СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

ПОДВОДНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Не очень большую по объёму применения, но важную по зна­чению отрасль сварочной техники образуют методы огневой резки металла под водой. Возможности выполнения человеком под водой различных технических работ пока весьма ограничены и до сравни­тельно недавнего времени исчерпывались применением простейших приспособлений, ручного и пневматического инструмента, взрывча-

тых веществ. Разработка и усовершенствование способов огневой резки и электрической сварки металлов под водой значительно рас­ширили возможности выполнения подводных технических работ: судоремонтных, судоподъёмных, аварийно-спасательных, строитель­ных и т. д.

Подводные работы по огневой резке металла отличаются мно­гими специфическими особенностями, часто сопряжены с исключи­тельными трудностями и значительной опасностью для работающих. Разрезаемый металл погружён в водную среду, интенсивно его охлаждающую, что весьма затрудняет достаточный подогрев ме­талла. Работающий стеснён в своих движениях тяжёлым и неудоб­ным водолазным снаряжением и имеет недостаточную устойчивость. Видимость при подводных работах обычно очень плохая; в боль­шинстве наших рек, особенно при повышении их уровня, видимость практически почти совершенно отсутствует. Кроме того, имеются обычные дополнительные трудности: течение, волнение, значи­

тельные глубины, загрязнения поверхности металла и др. Чаще все­го приходится резать многослойный металл, причём слои пакега нередко расшатаны взрывом или ударом при аварии и т. п. Не­смотря на все эти трудности, героические советские подводники успешно выполняют трудные задания и проводят замечательные работы по резке и сварке металла под водой в труднейших условиях.

Процесс подводной электросварки был рассмотрен в главе I, здесь рассмотрим процессы огневой резки металла под водой. Трудности резки под водой заставляют применять различные спо­собы в зависимости от местных условий. Классификация способов огневой резки металла под водой приведена на диаграмме фиг. 245.

Существующие способы дуговой резки можно разделить на две основные группы: 1) электрическая дуговая резка, являющаяся по преимуществу чисто термическим способом и 2) кислородная резка, где главную роль играет химическая реакция сгорания железа в кислороде.

Электрическая дуговая резка разделяется на виды по типу при - ' меняемых электродов. Кислородная резка делится на две под­группы: газокислородную с подогревательным пламенем, образуе­мым горючим газом, и электрокислородную с подогревом металла дугой. Газокислородная резка делится на виды по роду горючего; электрокислородная, как и электрическая дуговая,— по роду при­меняемого электрода.

Простейшим способом является дуговая резка. Этот метод был исследован в годы Отечественной войны автором книги. Дуговая резка под водой чаще всего выполняется металлическим стальным электродом, диаметром 6—7 мм. Для электродных стержней приме­няется торговая проволока — катанка, на которую наносится слой обмазки в количестве около 30% от веса стержня, например, сле­дующего состава: мел 38%; железная окалина 56%; цемент порт - ландский 6%; жидкое стекло (водный раствор) 35 частей на 100 частей сухой смеси.

По просушке и прокалке электродов при температуре 250—300° слой обмазки пропитывается водонепроницаемым составом путём погружения в лак или другой подходящий раствор. Слой обмазки

должен обладать достаточной механической прочностью и образо­вывать при горении дуги на конце электрода выступающий козы­рёк, заметно улучшающий процесс резки. Расплавленный металл вытекает из полости реза под действием силы тяжести, выдувается струёй газов и паров, создаваемой дугой, и удаляется шурующими движениями электрода, которые производит резчик, в особенности при резке значительных толщин (фиг. 246). Металл малых толщин (до 10 мм) режется перемещением электрода по линии реза без шурующих движений.

Дуговая резка стальным электродом имеет ряд несомненных до­стоинств, дающих методу серьёзную практическую ценность. К этим достоинствам относятся сравнительная простота необходимого обо­рудования, простота изготовления и недефицитность электродов, для которых пригодна любая стальная проволока подходящего диамет­ра, имеющаяся под рукой. Сравнительно небольшой диаметр элек­трода обычно меньше ширины получаемого реза, поэтому электрод может вводиться в полость реза, что позволяет резать металл значитель­ной толщины—до 70—80 мм и, что особенно важно для подводных ра­бот, резать многослойные пакеты по­следовательно слой за слоем.

