Газопламенная обработка металлов - это ряд технологических процессов, связанных с обработкой металлов высокотемпературным га­зовым пламенем. Наиболее широкое применение имеет газовая сварка и резка, которые, несмотря на более низкую производительность и качест­во сварных соединений по сравнению с электрическими способами свар­ки плавлением, продолжают сохранять свое значение при сварке тонко­листовой стали, меди, латуни, чугуна. Преимущества газовой сварки и резки особенно проявляются при ремонтных и монтажных работах ввиду простоты процессов и мобильности оборудования. Кроме сварки и резки газовое пламя используется для наплавки, пайки, металлизации, поверх­ностной закалки, нагрева для последующей сварки другими способами или термической правки и т.д.

Газовая сварка. Газовое пламя чаще всего образуется в результате сгорания (окисления) горючих газов в технически чистом кислороде (чистота не ниже 98,5 %). При горении горючих газов с использованием возду­ха температура газового пламени низ­кая (не выше 2000 °С), так как много теплоты расходуется на нагрев азота, содержащегося в воздухе. В качестве горючих газов используют ацетилен, водород, метан, пропан, пропанобутановую смесь, бензин, осветительный керосин.

Газовое сварочное ацетиленокислородное "нормальное" пламя имеет форму, схематически показанную на рис. 1 . Во внутренней части ядра (зона 1) пламени происходит подогрев газо­вой смеси, поступающей из сопла до температуры воспламенения. В наружной оболочке ядра происходит частичный распад ацетилена. Выделяющиеся частицы углерода раскалены, ярко светятся, четко выделяя очертания оболочки ядра (температура газов в ядре невелика и не превышает 1500 °С).

Зона 2 (восстановительная зона) является наиболее важной частью сварочного пламени (сва­рочной зоной). В ней происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода, поступающего в сопло из баллона, в результате чего здесь развивается максимальная температура.

Содержащиеся в сварочной зоне газы обладают восстановительны­ми свойствами по отношению к оксидам многих металлов, в том числе и к оксидам железа. Поэтому ее можно назвать восстановительной. Содер­жание углерода в металле шва изменяется незначительно. В зоне 3 или факеле пламени протекает догорание газов за счет ки­слорода воздуха, что отражает состав газов в факеле. Содержащиеся в факеле газы и про­дукты их диссоциации окисляют металлы, т.е. эта зона является окисли­тельной. Вид ацетиленокислородного пламени зависит от соотношения кислорода и ацетилена (β) в газовой смеси, подаваемой в горелку.

Рис. 2 Строение ацетиленокислородного пламени: а - нормальное; б - окислительное; в - науглероживающее

При β = 1,1 ... 1,2 пламя нормальное (рис. 2, а). Ядро пламени резко очерченное, цилиндрической формы с плавным закруглением, ярко светящейся оболочкой, четко выражены все три зоны.

При увеличении этого соотношения (например β = 1,5), т.е.- относительном увеличении содер­жания кислорода (окислительное пламя), форма и строение пламени из­меняются (рис. 2, б). При этом реакции окисления ускоряются, а ядро пламени бледнеет, укорачивается и приобретает коническую заострен­ную форму. В этом случае сварочная зона утрачивает восстановительные свойства и приобретает окислительный характер (содержание углерода в металле шва уменьшается, выжигается).

С уменьшением β (например, β = 0,5), т.е. при увеличении содержа­ния ацетилена в газовой смеси реакции окисления замедляются. Ядро удлиняется и его очертания становятся размытыми (рис. 2, в). Количество свобод­ного углерода увеличивается, частицы его появляются в сварочной зоне. При большом избытке ацетилена частицы углерода появляются и в факе­ле пламени. В этом случае сварочная зона становится науглероживаю­щей, т.е. содержание углерода в металле шва повышается.

Пламя заменителей ацетилена принципиально подобно ацетиленокислородному и имеет три зоны. В отличие от углеводородных газов водородно-кислородное пламя светящегося ядра не имеет (нет светящихся частиц углерода).

Одним из важнейших параметров, определяющих тепловые, а значит и технологические свойства пламени, является его температура. Она раз­лична в различных его участках как по длине вдоль его оси (рис. 1), так и в поперечном сечении. Она зависит от состава газовой смеси и сте­пени чистоты применяемых газов (рис. 3) . Наивысшая температура наблюдается по оси пламени, достигая максимума в сварочной зоне на расстоянии 2 ... 3 мм от конца ядра. Эта сварочная зона является основной для рас­плавления металла. С увеличением β максимальная температура возрас­тает и смещается к мундштуку горелки. Это объясняется увеличением скорости горения смеси при избытке кислорода. При избытке ацетилена (β менее 1) наоборот, максимум температуры удаляется от мундштука и уменьшается по величине.

