ЛЕКЦІЯ 33

Тема 7.3 Газове зварю­вання і різка металів.

Суть і область використання газового зварювання і різки металів. Гази, які використовуються при зварювання і різці металів. Викори­стовуване обладнання і апаратура при газовій зварювання і різці ме­талів. Технологія газового зварювання і різки. Техніка безпеки і по­жежна безпека при газовому зварювання і різці металів.

Тема 7.4 Зварювання спеціальних сталей, чавуну, кольорових металів і пластмас.

Вплив різних елементів на зварювання сталі. Технологія зварюван­ня різних марок сталі. Особливості зварювання чавуна, сплавів на мідній і алюмінієвій основі, пластмас. Залежність вибору способу зварювання від призначення деталі і товщини виробу.

Самостійна робота

Технологія газової зварювання і різки.

Техніка безпеки і по­жежна безпека при газовій зварювання і різці металів.

Література (1, с.413-420, 3, с.230-236, 4, с.289-294

Газове зварювання

Газове зварювання — спосіб виконання нерознімного з'єд­нання з використанням газокисневого полум'я, яке розплавляє краї заготовок і присадний матеріал, внаслідок чого утворюєть­ся зварний шов. Основний і присадний метали під час газового зварювання роз­плавлюються теплом газового полум'я, яке одержують від згоряння горючого газу в суміші з киснем. Газокисневе полум'я виникає під час горіння пального газу (найчастіше ацетилену) в кисні, іноді — водень, нафтові гази, пари бензину або гасу. Цим способом зварюють головно тонкі листові та трубчасті заготовки завтов­шки 3...5 мм з низьковуглецевих і низьколегованих сталей, спла­вів кольорових металів, а також заварюють дефекти у чавун­них і бронзових виливках.

Кисень у промислових умовах добувають з повітря, зріджу­ючи останнє методом глибокого охолодження до температури -200 °С. Повітря складається з 21 % кисню, 78 % азоту, решта (1 %) становлять інертні гази та двооксид вуглецю СО2 . Під час підвищення температури зрідженого повітря до -196 °С випа­ровується азот і залишається кисень.

Газоподібний кисень перевозять до споживачів у сталевих балонах, а рідкий — у великих теплоізольованих місткостях. Па місці споживання рідкий кисень перетворюють у газоподіб­ний і подають його шлангами до робочих постів.

Кисневий балон — це сталевий циліндр 2 (рисунок 1) з випуклим дном і горловиною. На горловину міцно насаджено кільце 3, а на нижню частину — башмак 1, який дає змогу ставити балон вертикально. У горловину вкручений латун­ний вентиль 4, що служить для випускання газу і наповнен­ня балона. Кільце має зовнішню різь для запобіжного ковпа­ка 5. У 40-літровому балоні під тиском 15 МПа поміщається 6000л кисню.

Кисневі балони фарбують у блакитний колір і чорними літерами наносять слово «Кисень». Особливо небезпечне забруднення балона або кисневого шланга органічними речовинами, зокрема оливою, здатними самозайматись у кисні, що може спричини­ти пожежу і навіть вибух.

Рисунок 1 - Кисневий балон: 1 — башмак;

2 — корпус; 3 — кільце; 4 — вентиль;

5 — запобіжний ковпак

Кисневий редуктор знижує тиск газу, що надходить з бало­на, й автоматично підтримує задану величину робочого тиску.

Ацетилен С₂Н₂ — безколірний легкозаймистий газ, порів­няно дорогий і вибухонебезпечний. Горіння ацетилену в кисні характеризується сильно концентрованим полум'ям з темпера­турою до 3200 °С. Ацетилен добувають з карбіду кальцію СаС₂ і води в ацетиленових генераторах.

Споживають ацетилен з генераторів або з ацетиленових балонів.

Ацетиленовий балон конструктивно подібний до кисневого балона. Балон місткістю до 40 л спочатку наповнюють порис­тою масою (наприклад, активованим деревним вугіллям), про­сякнутою ацетоном, який добре розчиняє ацетилен. Зі зростан­ням тиску розчинність ацетилену в ацетоні збільшується. По­риста маса істотно знижує ризик розпаду і вибуху ацетилену. Тиск у балоні не перевищує 1,6 МПа. Якщо відкрити вентиль балона, то ацетилен виділяється з ацетону аналогічно як вугле­кислий газ з мінеральної води. Робочий тиск ацетилену підтри­мується газовим редуктором.

