СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

ГАЗОВАЯ СВАРКА И РЕЗКА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГАЗОПЛАМЕННОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ

Газопламенной сваркой металлов называют процесс, при котором плавление основного и присадочного мате­риалов происходит в пламени открытой горелки. Поддер­жание пламени горелки осуществляют подачей одного или нескольких горючих газов или жидкостей в смеси с кислородом. И хотя газопламенная сварка не позволяет достичь той же скорости и простоты, как дуговая сварка, многие отдают ей предпочтение из-за большей мобиль­ности и универсальности. При газовой сварке происходит сплавление двух заготовок с образованием сварного шва, который после остывания имеет такую же прочность, как и исходный металл. Металл, соприкасаясь с пламенем и окружающими воздухом, подвергается структурным из­менениям, характер которых зависит от свойств самого металла и режимов газопламенной обработки. При газо­пламенной обработке происходит изменение структуры металла, содержания в нем примесей и легирующих до­бавок, обогащение кислородом и другими газами, что, в свою очередь, может вызывать окислительные процессы.

В результате плавления металла под воздействием пла­мени образуется жидкая сварочная ванна, внутри кото­рой происходят сложные физические и химические про­цессы. Одним из таких процессов является образование оксида железа (FeO), который реагирует с примесями, содержащимися в металле и в первую очередь с кремни­ем и марганцем. При этом вредные примеси, содержащи­еся в сварочной ванне, частично выводятся в сварочный
шлак, а частично испаряются в' атмосферу в виде ґазов. Для защиты сварочной ванны от атмосферного воздей­ствия применяют те же методы, что и при дуговой сварке, в первую очередь — флюсы. Расплавленные флюсы вместе с вредными примесями образуют на поверхности свароч­ной ванны пленку, которая предохраняет жидкий металл от контакта с атмосферным воздухом и газами, содержа­щимися в пламени горелки, а остывая, превращается в корку шлака. .

Газопламенная обработка металла, выполняемая при газовой сварке, способствует повышению температуры основного и присадочного материалов, достаточной для плавления металлов в пределах границ раздела со свароч­ной ванной. В результате этого в сварочной ванне присут­ствуют два вида металлов (основной и присадочный), которые перемешиваются между собой, а под действием флюсов и газов, содержащихся в пламени и атмосфера ном воздухе, взаимодействуют с ними, изменяя свои свойства и состав. По мере удаления от эпицентра пламе­ни температура металла снижается и возникают процес­сы кристаллизации, образуя сварочный шОв. При этом структура металла шва имеет вытянутые укрупненные и направленные к центру кристаллы. Рассмотрим же более подробно процессы, происходящие в зоне действия от­крытого пламени горелки.

Сварочное пламя образуется в результате сгорания го­рючих газов или паров горючих жидкостей в смеси с тех­ническим кислородом. При этом пламя имеет сложную структуру и строение, которое показано на рис. 69. Каче­ство газовой сварки во многом зависит от правильности регулировки пламени, которое сварщик выставляет «на глаз» по форме и цвету. Поэтому очень важно знать стро­ение и структуру пламени газовой горелки, чтобы учиты­вать это в повседневной работе. Форму, цвет и структуру

пламени горелки меняют соотношением ацетилена и кис­лорода, подаваемых в зону горения. В качестве примера рассмотрим ацетилено-кислородное пламя.

Ядро пламени имеет форму цилиндра с заостренным концом, вокруг которого расположена ярко светящаяся оболочка. Длина ядра пламени регулируется скоростью подачи газовой смеси и ее качественным составов. Диа­метр ядра зависят от размеров мундштука и расхода го­рючей смеси.

Строение пламени меняется при изменении соотно­шения смеси и может быть: нормальным, науглерожен - ным и окислительным (рис. 70).

Нормальное пламя получается, когда на один объем горючего газа подается один объем кислорода. Если в ка­честве горючего газа принят ацетилен, то процесс его нормального сгорания можно записать в следующем виде:

С2Н2 - О, ** 2СО+ Н2;

При этом продукты неполного сгорания догорают за счет кислорода, присутствующего в атмосферном возду­хе, по следующей реакции:

2СО +Н2 + 1,50а = 2С02 + Н20.

Так как абсолютно чистых веществ в природе не быва­ет и кислород содержит в себе некоторое количество при­месей, то нормальное пламя получается при некотором его повышенном значении, то есть при соотношении аце­тилена и кислорода, равном 1,1 : 1,2. Ядро нормального пламени светлое со слегка затемненной восстановитель-

ной зоной и факелом. По форме ядро пламени напомина­ет цилиндр с четкими очертаниями и закругленным кон­цом. Диаметр цилиндра зависит от размера мундштука сварочной горелки, а длина— определяется скоростью истечения газовой смеси. Вокруг ядра пламени размеща­ется светлая оболочка, в которой происходит сгорание раскаленных частиц углерода. При высокой скорости по­дачи газа пламя способствует сгоранию металла и выду­ванию его из сварочной ванны. Малая скорость подачи газов чревата обратными ударами и хлопками.