Рис. 3. Изменение температуры пламени различных видов

Горючие газы-заменители ацетилена, дешевле и недефицитны. Од­нако их теплотворная способность ниже, чем у ацетилена. Максимальные температуры пламени также значительно ниже. Поэтому их используют в ограниченных объемах в технологических процессах, не требующих вы­сокотемпературного пламени (сварка алюминия, магния и их сплавов, свинца, пайка, сварка тонколистовой стали, газовая резка и т.д.). Напри­мер, при использовании пропана и пропанобутановых смесей макси­мальная температура в пламени 2400 ... 2500 °С. Их используют при сварке стали, толщиной до 6 мм, сварке чугуна, некоторых цветных ме­таллов и сплавов, наплавке, газовой резке и т.д.

При использовании водорода максимальная температура в пламени 2100 °С.

Нагрев металла пламенем обусловлен лучистым, и в основном кон­вективным теплообменом между потоком горячих газов и соприкасаю­щейся с ним поверхностью металла. При вертикальном положении от пламени ее растекающийся поток образует на поверхности металла сим­метричное относительно центра пятно нагрева. При наклоне пламени пятно нагрева вытягивается по направлению оси и сужается с боков. Ин­тенсивность нагрева впереди ядра выше, чем позади его.

Ввод тепла в изделие при газовой сварке происходит по большей площади пятна нагрева. Источник тепла менее сконцентрирован, чем при других способах сварки плавлением. В результате обширной площади разогрева основного металла околошовная зона (зона термического влияния) имеет большие размеры, что приводит к образованию повы­шенных деформаций сварных соединений (коробление).

При газовой сварке на металл сварочной ванны активно воздейству­ет газовая фаза всего пламени и особенно сварочной зоны, содержащей, в основном, СО + Н 2 и частично пары воды, а также СО 2 , Н 2 , О 2 и N 2 и не­которое количество свободного углерода. Состав газовой фазы определя­ется соотношением кислорода и горючего газа в газовой смеси, темпера­турой пламени и различен в ее различных зонах. От этого зависят метал­лургические взаимодействия газовой фазы с металлом сварочной ванны. Основные реакции при сварке - это окисление и восстановление.

Направление реакции зависит от концентрации кислорода в газовой фазе (окислительное и науглероживающее пламя), температуры взаимо­действия и свойств оксида. При сварке сталей основное взаимодействие газовой фазы происходит с железом, т.е. образование его оксидов или восстановление. Элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо (Al, Si, Mn, Cr и т.д.) могут интенсивно окисляться тогда, когда реакций окисления железа не проходит. Они легко окисляются не только в чистом виде, но и находясь в виде легирующих добавок, причем чем их содержание выше, тем окисление интенсивнее. Окисление таких элемен­тов, как Al, Ti, Mg, Si и некоторых других вообще исключить не удается и для уменьшения их угара следует помимо регулирования состава газо­вой смеси использовать флюсы.

Ввиду относительно невысокого защитного и восстановительного действия пламени раскисление металла в сварочной ванне при сварке сталей достигается введением в нее марганца, кремния и других раскислителей через присадочную проволоку. Их действие основано на образо­вании жидкотекучих шлаков, способствующих самофлюсованию свароч­ной ванны. Образующиеся на поверхности сварочной ванны шлаки за­щищают расплавленный металл от кислорода, водорода и азота, газовой среды пламени и подсасываемого воздуха.

Содержащийся в пламени водород может растворяться в расплав­ленном металле сварочной ванны. При кристаллизации металла часть не успевшего выделиться водорода может образовать поры. Азот, попа­дающий в расплавленный металл из воздуха образует в нем нитриды. Структурные превращения в металле шва и околошовной зоне при газо­вой сварке имеют такой же характер, как и при других способах сварки плавлением. Однако вследствие медленного нагрева и охлаж­дения металл шва имеет более крупнокристаллическую структуру с рав­новесными неправильной формы зернами. В нем при сварке сталей с со­держанием 0,15 ... 0,3 углерода при быстром охлаждении может образо­вываться видманштеттовая структура. Чем выше скорость охлаждения металла, тем мельче в нем зерно и тем выше механические свойства ме­талла шва. Поэтому сварку следует производить с максимально возмож­ной скоростью.

Зона термического влияния состоит из тех же характерных участков, как и при дуговой сварке. Однако ее ширина значительно больше (до 30 мм при сварке стали больших толщин) и зависит от режи­ма газовой сварки.

В процессе сварки происходит расплавление основного и присадоч­ного металлов. Регулирование степени их расплавления определяется мощностью горелки, толщиной металла и его теплофизическими свойствами.

Газовой сваркой выполняют сварные соединения различного типа. Металл толщиной до 2 мм соединяют встык без разделки кромок и без зазора или, что лучше, с отбортовкой кромок без присадочного металла.

Металл толщиной 2 ... 5 мм с присадочным металлом сваривают встык без разделки кромок с зазором между кромками. При сварке ме­талла свыше 5 мм используется V- или Х-образная разделка кромок.

