СВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Характеристика источников нагрева при сварке плавлением

Электрическая сварочная дуга - это устойчивый вид электрического разряда в газах, существующий при токах от десятых долей ампера до сотен ампер. Сварочная дуга характеризуется высокой плотностью тока в электропроводном газовом канале, выделением большого количества тепловой энергии и сильным световым эффектом.

В электрической дуге энергия источника питания преобразуется в кинетическую и потенциальную энергии частиц плазмы, которые в свою очередь передаются электродам и частично превращаются в электромагнитное излучение.

Электрическая дуга по длине имеет три области (катодную, анодную, столб дуги), отличающиеся физическими явлениями, протекающими в них (рис. 31).

Участки, непосредственно примыкающие к электродам, называют катодной (у отрицательного электрода) и анодной (у положительного электрода) областями. Между этими областями располагается наиболее протяженная (1с = 0,05-0,5 см) высокотемпературная область разряда - столб дуги. По ориентировочным данным протяженность катодной области (/к) равна нескольким длинам свободного пробега нейтральных атомов, т. е.

lK ~ 10-4-10-5 см. Анодная область приравнивается к длине свободного пробега электрона (la « 10-3-10-4 см).

Распределение потенциала по длине электрической дуги неравномерное. Около электродов имеют место скачки падения потенциалов, вызванные условиями прохождения электрического тока на границе между ионизированным газом и металлическими электродами. Общее падение напряжения на дуге

Ud = Uk+ Ua+ Uc,

где Uk и Uа - катодное и анодное падение напряжения; Uc - падение напряжения в столбе дуги.

Дуговой разряд обязан своим существованием процессам на катоде. Катод является «поставщиком» электронов. Причины выхода электронов из катода могут быть различными. Наиболее вероятный механизм - термоэлектронная эмиссия, возникающая при высокой температуре катода, если он выполнен из тугоплавкого материала (например, из вольфрама - Тпл = 3650 К).

Электроны, эмиттированные катодом, ускоряются в катодном пространстве под действием сильного электрического поля (Ек « 105-106 В/см). На внешней границе катодного пространства электроны сталкиваются с молекулами и атомами газа межэлектродного пространства. При этом возможны два вида столкновений - упругие и неупругие. При упругих столкновениях частица, в которую попал электрон, начинает двигаться быстрее - увеличивается ее кинетическая энергия. В результате повышается температура газа. При неупругих соударениях электроны могут передать частицам газа энергию, достаточную для ионизации, в результате чего атом (или молекула) ионизируется, т. е. образуются новые заряженные частицы - электрон и положительный ион. Энергия, которая должна быть сообщена атому для его ионизации, выражается в электронвольтах (эВ) и называется потенциалом ионизации. Наименьшим потенциалом ионизации (3,9 эВ) обладает атом цезия, наибольшим - гелий (24,5 эВ).

Таким образом, кинетическая энергия эмиттированных электронов, приобретенная ими в электрическом поле вблизи катода, расходуется на ионизацию и нагревание газа в разрядном промежутке.

Процессы в столбе дуги не зависят от вида эмиссии катода. Электроны отдают часть энергии ионам, нейтральным атомам и молекулам при многократных столкновениях с ними в беспорядочном тепловом движении. В результате интенсивной термической ионизации столб дуги представляет собой ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц (электронов, ионов) и нейтральных молекул или атомов, имеющий высокую температуру. Такой ионизированный газ носит название плазмы. Под действием электрического поля, приложенного к электродам, электроны движутся в столбе дуги к аноду, а положительно заряженные ионы - к катоду.

В любом малом объеме столба дуги непрерывно происходят те или иные процессы, связанные со столкновением частиц газа между собой при их хаотическом тепловом движении и с взаимообменом энергии между ними.

Если газ молекулярный, то при относительно низкой температуре (от 4х103 до 8х103 К), характерной для периферийных зон столба дуги, происходит диссоциация молекул, т. е. разделение их на отдельные атомы. Этот процесс протекает с поглощением значительного количества теплоты. С возрастанием температуры, по мере приближения к оси столба от периферийной области дуги (до 104 К) в плазме усиливаются процессы ионизации. При более высоких температурах развиваются процессы многократной ионизации атомов.

Наоборот, при движении от оси столба дуги к периферии с уменьшением температуры протекают процессы: рекомбинация - процесс, обратный

ионизации, и молизация - процесс, обратный диссоциации. Эти процессы протекают с выделением теплоты.