Основний інструмент газового зварювання — пальник — призна­чений для змішування у певних пропорціях газу та кисню. За принципом дії пальники поділяють на:

• інжекторні низького тиску (за тиском ацетилену);

• безінжекторні рівного тиску (за тиском ацетилену та кисню). Розрізняють також одно- і багатополуменеві пальники.

Найпоширенішим є інжекторно-зварювальний пальник (рисунок 2), під час роботи якого кисень з балона надходить до інжектора (5) і зі значною швидкістю витікає з конусного отвору інжектора, що сприяє створенню розрядження в камері (4). За раху­нок цього ацетилен, що подається при низькому залишковому тиску 0,001...0,005 МПа (0,01...0,05 атм), засмоктується до камери змішу­вання (3), утворюючи суміш, яка надходить до наконечника (2) і при виході з мундштука (1) підпалюється.

Рисунок 1 - Схема інжекторно-зварювального ацетиленового пальника:

1— мундштук; 2 — наконечник; 3 — камера змішування; 4 — камера розрядження; 5 — інжектор

Хімічний склад і діаметр присадного дроту вибирають залеж­но від складу й товщини зварювального матеріалу. Зварник у правій руці тримає пальник, у лівій — присадний матеріал, відповідно їх переміщуючи.

Поширеним способом з'єднання елементів при газовому зварю ванні — є зварювання встик. Метод газового зварювання забезпечу плавне нагрівання і повільне охолодження виробів. Застосовують його для ремонтних робіт, при виготовленні виробів зі сталі й сплавів кольорових металів, для наплавки тощо.

При зварюванні сталі газове полум'я відповідає співвідношенню

0₂ : С₂Н₂ ≈ 1 (нормальне ,використовують нормальне полум'я під час зварювання вуглецевих сталей і більшості сплавів кольоро­вих металів, при зварюванні латуні використовують окислювальне полум'я 0₂ : С₂Н₂ > 1), при зварюванні чавунів і кольорових мета­лів — навуглецьовувальне полум'я (0₂/С₂Н₂<1). Крім цього, для зварювання кольорових металів використовують флюси.

Газове зварювання порівняно з дуговим характеризується плавнішим нагріванням й повільнішим охолодженням місця з'єднання, більшою зоною термічного впливу й нижчою продук­тивністю праці.

Термічне різання металів

Одним з поширених способів термічного різання металів є газове різання.

Газовий різак відмінний від зварювального пальника тим, що його наконечник утворює прямий кут зі стволом різака. Він має також додаткову трубу для подачі кисню крізь центральний отвір мундштука (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема газокисневого різання металів:

1 — струмінь різального кисню;

2 — полум'я; 3 — метал виробу;

4 — зона різання; 5 — розплавлені оксиди

Різання починають з нагрівання металу (3) у вихідній точці рі­зання до температури зполум'яніння металу в кисні. Метал нагрі­вають полум'ям (2), яке утворюється при згорянні ацетилену в кисні. Коли температура підвищується до потрібної, впускають струмінь різального кисню (1). Потрапляючи на метал, що нагрівся, кисень запалює його. Розплавлені оксиди (5), що утворюються, захоплюють­ся струменем кисню і виносяться з зони різання (4).

Різак переміщають у напрямку різання рукою або відповід­ними механізмами. Механізоване переміщення (напівавтомати­чне або автоматичне) забезпечує рівномірне переміщення різа­ка, внаслідок чого отримуємо гладку поверхню зрізу й більш високу точність розмірів.

Для нагрівання зони різання окрім ацетилену використову­ють природний газ, пропан-бутан, гас або бензин.

Газове різання можливе, якщо:

• температура плавлення металу вища за температуру його горіння;

• температура утворення оксидів не перевищує температу­ру плавлення металу;

• виділеної теплоти достатньо (або майже достатньо), щоб підтримувати горіння металу в кисні;

• теплопровідність металу не повинна бути надто великою, бо в протилежному випадку важко підтримувати в зоні різання необхідну температуру.

