Развитие сварочного производства

Сущность  процесса  заключается в том, что  металл  вдоль линии

реза  нагревают  до температуры воспламенения  его в кислороде,

он сгорает  в струе кислорода,  а образующиеся оксиды выдуваются

этой  струей из места разреза. Поверхностную  резку  применяют для снятия поверхностного слоя металла, разделки каналов, удаления поверхностных  дефектови других работ.  Резаки имеют большую длину и увеличенные сечения каналов  для газов подогревающего пламени  и режущего кислорода.

Газовое пламя

При газопламенной  обработке (сварке, резке,

поверхностной  обработке, пайке)  в качестве источника  тепла используется

газовое  пламя — пламя горючего газа,  сжигаемого для этой  цели в кислороде  в  специальных горелках В качестве  горючих газов используют ацетилен, водород,  пропан,природные газы , нефтяной газ, пары бензина,  керосина и др.Наиболее высокую  температуру по сравнению с пламенем  другихгазов имеет ацетилена- кислородное пламя, поэтому оно нашло

наибольшее  применение. Ацетилен  (С2Н2) является химическим соединением углерода и  водорода.  Его получают в специальных  аппаратах — газогенераторах  при взаимодействии  воды с карбидом кальция  (СаС2). Реакция разложения  карбида кальция с образованием газообразного ацетилена и гашеной извести протекает со значительным выделением теплоты Q:

 Са С2 + 2Н20 = С2Н2 + Са (ОН)2 + Q.

При  разложении  1 кг карбида кальция  образуется 0,25 — 0,3 м3

ацетилена. Карбид  кальция получают в электрических дуговых  печах при

 температуре  1900-2300 °С сплавлением кокса с негашеной известью

по  реакции СаО + ЗС = СаС2 + СО.

Ацетилено-кислородное  пламя состоит из трех  зон (рис. 2.6):

ядра  пламени 1, средней  восстановительной зоны 2, факела  пламени

 окислительной   зоны 3. Ядро  представляет собой газовую

смесь сильно нагретого кислорода  и  диссоциированного  (разло-

 

Д/шна факела

 

 

Рис. 2. Схема  строения нормального  ацетилено -кислородного  пламени

и распределения  температур

женного)  ацетилена — 2С + Н2 + <Э2, ядро выделяется резким очертанием

и ярким  свечением. Горение начинается на внешней  оболочке

ядра  и продолжается во второй зоне. В  зоне 2 происходит

первая  стадия сгорания ацетилена за счет кислорода, поступающего

из баллона  по реакции

2С + Н2 + 0 2-*2СО + Н2. Углерод сгорает не полностью, а водород, как имеющий меньшее сродство к кислороду по сравнению с углеродом, в этой зоне не окисляется (не сгорает). Зона 2, имеющая самую высокую температуру и обладающая восстановительными свойствами, называется

сварочной или рабочей зоной. В зоне 3 (факеле) протекает

вторая  стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода

по реакции 2СО + Н2 + 3/202 = 2С02 + Н20. Углекислый газ  и пары воды при  высоких температурах окисляют железо, поэтому эту зону  называют окислительной.

 

Для полного  сгорания одного объема ацетилена требуется  два

с половиной  объема кислорода:  один объем поступает  из  кислородного

баллона и полтора  объема — из воздуха. Количество  тепла

в джоулях, получаемое при полном сгорании 1 м3 газа,  называется

теплотворной  способностью. Газовое  пламя нагревает металл  вследствие  процессов теплообмена— вынужденной конвекции и  излучения.

Тепловые  характеристики  газового  пламени (температура,

эффективная тепловая мощность,  распределение  теплового потока

пламени  по пятну нагрева) зависят от теплотворной  способности

горючего  газа, чистоты кислорода и их  соотношения в смеси.

Температура газового  пламени (°С) неодинакова  в  различных

его частях и достигает наибольшего значения на  оси пламени

вблизи  конца ядра.  Тепловую мощность  газового пламени, получаемого

в  сварочных  горелках, условно оценивают часовым  расходом

ацетилена  (л/ч).Эффективная  мощность пламени q3, т. е. количество  тепла,вводимое в нагреваемый металл в единицу времени,  возрастает

с увеличением расхода  газа.

Эффективный к. п. д. процесса  нагрева металла г\э  газовым

пламенем,  определяемый как отношение эффективной мощности

<уэ к полной мощности  пламени q, равен где КУс2нг —полная тепловая  мощность ацетилено-кислородного пламени; К—коэффициент, К~0,84;г\и зависит от мощности  пламени и меняется в  пределах от 0,8 (малая мощность)  до 0,25 (большаямощность).

Газовое пламя является  рассредоточенным источником тепла.

Наибольший  тепловой поток на оси ацетилено-кислородного  пламени

обычной  сварочной горелки в 8— 12 раз меньше, чем  у открытой

сварочной дуги примерно одинаковой  эффективной  мощности,

поэтому газовое пламя нагревает металл  медленнее и плавнее,

чем  сварочная дуга.