В анодной области электрический ток создается отрицательно заряженными частицами - электронами, которые, ударяясь о поверхность анода, передают ему энергию.

Различие в физических процессах у анода и катода вызывает различие и в потоках энергии на эти электроды. На катод «поступают» кинетическая энергия ионов, ускоренных полем катодного пространства, энергия рекомбинации ионов на поверхности катода и кинетическая энергия нейтральных атомов и молекул. Уносится энергия с поверхности катода (в его массу) за счет теплопроводности, излучением и эмиттируемыми с катода электронами. Часть энергии расходуется на испарение материала катода.

На анод «поступают» энергия электронов, накопленная в поле разряда, энергия работы выхода электронов, энергия от столба дуги (за счет излучения) и энергия потоков нагретого газа. Расходуется энергия на нагрев и плавление анода.

На рис. 32 представлено распределение подводимой тепловой мощности между катодом и анодом. Мощность, выделяемая на аноде, составляет 75-80% общей подводимой мощности. Поэтому анодом при сварке, как правило, служит свариваемая деталь.

Одной из важнейших характеристик дуги является статическая вольт - амперная характеристика (рис. 33), отражающая зависимость напряжения на дуге от сварочного тока. Эта характеристика служит основным критерием при выборе источника питания дуги.

В области I увеличение тока приводит к резкому падению напряжения дуги, которое обусловливается тем, что при этом в маломощных дугах

происходит разогрев электродов, увеличение площади сечения столба дуги и электропроводимости. Форма статической характеристики дуги на этом участке падающая.

U

В области II напряжение дуги почти не изменяется, что объясняется увеличением сечения столба дуги и активных пятен, пропорциональных изменению силы сварочного тока. Поэтому в результате плотность тока и падение напряжения во всех участках дугового разряда сохраняются постоянными. В этом случае статическая характеристика сварочной дуги называется «жесткой».

При дальнейшем увеличении сварочного тока (область III) напряжение дуги снова возрастает. Это объясняется повышением плотности тока без роста размеров катодного пятна.

При сварке деталей электронных приборов обычно используется электрическая дуга, горящая между неплавящимся вольфрамовым электродом и изделием. Дуга горит в среде инертного газа (аргона, гелия или их смеси), обеспечивающего защиту электрода и изделия от воздействия окружающей среды. Электрическая дуга является наиболее дешевым и простым источником нагрева при сварке, однако обладает недостаточно высокой концентрацией энергии в пятне нагрева, что ограничивает ее применение при сварке изделий с малой толщиной соединяемых кромок.

Микроплазменная дуга. Микроплазменная дуга является разновидностью дуги, горящей между неплавящимися электродом и изделием. Как отмечалось, свободная дуга обладает недостаточно высокой концентрацией энергии в пятне нагрева. Для увеличения плотности энергии в месте нагрева предложили сжимать столб дуги путем охлаждения его дополнительным потоком газа. Сжатие столба дуги осуществляется в специальном устройстве - плазмотроне. На рис. 34 представлены для сравнения схемы горелки для аргонодуговой сварки и плазмотрона. Следует отметить, что последний имеет дополнительное формирующее сопло 2, обеспечивающее принудительное охлаждение столба дуги потоком газа (сопло электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации столба дуги).

Непосредственное возбуждение дуги между электродом и изделием через сопло 2 небольшого (0,6-0,8 мм) диаметра осуществить трудно. Поэтому первоначально возбуждается вспомогательная дуга между электродом 1 и соплом 2. Сила тока вспомогательной дуги обычно не превышает 2 А. Питается такая дуга, как правило, от автономного блока, встроенного в источник питания. Возбуждение вспомогательной дуги в плазменных горелках осуществляется высокочастотным разрядом осциллятора. Вспомогательная дуга проходит через сопло под давлением плазмообразующего газа. Ее анодное пятно перемещается по внутренней стенке канала сопла, а столб дуги оказывается жестко стабилизирован по осям электрода и сопла. Часть плазмообразующего газа, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла горелки в виде плазменной струи. При сближении горелки со свариваемым изделием (на расстояние выхода плазменной струи из сопла) плазма вспомогательной дуги образует электропроводящую дорожку между вольфрамовым электродом и деталью (анодом), в результате чего возбуждается основная электрическая дуга. Наружный слой плазмообразующего газа, омывающего столб дуги, остается относительно холодным и является электрической и тепловой изоляцией между столбом дуги и каналом сопла, предохраняя сопло от разрушения. Кроме того, наружный слой газа усиленно охлаждает столб дуги, в результате чего сечение столба уменьшается, а плотность тока и температура в нем возрастают. Степень сжатия столба дуги растет (до определенного предела) при уменьшении диаметра формирующего сопла и увеличении расхода плазмообразующего газа.

