Газовая сварка

При газовой сварке плавлением для местного нагрева соединяемых
 деталей используют тепло реакций горении газов в струе кислорода; 
 при этом образуется факел пламени с очень высокой температурой.
 В момент расплавления основного металла в пламя вносят пруток из
 присадочного металла, который также плавится и образует вместе с
 основным расплавленным металлом сварное соединение.

Газовая сварка дает более плавный нагрев, чем дуговая. Газовую
 сварку широко используют при ремонте и изготовлении тонкостенных
 изделий из стали (толщиной от 0, 2 до 5 мм) и сплавов цветных металлов, наплавочных работах, исправлении дефектов чугунного и стального литья.

В качестве горючих газов могут быть использованы ацетилен С₂Н₂, 
 водород Н₂, природный газ (содержащий примерно 94% СН₄,) нефтегаз, пары бензина и керосина. В сварочном производстве обычно
 применяют ацетилен; при горении в технически чистом кислороде он
 дает наиболее высокую температуру пламени (3150 °С) и выделяет
 наибольшее количество тепла 48 МДж/м³ (11470 ккал/м³). Ацетилен
 легче воздуха и кислорода. При содержании в воздухе 2, 8—80% С₂Н₂
 образуется взрывчатая смесь. Воспламеняется ацетилен при 420 °С, 
 становится взрывоопасным при сжатии свыше 0, 18 МН∙ м² (МПа), 
 а также при длительном соприкосновении с медью и серебром.

Ацетилен получают из карбида кальция при взаимодействии последнего с водой. Реакция протекает с выделением значительного количества тепла

Теоретически для разложения 1 кг карбида кальция требуется
 0, 562 дм³, а практически во избежание перегрева ацетилена расходуют 5—20 дм³ воды. Средний выход ацетилена составляет 0, 23—
 0, 28 м³/кг.

Ацетилен для сварки поступает из генератора, в котором его получают, или из металлических баллонов. В баллонах ацетилен находится в смеси с ацетоном под давлением 1, 5—1, 6 МН/м² (МПа). Для
 безопасности баллон с ацетиленом заполняют древесным углем, создающим систему капиллярных сосудов.

Технический кислород (98, 5—99, 5%) поступает к сварочным постам по трубопроводам под давлением 0, 5—1, 6 МН/м² (МПа), или в баллонах под давлением до 15 МН/м² (15 МПа).

Ацетилен обычно получают в генераторах. По регулированию
 взаимодействия карбида кальция с водой ацетиленовые генераторы 
 делят на следующие виды:

1) система «карбид в воду» (рисунок 69.а), при которой карбид кальция, находящийся в бункере 1, периодически поступает в воду 2 через
 питатель 3, где разлагается и выделяет ацетилен; выход ацетилена
 составляет примерно 95%;

2) система «вода на карбид» (рисунок 69.б), при которой вода через
 питатель 3 периодически подается на корзину 1 с карбидом кальция, 
 находящегося в реторте 2 газ поступает в газосборник 4, герметически закрывающийся снаружи. Отбор газа осуществляется питателем 5; выход ацетилена составляет 85—90%;

3) система «сухого разложения» (рисунок 69.в); выход 90%; 


4) система «вытеснения» (рисунок 69.г); выход 95%; 


5) комбинированная система «вода на карбид — вытеснение»
 (рисунок 69.д); выход 95%.

Ацетиленовые генераторы могут быть передвижные и стационарные. Передвижные генераторы обладают производительностью
 до 0, 3 м³/ч ацетилена и предназначены для обслуживания одного
 сварщика. Производительность стационарных генераторов достигает 1000 м³∙ ч ацетилена. Современные стационарные генераторы
 имеют коэффициент полезного использования от 0, 85 до 0, 98.

В промышленности, строительстве, на транспорте и в других отраслях народного хозяйства применяют генераторы низкого до 0, 01 МН/м²
 (МПа) и среднего давления до 0, 15 МН/м² (МПа). Генераторы среднего давления более удобны, так как облегчают регулирование состава и пламени и обеспечивают более постоянные условия сварки. Генераторы высокого давления в промышленности не применяют.

Рисунок 69. Схемы ацетиленовых генераторов

На рисунке 70 показано устройство ацетиленового
 генератора АНВ—1—66. Он состоит из основного корпуса 1 и перегородки 2, разделяющей корпус на две части. В нижнюю часть корпуса вмонтирована реторта 7, в которую вставлен ящик 8
 с карбидом кальция. Через открытую верхнюю часть корпуса генератор заполняют водой до уровня 3. Через клапан 6 вода из корпуса
 поступает в реторту и смачивает карбид кальция. Образующийся ацетилен по трубке 9 выходит из реторты, собирается под перегородкой 2 и затем через осушитель 5 и водяной затвор 4 по шлангу 10 поступает в горелку. Благодаря выделению тепла при разложении карбида кальция вода нагревается и генератор может работать при низких
 температурах (до —25 °С).

