Сварочные работы. Практический справочник

✓ значительная зона термического влияния, состояние и ширина которой определяют механические характеристики сварного соединения;

✓ большой участок, подвергающийся разогреву, что увеличивает риск коробления металла;

✓ замедленный нагрев металла и довольно невысокая концентрация тепла, снижающие производительность сварки при увеличении толщины металла. По этой причине газовая сварка стали толщиной более 4 мм не используется;

✓ достаточно высокая стоимость расходных материалов, в частности ацетилена и кислорода, что делает газовую сварку более затратной, чем дуговая;

✓ невозможность механизации и автоматизации процесса.

Несмотря на достаточно внушительный список недостатков, газовая сварка является процессом, который достоин изучения, тем более что с ее помощью можно сваривать практически все применяемые в технике металлы.

Оборудование и материалы

Газовая сварка и резка металлов осуществляются с помощью различных газов, их смесей, паров бензина и керосина.

Кислород при обычных температуре и давлении – это прозрачный газ, имеющий следующие физические характеристики:

✓ без вкуса, запаха, цвета;

✓ масса 1 м3 при 20 °C и атмосферном давлении составляет 1,33 кг;

✓ при нормальном давлении горит при температуре 182,9 °C.

Химическая активность кислорода очень высока: он взаимодействует со всеми химическими элементами, за исключением инертных газов, причем эти реакции относятся к экзотермическим.

Для сварки и резки применяют технический кислород, который в зависимости от содержания чистого кислорода (остальное приходится на азот и аргон) различается по сортам:

✓ I сорт – содержание чистого кислорода составляет 99,7 %;

✓ II сорт – не менее 99,5 %; ✓ III сорт – 99,2 %. Чистота кислорода – это очень важный показатель, особенно для резки металлов. При его повышении улучшается качество обработки металла и снижается расход самого газа.

Кислород требует осторожного обращения, поскольку при контакте с органическими веществами (маслами, угольной пылью и проч.) он склонен к самовоспламенению и взрыву в результате их быстрого окисления. Кроме того, он может взаимодействовать с горючими газами и парами, что тоже может закончиться взрывом.

Ацетилен (C₂H₂) относится к горючим газам и чаще всего используется при газовой сварке. При горении в кислороде его температура повышается до 3050–3150 °C. Физические характеристики ацетилена:

✓ бесцветный газ с резким запахом;

✓ легче воздуха (масса 1 м3–1,09 кг);

✓ сжижается при температуре –82 °C;

✓ переходит в твердое состояние при температуре –85 °C;

✓ взрывоопасен (температура самовоспламенения – 240–630 °C; при повышении давления она может быть и ниже, если, например, при давлении 0,3 МПа температура воспламенения составляет 530 °C, то при давлении 2,2 МПа – 350 °C), особенно в смеси с кислородом или воздухом.

Технический ацетилен производят двумя способами – из карбида кальция либо из природного газа, нефти или угля. Причем второй вариант обходится гораздо дешевле (примерно на 30–40 %).

3. Пропан-бутановая смесь, или технический пропан (бесцветный газ, с резким неприятным запахом, несколько тяжелее воздуха), количество бутана в котором составляет 5–30 %. Эту смесь получают в процессе газодобычи или переработки нефти.

Температура, которую дает пропан-бутановая смесь, составляет 2400 °C, поэтому ее применяют при сварке стали толщиной не более 3 мм (в этом отношении она не уступает по результативности ацетилену), в противном случае металл не удается прогреть до такой степени, чтобы получить прочное соединение. Но низкотемпературное пламя применяют при резке, правке и очистке металла. Для сварочных работ пропан-бутановая смесь доставляется в баллонах в жидком состоянии. В верхней части емкости он самопроизвольно меняет свое агрегатное состояние на газообразное.

4. Природный газ, 77–98 % которого составляет метан (газ без цвета и запаха), остальное количество приходится на бутан, пропилен, пропан и др. Так как температура метан-кислородной смеси составляет 2100–2200 °C, сфера ее применения достаточно узкая.

5. Водород (H₂) – самый легкий газ, горючий, не имеет ни цвета, ни запаха. В смеси с кислородом становится взрывоопасным, поэтому его применение при сварочных работах требует строжайшего соблюдения техники безопасности.

Кроме перечисленных веществ, в сварке находят применение и другие горючие газы, например коксовый газ, городской газ, нефтяной газ, пары бензина и керосина.

Для осуществления газовой сварки необходимо специальное оборудование.

Ацетиленовый генератор, предназначенный для получения ацетилена в процессе взаимодействия карбида кальция с водой. Согласно ГОСТу 5190–78 такие устройства различаются по следующим параметрам:

✓ давление получаемого газа (генераторы низкого и среднего давления – до 0,02 МПа и 0,02– 0,15 МПа соответственно);

✓ способ установки (стационарные и передвижные);

✓ производительность (стационарные – 5, 10, 20, 40, 80, 160, 320 или 640 м3/ч, а передвижные – 1,25 и 3 м3/ч). Чаще всего используют генераторы производительностью 1,25 м3/ч;

✓ характер взаимодействия карбида с водой. Различаются генератора типов КК («карбид в воду»), ВК («вода на карбид»), К (контактный), ВВ («вытеснение воды»), ВК + ВВ (комбинированный).