Фиг. 246. Дуговая резка значительных толщин.

Для осуществления дуговой резки под водой с приемлемыми скоростями необходим мощный источник тока для питания дуги, обычно применяются токи от 500 до 1000 а. Работа ведётся чаще всего на постоянном токе нормальной полярности, однако, как показывает опыт, возможна работа и на переменном токе. При от­сутствии специального мощного электросварочного агрегата поль­зуются параллельным соединением двух-трёх нормальных агрегатов на одну дугу.

Необходимость мощного источника тока для питания дуги является недостатком подводной дуговой резки, так как не всегда возможно обеспечить место работ таким источником тока. Вторым большим недостатком дуговой резки является быстрое снижение скорости резки с возрастанием толщины разрезаемого металла, как это показано на графике фиг. 247. Поэтому в нормальных усло­виях рекомендуется применять дуговую резку для резки металла толщиной не свыше 10—15 мм; металл толщиной свыше 15 мм б нормальных условиях целесообразнее резать другими способами. Дуговую резку под водой можно производить также угольным или графитным электродом на постоянном токе нормальной полярности. Способ этот пока не нашёл широкого применения. В стадии экспе­риментальных исследований находится использование для подвод­ной резки специальных электродов, например из карборунда, окис­лов металлов и т. д. Практического применения подобные электро­ды ещё не нашли.

Ранее всего для подводных работ стала применяться газокисло­родная резка. Практически пригодные методы и аппаратура были созданы к началу первой мировой войны, на протяжении которой они нашли уже достаточно широкое и разнообразное применение, например, для расчленения взорванных и затопленных пролётных строений мостов с целью расчистки русел и извлечения металла. Давно уже было обнаружено, что пламя ацетилено-кислородной горелки, направленное вертикально вниз, не потухает при осторож­ном погружении горелки в воду и продолжает гореть в газовом пузыре, образуемом продуктами сгорания, оттесняющими воду и не допускающими проникновения воды во внутренние части пламени.

Подводное пламя может нагревать металл до белого каления. При подаче кислородной струи на разогретую поверхность металл загорается и идёт процесс кислородной резки. Под. водой металл охлаждается весьма интенсивно, для его подогрева требуется пламя в 10—15 раз более мощное, чем для аналогичных работ на воздухе.

Подводные резаки отличаются особо мощной и развитой подо­гревательной частью и устройствами для создания и поддержания стабильного газового пузыря, оттесняющего воду от пламени и на­греваемой поверхности металла.

Продукты сгорания пламени можно разделить на конденсирую­щиеся—пары воды, получающиеся при сгорании водорода: 2Н2 + 02 = = 2Н20, и неконденсирующиеся: С02 и СО, образующиеся при сгорании углерода, избыточный кислород, дополнительно вдуваемый воздух и т. д.

Для образования устойчивого защитного газового пузыря при­годны лишь неконденсирующиеся газы. Защитный пузырь может быть создан продуктами сгорания пламени, но часто в современ­ных подводных резаках для создания защитного пузыря вдувается воздух по дополнительной наружной кольцевой щели. За неиме­нием сжатого воздуха на месте работ иногда заменяют его кисло­родом.

Устройство нормального газокислородного подводного резака показано на фиг. 248. Конструкция резака предусматривает созда­ние защитного газового пузыря посредством вдуваемого дополни­тельно воздуха или кислорода. Подогревательное пламя резака обычно зажигается и регулируется на воздухе, после чего водолаз спускается с зажжённым резаком к месту работ. При потухании подогревательного пламени производится подъём водолаза, зажига­ние и регулирование пламени резака и последующий спуск водо­лаза с зажжённым резаком. При значительных глубинах это вызы­вает весьма большие потери времени. Поэтому иногда применяется подводное зажигание пламени резака. Для этой цели резак и вспо­могательная металлическая пластинка — «зажигательная дошечка» присоединяются к полюсам низковольтной аккумуляторной батареи (фиг. 249). По сигналу водолаза зажигательная цепь замыкается, и при проведении мундштуком резака по шероховатой поверхности

зажигательной дощечки создаётся искрение, искры зажигают подо­гревательную смесь, выходящую из мундштука резака, после чего водолаз производит регулирование пламени. Подводное зажигание и регулирование пламени требуют значительного искусства от под­водного резчика и применяются обычно лишь при работе на значи­тельных глубинах.