Плазменный поток, сжатый при прохождении через охлаждаемое формирующее сопло, сохраняет цилиндрическую форму после выхода из сопла только при относительно больших токах. Микроплазменная дуга с силой тока до 25 А требует дополнительных мер для сохранения ее высокой концентрации в промежутке «сопло-деталь». С этой целью в состав защитного газа вводят добавки, повышающие теплоотвод от столба дуги. Защитный газ, обеспечивающий защиту сварного соединения от контакта с воздухом,
подается концентрично плазменной дуге через внешнее керамическое сопло 3 плазмотрона (рис. 34, б).

Наиболее эффективным защитным газом, используемым в плазмотроне, является смесь аргона с водородом, с содержанием последнего 0,5-10 %. Водород, диссоциируя в периферийных областях столба дуги, поглощает значительное количество теплоты и тем самым охлаждает столб дуги, приводя его к сжатию. В случае, когда не допускается применение водорода, в качестве защитного газа используются аргоно-гелиевые смеси. Сжатие столба дуги в микроплазменных горелках существенно меняет форму ее вольтамперной характеристики. На рис. 35 представлены для сравнения характеристики открытой и микроплазменной дуг в области малых токов. Из сопоставления кривых видно, что происходит сдвиг характеристики микроплазменной дуги вверх при устранении крутопадающей ветви, характерной для открытой дуги в области малых токов.

Электронный луч. При электронно-лучевой сварке в качестве источника нагрева используется поток электронов, движущихся в высоком вакууме. При бомбардировке электронами поверхности металлов подавляющая часть их кинетической энергии превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла. Для сварки необходимо получить свободные электроны, сконцентрировать их и сообщить скорость с целью увеличения энергии, которая должна превратиться в теплоту при торможении электронов в свариваемом металле. Электроны эмиттируются катодом. Ускорение электронов обеспечивается электрическим полем с высокой разностью потенциалов между катодом и анодом.

Фокусировка - концентрация электронов на малой площади пятна нагрева - достигается применением специальных магнитных линз.

Электронный луч, используемый для нагрева металла при сварке, создается в специальном приборе - электронной пушке.

Электронная пушка представляет собой устройство, с помощью которого получают электронные пучки с малым диаметром пятна нагрева и высокой плотностью энергии в нем (рис. 36).

Пушка имеет катод 1, который нагревается до рабочей температуры с помощью нагревателя. Катод размещен внутри прикатодного электрода 2. На некотором расстоянии от катода находится ускоряющий электрод (анод) 3 с отверстием. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля между ними, которое фокусирует электроны в пучок с диаметром d^, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков киловольт, поэтому электроны, эмиттированные катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и энергию.

После ускоряющего электрода электроны двигаются равномерно. Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга, вследствие чего диаметр пучка увеличивается, а плотность энергии в пучке уменьшается.

Для увеличения плотности энергии в пучке после выхода электронов из анода их фокусируют магнитным полем в специальной магнитной линзе 4. Сфокусированный поток электронов, попадая на поверхность свариваемых кромок, тормозится. При этом кинетическая энергия электронов превращается в теплоту, идущую на разогрев металла 6 при сварке. Для перемещения луча по поверхности свариваемого изделия на пути электронов помещают магнитную отклоняющую систему 5, позволяющую устанавливать электронный луч точно по линии стыка свариваемых кромок.

Для обеспечения свободного движения электронов от катода к аноду и далее к изделию, для предотвращения «отравления» катода, а также для устранения возможности возникновения дугового разряда между электродами в камере электронно-лучевой установки создается высокий вакуум - примерно 10-4 мм рт. ст. (1,33x10-2 Па). Движение электронов в вакууме не

сопровождается световыми эффектами и поэтому луч не виден, но место воздействия луча на свариваемый материал можно наблюдать за счет разогрева (свечения) последнего.