Тавровые и нахлесточные соединения допустимы только для метал­ла толщиной до 3 мм. При большой толщине неравномерный разогрев приводит к существенным деформациям, остаточным напряжениям и возможности образования трещин. Свариваемые кромки зачищают от загрязнений на 30 ... 50 мм механическими способами или газовым пла­менем. Перед сваркой детали сварного соединения закрепляются в сборочно-сварочном приспособлении или собираются с помощью коротких швов - прихваток.

Направление движения горелки и наклон ее к поверхности металла оказывает большое влияние на эффективность нагрева металла, произво­дительность сварки и качество шва.

Различают два способа сварки: правый и левый (рис. 4). Внешний вид шва лучше при левом способе сварки, так как сварщик видит процесс образования шва. При толщине металла до 3 мм более производительным является левый способ сварки ввиду предварительного подогрева кро­мок. Однако при большой толщине металла при сварке с разделкой кро­мок угол скоса кромок при правом способе сварки на 10 ... 15° меньше, чем при левом. Угол наклона мундштука также может быть на 10 ... 15° меньше. В результате повышается производительность сварки. Тепловое воздействие пламени на металл зависит от угла наклона оси пламени к поверхности металла (рис. 4).

Рис. 4. Правый и левый способы газовой сварки

Рис. 5. Применяемые углы наклона горелки в зависимости от толщины металла

В процессе сварки горелке сообщаются колебательные движения и конец мундштука описывает зигзагообразный путь. Горелку сварщик держит в правой руке. При использовании присадочного металла приса­дочный пруток держится в левой руке. Присадочный пруток располага­ется под углом 45° к поверхности металла.

Оплавляемому концу присадочного прутка сообщают зигзагообраз­ные колебания в направлении, противоположном движению мундштука (рис. 6). Газовая сварка может производиться в нижнем, вертикальном и потолочном положениях. При сварке вертикальных швов "на подъем" процесс удобнее вести левым способом, горизонтальных и потолочных -правым способом. ≥α

Рис. 5 Движения горелки и проволоки: а - при сварке стали толщиной более 3 мм в нижнем положении; б - при сварке угловых валиковых швов; 1 - движение проволоки; 2 - движение горелки; 3 - места задержек движения

При необходимости использования флюса он наносится на свари­ваемые кромки или вносится в сварочную ванну оплавляемым концом присадочного прутка (налипающим на него при погружении во флюс). Флюсы могут использоваться и в газообразном виде при подаче их в зону сварки с горючим газом.

Список литературы

1. Лосев В.А., Юхин Н.А. Иллюстрированное пособие сварщика. М.: Изд-во «Соуэло», 2000. 60 с.

Режим сварки - совокупность параметров процесса, обусловливающих возможность сварки данного соединения из металла заданной марки и толщины в пространственных положениях, определяемых конструкцией изделия.

Основными параметрами газовой сварки являются вид и мощность пламени, диаметр присадочной проволоки и скорость сварки.

Вид пламени зависит от свариваемого материала: нормальным пламенем сваривают углеродистые и легированные стали, науглероживающим - чугун и окислительным - латуни. Выбор нужного вида пламени осуществляется по характеру его свечения.

Мощность пламени горелки, выбираемая в соответствии с толщиной свариваемого металла и его теплофизическими свойствами, определяется расходом ацетилена, необходимым для его расплавления. Чем толще свариваемый металл и выше его теплопроводность (как, например, у меди и ее сплавов), тем больше должна быть мощность пламени. Ее регулируют ступенчато - подбором наконечника горелки (см. подразд. 6.6.2) и плавно - вентилями на горелке.

Выбор диаметра присадочной проволоки осуществляется в зависимости от толщины свариваемого металла и способа сварки. При сварке низко- и среднеуглеродистых сталей диаметр присадочной проволоки, мм, для левого способа сварки определяется по формуле

d п = s / 2 + 1,

а для правого -

где s - толщина свариваемого металла, мм.

Скорость сварки устанавливается сварщиком в соответствии со скоростью плавления кромок детали.

Техника сварки - совокупность способов, приемов и манипуляций, осуществляемых сварщиком для формирования высококачественного шва.

При газовой сварке составными элементами техники сварки являются:

• угол наклона мундштука горелки к поверхности свариваемых кромок;
• способ сварки;
• манипуляции мундштуком горелки и присадочной проволокой при движении пламени вдоль шва.

Угол наклона мундштука горелки к поверхности свариваемых кромок выбирает сварщик в зависимости от толщины металла и его теплофизических свойств. Для низкоуглеродистых сталей такая взаимосвязь может быть представлена в следующем виде:

Чем больше толщина металла и выше его теплопроводность (как, например, у меди и ее сплавов), тем больше угол наклона мундштука горелки. Таким образом, сварщик, изменяя угол наклона мундштука и тем самым количество теплоты, подводимой к металлу, управляет процессом формирования шва.