Подводные резаки строятся с подогревательной частью для различных горючих газов. Наибольший тепловой эффект даёт аце­тилен, но его взрывоопасность и возможность самопроизвольного

взрывчатого распада при давлении свыше 1,5—2 атм затрудняют его применение в подводных работах, так как даже при небольших речных глубинах часто приходится превосходить допустимые пре­делы давления для ацетилена, чтобы преодолевать противодавление столба воды.

В настоящее время на практике ацетилен для подводной резки совершенно не применяется, чаще всего используется водород. На фиг. 248 изображён подводный резак с водородным подогревом. Водород не взрывоопасен, поэтому он позволяет работать на глу­бинах до 30—40 м и даёт длинный факел подогревательного пла­мени. Как подогревательный газ водород имеет и крупные недо­статки, к которым относится его малый удельный вес. Баллон, вме­щающий 6 м3 водорода, по весу содержит его всего 0,54 кг. По­этому требуется транспортирование значительного количества бал­лонов с водородом для обеспечения работ, что часто встречает большие затруднения.

Водородно-кислородное пламя не имеет чётко выраженного ядра, вследствие отсутствия частиц углерода в пламени, что усложняет регулирование пламени. Водород даёт меньшую калорийность пла­мени на 1 м3 по сравнению с углеводородами, что увеличивает его расход и замедляет процесс резки, увеличивая время разогрева при начале каждого реза.

Возможными, экономически более выгодными заменителями во­дорода могут служить различные газообразные углеводороды и их смеси. Трудность обеспечения подводных работ горючими газами давно выдвигала вопрос о примене­нии для этих работ жидких горю­чих, в первую очередь бензина. Мно­голетние работы по созданию под­водных бензорезов долго не давали практически пригодных результатов.

Первоначальные подводные бензоре­зы, по аналогии с обычными бензо­резами для работ на воздухе, кон­струировались с предварительным испарением бензина и подачей его паров в камеру смешения подогре­вательной части бензореза. В под­водных бензорезах применяется элек­трический подогрев бензина. Ввиду значительного расхода бензина для подогревательного пламени в усло­виях подводных работ, электриче­ский подогреватель должен иметь до­вольно значительную мощность, что значительно усложняло конструкцию и эксплоатацию подводных бензоре­зов и делало их в конечном счёте непригодными для производственного применения.

Новый принцип конструирования подводных бензорезов был предложен и реализован в период второй мировой войны. Оказа­лось возможным отказаться от предварительного испарения бензина и заменить испарение распылением или пульверизацией. Бензин распыляется кислородом, и в зону подогревательного пламени по­даётся тончайшая бензиновая пыль, успевающая испариться и сго­реть полностью. Это изобретение резко повысило эксплоатационные качества подводного бензореза и выдвинуло бензинокислородную резку, пожалуй, на первое место среди способов подводной газо­кислородной резки.

Современный подводный бензорез (фиг. 250) имеет следующее устройство. Бензин под значительным давлением поступает в каме­ру смешения по нескольким спиральным каналам малого сечения и входит в камеры отдельными тонкими струйками. К каждому выходному отверстию бензина тангенциально подходит струйка по­
догревательного кислорода, распыляющая бензин в тонкую пыль и завихривающая смесь бензина и кислорода в камере смешения особого устройства, где и происходит испарение и воспламенение распыленного бензина, догорающего в наружном факеле подогре­вательного пламени. Бензин подаётся из напорного бачка, необхо­димое давление в котором создаётся инертным негорючим газом, обычно азотом, подаваемым из баллона через редуктор. Нормаль­ная установка, помимо бензореза со шлангами, включает батарею из 6—12 баллонов кислорода, бачок для бензина и баллон с азотом. Бензорез расходует за один час непрерывной работы: кислорода 30—60 м3, бензина 10—20 кг расход азота незначителен и идёт лишь на создание давления в бензиновом бачке, поэтому одного баллона достаточно на несколько дней работы.