Форма шва, размеры зоны термического влияния и другие параметры сварного соединения зависят от плотности энергии в пятне нагрева. Эта характеристика электронного луча может регулироваться в широких пределах. При малой плотности энергии, не превышающей 104-105 Вт/см2, воздействие электронного луча аналогично воздействию электрической дуги на металл. Применение электронного луча в подобных случаях вызывается необходимостью либо надежно защищать свариваемые детали от воздействия окружающей атмосферы (например, при сварке катодных узлов электровакуумных приборов), поскольку электронно-лучевая сварка производится в вакууме, либо получать узкие сварные швы, что невозможно при дуговой сварке.

С увеличением плотности энергии в пятне нагрева свыше 105 Вт/см2 процесс плавления свариваемых кромок начинает сопровождаться интенсивным испарением металла. При этом возрастает давление паров испаряющегося вещества на поверхность расплавленной ванны, образуется углубление и формируется канал (рис. 37). При движении электронного луча плавление происходит на передней стенке канала, после чего расплавленный металл перемещается к задней стенке, не подвергающейся нагреву электронным лучом. Такой режим нагрева используется при сварке тугоплавких и теплопроводных металлов и металлов больших толщин.

/

/

Высокая концентрация энергии в луче обусловливает возможность получения малого объема сварочной ванны и минимальных размеров зоны термического влияния.

Малый объем литого металла и кратковременность теплового воздействия обеспечивают незначительные термические деформации свариваемых деталей, а также возможность выполнять сварные швы вблизи термочувствительных элементов (например, вблизи металлостеклянных или металлокерамических спаев, чувствительных к термоударам).

Лазерный луч для целей сварки начал использоваться в начале 60-х гг. XX века. В эти годы появились лазеры достаточной мощности.

Работа лазеров основана на использовании запасов внутренней энергии атомов и молекул вещества, образующих микросистемы. Последние состоят из большого числа микрочастиц. Микросистемы подчиняются законам квантовой механики и обладают основным свойством квантовых систем - дискретностью (прерывистостью) их энергетических состояний.

Иными словами, энергия этих систем не изменяется непрерывно, а принимает лишь некоторые определенные значения. Этим значениям энергии соответствуют так называемые энергетические уровни. Атом (молекула) в микросистеме находится на определенном энергетическом уровне. Переход атома или молекулы с одного уровня на другой совершается скачком, при этом поглощается или, напротив, испускается квант света - фотон. При переходе атома на более высокий энергетический уровень фотон поглощается, при переходе же атома на более низкий уровень происходит его испускание. Энергия поглощаемого или испускаемого фотона равна разности энергий уровней атома, между которыми совершается переход.

В естественных условиях, когда вещество находится в тепловом равновесии с окружающей средой, его частицы занимают преимущественно нижние уровни. Однако в результате взаимного влияния микрочастиц и их взаимодействия с внешними электромагнитными полями некоторая часть частиц в системе всегда будет находиться на более высоких уровнях. Положение частиц на верхних уровнях не является неизменным, они могут самопроизвольно переходить с одного уровня на другой. При самопроизвольном (спонтанном) переходе на нижние уровни частицы хаотически излучают фотоны с различными длинами волн, т. е. имеющие широкий волновой спектр. Примером такого излучения является излучение обычных источников света - ламп накаливания, газосветных ламп и др.

Теперь предположим, что имеется вещество, состоящее из атомов, которые могут занимать только два уровня Ej и E2, причем Ej<E2. Будем облучать вещество, атомы которого находятся на уровне Е2, фотонами с энергией, равной Е2 - Е1 (рис. 38). Под действием этих фотонов атомы могут перейти обратно на уровень Е1 . При этом возникают дополнительные фотоны, имеющие энергию Е2 - Е1. Это и есть процесс вынужденного испускания света. «Вынуждает» облучающий фотон, играющий в данном случае роль своеобразного «спускового механизма», который «сталкивает» атом с верхнего энергетического уровня на нижний. Появляющийся новый фотон (при переходе атома на уровень Е1) будет точной копией первичного фотона. Оба фотона имеют не только одну и ту же энергию, но и одно и то же направление движения.

Таким образом, имеется два типа процессов испускания фотонов атомами и молекулами: вынужденное и спонтанное. Первый процесс управляемый - его инициирует первичный фотон, который не только вызывает переход атома с уровня Е2 на уровень Е1, но и определяет направление движения возникающего нового фотона. Второй процесс имеет случайный характер: случайно

происходит момент перехода, случайно направление движения родившегося фотона.