Способы сварки приведены на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Способы сварки:
а - левый; б - правый; - движение горелки; ---- движение присадочной проволоки; стрелками показаны направления сварки

Горелка в руке сварщика может перемещаться только в двух направлениях:

• справа налево, когда пламя направлено на холодные, еще не сваренные кромки металла, а присадочная проволока подается впереди пламени. Такой способ получил название левого;
• слева направо, когда пламя направлено на сваренный участок шва, а присадочная проволока подается вслед за пламенем. Такой способ называется правым.

Левый способ применяют при сварке тонкостенных (толщиной до 3 мм) конструкций и легкоплавких металлов и сплавов.

Правый способ используют для сварки конструкций с толщиной стенки свыше 3 мм и металлов с большой теплопроводностью.

Качество шва при правом способе сварки выше, чем при левом, так как металл лучше защищен пламенем горелки от воздействия воздуха.

Манипуляции мундштуком горелки (рис. 9.5), осуществляемые сварщиком, способствуют формированию высококачественного шва. Если используется присадочная проволока, то ее движения улучшают процессы плавления, перемешивания сварочной ванны и удаления оксидов.

Рис. 9.5. Манипуляции мундштуком горелки при сварке:
а - с задержкой в корне шва; б - по спирали; в - «полумесяцем»; г - зигзагом

Конец мундштука горелки совершает одновременно два вида движений: продольное - вдоль оси шва и поперечное - в перпендикулярном направлении. Мундштук горелки следует перемещать таким образом, чтобы металл сварочной ванны был всегда защищен от воздействия воздуха восстановительной зоной пламени.

Присадочной проволокой совершают такие же колебательные движения, как и мундштуком, но в направлении, обратном колебаниям горелки, причем конец присадочной проволоки должен постоянно находиться в сварочной ванне или восстановительной зоне пламени. При сварке в нижнем положении чаще всего используется движение присадочной проволоки «полумесяцем» (см. рис. 9.5, в).

Газовая сварка является одним из видов и способов соединения металлов и их сплавов под действием высокой температуры. Сегодня поговорим об основах, ее технологии способах и приемах, достоинствах и недостатках. Данная статья будет полезна начинающим газосварщикам желающим освоить эту нелегкую профессию, а также опытным мастерам, желающим подкрепить свои знания в этой области.

Это такой способ сваривания деталей, во время которого оплавление кромок деталей, присадочной проволоки осуществляют при помощи газовой горелки. Пламя образуется от горения смеси кислорода и ацетилена, кстати, его можно заменить на другие газы. Для этого применяют бутан, ацетилен, бензин, водород и другие вещества. В зависимости от применяемых технических газов принято выделять следующие разновидности газовой сварки:

• ацетилено-кислородная;
• керосино-кислородная;
• бензино-кислородная;
• пропанобутано-кислородная.

Сущность газосварки заключена в следующем — тепло, выделяемое при горении газовой смеси, плавит края заготовки и присадки, таким образом, формируется сварочная ванна.

Пламя, применяемое для сварки можно разделить на следующие составные части:

• нормальную;
• окислительную;
• восстановительную.

Характеристики пламени газовой горелки

Химический состав присадки для формирования будущего сварочного шва подбирают исходя из того, какой материал сваривают, а его размер зависит от толщины свариваемого металла.

Кислород, находящийся в стальном баллоне, проходит через редуктор, снижающий давление газа и по рукавам, поступает к месту работы. Такой же путь повторяет и горючий газ (ацетилен или его аналоги).

Оборудование и материалы, используемые при газовой сварке

В горелке перемешиваются в нужной пропорции и в момент выхода смеси из нее выполняют розжиг. Пламя в данном случае выполняет сразу три функции:

1. Расплавляет металл,
2. Плавит материал, выполняющий роль присадки;
3. Защищает место, в котором происходит соединение заготовок, от воздействия атмосферного кислорода.

Расход кислорода и газа регулируют с помощью вентилей, установленных на баллонах с газом.

Температура горения достигает своего максимума в восстановительной части пламени. Именно в ней должны располагаться присадка и кромки свариваемых деталей. Если заменить ацетилен, то температура пламени будет снижена.

Подготовка кромок

Важным этапом качественного выполнения шва является правильная , которая зависит от толщины подготавливаемого металла.

Необходимо очистить от грязи, краски, окалины область 20-30 мм от свариваемых поверхностей.

Режимы газовой сварки

Главная характеристика газовой сварки, это мощность пламени. Она зависит от типа металла и ряда других его характеристик, например, теплофизических свойств. Другими словами, чем толще металл, тем больше температура плавления металла, тем выше должна быть температура пламени.

Мощность пламени определяет расход горючего газа и кислорода. К, примеру, при обработке стали или чугуна расход количества газа и толщины металла связан следующей пропорцией:

Va (100–150)*S л/ч, где Va -расход горючего газа, S- толщина металла.