Рисунок 70. Устройство ацетиленового генератора

Для избежания проникновения кислородно—ацетиленовой смеси
 в ацетиленовый генератор применяют водяные предохранительные
 затворы (рисунок 71). В корпус 1 по трубе 2 подводится газ; трубка 6 предохранительная. При нормальной работе уровень воды в затворе
 достигает контрольного крана 3 и ацетилен собирается в верхней части затвора, откуда через кран 4 поступает к месту сварки. При обратном ударе газа трубка 2 запирается образовавшейся водяной пробкой, а излишний газ сбрасывается в атмосферу через предохранительную трубку 6. Щиток 5 возвращает воду в затвор, уменьшая ее
 потери.

Рисунок 71. Водяной затвор низкого давления

Стандартный баллон (рисунок 72) для кислорода емкостью
 40 дм³ при давлении 15 МН/м² (МПа) содержит 6 м³ кислорода и представляет стальной сосуд цилиндрической формы. Вентиль баллона имеет
 боковой штуцер для присоединения редуктора. На горловину плотно
 насажено кольцо с наружной резьбой для навинчивания предохранительного колпака.

Так как некоторые вещества (жиры, масла) в среде сжатого кислорода способны самовоспламеняться, при работе с кислородными
 баллонами необходимо соблюдать особую осторожность.

Для понижения давления газа, отбираемого из баллонов, до рабочего давления и для поддержания его постоянным в процессе сварки
 применяют редукторы. В зависимости от числа ступеней редуцирования редукторы бывают одно— и двухкамерные. В однокамерном
 редукторе газ уменьшает свое давление в одной камере.

При обслуживании односварочпого поста укрепляется на баллоне
 (или устанавливается на трубопроводе) однокамерный редуктор (рисунок 73). Через вентиль из баллона газ поступает в камеру высокого давления 3, через трубку—к манометру высокого давления. При повороте
 регулирующего винта 9, укрепленного в корпусе редуктора 1, главная
 пружина 8 нажимает на мембрану 7 и ее приподнимает; мембрана в
 свою очередь посредством толкателя 6 приподнимает клапан высокого
 давления 5, который сжимается пружиной 4 и этим дает возможность
 газу попасть в камеру низкого давления 2. Рабочее давление в этой
 камере определяется манометром низкого давления. Из камеры низкого давления газ поступает в трубопровод горелки.

Рисунок 72. Схема газового поста с питанием от баллонов:

1 – стол, 2 – свариваемые детали, 3 – присадочный металл, 4 – горелка, 5 – шланг, 6 – ацетиленовый редуктор, 7 – кислородный редуктор, 8 – пористая масса

Двухкамерные редукторы обеспечивают меньший перепад давления и более низкий предел редуцирования (рисунок 73.б).

Редуктор присоединяется к баллону при помощи накидной гайки
 3, навертываемой на штуцер вентиля. При открывании вентиля газ
 устремляется по каналу штуцера 2, предварительно пройдя через
 трубку 4. В штуцере помещается теплопоглотитель в виде пластинки с отверстиями из красной меди 1. Кислород проходит через тепло—
 поглотитель и попадает в корпус 5 редуктора, где давление газа измеряется манометром 6. В этой части редуктора оно равно давлению
 в баллоне или магистрали. Далее газ поступает к редуцирующему клапану 8 при переходе в первую камеру редуцирования 11 он расширяется до давления 20—25 кгс/см². Величина давления в этой камере
 устанавливается при помощи регулирующей гайки 14, которая сжимает главную пружину 13, перемещающую вверх нажимной диск 15, 
 мембрану 12 и передаточный диск 10. На конце диска находится стальная шпилька 9, которая приподнимает редуцирующий клапан 8. К
 седлу клапан 8 прижимается запорной пружиной 7. Газ, пройдя через
 редуцирующий клапан 16 второй ступени, попадает в камеру редуцирования 17, где расширяется до величины рабочего давления (измеряется манометром 20). Регулирующим винтом 12 можно установить это давление в пределах от 1 до 15 кгс/см² с делениями через 1 кгс/см². Передача движения от регулирующего винта 19 к редуцирующему клапану 16 во второй камере осуществляется также через
 главную пружину 18. Предохранительный клапан при давлении
 45—50 кгс/см² открывается и выпускает избыток газа в атмосферу.
 Прекратить передачу газа на небольшой промежуток времени можно
 запорным вентилем 21.

Рисунок 73. Схемы однокамерного (а) и двухкамерного (б) редукторов

Из редукторов баллонов кислород и горючий газ раздельно поступают в сварочную горелку. Горелка предназначена для
 правильного смешения кислорода с горючим газом, подачи горючей
 смеси к месту сварки и создания концентрированного пламени требуемой мощности. Горелки но принципу действия разделяют на инжекторные низкого давления газа, и безынжекторные среднего и высокого давления.