Для получения вынужденного излучения искусственно создается возбужденная квантовая система, в которой частицы находятся преимущественно на верхних уровнях. Такая микросистема называется активной средой. Отдельные атомы или молекулы этой среды обладают очень важным свойством: оказавшись на одном из верхних энергетических уровней, они могут относительно долго оставаться на нем, не торопясь самопроизвольно возвратиться на нижние уровни. Поэтому можно «накопить» достаточно много атомов (молекул) на верхнем уровне так, что их станет значительно больше, чем на нижних уровнях. В результате будут созданы условия для преобладания процессов вынужденного испускания света над процессами поглощения света. Уровень, на котором можно накопить избыток атомов или молекул, называют долгоживущим, а сами атомы и молекулы - активными центрами.

Конкретный активный элемент - алюмоиттриевый гранат с неодимом - представляет собой прозрачный кристалл. Активными центрами являются ионы неодима, которые вводятся в кристалл граната в процессе изготовления активного элемента.

На рис. 39 показана упрощенная схема энергетических уровней иона неодима в гранате. Поглощая излучение специальной лампы-осветителя, ионы неодима возбуждаются: переходят на верхние уровни 3. Затем очень скоро они переходят на уровень 2 и там накапливаются. Уровень 2 и есть долгоживущий уровень, о котором говорилось ранее. Активный элемент будет готов к работе тогда, когда на уровне 2 накопится значительно больше ионов неодима, чем их имеется на уровне 1. Теперь достаточно «сигнала», роль которого сыграет фотон с энергией, равной разности энергий уровней 2 и 1, чтобы произошел переход ионов с уровня 2 на уровень 1.

В результате этого перехода возникает лавина фотонов, которая будет представлять собой лазерное излучение.

На рис. 40 схематично показаны элементы, необходимые для возбуждения активных центров в лазере на гранате с неодимом. Активный элемент 1 и лампа-осветитель 2 имеют цилиндрическую форму. Их помещают внутрь отражателя 3 таким образом, чтобы большая часть световой энергии, испускаемой лампой-осветителем, концентрировалась на активном элементе.

Когда говорят о возбуждении активных центров, применяют термин «накачка», имея в виду, что активные центры как бы накачиваются энергией, накапливаясь на долгоживущем уровне. Накачка может производиться с

помощью мощных световых импульсов, генерируемых лампой-вспышкой (импульсная накачка). Возможно также непрерывное облучение активного элемента лампой-осветителем (непрерывная накачка). Итак, накачка

обеспечивает возбуждение активной среды, необходимое для генерации светового пучка.

Рис. 40. Основные элементы лазерной головки: 1 - активный элемент,

2 - лампа-осветитель, 3 - отражатель

Теперь важно понять: как зарождается генерация лазерного излучения. Начинается процесс со спонтанного испускания света. Роль первичных фотонов, дающих начало процессу лазерной генерации, играют фотоны, которые родились в результате спонтанных переходов активных центров с уровня 2 на уровень 1 (см. рис. 39). Каждый спонтанно родившийся фотон может затем инициировать появление целой лавины вторичных фотонов, летящих в том же направлении, что и первичный фотон. Но спонтанно рождающиеся фотоны испускаются активными центрами несогласованно во времени и притом в самых разных направлениях. Значит, в разных направлениях будут распространяться лавины вторичных фотонов.

Чтобы упорядочить процесс генерации лазерного излучения, ставится оптический резонатор. Оптический резонатор - это два зеркала с общей оптической осью, которая фиксирует в пространстве направление лазерного луча. Активный элемент находится между зеркалами, т. е. внутри резонатора (рис. 41). Направление генерации лазерного излучения обозначено на рис. 41 стрелкой. Спонтанные фотоны, случайно родившиеся вследствие направления О-О, будут проходить внутри активного элемента относительно длинный путь, который многократно увеличивается вследствие отражения излучения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбужденными активными центрами, эти фотоны инициируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которые образуют лазерный луч. Спонтанные фотоны, которые родились в иных направлениях, равно как и соответствующие им лавины вторичных фотонов, пройдут внутри активного элемента сравнительно короткий путь и выйдут за его пределы.

Таким образом, зеркала оптического резонатора выделяют в пространстве определенное направление, вдоль которого реализуются наиболее благоприятные условия для развития фотонных лавин. Это и есть направление лазерного луча, который выходит из резонатора через одно из его зеркал (так называемое выходное зеркало является частично прозрачным для лазерного

излучения).