Восстановительная зона пламени имеет более темный цвет и располагается в пространстве в пределах 20 мм от конца ядра. Температура пламени в этой зоне может дос­тигать 315СГС (при сгорании ацетилена). Размер восстано­вительной зоны зависит от номера сварочного мундшту­ка. При помощи этой зоны пламени нагревают метал, плавят его и ведут сварку. Остальная часть пламени, рас­положенная за восстановительной зоной, состоящая из углекислого газа, паров воды и азота, имеет значительно меньшую температуру.

Науглероженное пламя получается, когда соотношение ацетилена и кислорода превышает указанное соотноше­ние, то есть становится больше значения 1,1. Теоретичес­ки науглероженное пламя получается, когда в горелку подается 0,95 объема кислорода и менее. В этом случае ядро пламени увеличивается в объеме и теряет свои очер­тания. Недостаток кислорода в таком пламени приводит к неполному его сгоранию, и оно начинает коптить. Избы­ток ацетилена в науглероженном пламени приводит к его разложению на углерод и водород. Углерод из пламени переходит в металл, науглераживая его. Обычно наугле­роженное пламя применяют для сварки алюминия и на­плавки твердых сплавов.

Восстановительная зона науглероженного пламени светлая и практически сливается с ядром. Температура такого пламени ниже, поэтому работать с ним более тя­жело. Для перевода пламени в нормальное состояние уве­личивают подачу кислорода или снижают подачу ацети­лена.

Окислительное пламя получается при недостатке аце­тилена, то есть соотношение ацетилен : кислород стано­вится меньше 1,1. Практически окислительное пламя по­лучается при объеме кислорода, превышающем в 1,3 объем ацетилена. Ядро такого пламени укорачивается и заостряется, а его края становятся расплывчатыми, цвет бледнеет. Температура такого пламени выше температуры нормального. Избыточный кислород окисляет железо и примеси, находящиеся в стали, что в конечном итоге приводит к хрупкости сварочного шва, пористости его структуры, обедненной марганцем и кремнием. Поэтому при сварке сталей окислительным пламенем пользуются присадочной проволокой с повышенным содержанием этих элементов, являющихся раскислителями. Самая вы­сокая температура нормального пламени достигается в восстановительной зоне.

Примерный химический состав нормального ацетиле­но-кислородного пламени приведен в табл. 24.

Таблица 24

Нужно отметить, что ацетйлено-кислородная смесь дает самую высокую температуру пламени. Изменение горючих газов несколько снижает температуру пламени и распределение ее по объему. Графическая зависимость из­менения температур метан-кислородного и пропан-бутан - кислородного пламени представлена на рис. 71. Значитель­ный объем тепла, сконцентрированного в пламени газо­вой горелки, рассеивается в окружающую среду, поэтому его коэффициент полезного действия (КПД) низок и практически не превышает 7%. Расход энергии пламени при газопламенной обработке приведен в табл. 25.

Металлургические процессы в сварочной ванне при ее газопламенной обработке, а также в прилегающей к ней зоне имеют довольно сложный характер и несколько от­личаются от металлургических процессов, происходящих

Рис. 71. Динамика роста температур метан-кислородного (Л) и пропан-бутан-кислородного пламени (5):

1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел; 4 — свариваемый металл; L — длина ядра

при дуговой сварке. Это обусловлено тем, что расплав­ленный металл при его газопламенной обработке взаи­модействует с газами, поддерживающими процесс горе­ния. В зависимости от характера пламени, который меня­ет соотношение газов, изменяются и металлургические процессы.

При сварке нормальным пламенем, когда количество поступающих в зону сварки газов регламентировано, про­исходят в основном восстановительные реакции:

FeO + СО = Fe + С02;

FeO +.H3 = Fe + HjO. :

Кроме восстановительных реакций оксидов железа аналогичные процессы происходят и с другими оксида­ми, находящимися в сварочной ванне.

При сварке окислительным пламенем происходят реак­ции окисления железа и других элементов, присутствую­щих в сварочной ванне, а образующиеся при этом окси­ды железа могут окислять углерод, кремний и марганец.

Сварка науглероженным пламенем способствует насы­щению металла углеродом, что влечет за собой увеличе­ние прочностных характеристик сварочного шва со сни­жением его пластических свойств.