14.2. Горючие газы для сварки

Существует много горючих газов, достаточно калорийных, недефицитных и доступных для широкого промышленного использования. Возможно использование жидкого и даже твердого порошкообразного горючего; однако все это разнообразие горючего может быть использовано преимущественно для кислородной резки, не требующей высокой температуры пламени. Для газовой сварки применяется почти исключительно горючий газ ацетилен. При сжигании в технически чистом кислороде ацетилен дает температуру, достаточную для сварки стали.

Помимо высокой температуры пламени ацетилен имеет и некоторые другие преимущества. Его легко получить на месте работ из твердого вещества - карбида кальция, удобного для перевозки и хранения. Ацетилено - кислородное пламя легко и удобно регулировать по виду центральной части, так называемого ядра пламени. Наряду с перечисленными преимуществами применение ацетилена связано и с существенными недостатками. Ацетилен дефицитен, дорог, весьма взрывоопасен, применение его связано с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности. Несоблюдение этих правил может привести к разрушительным взрывам.

Технический ацетилен, применяемый для сварки, за счет примесей имеет неприятный резкий чесночный запах, предупреждающий сварщика о появлении в окружающей атмосфере ацетилена.

Ацетилен является эндотермическим химическим соединением, т. е. его образование из углерода и водорода происходит с поглощением значительного количества энергии, а распадается он на элементы экзотермически, с выделением того же количества энергии в форме тепла. Этого количества тепла достаточно для повышения температуры продуктов распада примерно на 3000° С. Распад ацетилена происходит по уравнению

C₂H₂ = 2С +Н₂.

Продуктами распада ацетилена являются тонко раздробленный твердый углерод (сажа) и газообразный водород. Если распад происходит в замкнутом пространстве, то давление скачкообразно увеличивается в 11 раз вследствие повышения температуры и процесс распада имеет характер взрыва. Взрыв может происходить, в отличие от большинства других горючих газов, не только в смеси с кислородом, но и при полном отсутствии кислорода или воздуха, что увеличивает опасность использования ацетилена. Ацетилен не всегда разлагается со взрывом; разложение может идти медленно, с образованием тяжелых молекул более сложного состава. Быстрому распаду ацетилена, переходящему во взрыв, способствуют многие обстоятельства, в особенности повышение давления и температуры ацетилена.

Промышленное применение ацетилена запрещено при давлении выше предельно допустимого. Неустойчивость молекулы ацетилена и экзотермичность процесса ее распада одновременно делают ацетилен незаменимым горючим газом для газовой сварки. Ацетилено - кислородное пламя в наиболее горячей части имеет температуру около 3100—3200° С. Ни один другой горючий промышленный газ не может дать температуру выше 2500—2700° С; разница в 400—600° безоговорочно решает вопрос в пользу ацетилена.

14.3. Сварочное пламя

Рассмотрим ацетилено - кислородное пламя, имеющее наибольшее значение для сварочной техники. Полное сгорание ацетилена происходит по уравнению

С₂Н₂ + 2,5 О₂ ⁼ 2СО₂ + Н₂О.

Эта формула дает лишь состав начальных и конечных продуктов сгорания ацетилена и не отражает сложных промежуточных процессов, происходящих в пламени и имеющих существенное значение для процесса сварки.

В зависимости от хода реакции сгорания ацетилена сварочное ацетилено - кислородное пламя имеет форму, схематически показанную на рис. 14.2. Во внутренней части ядра пламени 1 происходит постепенный подогрев до температуры воспламенения газовой смеси, поступающей из мундштука.

Рис. 14. 2. Сварочное пламя ацетилено – кислородной смеси

В тонкой наружной оболочке ядра происходит частичный распад ацетилена C₂ H₂ = 2С + Н₂ с выделением твердых частиц углерода. Раскаленные твердые частицы углерода ярко светятся, поэтому оболочка ядра является самой яркой частью сварочного пламени, несмотря на то, что температура относительно невысока (не превышает 1500° С). Ядро называется также первой зоной пламени. По внешнему виду ядра визуально определяют состав газовой смеси и исправность горелки.