Принципиальная схема лазера проста. Она включает в себя активный элемент (активную среду), устройство для накачки активного элемента и зеркала оптического резонатора (рис. 42). В качестве активных сред используют кристаллы, специальные стекла, полупроводники, жидкие растворы красителей, газовые смеси.

В сварочной технике в основном используют твердотельные и газовые лазеры. В качестве активной среды применяют соответственно гранат с неодимом, стекло с неодимом, рубин и газовые смеси на основе СО2. В твердотельных лазерах используется оптическая накачка, в газовых - электрический разряд.

Несмотря на различие в конструкции, лазеры выполняют одну функцию - являются генераторами когерентного света. Если воспользоваться волновыми представлениями, то излучение можно представить в виде «элементарных волн», зарождающихся в активной среде; их обычно называю волновыми цугами. На рис. 43, а показано излучение некогерентного света, на рис. 43, б - свет идеально когерентен, т. е. все волновые цуги распространяются в одном направлении, имеют одинаковую длину волны и находятся в фазе друг с другом. Когерентность лазерного луча проявляется прежде всего в высокой степени его монохроматичности, т. е. получаемое излучение имеет практически одну длину волны. Так, лазер на основе граната с неодимом излучает свет в инфракрасной области на длине волны 1,06 мкм; СО2-лазер генерирует инфракрасное излучение на длине волны 10,6 мкм.

Высокая степень когерентности проявляется также в очень малой расходимости лазерного луча. Если представить пучок с высокой энергией накачки степенью когерентности в виде совокупности световых лучей, то все эти лучи будут практически параллельны, как уже отмечалось, монохроматичны. Это позволяет сфокусировать их в пятно диаметром, равным длине световой волны, т. е. примерно 1-10 мкм.

Лазерное излучение отличается не только когерентностью, но и возможностью необычайно сильно концентрировать световую энергию в пространстве. Если допустить, что излучение СО2-лазера мощностью 1 кВт сфокусировано на площадке диаметром 1 мм, то интенсивность лазерного луча будет составлять 105 Вт/см2. Подобная плотность мощности достаточна, чтобы плавить многие металлы при сварке.

Перечисленные свойства излучения оптического квантового генератора позволяют отметить некоторые достоинства его как источника нагрева при сварке:

- высокая концентрация энергии в пятне нагрева в совокупности с небольшими размерами этого пятна (доли миллиметра) позволяет сваривать детали с малой толщиной кромок (от 50 мкм), а также производить сварку вблизи термочувствительных элементов;

- малое поперечное сечение сфокусированного луча при достаточно больших расстояниях от лазерной головки до свариваемой детали позволяет производить сварку в труднодоступных местах.

Уникальным свойством лазерного излучения является возможность подвода энергии к месту сварки через твердые, прозрачные для излучения материалы. Это позволяет производить сварку в вакууме или в инертной газовой среде, создаваемой в сварочных камерах.

Пламя газовой горелки. Нагрев пламенем газовой горелки применяется непосредственно для сварки плавлением значительно реже, однако используется при сварке давлением и пайке. В основе этого способа сварки лежит метод получения теплоты за счет химических реакций сгорания газообразных веществ в кислороде или воздухе (в воздухе содержится 21 % кислорода).

При сгорании различных видов топлива температура пламени различна и, как правило, превышает 1000 °С. Наибольшей теплотворной способностью обладают горючие газы. Температура пламени определяется формулой Т = Q/(mc), где Q - теплота реакции окисления (для водорода 242 кДж/моль); m - масса продукта реакции; с - его теплоемкость.

Расчет по приведенной формуле дает значение температуры для водородного пламени Т = 5300 °С. В действительности же температура водородного пламени не превышает 2350 °С. Это связано с тем, что процесс сгорания очень сложен, и одновременно с процессом окисления при высоких температурах развиваются обратные реакции разложения паров воды на кислород и водород, исходных молекул кислорода и водорода на атомы - все эти реакции идут с поглощением теплоты, что понижает температуру пламени горелки.

