900–2300 °С.

Ацетилен одержують в генераторах шляхом взаємодії води з карбідом кальцію, реакція проходить з виділенням теплоти:

. (9.1)

Кисень одержують із повітря методом глибокого охолодження до рідкого стану, потім випаровують його і в газоподібному стані нагнітають в стальні балони до тиску 15 МПа.

Апаратура для газового зварювання і вогневого різання металів включає в себе ацетиленові генератори, газові і кисневі балони, вентилі, редуктори, зварювальні пальники і кисневі різаки зі шлангами.

Ацетиленові генератори ГОСТ 5190-78 (рис. 9.1) класифікуються за ознаками:

• тиск ацетилену (низького – до 0,01, середнього – 0,07–0,15 і високого – понад 0,15 МПа);

• продуктивність – 0,5–640 м³/год;

• спосіб пересування (пересувні та стаціонарні);

• взаємодія з водою (ВК – вода на карбід, КВ – карбід на воду, ВВ – витіснення води, (див. рис. 9.2).

Рисунок 9.1 – Схема зварювального поста: 1 – пальник; 2 – шланг подачі горючого газу; 3 – кисневий шланг; 4 – газовий генератор; 5 – газовий редуктор; 6 – кисневий редуктор; 7 – кисневий вентиль; 8 – кисневий балон

Найбільш розповсюджений переносний генератор середнього тиску АСП 1,25 - 6 з продуктивністю ацетилену 1,25 м³/год, система ВВ. Генератор має запобіжний замикач (рис.6.3), який захищає його від проникнення полум'я, гарячої чи вибухової хвилі.

Балони служать для транспортування та зберігання горючих газів і кисню.

Ацетилен зберігають у балонах заповнених активованим вугіллям, яке просякнуте ацетоном. Ацетилен добре розчиняється в ацетоні і допускає в цьому випадку за температури 20 °С тиск до 1,9 МПа. Ацетилен, стиснутий без ацетону, вибухонебезпечний. При тиску 1,6–1,9 МПа балон об'ємом 40 дм³ вміщує 5,5 м³ ацетилену. Ацетиленові балони фарбують у білий колір.

Стиснутий газоподібний кисень зберігають у балонах типу 150 та 150-Л об'ємом 40 дм³ під тиском 15 КПа. Кількість кисню в балоні 6 м³. Кисневі балони, як і ацетиленові, повністю не випрацьовуються, у них повинен бути залишковий тиск кисню (ацетилену) 0,05–0,1 МПа. Кисневі балони фарбують у блакитний колір.

Рисунок 9.2 – Основні схеми різновидів ацетиленових генераторів:

а – карбід у воду; б – вода на карбід; в –- комбінована система вода на карбід і витіснення

Вентилі – запірні пристрої, які дозволяють зберігати в балоні стиснутий або зріджений газ. Їх виробляють із латуні, ацетиленові – тільки із сталі, оскільки мідні сплави можуть викликати вибух ацетилену.

Редуктор – прилад для зниження тиску газу до робочого значення та для автоматичного підтримання цього тиску сталим. Згідно ГОСТу класифікуються редуктори за різновидом газу (А – ацетиленовий, К – кисневий, М – метановий, П – пропан-бутановий) і за схемою регулювання (О – одноступінчатий, Д – двоступінчастий).

Рисунок 9.1 – Схема запобіжного гідрозатвора:

а – за нормальної роботи; б – за зворотного удару

Зварювальні пальники (ГОСТ 17536-71) призначені для змішування горючого газу з киснем, утворення зварювального полум'я і регулювання складу і потужності полум'я. Найбільш розповсюджені однополуменеві універсальні пальники інжекторного типу для ацетиленокисневого зварювання, паяння і нагріву ГОСТ 1077-79Е з витратою ацетилену від 50 до 2500 дм³/год (рис .9.4).

Рисунок 9.4 – Схема інжекторного газового пальника для газового зварювання: 1 – мундштук; 2 – трубка; 3 – змішувальна камера;

4 – інжектор; 5 – вентиль; 6 – трубка подачі кисню;

7 – трубка подачі ацителену; 8 – вентиль

Газокисневі різаки (ГОСТ 5191-79Е) служать для змішування горючого газу з киснем і утворення підігрівального полум'я та подачі до розрізуваного металу струменя різального кисню.

Різаки відрізняються від зварювальних пальників наявністю трубки і вентиля для подачі ріжучого кисню високого тиску, а також особливою будовою мундштуків (рис. 9.5).

Рисунок 9.5 – Газокисневий різак

Процес зварювання і різання (рис. 9.6). Вид полум'я, його температурний вплив на розплавлений метал залежать від складу горючої суміші, тобто від співвідношення кисню й ацетилену. Регулюючи склад суміші можна одержати навуглецювальне, нормальне або окислювальне полум'я, в якому на одиницю об'єму припадає відповідно 0,95; 1,1–1,2; 1,3 і більше кисню. Більшість металів зварюються нормальним полум'ям. Для зварювання латуні використовують окислювальне полум’я.

Рисунок 9.6 – Схема положення пальника при зварюванні та траєкторія його руху

Зварювання ведуть із застосуванням присаджувального матеріалу, склад якого повинен відповідати основному металу. Діаметр присаджувального дроту залежить від товщини S зварюваного металу і способу зварювання. За правого способу d=S/2, за лівого – d=S/2+1.

Швидкість зварювання залежить від товщини і характеру зварюваного металу, м/год,

, (9.2)

де А. – коефіцієнт, який залежить від зварюваного металу, для сталі А = =12–15.

Зварювання чавунів ведуть із прогрівом усієї деталі одним або двома пальниками. Кінець присаджувального матеріалу нагрівають до світло-червоного кольору, тому що холодний кінець може викликати відбілювання чавуну. Охолодження після зварювання має бути поступовим. Чавун найкраще змочується рідкою латунню за температури 700–850 °С. Чавун можна зварювати прутками із латуні Л62 під флюсом.

Під час кисневого різання сталі згоряння металу проходить за реакцією

. (9.3)

На згоряння 1 см заліза потрібно 2,1 дм³ кисню. Для задовільного різання металу киснем повинні виконуватись такі умови:

• температура горіння металу в кисні має бути нижча від температури його плавлення, інакше знизиться якість різання;

• оксиди і шлаки, що утворюються, повинні плавитися за більш низької температури, ніж температура горіння металу, і легко видуватися струменем різального кисню;

• кількість теплоти під час згоряння металу має бути достатньою для підтримання неперервного процесу різання;

• теплопровідність металу не повинна бути високою.

Усі перелічені умови задовольняє вуглецева сталь, тому її можна різати киснем.

Операція різання починається з підігріву металу до температури його займання в кисні. Час підігріву залежно від товщини становить 5–40 с. Після підігріву пускають струмінь кисню, і коли він поріже всю товщину металу, починають рівномірно пересувати різак лінією розрізу, зберігаючи горіння підігріваючого полум'я.

Тиск кисню має бути достатнім, щоб видувати шлаки і повністю прорізати метал. Ширина розрізу на вході

, (9.4)

де К= 0,02, на виході на 10–15% більше.

Високолеговані сталі, чавун, кольорові метали і їх сплави можна різати киснем із застосуванням порошкоподібних флюсів марок ПВ-І–ПЖ-5 за ГОСТ 9849-74, які утворюють із тугоплавкими оксидами рідиннотекучі шлаки.