Газополум'яна зварювання

Газополум'яна обробка металів — це ряд технологічних процесів, пов'язаних з обробкою металів високотемпературним газовим полум'ям.

Газова зварювання плавленням, при якій нагрів кромок з'єднуваних частин деталей здійснюється полум'ям газів, спалюваних на виході з пальника для газового зварювання.

Газове полум'я найчастіше утворюється в результаті згоряння (окислення) горючих газів технічно чистим киснем (чистота не нижче 98,5%). В якості горючих газів використовують ацетилен, водень, метан, пропан, пропанобутановую суміш, бензин, гас освітлювальний.

Малюнок 1. Розподіл температури по осі нормального газового полум'я

Газове зварювальне ацетиленокислородное «нормальне» полум'я має форму, схематично показано на малюнку 1.

У внутрішній частині ядра полум'я 1 відбувається підігрів газової суміші, що поступає з сопла до температури займання. У зовнішній оболонці ядра відбувається частковий розпад ацетилену. Виділяються частинки вуглецю розпечені, яскраво світяться, чітко виділяючи обриси оболонки ядра (температура газів в ядрі невелика і не перевищує 1500 ⁰С).

Зона 2 є найбільш важливою частиною зварювального полум'я (зварювальної зоною). В ній відбувається перша стадія згоряння ацетилену за рахунок кисню, що надходить в сопло з балона, внаслідок чого тут розвивається максимальна температура. Містяться у зварювальній зоні гази мають відновні властивості по відношенню до оксидам багатьох металів, у тому числі і до оксидам заліза. Тому її можна назвати відновної. Зміст вуглецю в металі шва змінюється незначно.

В зоні 3 або факелі полум'я протікає догорання газів за рахунок кисню повітря що відображає склад газів у факелі. Містяться в факелі гази й продукти їх дисоціації окислюють метали, тобто ця зона є окисної. Вид ацетиленкисневого полум'я залежить від співвідношення в газовій суміші, що подається в пальник кисню і ацетилену називається коефіцієнтом β.

Малюнок 2. Будова ацетиленкисневого полум'я:

При β = 1,1... 1,2 полум'я нормальне (див. малюнок 1). При збільшенні цього співвідношення, тобто відносному збільшенні вмісту кисню (окислювальне полум'я), форма і будова полум'я змінюються (рис. 2). При цьому реакції окислення прискорюються, а ядро полум'я блідне, коротшає і набуває конічної загострену форму. У цьому випадку зварювальна зона втрачає відновні властивості і набуває окислювальний характер (зміст вуглецю в металі шва зменшується, випалюється). З зменшенням β, тобто при збільшенні вмісту ацетилену в газовій суміші реакції окислення сповільнюються. Ядро подовжується, і його обриси стають розмитими. Кількість вільного вуглецю збільшується, частки його з'являються у зварювальній зоні. При великому надлишку ацетилену частинки вуглецю з'являються і у факелі полум'я. У цьому випадку зварювальна зона стає науглероживающей, тобто зміст вуглецю в металі шва підвищується.

Полум'я замінників ацетилену принципово подібно ацетиленокислородному і має три зони. На відміну від вуглеводневих газів по-дородно-кисневе полум'я світиться ядра не має (немає світних частинок вуглецю).

Одним з найважливіших параметрів, що визначають теплові, а значить і технологічні властивості полум'я, є його температура. Вона різна в різних його ділянках як по довжині вздовж його осі (рисунок 1), так і в поперечному перерізі. Вона залежить від складу газової суміші та ступеня чистоти застосовуються газів. Найвища температура спостерігається по осі полум'я, досягаючи максимуму у зварювальній зоні на відстані 2... 3 мм від кінця ядра. Ця зварювальна зона є основною для розплавлення металу. Із збільшенням β максимальна температура зростає і зміщується до мундштука пальника. Це пояснюється збільшенням швидкості горіння суміші при надлишку кисню. При надлишку ацетилену (β менше 1) навпаки, максимум температури віддаляється від мундштука і зменшується за величиною.

Горючі гази-замінники ацетилену, дешевше і недефицитны. Однак їх теплотворна здатність нижче, ніж у ацетилену. Максимальні температури полум'я також значно нижче. Тому їх використовують в обмежених обсягах в технологічних процесах, не потребують високотемпературного полум'я (зварювання алюмінію, магнію та їх сплавів, свинцю, пайка, зварювання тонколистової сталі, газова різка і т. д.). Наприклад, при використанні пропану і пропанобутановых сумішей максимальна температура полум'я 2400... 2500 ⁰С. Їх використовують при зварюванні сталі товщиною до 6 мм, зварюванні чавуну, деяких кольорових металів і сплавів, наплавленні, газового різання і т. д.

При використанні водню максимальна температура полум'я 2100 ⁰С. Нагрівання металу полум'ям обумовлений променистим, і в основному конвективним теплообміном між потоком гарячих газів і стикається з ним поверхнею металу. При вертикальному положенні від полум'я її растекающийся потік утворює на поверхні металу симетричне відносно центру пляма нагріву. При нахилі полум'я пляма нагріву витягується з напрямом осі та звужується з боків. Інтенсивність нагріву попереду ядра вище, ніж позаду його.

Введення тепла у виріб при газової зварюванні відбувається по більшій площі плями нагріву. Джерело тепла менш концентрований, ніж при інших способах зварювання плавленням. В результаті великої площі нагрівання основного металу околошовная зона (зона термічного впливу) має великі розміри, що призводить до утворення підвищених деформацій зварних з'єднань (викривлення).