Регулировка данного параметра осуществляется подбором номера наконечника горелки:

Кроме этого, важную роль играет наклон горелки и размер присадки. Таким образом к параметрам и режимам сварки относятся:

1. Мощность пламени и ее характер;
2. Диаметр присадочной проволоки;
3. Скорость сварки, определяемая способами выполнения сварочных швов и положения мундштука относительно плоскости заготовки.

Левый способ

При таком методе сварки деталей, сварщик перемещает горелку справа налево, присадка должна располагаться впереди горелки. Пламя направляется от шва. Это обеспечивает сварщику хороший обзор шва и как результат он может обеспечить равномерность ширины и высоты валика. Такой метод сварки применяют при работе с деталями до 5 мм.

Правый способ

Такой способ предполагает, что сварщик передвигает горелку слева направо. Проволока должна перемещаться за горелкой. Пламя направляется на шов. При таком методе остывание шва длится дольше и качество шва повышается, но вот его внешний вид оставляет желать лучшего, так как сварщик не может толком видеть его формообразование. Такой метод применяют при толщине листа больше 5 мм.

Диаметр присадочной проволоки

Подбор диаметра присадки(dп) осуществляют в зависимости от толщины свариваемого металла (S), а также от способа сваривания: левый или правый.

Основные параметры газовой сварки распространенных типов и составов сталей можно представить в виде таблицы

Положение мундштука горелки

Скорость сварки ацетиленом или плавления металла регулируют изменением угла расположения мундштука относительно плоскости свариваемого металла. Он определяется теплопроводностью, толщиной и родом металла. Толстый металл с высокой теплопроводностью требует большего угла наклона горелки ввиду долгого прогрева и приложения наибольшей мощности пламени для формирования сварочной ванны.

Для понимания характера воздействия пламени на металл при различном положении достаточно взглянуть на рисунок, представленный ниже.

Как видим,максимальное проплавление происходит при вертикальном положении горелки. Именно поэтому в начале сварки, для лучшего и быстрого прогрева мундштук располагают под углом 90 °, постепенно снижая его в соответствии с толщиной металла.

Важно! Завершающий этап газовой сварки(формирование кратера) совершают на минимальном угле для предотвращения прожига металла.

Движения горелки

В процессе работы сварщик совершает продольные и поперечные движения горелкой. Основным типов является продольное, оно направлено вдоль линии шва, предназначено для заполнения шва металлов. Поперечное движение выполняется для равномерного прогрева кромок металла и предназначено для формирования нужной ширины шва.

В свою очередь, движения присадочной осуществляются такие же колебательные движения, но в противоположную сторону движению конца горелки. Чтобы избежать дефектов в сварочном шве, конец присадки не рекомендуется извлекать из сварочной ванны, особенно из восстановительной зоны пламени.

Вид движения зависит от пространственного положения шва, его геометрических размеров, толщины и рода металла.

Техника наложения швов в различных пространственных положениях

Нижнее положение

Сварка в нижнем положении является наиболее простой, контролировать процесс формирования шва в данном случае проще всего. Снижается вероятность непровара и появления других дефектов. По технике выполнения применяют, как правило, спиралеобразные движения конца мундштука автогена. В разогретую сварочную ванну опускают присадку, делают «петлю» и повторяют операцию. Каждый следующий виток должен перекрывать предыдущий на 1/3 диаметра.

Тонкие листы сваривают встык отбортовкой кромок, т.е. края заготовок подгибаются и свариваются без применения присадочной проволоки. Можно использовать как правый, так и левый способы соединения.

Нахлесточные швы

Выполнять работу следует, по возможности, без перерывов. Если сделали паузу — перед повторным процессом переплавьте закристаллизовавшийся в кратере металл. Сварка производится левым способом с присадочным материалом. В работе с данным типом соединения целесообразнее применять дуговые технологи, как менее затратные и более производительные. Особенно это скажется на больших объемах.

Вертикальное положение

Возможные варианты выполнения вертикальных швов как сверху вниз, так и с подъемом снизу вверх. В первом случае применяется правый способ(применяется при малой толщине металла), во втором методе возможны оба варианта. Требуется определенная сноровка по удержанию сварочной ванны, не допуская ее стекания вниз. Она обеспечивается правильным положением мундштука, а также давлением газового пламени.

При значительной толщине деталей (до 20 мм) заполнение шва металлом следует выполнят двойным валиком. Подготовка кромок в данном случае не требуется, зазор между деталями должен составлять половину от толщины свариваемых заготовок.

Потолочное положение

Требует аккуратности и максимальной сосредоточенности. Перед подачей проволоки разогревают кромки. Когда они начинают плавится, в зон сварочной ванны вводят проволоку. Конец присадки быстро плавится, образуя сварной шов. Удержание металла в сварочной ванне происходит давлением пламени. Варят правым способом в несколько приемов, каждый слой делают небольшим по толщине. Чтобы металл не стекал по прутку, его следует держать ближе к горизонтальной плоскости потолочного шва.