2.2.2. Оборудование  для кислородной резки

Резаки  классифицируют  по назначению —  универсальные

и специальные; по принципу  смешения газов —  инжекторные

и безынжекторные по виду резки —разделительной и поверхностной резки;  по применению — дляручной и машинной  резки

В инжекторных горелках  горючий газ подается в смесительную

камеру  за  счет подсоса его струей кислорода,  вытекающего

с большой  скоростью из отверстий сопла. В безынжекторных  горелках  горючий газ и кислород подаютсяпод одинаковым давлением в смесительную  камеру. Образующаясягорючая  смесь поступает в мундштук  горелки.

 

 

 

 

 

 Техника резки

Поверхность  разрезаемого металла должна быть

хорошо  очищена от грязи, краски,  окалины и ржавчины. Для удаления

окалины,  краски и масла достаточно  медленно провести

пламенем  горелки или  резака по  поверхности металла  вдоль меченой линии разреза.

 

Рис. 3.  Инжекторная  газовая горелка:

а — горелка; б — инжекторное устройство;  1 — мундштук;  2 — ниппель

мундштука; 3 — наконечник; 4 — трубчатый мундштук; 5 — смесительная

камера; 6 — резиновое кольцо; 7 — инжектор; 8 — накидная гайка;

9 — ацетиленовый вентиль; 10 — штуцер; 11 — накидная гайка; 12 —

шланговый ниппель; 13 — трубка; 14 — рукоятка; 15 — сальниковая набивка;

16 — кислородный вентиль

 

Рис. 4. Безынжекторная газовая горелка:

а — горелка; б — узел смешения газов; / — наконечник; 2 — накидная

гайка; 3 — дозирующие каналы; 4 — вентиль; 5 — игольчатый шпиндель;

6 — корпус; 7 — рукоятка; 8 — кислородный ниппель; 9 — ацетиленовый

Ниппель

При этом краска и масло выгорают, а окалина

отстает от металла. Затем поверхность металла  зачищают металлической

щеткой.Процесс резки начинают с нагревания металла. Подогревающее

пламя резака направляют на край разрезаемого металла  и нагревают

до температуры  воспламенения его в кислороде, практически

составляющей  температуру плавления. Затем пускаютструю режущего кислорода и перемещают резак вдоль линии разреза.Кислород сжигает верхние нагретые слои металла. Теплота,выделяющаяся при сгорании, нагревает нижележащие слоиметалла до температуры воспламенения и поддерживает непрерывностьпроцесса резки.Резку металла большой толщины выполняют следующимобразом. Мундштук резака вначале устанавливают перпендикулярноповерхности разрезаемого металла так, чтобы струя подогревающегопламени, а затем и режущего кислорода располагаласьвдоль вертикальной грани разрезаемого металла. После прогрева металла до температуры воспламенения пускают струю режущего кислорода. Перемещение резака вдоль линии резанияначинают после того, как в начале этой линии металл будет прорезанна всю его толщину. Чтобы не допустить отставания резкив нижних слоях металла, в конце процесса следует постепенно замедлить скорость перемещения резака и увеличивать наклонмундштука резака до 10— 15 ° в сторону, обратную его движению. Рекомендуется начинать процесс резки с нижней кромки. Предварительный подогрев до 300 — 400 °С позволяет производить резку с повышенной скоростью. Скорость перемещения резака должнасоответствовать скорости горения металла. Если скорость перемещениярезака установлена правильно, то поток искр и шлака вылетаетиз разреза прямо вниз, а кромки получаются чистыми, без натекови подплавлений. При большой скорости перемещения резакапоток искр отстает от него, металл в нижней кромке не успевает сгореть и сквозное прорезание прекращается. При малойскорости сноп искр опережает резак, кромки разреза оплавляютсяи покрываются натеками.

Давление  режущего кислорода устанавливают  в зависимости от толщины разрезаемого металла и чистоты кислорода. Чем выше чистота кислорода, тем меньше его давление и расход.Ширина и чистота разреза зависят от способа резки и толщи- ны разрезаемого металла. Машинная резка дает более чистыекромки и меньшую ширину разреза, чем ручная резка. Чем больше толщина металла, тем больше ширина разреза. Процесс резки вызывает изменение структуры, химического состава и механических свойств металла. При резке низкоутлеро-дистой стали тепловое влияние процесса на ее структуру незначительно. Наряду с участками перлита появляется неравновесная составляющая сорбита, что даже несколько улучшает механические качества металла.

 

 

 

 

2.2.4. Газы, применяемые при сварке  и резке

Кислород  при атмосферном давлении и обычнойтемпературе — это газ без цвета и запаха, несколько тяжелее воздуха.При атмосферном давлении и температуре 20 °С масса 1м3кислорода равна 1,33 кг. Сгорание горючих газов или паров горючихжидкостей в чистом кислороде происходит очень интенсивно,В зоне горения развивается высокая температура [11].

