6. Газовая сварка

 

Газовая сварка – это сварка плавлением, при которой для нагрева используется тепловая энергия пламени смеси горючих газов с кислородом, сжигаемых с помощью горелки. Газовой сваркой могут соединяться практически все металлы и сплавы, применяемые в промышленности. Газовую сварку применяют при изготовлении сварных изделий из тонколистовой стали, монтаже туб малого и среднего диаметров, исправлении дефектов в отливах, ремонтных работах.

 

6.1. Сущность процесса

 

Газовую сварку осуществляют путём нагрева газовой горелкой соединяемых поверхностей до перехода металла в жидкое состояние. При газовой сварке горючий газ (ацетилен) сжигается в струе кислорода, и пламя направляется на свариваемое место металла. Горючий газ и кислород по гибким шлангам подводят в сварочную горелку, в которой они смешиваются. По выходе из горелки смесь воспламеняется и даёт высокую температуру.
Перед сваркой необходимо открыть подачу ацетиленового газа до появления резкого специфичного запаха. Горелка поджигается, после чего надо постепенно добавлять кислород до образования устойчивого синего пламени.
В качестве горючих газов могут быть использованы ацетилен, водород, природный и нефтяной газ, пары бензина и керосина. Наибольшее применение получил ацетилен, так как он даёт при горении в технически чистом кислороде наиболее высокую температуру пламени, достигающую 3150 оС.
Ацетилен (С2Н2) – бесцветный газ с характерным запахом, ядовит, взрывоопасен; газ воспламеняется при 420 оС, становится взрывоопасным при сжатии свыше 0,18 МПа, а также при длительном соприкосновении с медью и серебром. Ацетилен получают в ацетиленовых генераторах при взаимодействии карбида кальция с водой:

СаС2 + 2Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2.

Ацетилен поставляют в стальных баллонах белого цвета с надписью красного цвета «Ацетилен». Объём стандартного ацетиленового баллона 40 литров. Для уменьшения взрывоопасности баллон заполнен активированным углем и залит ацетоном, в котором растворён ацетилен. В заполненном баллоне ацетилен находится под давлением 1,9 МПа, при этом баллон вмещает
около 5,5 м3 ацетилена.
Кислород поставляют в сжиженном состоянии в стальных баллонах голубого цвета с чёрной надписью «Кислород». При давлении 15 МПа в баллоне водяной ёмкостью 40 литров помещается 6 м3 кислорода. Схема газосварочного поста показана на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема газосварочного поста с питанием от баллонов: 1 – сварочная горелка; 2 – шланги подачи газов; 3 – редукторы; 4 – баллон с ацетиленом; 5 – баллон с кислородом

Сварочное оборудование состоит из баллонов с кислородом 5 и ацетиленом 4. К вентилям баллонов крепятся газовые редукторы 3, которые предназначены для снижения давления газа поступающего из баллона к горелке 1, и поддержания постоянства давления во время работы. К сварочной горелке кислород и ацетилен от редукторов подают через специальные резиновые шланги. Горелку зажигают специальной зажигалкой. Сварку осуществляют путём нагрева газовой горелкой соединяемых поверхностей до перехода металла в жидкое состояние.
Газовые редукторы 3 имеют обычно два манометра, один из которых измеряет давление газа на входе в редуктор, второй – на выходе из него.
Редукторы для различных газов отличаются устройством присоединительной части. Корпус редуктора окрашивают в определённый цвет, например, голубой для кислорода, белый для ацетилена. Газосварочная горелка 1 служат для смешивания кислорода и ацетилена, подачи горючей смеси к месту сварки и создания концентрированного пламени требуемой мощности. Горючая смесь, выходящая из мундштука горелки, сгорает, создавая высокотемпературное сварочное пламя.
По принципу действия горелки подразделяют на инжекторные и безинжекторные (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схемы ацетиленовых горелок: а – инжекторные; б – безинжекторные; 1 – ствол горелки; 2 – гайка; 3 – наконечник; 4 – мундштук; 5 – смесительная камера; 6 – инжектор; 7 – вентиль; 8 – штуцер присоединительный