Достоинства и недостатки

Сварка ацетиленом применяется в производстве различного оборудования вот уже порядка ста лет. И надо отметить, что эта технология актуальна, до сих пор несмотря на то, существует множество оборудования для выполнения электрической сварки, в том числе и с применением защитных газов.

Технология газовой сварки обладает рядом преимуществ:

• для выполнения сварки нет необходимости применять сварочные аппараты;
• доступность газовой смеси, ее можно приобрести в специализированных организациях;
• при выполнении сварки газом нет необходимости в источнике энергии и наличия защитной среды, пламя с успехом выполняет эту функцию;
• возможность регулировки расхода газа и соответственно температуры пламени.
• отсутствие сильного разбрызгивания металла;
• отсутствие УФ-излучения — работу выполняют в специальных очках газосварщика.

Между тем, газовая сварка обладает и рядом серьезных недостатков:

• низкая скорость нагрева свариваемых металлов;
• тепло от газовой горелки, в отличие от электродуговой имеет широкое рассеивание по поверхности свариваемых деталей и обладает низкой концентрацией в одной точке.

Экономическая составляющая газовой сварки

Нередки случаи, когда инженер технолог делает выбор в пользу газовой сварки, искренне полагая, что, таким образом, он достигнет экономии денежных средств. Но не все так просто. Да, электродуговая сварка потребляет большое количество энергии, но выполнив простые арифметические расчеты можно убедиться, что расходы на электросварку, при том же объеме работ ниже, чем на газовую. Поэтому перед тем как варить газосваркой, имеет подсчитать во сколько обойдется один метр шва.

Слабая концентрация тепла в процессе газовой сварки оказывает отрицательное влияние на ее результативность. Так, при работе с листовой сталью толщиной в 1 мм, средняя скорость сварки составляет 10 метров в час, в то время как при толщине листа 10 мм, скорость упадет до 2 метров в час. Именно поэтому газовую сварку применяют при работе со сталью толщиной до 5 мм. В остальных случаях применяют электросварку.

Ацетилено-кислородная сварка практически не механизируется. Автоматическая сварка используется при работе с трубами, обладающими тонкой стенкой. Для этого применяют горелки, на которых установлено несколько мундштуков.

Сферы использования сварки

Сварка этого типа отличается от электродуговой плавным разогревом металла. Пожалуй, это и определило сферы ее использования. Сварка газом показывает максимальный эффект при работе со сталью толщиной до пяти миллиметров. Эта технология сварки с успехом используется при обработке цветных металлов. Сварку газом используют для работы с материалами, требующими предварительного прогрева. При выборе газовой сварки, проектировщик должен руководствоваться требованиями ГОСТ.

Сварку газом применяют при проведении ремонтных работ, пайке. С ее помощью проводят восстановление изношенных деталей, например, коленчатых валов. Для этого, на изношенную поверхность наплавляют слой металла. Впоследствии место наплава будет отшлифовано и доведено до необходимого размера.

Сварка при помощи газа - соединение металлических деталей методом расплавления. Исторически это один из первых появившихся видов сварки. Технология была разработана еще в конце XIX века.

Впоследствии, с развитием технологий электрической сварки (дуговой и контактной), практическая ценность газовой несколько уменьшилась, особенно для соединения высокопрочных сталей. Но она до сих пор с успехом применяется для соединения чугунных, латунных, бронзовых деталей, для техники наплавления и во многих других случаях.

Сущность метода состоит в том, что высокотемпературное пламя сварочного газа нагревает кромки свариваемых деталей и часть присадочного материала (электродную часть).

Металл переходит в жидкое состояние, образуя так называемую сварочную ванну - область, защищенную пламенем и газовой средой, вытесняющей воздух. Расплавленный металл медленно остывает и затвердевает. Так формируется сварочный шов.

Используется смесь какого-либо горючего газа с чистым кислородом, играющим роль окислителя. Наиболее высокую температуру - от 3200 до 3400 градусов - дает газ ацетилен, получаемый непосредственно при сварке от химической реакции карбида кальция с обычной водой. На втором месте находится пропан - его температура горения может достигать 2800 °C.

Реже применяются:

• метан;
• водород;
• пары керосина;
• блаугаз.

У всех альтернативных газов и паров температура пламени существенно ниже, чем у ацетилена, поэтому сварка альтернативными газами практикуется реже, и только для цветных металлов - меди, латуни, бронзы и других, с небольшой температурой плавления.

У газовой сварки есть особенности по сравнению с электрической, которые формируют как ее недостатки, так и достоинства.

Достоинства и недостатки

Как и у любой вещи или явления, преимущества газовой сварки являются прямым отражением ее недостатков, и наоборот.

Основная характеристика газосварки - более низкая скорость нагрева оплавляемой зоны и более широкие границы этой зоны. В некоторых случаях это плюс, а в других - минус.