Технический кислород добывают из атмосферного воздуха,

который подвергают обработке в воздухоразделительных установках,

где он очищается  от пыли, углекислоты и осушается  отвлаги. Перерабатываемый в установке воздух сжимается компрессором до высокого давления и охлаждается в теплообмен ни каждое сжижения. Жидкий воздух разделяют на кислород и азот. Процесс разделения происходит вследствие того, что температура кипения жидкого азота ниже температуры жидкого кислорода На 13 °С. Азот оказывается более легкокипящим газом и испаряется первым, поэтому его отводят из воздухоразделительной установкив атмосферу. Жидкий чистый кислород накапливается и воздухо разделительном аппарате. При испарении кислорода им заполняют баллоны под давлением, создаваемым с помощью компрессора.Технический кислород транспортируют в стальных баллонах

согласно  требованиям ГОСТ 949 — 73 или в  а втореципиентах под давлением (15 Ѓ} 0,5) МПа (150 Ѓ} 5 кгс/см2) или (20 Ѓ} 1,0) МПа (200 Ѓ} 10 кгс/см2) при 20 °С. При наполнении баллонов,их хранении и транспортировании в интервале температур ( IT минус 50 °С до плюс 30 °С давление газа в баллоне должно соот-нетствовать приведенному в табл. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Температура газа, °С	Давление газа в баллоне, МПа (кгс/см2)	Допустимое отклонение, МПа (кгс/см2	Давление газа в баллоне, МПа (кгс/см2)	Допустимое отклонение, МПа (кгс/см2)
	15 МПа (150 кгс/см2) при 20 °С		20 МПа (200 кгс/см2) при 20 °С
-50	9,3 (93)	+- ,0,5 (5)	12,3(123)	+ 1,0(10)
-40	10,2(102)		13,2(132)
-30	11,1 (111)		14,6(146)
-20	11,9(119)		15,8 (158)
-10	12,7(127)		16,9(169)
0	13,5 (135)		17,9(179)
+10	14,3(143)		19,0(190)
+20	15,0(150)		20,0 (200)
+30	15,7 (157)		21,0(210)

 

 

 

Ацетилен (С2Н2) является химическим соединением  углерода

с водородом. Это бесцветный горючий газ, имеющий  резкий характерный

запах. Длительное вдыхание ацетилена вызывает головокружение,

тошноту, а иногда и сильное общее отравление. Ацетилен легче воздуха: 1м3 ацетилена при 20 °С и атмосферном давленииимеет массу 1,09 кг. Ацетилен является взрывоопасным газом. Температура самовоспламенения ацетилена лежит в пределах от 240 до 630 °С и зависит от давления и присутствия в ацетилене различных примесей. При атмосферном давлении смесь ацетилена с воздухом взрывается при содержании в ней ацетилена 2,2 % и более, а в смеси с кислородом при содержании — 2,8 % и более. Взрыв ацетилено-воздушнои или ацетилено-кислороднои смеси может произойти от искры, пламени или сильного местного нагрева. Поэтому обращение с карбидом кальция и с ацетиленом требует осторожности и строгого соблюдения правил техники безопасности. В промышленности ацетилен получают: при разложении жидких горючих веществ, таких как нефть, керосин; воздействиемэлектродугового разряда.Промышленный ацетилен закачивают в баллоны где

РИС. 5. Газовые  баллоны и редукторы:

Ьаллоны: а — кислородный; б — ацетиленовый; в — пропановый;

1'сдукторы: г — кислородный; д — ацетиленовый; е — пропановый находится в порах специальной массы растворенным в ацетоне.Т аком виде потребители получают баллонный промышленный. Щетилен. Свойства ацетилена не зависят от способа его получения.Остаточное давление в ацетиленовом баллоне при температуре20 "С должно быть 0,05-0,1 МПа (0,5-1,0 кгс/см2). Рабочее давление в наполненном баллоне не должно превышать 1,9 МПа(19 кгс/см2) при 20 °С. Для сохранности наполнительной массы нельзя отбирать ацетилен из баллона со скоростью более 1700 дм3/ч.При резке металла используют пропан. Пропан — это горючийгаз, который получают при добыче природных газов или при переработке нефти. Обычно получают не чистый пропан, а с примесью бутана до 5 — 30 %. Такая смесь именуется пропан-бутано-вой. Для сварочных работ пропан-бутановая смесь доставляется потребителю в сжиженном состоянии в специальных баллонах Переход смеси из жидкого состояния в газообразное происходит самопроизвольно в верхней части баллона из-за меньшей удельной массы газа по сравнению со сжиженной смесью. Технический пропан тяжелее воздуха и имеет неприятный специфический запах.

 

Характеристики  газовых баллонов представлены в  табл. 2

Сводная таблица  характеристик газовых баллонов

Характеристика баллона	Кислород	Ацетилен	Пропан
Размеры, мм: высота	1370	1370	950
диаметр	219	219	309
Масса без газа, кг	67	83	35
Давление газа, МПа	15	2	1.6
Состояние газа	сжатый	растворенный	сжиженный
Емкость, дм3	40	40	50
Количество газа	6м3	5,32м3	24кг