Преимуществами бензинокислородной резки является большая тепловая мощность подогревательного пламени, сокращение расхо­дов на транспортирование баллонов с водородом, недефицитность горючего—бензина. Бензинокислородное пламя имеет хорошо очер­ченное ядро, облегчающее регулирование пламени.

Продукты сгорания пламени содержат много неконденсирую - щихся газов СО и С02, образующих устойчивый защитный газовый пузырь, что делает излишним подведение дополнительного защит­ного воздуха или кислорода, упрощает и удешевляет установку и её эксплоатацию.

Со времени улучшения конструкции подводных бензорезов бен - зино-кислородная резка является серьёзным претендентом на первое - место среди способов подводной газокислородной резки. Подвод­ная газокислородная резка обеспечивает высокую производитель­ность. Необходимая для резки установка транспортабельна, негро­моздка, всегда готова к действию и достаточно надёжна в ра­боте, что весьма важно в условиях аварийно-спасательных опе­раций.

Наряду с указанными достоинствами подводная газокислород­ная резка имеет серьёзные недостатки, заставляющие часто при­бегать к другим процессам. К этим недостаткам относится, напри­мер, довольно заметное реактивное действие струи газов, вытекаю­щих из резака, мешающее работе водолаза-резчика. Кроме того, размеры мундштука газокислородного резака настолько значи­тельны, что он не может быть введён в полость реза, а потому при разрезке многослойных неплотных пакетов, например расшатан­ных взрывом, довольно часто встречающихся в подводных рабо­тах, возникают серьёзные затруднения. В этом случае для доступа к нижележащему элементу необходимо вырезать и удалить доста­точно широкую полосу из вышележащего элемента пакета, что представляет собой обычно трудную и требующую много времени операцию.

Одним из серьёзных недостатков подводной газокислородной резки является трудность зажигания и регулирования подогрева­тельного пламени. Операция зажигания и регулирования пламени под водой трудна и редко применяется. Зажигание и регулирова­ние пламени над водой и последующий спуск водолаза требуют много времени, особенно при значительных глубинах. Обычно при перерывах в работе подводный резчик перекрывает лишь режущий кислород, оставляя гореть мощное подогревательное пламя, потреб­ляющее много горючего и кислорода (в 10—15 раз больше, чем у нормального резака для работ на воздухе). Поскольку при под­водной резке машинное время обычно невелико, а время различ­ных вспомогательных операций (когда резки не происходит) пре­вышает машинное время в несколько раз, то общий расход кисло­рода и горючего на метр реза получается весьма значительным, превышая в несколько раз результаты лабораторных испытаний. Всякое потухание пламени резака вследствие обратного удара, пе­региба шланга и т. п. вызывает потерю времени на зажигание резака над водой и спуск к месту работ. Поэтому и действитель­ные нормы времени на выполнение работ часто сильно превосходят результаты лабораторных испытаний.

95. ПОДВОДНАЯ ЭЛЕКТРОКИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА

Под термином электрокислородная резка подразумеваются спо­собы кислородной резки, в которых подогрев металла осуществляет­ся дуговым разрядом. Способы электрокислородной резки известны уже давно, как и применение этих способов для подводных работ. Для работ на воздухе электрокислородная резка пока не нашла серьёзного производственного применения, что же касается подвод­ных работ, то существенные усовершенствования электрокислород­ной резки, сделанные за время войны, выдвинули электрокислород - ную резку на первое место среди существующих способов подвод­ной резки металла.

Электрокислородная резка разделяется на несколько видов; по материалу электрода, способу подведения кислорода к месту резки и т. п. Кислород может подводиться к месту резки или через труб­чатый электрод или по отдельной насадке. Пока практическое при­менение получили лишь трубчатые электроды. Подведение кисло­рода по отдельной насадке не получило заметного практического применения из-за конструктивных трудностей, которых не удалось преодолеть до сих пор.

Схема электрокислородной резки трубчатым электродом показа­на на фиг. 251. Подогрев металла в месте рез. а производится дугой прямого действия, горящей между стержневым электродом и основ­ным металлом. Режущий кислород подаётся к месту резки на ра­зогретую поверхность металла по внутреннему каналу электрода.

Держатель электрода подводит ток и кислород к электроду. Для пуска кислорода держатель часто снабжается вентилем режущего кислорода. Один из держателей для электрокислородной резки по­казан на фиг. 252.