Это плюс, если нужно , цветных металлов или чугуна. Для них требуется плавный нагрев и плавное охлаждение. Также существует ряд сталей специализированного назначения, для которых оптимален именно такой режим обработки.

К другим плюсам относится:

• невысокая сложность технологического процесса газовой сварки;
• доступность, адекватная стоимость оборудования;
• доступность газовой смеси либо карбида кальция;
• отсутствие необходимости в мощном источнике энергии;
• контроль мощности пламени;
• контроль вида пламени;
• возможность контроля режимов.

Основных минусов у газовой сварки четыре. Первый - именно низкая скорость нагрева и большое рассеивание тепла (сравнительно низкий КПД). Из-за этого практически невозможно сваривать металл толщиной свыше 5 мм.

Второй - слишком широкая зона термического влияния, то есть зона нагрева. Третий - себестоимость. Цена расходуемого ацетилена при газосварке выше, чем цена электроэнергии, затраченной на тот же объем работы.

Ее четвертый недостаток - слабый потенциал механизации. Из-за своего принципа действия фактически может быть реализована только ручная газовая сварка.

Полуавтоматический метод невозможен, автоматический - только с применением многопламенной горелки, и только при сварке тонкостенных труб либо иных резервуаров. Такой метод сложен и рентабелен лишь при производстве полых резервуаров из алюминия, чугуна либо некоторых их сплавов.

Нормативы

ГОСТ на газосварку - особый вопрос. В связи с тем, что качество шва при газовой сварке в большей степени зависит от мастерства сварщика, оно определяется субъективно.

Характер газосварочного процесса - исключительно ручной, конкретного ГОСТа на газовую сварку нет . Но существует ГОСТ 1460-2013 - на карбид кальция, из которого производится газ для сварки.

Кроме того, различными ГОСТами определяются такие параметры, как типы присадочной проволоки, давление в редукторе и баллоне, требования к генератору ацетилена. Существуют свои требования к типам применяемых шлангов и горелок, связанные с безопасностью работы.

Стандартный комплект оборудования

Для газовой сварки или резки (технологически более простой процесс) требуется оборудование. Прежде всего, это генератор ацетилена либо источник иного горючего газа (пропана, водорода, метана).Потребуется также Баллон с окислителем - кислородом, горелка, редуктор для сжатого газа (регулятор потока) и соединительные шланги.

Могут применяться различные вспомогательные устройства, например пьезозажигательный элемент, предохранительный водяной затвор для защиты от обратного пламени (в последнее время - практически обязательный элемент), и другие.

Отличительная особенность этого вида сварки - для него не требуется электропитание, поэтому работы можно производить практически в «полевых» условиях. Во многом из-за этого преимущества газовую сварку до сих пор активно используют.

Виды пламени

Одним из достоинств газосварки является возможность использования огня с разными химическими свойствами: окислительным, восстановительным, с повышенным содержанием ацетилена.

«Нормальным» считается восстановительное пламя, при котором металл окисляется с той же скоростью, что восстанавливается. Оно применяется в большинстве случаев. Для соединения деталей из бронзы и других сплавов с содержанием олова применяется только восстановительный огонь.

Окислительное пламя образуется при увеличении количества кислорода в газовой смеси. В некоторых случаях оно предпочтительно и даже необходимо, например, при соединении латуни и пайке твердым припоем.

Особое свойство окислительного пламени состоит в возможности увеличить скорость газовой сварки. Но при этом необходимо применять специальную присадку, содержащую раскислители - марганец и кремний.

Если использовать с окислительным пламенем в качестве присадочной проволоки тот же материал, что и в свариваемых деталях (за исключением латуни) - шов выйдет хрупким, с большим количеством пор и каверн.

Пламя с увеличенным содержанием горючего газа применяется для наплавки на какую-либо деталь другой детали из более твердого сплава, а также при варке деталей из чугуна и алюминия.

Технология и способы

Техника газовой сварки сильно зависит от специфики свариваемых металлов и сплавов, формы деталей, направления шва и других факторов.

Основное предназначение газосварки - обработка чугуна и цветных металлов, которые поддаются ей лучше, чем дуговой. Хуже всего «берет» она легированную сталь - из-за низкого коэффициента теплопередачи детали из нее сильно коробятся при варке газом.

Существует «правая» и «левая» методика газовой сварки. Есть также технология сварки валиком, ванночками и многослойная сварка.

«Правый» способ - это когда сварочное сопло ведут слева направо, а присадку подают вслед за движением огненной струи. Пламя при этом направлено на конец проволоки, так, что расплавленный состав - температура плавления присадки обычно ниже, чем у основного материала - ровно ложится в шов.

При «левом» способе газовой сварки - он считается основным - поступают наоборот. Горелка движется справа налево, присадка подается ей навстречу. Этот способ проще, но подходит только для тонких листов металла. Кроме того, при нем больше, чем при «правом», идет расход присадочной проволоки и горючего газа.