Зона 2 является самой важной частью сварочного пламени, так как в ней развивается наивысшая температура. В этой зоне проходит первая стадия сгорания ацетилена за счет первичного кислорода, поступающего из баллона. Она называется сварочной или второй зоной. В сварочной зоне проходит реакция по формуле

С₂Н₂ + О₂ = 2СО + Н₂.

Как видно из этого уравнения, в результате реакции получается смесь, состоящая из окиси углерода СО и водорода H₂, обладающая восстановительными свойствами по отношению к окислам многих металлов, в том числе и к окислам железа. Поэтому сварочная зона иногда называется также восстановительной зоной. Факел, или хвост пламени, образует наружную или третью зону 3, в которой за счет кислорода атмосферного воздуха протекает вторая стадия горения ацетилена, что точнее отображает состав газов наружной зоны:

2СО + Н₂ + 1,33 О₂ + 6N₂ = 2СО₂+ Н₂О + 6N₂.

В этой зоне основными составными частями, помимо азота, являются двуокись углерода CO₂ и пары воды, а также продукты их диссоциации. Как двуокись углерода, так и водяные пары при высоких температурах окисляют железо, поэтому наружная зона, или факел пламени, называется также окислительной зоной.

На рис. 14.2. схематически показано так называемое нормальное пламя, характеризующееся ярким, резко очерченным с ядром цилиндрической формы и белого цвета, в котором отношение газов О₂ к C₂H₂ =1,1 - 1,2. При увеличении этого отношения, т. е. относительном увеличении содержания кислорода или уменьшении содержания ацетилена в смеси, форма и строение пламени меняются; особенно заметны изменения ядра пламени. Увеличение содержания кислорода в смеси ускоряет реакции окисления, ядро пламени укорачивается, уменьшается образование свободного углерода, ядро бледнеет, приобретает синеватую окраску и коническую заостренную форму.

С уменьшением указанного отношения отношения, т. е. с уменьшением содержания кислорода или увеличением содержания ацетилена в газовой смеси, реакции окисления замедляются, поэтому ядро пламени удлиняется; увеличивается количество свободного углерода, частицы которого появляются и в сварочной зоне; очертания увеличенного ядра становятся размытыми и теряют четкость. При значительном избытке ацетилена частицы углерода появляются и в наружной зоне, пламя становится коптящим, удлиняется и приобретает красноватую окраску. При некотором навыке по виду пламени можно достаточно точно установить нормальный состав газовой смеси, не пользуясь измерительными приборами для расхода газов.

Сварочная зона нормального пламени состоит преимущественно из смеси СО и H₂, восстанавливает окислы железа и мало влияет на содержание углерода в расплавленной стали. Нормальное пламя может быть названо восстановительным по отношению к окислам металла и нейтральным по отношению к углероду в металле. Пламя с некоторым избытком кислорода будет частично выжигать углерод и по отношению к нему может быть названо окислительным, или обезуглероживающим. Пламя с избытком ацетилена будет повышать содержание углерода в наплавленном металле и называется науглероживающим.

Температура пламени различна в различных его точках и зависит от состава газовой смеси и степени чистоты применяемых газов. Наивысшая температура наблюдается по оси пламени, причем она незначительна в первой зоне или ядре пламени, достигает максимума в сварочной зоне, на расстоянии 2-3 мм от конца ядра, и снова падает в третьей, или наружной зоне.

Максимальную температуру ацетилено - кислородного пламени определяли многие исследователи как теоретически - путем расчетов, так и экспериментально - непосредственным измерением. Оба метода дают удовлетворительное совпадение результатов.

Рис. 14. 3. Распределение температуры по оси пламени

На рис. 14.3 приведена диаграмма изменения температуры по оси нормального пламени. Мощность сварочной ацетилено – кислородной горелки определяется часовым расходом ацетилена и подбирается по приблизительной эмпирической формуле

А = к s,

где s – толщина металла, мм.

к – эмпирический коэффициент.

Для углеродистой стали принимают среднее значение к = 100.

Горелку настраивают для работы на нормальном пламени. Тепловое воздействие на металл зависит не только от мощности пламени, но и от угла наклона оси пламени к поверхности металла. Наиболее интенсивно действует пламя, когда его ось перпендикулярна к поверхности металла и уменьшается с увеличением угла наклона. Таким образом, с уменьшением толщины металла для регулирования температуры нагрева свариваемого участка горелку необходимо наклонять к поверхности металла во избежании прожога (рис. 14.4).