Газовому різанню піддають лише метали, що відповідають певним вимогам. Розглянемо основні з них. Температура плавлення оксидів має бути меншою за температуру плавлення металу, а температура плавлення металу має перевищувати температуру горіння цього ме­талу в кисні. Для газового різання найбільш придатні залізо і залізовуглецева сталь (С < 0,8 %). Для обробки високолегованих ста­лей, чавунів, міді, латуні та бронзи використовують киснево-флюсове різання. Тоді до зони реакції додатково вводять порошки флюсів на залізній основі. Горіння цих флюсів дає додаткове тепло, крім цього частки флюсу сприяють механічному видаленню з поверхні розрізу тугоплавких оксидів. Розрізняють три типи кисневого різання:

• розподільне (розкроювання металу);

• поверхневе (для усунення поверхневих дефектів);

• різання для одержання отворів у виробах з металу і бетону.

Особливості зварювання найпоширеніших конструкційних матеріалів

До найпоширеніших конструкційних матеріалів належать сталі, чавуни, алюмінієві й мідні сплави.

На зварюваність вуглецевої сталі істотно впливає вуглець, зі збільшенням вмісту якого її твердість підвищується, а плас­тичність зменшується.

Найкраще з'єднуються всіма способами дугового зварюван­ня низьковуглецеві сталі (до 0,25 % С), оскільки вони практи­чно не гартуються.

Значно складніше зварювати середньовуглецеві сталі (С = 0,30...0,45 %) через їх схильність до утворення структур підвищеної твердості й виникнення тріщин.

Високовуглецеві сталі (С = 0,46...0,75 %) практично не зва­рюються. У них особливо велика схильність до утворення струк­тур гартування порівняно з середньовуглецевими сталями й до зростання зерна в зоні термічного впливу. Щоб не допустити критичної швидкості гартування, рекомендовано підігрівати перед зварюванням середньо- та високовуглецеві сталі до температур 100...300 С залежно від вмісту вуглецю. Знизити зварювальні залишкові напруження можна, якщо відразу піс­ля зварювання відпустити сталь при температурі понад 300 °С.

Зварюваність низьколегованих конструкційних сталей ви­значається, насамперед, відсотковим вмістом вуглецю і легувальних елементів. Зі збільшенням частки перелічених елементів підвищується схильність легованих сталей до гартування і до утворення тріщин. Під час зварювання спостерігається виго­рання легувальних елементів, тому ці втрати необхідно компен­сувати, використовуючи електроди відповідного складу. Перед зварюванням рекомендується підігрівати заготовки до 150... 350 °С, а після зварювання отриманий виріб відпалювати, нор­малізувати або відпускати при високій температурі.

Особливістю зварювання нержавких хромових сталей є іс­тотне зростання зерна, зниження міцності й пластичності шва та зони термічного впливу, вигорання хрому й випадання карбі­дів на границях зерен. Через випадання карбідів зменшується вміст хрому в пограничних зонах зерен і знижується корозійна тривкість сталі. Щоб запобігти всім переліченим негативним впливам, необхідно перед зварюванням підігрівати заготовки, зварювати малими струмами, а після зварювання застосовува­ти відпал.

Нержавкі хромонікелеві аустенітні сталі аналогічно хро­мовим під час повільного охолодження в інтервалі температур 500...800 °С виділяють на границях аустенітних зерен карбіди хрому, від чого знижується їх корозійна тривкість. Ці сталі зварюють електродами, які містять мало вуглецю і сильні карбідоутворювальні елементи (Ті, Сг). Щоб позбутись карбідів хрому, сталь нагрівають до 1050... 1100 °С (під час чого карбіди переходять у твердий розчин), а потім швидко охолоджують, фіксуючи однофазову аустенітну структуру. Зварюваність сі­рих, ковких і високоміцних чавунів незадовільна через утво­рення у зварному шві відбілених структур і прогартовування зони термічного впливу, що призводить до поганої оброблюва­ності різанням і схильності до утворення тріщин. Тому чавуни зварюють лише тоді, коли необхідно виправити незначні дефе­кти лиття або відремонтувати відповідальні деталі. Високу тве­рдість шва і зони термічного впливу можна зменшити високо­температурним і довготривалим відпуском.

Розрізняють гаряче та холодне зварювання чавунів.

Перед гарячим зварюванням заготовки підігрівають до 400...700 °С у горнах або печах, підтримують якнайдовше зада­ну температуру під час зварювання, а потім охолоджують ра­зом з піччю або засипають заготовки сухим піском. У такий спосіб не допускають відбілювання шва та прогартовування прилеглої до нього зони. Перед зварюванням вирізують дефект­ну частину виливка. Чавунними електродами створюють ванну значного об'єму, що додатково сприяє повільному охолоджен­ню. З огляду на високу трудомісткість гаряче зварювання за­стосовують рідко.