Сварка валиком - более трудоемкий способ, подходящий только для листового материала. Шов образуется в форме валика, но при этом качество шва очень высокое, без образования шлака, пор и воздушных лакун.

Сварка ванночками - способ, требующий от сварщика большого мастерства. При этом присадочная проволока укладывается в шов спиральным способом, проходя через разные участки пламени. Каждый новый виток спирали слегка перекрывает предыдущий. Способ хорошо подходит для соединения листов из низкоуглеродистых сталей.

Многослойная сварка - самый технологически сложный способ. Его основы - как бы наплавка одного слоя поверх следующего. При этом достигается идеальный прогрев всех нижележащих слоев. Главное - контролировать, чтобы стыки швов разных слоев не находились один под другим.

В каждом из этих видов газовой сварки могут использоваться, в зависимости от обрабатываемого металла, различные флюсы. Их задача состоит в том, чтобы защитить поверхность шва от образования окислов, нарушающих его качество.

Качественный сварной шов обеспечивается правильным подбором тепловой мощности сварочного пламени, видом пламени, способом сварки, углом наклона горелки, применением соответствующего при- садочного материала и флюса.

Тепловая мощность сварочного пламени оценивается по расходу ацетилена (л/ч) и определяется по формуле

где А – коэффициент тепловой мощности (для малоуглеродистой стали

А = 100…130 л/ч⋅мм);

S– толщина свариваемого металла, мм.

По мощности пламени определяют номер наконечника горелки.

При использовании газовой сварки для изготовления металлических изделий предпочтительным типом соединения является стыковое. Соединение внахлест и тавровое соединения, вследствие возникновения в изделии значительных собственных напряжений, нежелательны, а при сварке изделий большой толщины недопустимы.

Сварка сталей толщиной до 2 мм осуществляется без скоса кромок и без зазора между листами или с отбортовкой кромок без присадочного металла. При толщине листа 2…5 мм соединение встык выполняют без скоса кромок, но с соответствующим зазором. Сталь толщиной более 5 мм сваривают только встык с применением одностороннего или двухстороннего скоса кромок.

При толщине металла более 5 мм применяют правый способ сварки, при

котором горелка движется впереди сварочной проволоки слева направо (рисунок 4 а). Пламя направлено на наплавленный металл, что способствует более качественному формированию шва, увеличивает производительность, уменьшает расход ацетилена, но при малых толщинах может привести к прожогу металла.

При толщине металла до 5 мм применяют левый способ сварки

(рисунок 4 б), при котором горелка движется справа налево. Присадочный пруток находится слева от горелки и передвигается впереди пламени, направленного от наплавленного металла в сторону основного металла, на нагрев которого расходуется значительная часть тепла, в результате чего наплавленный металл быстро охлаждается.

а – правый; б – левый

Рисунок 4 - Способы газовой сварки

Угол наклона горелки к свариваемой поверхности зависит от толщины

металла. При её увеличении нужна большая концентрация тепла и соответственно большой угол наклона горелки (рисунок 5).

Рисунок 5 - Изменение угла наклона горелки в зависимости от толщины свариваемого металла

Диаметр присадочной проволоки d (мм) определяют в зависимости от выбранного способа сварки и толщины свариваемого металла S (мм) по следующим формулам:

d = S / 2 + 1 – при левом способе;

d = S / 2 – при правом способе.

После расчета выбирается ближайшее значение, из следующего ряда

стандартных диаметров: 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0;

5,0; 6,0; 8,0; 10 и 12. При сварке изделия толщиной более 15 мм диаметр проволоки принимают не более 6…8 мм.

В качестве присадочного материала следует применять проволоку

или прутки, близкие по химическому составу к металлу свариваемых изделий. Для сварки чугуна применяют специальные литые чугунные стержни; для наплавки износостойких покрытий – литые стержни из твердых сплавов. Для сварки цветных металлов и некоторых специальных сплавов используют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст; для сварки меди и её сплавов – кислые флюсы (буру, буру с борной кислотой); для сварки алюминиевых сплавов – бескислородные флюсы на основе фтористых, хлористых солей лития, калия, натрия и кальция.

Роль флюса состоит в растворении оксидов и образовании шлаков, легко всплывающих на поверхность сварочной ванны, а также предохранении расплавленного металла от дальнейшего окисления в процессе сварки, покрывая его тонкой пленкой. Во флюсы можно вводить элементы, раскисляющие и легирующие наплавленный металл.

Скорость сварки V (м/ч) определяется глубинной проплавления и зависит от свойств металла:

где С – коэффициент скорости сварки, м ⋅ мм/ч (для углеродистых ста-

лей С = 12…15);

S– толщина металла, мм.

Время сварки t (ч) : t = L / V,

где L – длина шва, м.

Полный расход горючего газа Q (л) :

где q– тепловая мощность сварочного пламени, л/ч.