При газовій зварці на метал зварювальної ванни активно впливає газова фаза всього полум'я і особливо зварювальної зони, що містить, в основному, З + Н₂ і частково пари води, а також СО₂, Н₂, О₂ і N₂ і деяка кількість вільного вуглецю. Склад газової фази визначається співвідношенням кисню і пального газу в газовій суміші, температурою полум'я і різний в її різних зонах. Від цього залежать металургійні взаємодії газової фази з металом зварювальної ванни. Основні реакції при зварюванні — це окислення і відновлення. Напрямок реакції залежить від концентрації кисню в газовій фазі (окисне і насичуватися вуглецем полум'я), температури взаємодії і властивостей оксиду. При зварюванні сталей основна взаємодія газової фази відбувається з залізом, т. е. освіта його оксидів або відновлення. Елементи, що мають більшу спорідненість до кисню, ніж залізо (Al, Si, Mn, Cr і т. д.) можуть інтенсивно окислюватися тоді, коли реакцій окислення заліза не проходить. Вони легко окислюються не тільки в чистому вигляді, але і перебуваючи у вигляді легуючих добавок, причому чим їх зміст вище, тим окислення інтенсивніше. Окислення таких елементів, як Al, Ti, Mg, Si та деяких інших взагалі виключити не вдається і для зменшення їх чаду слід крім регулювання складу газової суміші використовувати флюси.

Зважаючи на відносно невисокого захисного та відновного дії полум'я розкислення металу зварювальної ванни при зварюванні сталей досягається введенням в неї марганцю, кремнію та інших розкислювачів через присадочні дріт. Їх дія заснована на утворенні жидкотекучих шлаків, сприяють самофлюсованию зварювальної ванни. Утворюються на поверхні зварювальної ванни шлаки захищає розплавлений метал від кисню, водню та азоту, газової середовища полум'я і подсасываемого повітря. Міститься в полум'я водень може розчинятися в розплавленому металі зварювальної ванни. При кристалізації металу частина не встиг виділитися водню може утворити пори. Азот потрапляє в розплавлений метал з повітря утворює в ньому нітриди. Структурні перетворення в металі шва і біляшовній зоні при газовій зварці мають такий же характер, як і при інших способах зварювання плавленням. Однак внаслідок повільного нагрівання і охолодження метал шва має більш крупнокристаллическую структуру з рівноважними неправильної форми зернами. У ньому при зварюванні сталей з вмістом 0,15... 0,3 вуглецю при швидкому охолодженні може утворюватися видманштеттовая структура. Чим вище швидкість охолодження металу, тим дрібніше в ньому зерно і тим вище механічні властивості металу шва. Тому зварювання слід проводити з максимально можливою швидкістю.

Зона термічного впливу складається з тих же характерних ділянок, як і при дуговому зварюванні. Однак її ширина значно більше (до 30 мм при зварюванні сталі великих товщин) і залежить від режиму газового зварювання.

У процесі зварювання відбувається розплавлення основного і присадного металів. Регулювання ступеня їх розплавлення визначається потужністю пальника, товщиною металу і його теплофізичними властивостями. Газовим зварюванням виконують зварні з'єднання різного типу.

Метал товщиною до 2 мм з'єднують встик без оброблення крайок і без зазору або, що краще, з відбортовкою крайок без присадочного металу.

Метал товщиною 2... 5 мм з присадним металом зварюють встик без оброблення кромок із зазором між кромками.

При зварюванні металу понад 5 мм використовується V - або Х-подібна оброблення крайок.

Таврові і нахлесточные з'єднання припустимі тільки для металу товщиною до 3 мм При великій товщині нерівномірний розігрів призводить до суттєвих деформацій, залишковим напруженням і можливості утворення тріщин.

Зварювані кромки зачищають від забруднень на 30... 50 мм механічними способами або газовим полум'ям. Перед зварюванням деталі зварного з'єднання закріплюються в складально-зварювальному обладнанні або збираються з допомогою коротких швів прихваток.

Напрямок руху пальника і нахил її до поверхні металу, що має великий вплив на ефективність нагріву металу, продуктивність зварювання і якість шва. Розрізняють два способи зварювання: правий і лівий (малюнок 3). Зовнішній вигляд шва краще при лівому способі зварювання, так як зварювальник бачить процес утворення шва. При товщині металу до 3 мм більш продуктивним є лівий спосіб зварювання зважаючи попереднього підігріву кромок. Однак при великій товщині металу при зварюванні з обробленням кромок кут скосу кромок при правому способі зварювання на 10... 15⁰ менше, ніж при лівому. Кут нахилу мундштука також може бути на 10... 15⁰ менше. В результаті підвищується продуктивність зварювання. Тепловий вплив полум'я на метал залежить від кута нахилу осі полум'я до поверхні металу (рис. 4).

Малюнок 3. Способи переміщення пальника (способи газового зварювання)

Малюнок 4. Застосовуються кути нахилу пальника в залежності від товщини металу

БзЮВ 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 (рисунок 5). 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.

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 

Рисунок 5. Движения горелки и проволоки

При необхідності використання флюсу він наноситься на зварювані кромки або вноситься в зварювальну ванну оплавляемым кінцем присадочного прутка (налиплим на нього при зануренні у флюс). Флюси можуть використовуватися і в газоподібному вигляді при подачі їх в зону зварювання з горючим газом.