Для сварки чаще всего используют газосварочные горелки инжекторного типа, так как они наиболее безопасны. В инжекторных горелках поступление горючего газа (ацетилена) происходит за счёт подсоса его струёй кислорода, который, вытекая с большой скоростью из сопла инжектора, создаёт разряжение в каналах, по которым поступает ацетилен. Давление кислорода должно быть при этом равным 0,2…0,4 МПа, а давление ацетилена на входе в горелку может быть 0,001…0,002 МПа. Горелки этого типа имеют сменные наконечники с различными диаметрами выходных отверстий инжектора и мундштука, что позволяет регулировать в широких пределах мощность ацетилено-кислородного пламени. Наиболее распространённые инжекторные горелки имеют семь номеров сменных наконечников (табл. 6.1).

Таблица 6.1
Техническая характеристика инжекторных горелок
Толщина свариваемого металла, мм (сталь малоуглеродистая)
0,5…1.5 1…2,5 2,5…4 4…7 7…11 10…18 17…30
Номера наконечников
1 2 3 4 5 6 7
Давление кислорода, 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 0,2…0,4
Давление ацетилена, МПа
Не ниже 0,001

Горелки большой мощности и многопламенные, работающие в тяжёлых условиях, при высокой температуре, обычно делают безинжекторными, в них оба газа – кислород и ацетилен – поступают под одинаковым давлением 0,01…0,15 МПа. Сварочное пламя. В пламени сварочной горелки выделяют три зоны: ядро пламени 1, восстановительная зона 2 и факел 3 (рис.6.3).

Рис. 6.3. Строение сварочного ацетилено-кислородного пламени: 1 – ядро; 2 – восстановительная зона; 3 – факел пламени

Ядро представляет собой ярко светящийся конус. В ядре происходит постепенный нагрев до температуры воспламенения газовой смеси,поступающей из мундштука. Восстановительная зона имеет более тёмный цвет, чем ядро, и наиболее высокую температуру на расстоянии 3…5 мм от края ядра. В факеле протекает горение ацетилена за счёт атмосферного кислорода.
В зависимости от соотношений объёмов ацетилена и кислорода, подаваемых в горелку, изменяется состав пламени, в связи с чем различают три основных вида пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее.
Нормальным считают пламя, не вызывающее окисления металла или насыщения его углеродом. Это происходит при соотношении объёмов кислорода и ацетилена О2/С2Н2 = 1…1,2; при этом весь ацетилен полностью сгорает. Нормальное пламя используют для сварки малоуглеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей, а также меди, магниевых сплавов, алюминия, цинка, свинца и др. В большинстве случаев сварку выполняют нормальным пламенем.
Окислительным называют пламя, вызывающее окисление металла; это происходит при увеличении содержания кислорода до соотношения О2/С2Н2>1,2. Пламя приобретает голубоватый оттенок и имеет заострённую форму ядра. Такое пламя может быть использовано только при сварке латуни.
В этом случае избыточный кислород образует с цинком, содержащимся в латуни, тугоплавкие оксиды, плёнка которых препятствует дальнейшему испарению цинка.
Науглероживающим является пламя, вызывающее науглероживание металла, то есть переход углерода из продуктов горения в металл. Это происходит при увеличении содержания ацетилена до соотношения О2 / С2Н2 <1. Пламя при этом удлиняется, становится коптящим и имеет красноватый оттенок. Такое пламя применяют для сварки высокоуглеродистых сталей, чугуна, цветных металлов (исключая латунь) и наплавке твёрдых сплавов.

 

6.2. Режим газовой сварки

 