Большинство горючих газов представляют собой соединения углерода с водородом: метан (СН4), этилен (С2Н4), пропан (С3Н6), бутан (С4Н8), природный газ - смесь метана, пропана и бутана, бензин (C6H12), бензол, ацетилен С2Н2. Схема их сгораний гораздо сложнее окисления водорода. Максимальная температура пламени в этом случае, как правило, выше, потому что сначала происходит разложение (пиролиз) углеводорода на составляющие - водород и углерод с большим тепловыделением, а затем окисление водорода и углерода. Чем больше углерода содержится в горючем газе, тем выше температура пламени. Наиболее высокую температуру пламени дает горючая смесь кислорода с ацетиленом (около 3300 °С), поэтому ацетилено-кислородное пламя наиболее широко применяют для сварки металлов. Окончательными продуктами сгорания углеводородов являются пары воды Н2О и углекислый газ СО2.

Зачем нужна столь высокая температура газового пламени, если температура плавления большинства материалов находится в пределах 600-1600 °С? Дело в том, что для передачи теплоты от пламени к изделию необходимо, чтобы теплота передалась через поверхность сварочной ванны, причем пламя в виде газового потока контактирует с ней кратковременно. При этом пламя отдает ванне только часть теплоты, остальная теплота (отходящие газы) передается окружающей её среде, температура которой в результате на 300-400 °С выше температуры поверхности ванны. Поэтому, например, минимальная температура пламени для сварки сталей (1500 °С) должна быть порядка 2000 °С. Чем выше действительная температура пламени, тем быстрее происходит нагрев и эффективнее протекает процесс сварки.

Для проведения сварки тепловое воздействие должно быть сосредоточено на кромках изделия, на минимальной площади. Конструкция горелки такова, что позволяет обеспечить этот размер площади. В горелке происходит образование кислородно-ацетиленовой смеси и истечение её из сопла в виде тонкой струи. Скорость истечения должна быть равна скорости горения (10-13 м/с - для кислородно-ацетиленового пламени и 7 м/с - для заменителей ацетилена). Если скорость истечения меньше, то пламя проникает внутрь горелки, взрывается (хлопок) и гаснет. При очень большой скорости истечения оно отрывается от сопла и гаснет. Скорость истечения смеси и ее состава регулируется вентилями на входных магистралях горелки.

По составу горючей смеси сварочное пламя подразделяют на нейтральное, окислительное и науглероживающее. Нейтральное пламя обеспечивается при равных объемах ацетилена и кислорода в смеси. Если в смеси кислорода больше, чем ацетилена, то такое пламя является окислительным. Избыток кислорода вызывает окисление сварочной ванны и ухудшает свойства шва. Преобладание в смеси ацетилена делает пламя науглероживающим, что также ухудшает свойства шва. Оптимальный состав горючей смеси такой, когда кислород и углерод в процессе горения взаимодействуют полностью (нейтральное пламя).

Заданная скорость истечения горючей смеси из горелки определяет тепловую мощность пламени. Для увеличения общего количества теплоты пламени надо увеличивать расход газа при постоянной скорости его истечения, т. е. увеличивать диаметр сопла горелки, что соответственно уменьшает степень сосредоточения пламени на кромках и коэффициент полезного действия горелки.

Для микросварки и пайки в электронике и микротехнике используют сварку миниатюрным кислородно-водородным пламенем горелки с соплом типа «медицинская игла».

Горючие газы (водород и кислород) получают электролитическим разложением водных растворов, например едкого калия (КОН). Количество газа регулируется током электролиза, при этом получается пламя диаметром около 1 мм, длиной до 15 мм, температурой до 3000 °С.

Газовая сварка имеет целый ряд технологических преимуществ перед другими методами сварки: простое и дешевое оборудование, дешевые исходные материалы (горючие газы и кислород), простой способ возбуждения и регулирования процесса (редукторами и вентилями на горелке), хорошая маневренность, позволяющая проводить сварку в любом пространственном положении, возможность соединять углеродистые и легированные стали, а также сплавы цветных металлов, регулировать состав горючей смеси, что позволяет целенаправленно управлять металлургическими процессами в ванне (например, при сварке латуни для уменьшения испарения цинка применяют окислительное пламя, а при сварке легкоокисляющегося алюминия - восстановительное).

К недостаткам газового пламени, как источника нагрева, следует отнести низкую эффективность нагрева, что приводит к получению широких швов и широкой зоны термического влияния, а также недостаточно высокую производительность процесса. Кроме того, специфика тепловыделения создает большие трудности при автоматизации процесса сварки и делает ее мало перспективной в автоматизированном производстве и безлюдной технологии.