Міністерство освіти і науки України

Житомирський Державний Технологічний Університет

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

1. 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.