Ацетилено-кислородная сварка имеет три основных параметра, от которых зависит качество сварного шва. Это тепловая мощность сварочного пламени, угол наклона горелки, диаметр используемого присадочного прутка.Кроме этого, качественный сварной шов обеспечивается правильным подбором способа сварки, вида пламени, присадочного материала и флюса.
Мощность сварочного пламени условно оценивают часовым расходом ацетилена, для этого используют зависимость

q =A * S ,

где q – тепловая мощность, л/ч;
А – коэффициент тепловой мощности (для малоуглеродистой стали А = 100…130 л/ч*мм);
S – толщина свариваемого металла, мм.
По мощности пламени определяют номер наконечника горелки. При использовании газовой сварки для изготовления металлических изделий предпочтительным типом соединения является стыковое. Нахлёсточные и тавровые соединения нежелательны вследствие возникновения в изделии значительных собственных напряжений, а при сварке изделий большой толщины вообще недопустимы. Сварку сталей толщиной до 2 мм осуществляют без скоса кромок и без зазора между листами или с отбортовкой кромок без присадочного металла. При толщине листа 2…5 мм соединение встык выполняют без скоса кромок, но с соответствующим зазором. Сталь толщиной более 5 мм сваривают только встык с применением одностороннего или двухстороннего скоса кромок.
Угол наклона горелки к свариваемой поверхности зависит от толщины металла. При её увеличении нужна большая концентрация тепла и соответственно большой угол наклона горелки (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Изменение угла наклона горелки в зависимости от толщины свариваемого металла

Диаметр присадочной проволоки d (мм) определяют в зависимости от выбранного способа сварки и толщины свариваемого металла S (мм) по следующим формулам:
d = S / 2 + 1 – при левом способе;
d = S / 2 – при правом способе.
По результатам расчёта выбирают ближайший из следующего ряда стандартных диаметров: 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10 и 12 мм. При сварке изделия толщиной более 15 мм диаметр проволоки принимают не более 6…8 мм.
Скорость сварки V зависит от свойств металла; её определяют по глубине проплавления:

V = C / S,

где V – скорость сварки, м/ч;
С – коэффициент скорости сварки, м  мм/ч (для углеродистых сталей С = 12…15 м * мм/ч);
S – толщина металла, мм.
Время сварки t определяют из уравнения

t = L / V ,

где t – время сварки, ч;
L – длина шва, м;
V – скорость сварки, м/ч.
Полный расход горючего газа Q определяют по формуле

Q = q * t ,

где Q – полный расход горючего газа, л;
q – тепловая мощность сварочного пламени, л/ч;
t – время сварки, ч.

 

6.3. Способы сварки

 

Существуют два основных способа газовой сварки – правый и левый (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Способы газовой сварки: а – правый; б – левый

Правый способ сварки применяют при толщине металла более 5 мм; при этом горелка движется впереди сварочной проволоки слева направо. Пламя направлено на наплавленный металл, что способствует более качественному формированию шва, увеличивает производительность, уменьшает расход ацетилена, но при малых толщинах может привести к прожогу металла.
Левый способ сварки применяют при толщине металла менее 5 мм; при этом горелка движется справа налево. Присадочный пруток находится слева от горелки и передвигается впереди пламени, направленного от наплавленного металла в сторону основного металла, на нагрев которого расходуется значительная часть тепла, в результате чего наплавленный металл быстро охлаждается.
Сварочная проволока. Для заполнения зазора между кромками свариваемого металла и образования валика шва в сварочную ванну вводят присадочный металл в виде проволоки, имеющей состав, аналогичный свариваемому металлу. Сварочная проволока перед сваркой должна быть тщательно очищена от краски, масла, ржавчины и других загрязнений. Для сварки чугуна применяют специальные литые чугунные стержни; для наплавки износостойких покрытий – литые стержни из твёрдых сплавов.