Для электрокислородной резки применяются металлические,

угольные или графитные электроды и специальные электроды из раз­

личных материалов. Чаще все­го применяются металлические, именно стальные электроды. Стержень электрода изготов­ляется из толстостенной сталь­ной цельнотянутой трубки на­ружным диаметром 5—7 мм, внутренним 1,3—2,0 мм. Для изготовления электродов трубка режется на куски длиной около 450 мм, которые покрываются слоем обмазки, сушатся, прока­ливаются, и затем слой обмазки пропитывается составом, обес­печивающим водонепроницае­мость слоя покрытия (фиг. 253).

Изготовление электродов для подводной электрокислородной резки аналогично изготовлению электродов для подводной элек - Фиг. 251. Подводная электрокислород - тросварки, рассмотренному в пая резка. главе I. При работе пользуют­

ся обычно постоянным током нормальной полярности (минус на электрод), возможна работа и на переменном токе. Сила тока применяется 250—350 а, часовой расход кислорода равен 6—10 м3, причём кислород расходуется лишь во

время процесса резки, пока горит дуга. При потухании дуги резчик прекращает подачу кислорода. Благодаря этому, а также благодаря отсутствию расхода кислорода на подогревательное пламя при элек -

трокислородной резке в общем расходуется кислорода в 4—5 раз меньше, чем при газокислородной, и сильно сокращаются расходы по доставке баллонов с газами к месту работ. Для дальнейшей эконо­мии расхода кислорода часто применяется автоматический кислород­ный клапан, включаемый в цепь сварочного тока. Клапан имеет два положения: открыт — при наличии тока в цепи дуги и закрыт — при отсутствии тока в этой цепи. Клапан прост по устройству, устанавли­вается на пути кислорода над водой, поэтому надёжен в работе и устраняет возможный пере­расход кислорода вследствие невнимательности или недостаточно быстрых действий подводного резчика.

Большим достоинством электрокислородной резки стальным электродом является малый диаметр электрода, свободно входящего в по­лость реза, что позволяет легко резать пакеты с неплотно прилегающими составными частями.

Проникая в полость реза, электрод разрезает слой за слоем при любом состоянии пакета. Электрокислородная резка успешно прово­дится на значительных глубинах (до 100'лг), на которых ещё может работать человек, и применима для резки металла толщиной до 100—120 мм. Для питания дуги при электрокислородной резке до­статочен один нормальный электросварочный агрегат без каких-либо переделок в нём.

Основным недостатком электрокислородной резки стальным электродом является большой расход электродов. Под действием дуги и струи кислорода электрод сгорает весьма быстро; в среднем срок его службы равен примерно одной минуте. Быстрое сгорание электродов вызывает значительный расход и потери времени на смену электродов. Толстостенные цельнотянутые трубки, из которых изготовляются стержни электродов, достаточно дороги и дефицитны. Попытки заменить цельнотянутые трубки свальцованными, паяны­ми и другими пока не дали существенных результатов. Также не нашли пока применения электроды из металлов трудно окисляю­щихся, как медь, аустенитные стали и пр. Для изготовления элек­тродов почти исключительно применяются цельнотянутые толсто­стенные трубки малоуглеродистой стали.

Потеря времени на смену электродов в трудных условиях под­водных работ уменьшается целесообразной конструкцией держателя электродов. Чрезмерно быстрое сгорание стальных трубчатых элек­тродов привело к исследованиям по изысканию более стойких элек­тродов, обладающих увеличенным сроком службы. Предлагались, например, угольные или, лучше, графитные электроды (фиг. 254).

Осевой канал электрода должен быть покрыт облицовкой, за­щищающей материал электрода от быстрого сгорания в струе кислорода. Для этой цели предлагались медная, стеклянная или кварцевая трубочка, вставляемая в осевой канал. Медная трубочка иногда расплавляется и прожигается током, идущим по электроду,
что ведёт к зажиганию и сгоранию материала электрода и быстро приводит электрод в негодность.