Различают одно— и многопламенные горелки. На рисунке 74 показана
 распространенная одноплеменная ацетилено—кислородная горелка для
 сварки черных и цветных металлов толщиной до 30 мм.

Рисунок 74. Схема инжекторной горелки ГС—53:

1 – соединительный ниппель, 2 – трубка наконечника, 3 – смесительная камера, 4 – накидная гайка, 5 – корпус, 6 – вентиль для кислорода, 7 – трубка рукоятки, 8 — кислородный ниппель, 9 – ацетиленовый ниппель, 10 – кислородная трубка, 11 – вентиль для ацетилена, 12 – сопло инжектора, 13 – мундштук, 14 – горючая смесь

Кислород поступает по шлангу к вентилю и через него в инжектор.
 Вытекая с большой скоростью из инжектора в смесительную камеру, 
 струя кислорода создает разрежение, обеспечивающее подсос ацетилена. Ацетилен поступает по шлангу к соединительному ниппелю, а
 затем через корпус горелки — в смесительную камеру, где он смешивается с кислородом. Полученная горючая смесь поступает в мундштук. По выходе из него смесь сгорает, образуя сварочное пламя.

Горелка ГС—53 имеет семь сменных наконечников, работает при
 давлениях ацетилена 1—50 кН/м² (кПа) и кислорода 100—400 кН/м²
 (кПа).

При зажигании горелки сначала на четверть оборота открывают
 вентиль кислорода, затем открывают вентиль ацетилена и поджигают
 выходящую из наконечника газовую смесь. После этого немедленно
 приступают к регулировке сварочного пламени. При гашении горелки
 сначала закрывают ацетиленовый вентиль, а затем кислородный.

Качественный шов обеспечивается правильным подбором мощности горелки, видом сварочного пламени, способом сварки, углом наклона горелки, применением соответствующего присадочного материала и флюса.

Мощность сварочного пламени оценивают по расходу ацетилена А, 
 который вычисляют по формуле (45), в которой s — толщина свариваемых кромок, мм; k — коэффициент, определяемый экспериментально и зависящий от физико—химических
 свойств свариваемых металлов.

Для нержавеющей стали k=70—80; для углеродистой стали, 
 чугуна k=100—120; для меди k=160—200, алюминия k=75.

По мощности пламени определяют номер наконечника сварочной
 горелки.

Диаметр присадочной проволоки d выбирают в соответствии с толщиной s основного металла. Для приближенного выбора диаметра
 присадочного прутка при s< 10 мм можно пользоваться эмпирической формулой (43). При s> 10 мм диаметр присадочного прутка принимают равным 5 мм.

Применение многопламенных горелок с несколькими мундштуками
 повышает производительность сварки и улучшает качество шва.

Мощность горелки выбирают в зависимости от толщины и теплопроводности свариваемого металла. Для сварки металла с высокой
 теплопроводностью требуется наконечник с большим расходом газа.

Свариваемый участок предварительно нагревают пламенем горелки до образования жидкой сварочной ванны. После этого в нее вводят конец присадочной проволоки, которая, расплавляясь, образует шов. Газовой сваркой можно выполнять швы в любом положении. Наиболее рациональный способ газовой сварки — соединение
 встык. При этом сталь толщиной до 2 мм сваривают с отбортовкой
 кромок без присадочного материала. При большей толщине металла
 производят одно' или двустороннюю разделку кромок.

При толщине металла до 3 мм применяют левую сварку (рисунок 76а), при которой горелка движется справа налево. Присадочный пруток 1 находится слева от горелки 2 и передвигается впереди пламени.

При толщине металла более 5 мм применяют правую сварку
 (рисунок 76.б): горелка 2 движется впереди сварочной проволоки 1
 слева направо. Правая сварка увеличивает производительность на
 20—25% при меньшем расходе ацетилена (на 15—25%).

Угол наклона горелки к свариваемой поверхности зависит от толщины металла. При увеличении толщины металла нужна большая
 концентрация тепла и соответственно больший угол наклона горелки
 (рисунок 76.в).

Горизонтальные и потолочные швы обычно выполняют правым
 способом сварки, обеспечивающим глубокое проплавление, а вертикальные швы ведут левым способом снизу вверх. При таком способе
 сварки предотвращается стекание металла из ванны.

При газовой сварке в качестве присадочного материала следует
 применять проволоку или прутки, близкие по химическому составу
 к металлу свариваемых деталей.

Рисунок 76. Способы газовой сварки и углы наклона горелки при различной толщине свариваемого металла

Применение флюсов, защищающих сварочный шов от окисления, 
 улучшает качество газовой сварки.