Маркировка сварочной проволоки включает в себя следующие стали: шесть марок низкоуглеродистой, 30 легированной, 41 высоколегированной неомеднённой и омеднённой проволоки.
Обозначение сварочной проволоки состоит из букв Св (сварочная) и буквенно-цифрового обозначения её состава. Легирующие элементы, содержащиеся в металле проволок, обозначаются буквами Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ю – алюминий. Цифры после букв Св указывают на содержание в проволоке углерода в сотых долях процента, а цифры после буквенного обозначения легирующего элемента указывают на его содержание в процентах. Отсутствие цифр после буквы означает, что данного элемента менее одного процента. Буква А в конце условного обозначения марок низкоуглеродистой и легированной проволоки указывает на повышенную чистоту металла по содержанию вредных примесей серы и фосфора. Две буквы А указывают на пониженное содержание серы и фосфора по сравнению с проволокой, в обозначении которой одна буква А.
Например, марка 4Св-08А-О обозначает следующее: сварочная проволока диаметром 4 мм содержит 0,08% углерода, имеет пониженное содержание серы
и фосфора и омеднённую поверхность. Присадочный металл при газовой сварке должен отвечать следующим
требованиям:
- температура плавления присадочного металла должна быть не выше температуры плавления основного металла;
- поверхность проволоки и стержней должна быть ровной и чистой – без окалины, ржавчины, масла, краски и других загрязнений;
- присадочный металл должен плавиться спокойно, без разбрызгивания, способствуя получению наплавленного металла, по свойствам близкого к основному.
Флюсы. В процессе сварки все металлы и их сплавы, соединяясь с кислородом окружающего воздуха и кислородом сварочного пламени, образуют окислы, которые имеют более высокую температуру плавления, чем свариваемый металл. Для защиты расплавленного металла от окисления и удаления образовавшихся при сварке окислов и неметаллических включений применяются сварочные порошки или пасты, называемые флюсами. При газовой сварке флюсы вводят в сварочную ванну и в виде легко испаряющейся жидкости.

Флюс наносят заранее на кромки свариваемого металла и на присадочные прутки, либо вносят в ванну в процессе сварки периодическим погружением присадочного прутка в сосуд с флюсом. В случае применения флюсов в виде паров (например, флюса БМ-1 при сварке меди, медных и никелевых сплавов) он подаётся в пламя горелки автоматически в строго дозированном количестве специальным прибором.
В процессе сварки флюсы, вводимые в сварочную ванну, расплавляются и образуют с окислами легкоплавкие шлаки, всплывающие на поверхность сварочной ванны. При этом плёнка покрывает расплавленный металл шва, предохраняя его от дальнейшего воздействия атмосферного воздуха. Необходимость применения флюсов при сварке цветных металлов и сплавов,
высоколегированных сталей и чугуна вызвано тем, что при нагревании металлов до высокой температуры на их поверхности образуется окисная пленка, которая
при расплавлении переходит в сварочную ванну, препятствуя при этом надёжному сплавлению основного и присадочного металла. При сварке
углеродистых сталей флюсы, как правило, не применяют.
В зависимости от вида свариваемого металла в сварочной ванне образуются основные или кислые окислы. Если образуются основные окислы, то применяют кислый флюс, если кислые – основной флюс. В обоих случаях реакция протекает по следующей схеме:
кислотный окисел + основной окисел = соль.
В качестве флюсов используют буру, борную кислоту, окислы и соли бария, калия, лития, натрия, фтора и др. Состав флюса выбирают в зависимости от свойств свариваемого металла. При сварке чугуна в сварочной ванне образуется кислый окисел SiO2, для растворения его вводят сильные основные окислы – K2O, Na2O. В качестве основных флюсов применяются углекислый натрий (Na2CO3), углекислый калий (K2CO3) и бура (Na2B4O7). При газовой сварке меди, латуни образуются основные окислы (Cu2O, ZnO, FeO и др.), поэтому для растворения их вводят кислые флюсы. Они обычно представляют собой соединения бора. Для сварки алюминиевых сплавов – бескислородные флюсы на основе фтористых, хлористых солей лития, калия, натрия и кальция. Во флюсы можно вводить элементы, раскисляющие и легирующие наплавленный металл.

Техника безопасности

  1. Сварку следует осуществлять в специальной защитной огнестойкой одежде, в защитных тёмных очках и рукавицах из негорючих тканей.
  2. На сварочном посту не должно быть дерева, тканей, пластика и прочих легковоспламеняющихся предметов.
  3. Запрещается менять местами кислородные шланги и шланги для подачи ацетилена.
  4. Перед началом работы следует проверить работоспособность газовой горелки: её клапаны не должны пропускать газы.
  5. Следует убедиться в том, что редуктора газовых баллонов затянуты и не пропускают газ.
  6. Запрещено использовать стальной инструмент для обслуживания газогенераторных установок, так как они могут вызвать искру.
  7. После окончания сварки нужно закрыть газовые баллоны и только после этого отсоединять от них оборудование для сварки.