Ток, идущий по электроду, сильно разогревает электрод, а по выключении тока электрод часто растрескивается вследствие бы­строго охлаждения окружающей водной средой. Для увеличения общей электропроводности электрода, уменьшения нагрева его то­ком и повышения механической прочности электродный стержень

покрывается снаружи метал­лической оболочкой, поверх которой наносится водоне­проницаемый слой обмазки. Срок службы графитного электрода длиной 250 мм 10—12 мин., К недостаткам угольных электродов отно­сятся: довольно значитель­ный внешний диаметр (15— 18 мм), не позволяющий вво­дить электрод в полость реза, что затрудняет пакетную рез­ку. Материал электрода не­достаточно прочен механи­чески. При ослаблении контакта в держателе возможен местный ра­зогрев электрода и воспламенение его в струе кислорода. Указанные недостатки пока мешают широкому применению угольных элек­тродов.

Недостатки стальных и угольных электродов повели к исследо­ваниям по созданию новых специальных электродов для электрсГ - кислородной резки. Материал электрода должен быть жароупор­ным, тугоплавким, электропроводным, стойким против окисления. Пока практически ценные результаты достигнуты с электродами из карборунда или карбида кремния S1C. Стержни, трубки и другие изделия, изготовленные из материалов, в значительной части со­стоящих из карборунда и носящих различные условные названия — глобар, силит и т. д., широко применяются 'в технике для раз­личных целей. Они нашли применение и для электрокислородной резки.

Карборундовый электрод представляет собой карборундовый стержень с осевым каналом для кислорода (фиг. 255). Облицовки внутреннего канала не требуется, так как карборунд мало чувстви­телен к действию кислорода. Стержень из карборунда достаточно электропроводен лишь при высоких температурах; для разгрузки холодной части стержня от тока он покрывается металлической стальной оболочкой, наносимой на стержень путём металлизации (напыления). Поверх металлической оболочки наносится слой водо­непроницаемой обмазки. Электрод длиной 250 мм имеет срок службы около 15 мин. Карборундовые электроды имеют ряд пре­имуществ перед угольными, они прочны механически, не загора­ются в кислороде, но сохраняют недостаток, заключающийся в
большом внешнем диаметре (15—18 мм), что затрудняет введение электрода в полость реза при разрезании пакетов.

Переходя к оценке способов подводной электрокислородной рез­ки, следует на первом месте поставить стальной электрод, на вто­ром карборундовый, на третьем угольный, целесообразность приме­нения которого вообще сомнительна. В зависимости от местных условий соотношения могут меняться, и, например, для резки ме­талла небольших толщин и при отсутствии тяжёлых пакетов карбо­рундовый электрод может оказаться наилучшим.

В настоящее время подводная электрокислородная резка для большинства случаев несомненно является наиболее рациональным процессом, превосходящим по основным технико-экономическим показателям как газокислородную, включая бензинокислородную, так и электрическую дуговую резку. Электрокислородная резка обеспечивает высокую производительность работ при наименьшей их стоимости.

3. Система «контактная» (фиг. 121, в), при которой карбид кальция и вода периодически приводятся в соприкосновение и вновь разъединяются в зависимости от расхода ацетилена, производимого генератором. При разъединении с водой разложение карбида про­изводится остатками воды, смачивающей куски карбида, в усло­виях очень плохого охлаждения. В результате неизбежен перегрев ацетилена и его полимеризация. Контактная система применяется обычно лишь для переносных генераторов малой производитель­ности. Контактная система является наихудшей по низкому выходу ацетилена и его качеству. Несмотря на указанные недочёты, кон­тактная система до сих пор находит практическое применение, вследствие простоты конструкции и обслуживания генератора.

По производительности различают генераторы малой произво­дительности— до 3 м31час ацетилена, средней производительности — до 30 м31час и большой — свыше 30 м3/час. Генераторы могут быть передвижными и стационарными; производительность передвижных обычно не превышает 5—-15 м31час. Весьма важной характеристи­кой ацетиленового генератора служит рабочее давление производи­мого ацетилена. Давление определяется главным образом кокструк-

[1] Весьма высокую температуру может дать сжигание фтора в водороде. F2+H2—2HF, однако использование этой реакции для целей сварки пока - не вышло из стадии лабораторных исследований.

[2] Рампа — трубчатый коллектор для соединения нескольких баллонов с газом в общую батарею.