Холодне зварювання чавунів виконують переважно сталеви­ми, мідно-залізними або мідно-нікелевими електродами малого діаметра без підігрівання заготовки. Щоб підвищити міцність шва, у зварювані краї заготовок вкручують сталеві шпильки, виступи яких разом з металом електрода і заготовок утворюють зварний шов. Холодне зварювання не виключає утворення струк­тур високої твердості в зоні термічного впливу. Його якість гір­ша за якість шва гарячого зварювання, проте холодне зварю­вання дешевше.

Зварювання алюмінію та його сплавів ускладнюється через утворення на поверхні крапель електродного металу й металу ванни оксидної плівки А1₂0₃ з температурою плавлення 2050 °С, через схильність металу шва до газової пористості й утворення тріщин, високу теплопровідність металу й низьку температуру його плавлення.

Щільна тугоплавка плівка А1₂0₃, хоч і захищає метал від оксидації, проте заважає сплавленню крапель електрода й зварювальної ванни. Щоб позбутись оксидної плівки, використову­ють у покриттях електродів та у флюсах активні хлористі та фтористі солі лужних і лужноземельних металів (NaCl, КСl , ВаСl, LiF, CaF₂). Ця плівка також може бути зруйнована швид­кими й важкими позитивними іонами, якщо вона перебуває в катодній зоні дуги.

Причиною газових пор зварного шва є водень, який потрап­ляє у рідкий метал з поверхонь заготовок і електрода, насиче­них вологою, адсорбованою оксидом алюмінію. Уникнути пороутворення можна через очищення від Аl₂0₃ поверхонь елек­тродів і країв з'єднуваних заготовок.

Дуже часто зварювальну ванну захищають інертними га­зами.

Зважаючи на високу теплопровідність й низьку температу­ру плавлення алюмінію та його сплавів, для їх зварювання вико­ристовують дугу відносно великої потужності. Зварюють постій­ним струмом, коли катодом є виріб, а також змінним струмом. Не рекомендується нагрівати основний метал понад 500 °С че­рез можливе розплавлення границь зерен.

Алюмінієві вироби, нагріті під час зварювання до темпера­тури 400... 500 °С, втрачають міцність і можуть легко зруйну­ватись без прикладання додаткових сил. Щоб запобігти цьому, зварюють на металевих підкладках відповідної форми.

Слід зазначити, що без особливих ускладнень зварюються незміцнювані термообробкою сплави алюмінію типу АМr і АМц. Найгірше зварюються термічно зміцнені дюралюміни, бо від нагрівання істотно погіршуються їх механічні властивості.

На зварюваність міді негативно впливають її здатність у рід­кому стані легко оксидуватись і добре розчиняти водень та пару води, а також підвищена рідкоплинність, висока теплопровід­ність та великий коефіцієнт лінійного розширення.

Оксиди погіршують властивості мідного шва. Для захисту від оксидації застосовують флюси, які наносять на зварювані поверхні та на електроди. Флюси складаються з бури Na₂B₄0₇, борної кислоти Н₃В0₃ та з інших речовин. Часто місце зварю­вання захищають аргоном, гелієм або азотом.

Розчинені у рідкому металі гази під час охолодження виді­ляються, утворюючи газові порожнини.

Підвищена рідкоплинність міді заважає накладанню стельо­вих і вертикальних швів. А для зварюваних елементів завтовш­ки понад 5 мм застосовують попереднє підігрівання до 250... 300 °С.

Під час зварювання латуней бажано не допустити випаро­вування цинку, від випару якого у шві виникають пори. Крім цього, випари цинку отруйні, що вимагає захисту зварника за допомогою спеціальної маски. Як захисний матеріал викорис­товують покритий флюсом дріт з підвищеним вмістом цинку. Зварюють короткою дугою. Окрім флюсів застосовують захисні гази.

Бронзи зварюють швидко, з охолодженням, щоб уникнути втрат легкоплавких складових, зокрема олова.

При підвищених температурах титан активно взаємодіє з киснем і азотом. Тому під час зварювання титану й подальшого його охолодження до 400 °С необхідний надійний захист, а пе­ред зварюванням — усунення з поверхні заготовок і зварюваль­ного дроту оксидно-нітридної плівки. Для захисту використо­вують аргон або флюси, вільні від кисню.