Рис. 14.4. Угол наклона горелки в зависимости от толщины металла

Горелку сварщик держит в правой руке, если же требуется добавление присадочного металла, то сварщик держит присадочный пруток в левой руке. Присадочный пруток располагается под углом 45° к поверхности металла, причем конец его должен быть погружен в ванну расплавленного металла. Газовая сварка может производиться в нижнем, вертикальном и потолочном положениях. Существует два способа выполнения газовой сварки - так называемые левый и правый способы.

При обычно применяемом левом способе сварки впереди перемещается присадочный пруток, за ним следует горелка. Сварной шов остается сзади горелки, пламя направлено вперед, на основной металл. Наиболее удобно для сварщика в этом случае перемещать горелку вдоль шва справа налево.

При правом способе сварки впереди перемещается горелка, за ней следует присадочный пруток, расположенный между швом и горелкой.

Рис. 14. 4. Различные способы газовой сварки:

а) – левый; б) - правый

Этот способ дает лучший к. п. д. использования тепла пламени, а потому повышает производительность сварки и соответственно снижает удельный расход газов. Несмотря на указанное преимущество, правый способ применяется довольно редко. Это объясняется тем, что преимущество данного способа заметно проявляется лишь при сварке металла толщиной более 5 мм, что редко встречается при газовой сварке. При сварке металлов малых толщин правый способ, не имея заметных преимуществ, увеличивает опасность прожога металла.

Присадочные проволоки для газовой сварки применяются разного состава, соответственно характеру основного металла. Диаметр проволоки выбирается в соответствии с толщиной основного металла. Для приблизительного подбора диаметра присадочной проволоки можно пользоваться эмпирической формулой

d = S/2 +1,

где d – диаметр присадочной проволоки, мм; s – толщина основного металла, мм.

Для газовой сварки низкоуглеродистой стали используется проволока тех же марок, что и для электродов при дуговой сварке.

Вместо электродных обмазок, применяемых при дуговой сварке, в газовой сварке довольно широко пользуются флюсами, применение которых является необходимым для газовой сварки чугуна, цветных металлов и некоторых специальных сталей. Флюсы добавляют в ванну для растворения окислов и образования легкоплавких шлаков, хорошо всплывающих на поверхность ванны. Во флюсы могут вводиться восстановители и присадки, легирующие наплавленный металл. Флюсы применяются в форме порошков и паст, наносимых на основной металл так или на присадочную проволоку.

Применение газовой сварки обширно и разнообразно. Газовую сварку применяют там, где преобладает сварка металлов малых толщин (1 – 3) мм. Важное значение имеет газовая сварка в прокладке и монтаже трубопроводов самых разнообразных назначений, в особенности малых диаметров. Газовая сварка является незаменимым мощным средством в ремонтных мастерских, в сельском хозяйстве и т. д.

Качество сварных соединений, выполняемых газовой сваркой, выше, чем при дуговой электродами с тонкой ионизирующей обмазкой, но несколько уступает дуговой сварке, выполненной качественными электродами. Основная причина некоторого снижения прочности сварных соединений состоит в том, что при газовая сварке не производится легирования наплавленного металла, в то время как при дуговой сварке качественные электроды, содержащие в обмазке ферросплавы, производят довольно значительно легирование. Таким образом, газовая защита, обеспечиваемая восстановительной зоной сварочного пламени, для получения качественного сварного соединения менее эффективна, чем действие качественных электродных обмазок при дуговой сварке.

Производительность газовой сварки, значительная при малых толщинах основного металла, быстро снижается с увеличение его толщины. При малых толщинах (0,5 – 1,5 мм) газовая сварка по производительности может превосходить дуговую. С увеличением толщины металла до 2 – 3 мм скорости газовой и дуговой сварки уравниваются, а затем разница в скоростях быстро возрастает с увеличением толщины металла в пользу дуговой сварки. Таким образом, экономически газовая сварка наиболее приемлема для сварки малых толщин металла.