Независимо от системы функционирования все генераторы состоят из газообразователя, газосборника, предохранительного затвора и автомата для регулировки вырабатываемого ацетилена. В качестве примера можно привести ацетиленовый генератор ГВР-1,25 М, конструкция которого представлена на рис. 13.

Технические характеристики передвижных ацетиленовых генераторов наиболее распространенных марок представлены в табл. 2.

2. Предохранительные затворы, устанавливаемые на ацетиленовые генераторы для предупреждения обратного удара, возникающего при попадании в трубопроводы и шланги, через которые поступают горючие газы, взрывной волны и пламени. Если это происходит с высокой скоростью, то удар может дойти до генератора и вызвать его взрыв.

Таблица 2

Технические параметры некоторых передвижных ацетиленовых генераторов производительностью 1,25 м3/ч 

Предохранительные затворы бывают сухими и жидкостными (обычно водяными) (рис. 14). Последние распространены в большей степени.

Для генераторов низкого давления предназначены затворы открытого типа, для генераторов среднего давления – закрытого типа. Принцип действия такого устройства заключается в том, что взрывная волна и пламя, не доходя до потока горючего газа, либо стравливаются в атмосферу, либо гасятся внутри затвора.

3. Баллоны для сжатых газов. Принципиальное отличие баллонов для ацетилена от баллонов для других горючих газов состоит в том, что этот газ содержится в ацетилен-ацетоновом растворе, поглощенном специальной пористой массой (активированным углем марки БАУ-А (ГОСТ 6217–74)), которой и заполнен весь баллон. Это позволяет безопасно хранить, транспортировать и использовать ацетилен. Сейчас все чаще применяют литую пористую массу на основе силикатов.

Рис. 14. Предохранительные затворы: а – жидкостного типа ЗСГ-1,25–4: 1 – корпус; 2 – колпачок обратного клапана; 3 – гуммированный клапан; 4 – корпус обратного клапана; 5 – сетка; 6 – пробка для слива воды из обратного клапана; 7 – ниппель для ввода ацетилена в затвор; 8 – пробка; 9 – контрольная пробка; 10 – пламяпреградитель; 11 – штуцер; 12 – накидная гайка; 13 – ниппель; б – сухого типа ЗСН-1,25: 1 – корпус; 2 – мембрана; 3 – крышка; 4 – отсечный сферический клапан; 5 – стакан; 6 – уплотнитель; 7 – обратный клапан

Вентиль для баллона под ацетилен сделан из стали и выдерживает давление 25 кгс/см2. Маховик у него отсутствует (с ним нельзя было бы надеть присоединительный хомут с натяжным винтом). Для открывания и закрывания вентиля используется специальный ключ, надевающийся на шпиндель. На седле в корпусе вентиля имеется эбонитовый уплотнитель, который открывает и блокирует выход ацетилена.

Баллоны для ацетилена бывают разного объема, но, как правило, используют баллоны емкостью 40 л (5,5 м3 ацетилена, с пористой массой – 7 м3). Баллон для пропан-бутановой смеси сваривается из листовой стали толщиной 3 мм и имеет один продольный и два кольцевых шва. Сверху приварена горловина, внизу – башмак, обеспечивающий устойчивость. Баллон заполняется смесью примерно на 85 %.

Вентиль для пропанового баллона изготовлен из стали и, в отличие от других конструкций, имеет запорное устройство в виде мембраны, выполненной из пружинной стали. Если стоит неметаллический уплотнитель, то вся шпиндельная система вентиля уплотняется ниппелем.

Кислородный баллон – это цилиндр с выпуклым днищем и сферической горловиной, в которой имеется сквозное отверстие с конической резьбой, куда вкручивается запорный вентиль. Производятся баллоны малой (до 12 л) и средней (12–40 л) вместимости с условным давлением 200 кгс/м2.

Корпус кислородного вентиля сделан из латуни. Его герметичность обеспечивают сальник и прокладка (сейчас чаще всего используют капроновую).

Основные характеристики баллонов для горючих и сжатых газов представлены в табл. 3.

4. Редуктор. Это прибор, функции которого заключаются в понижении давления газа из баллона (газопровода) до рабочего и поддержании его на таком уровне. Редукторы бывают одно-и двухкамерными. В последних давление понижается сначала до промежуточного значения (с 15 до 4 МПа), потом до рабочего – 0,3–1,5 МПа. Двухкамерные редукторы имеют более сложную конструкцию, стоят дороже, но способны поддерживать давление практически на постоянном уровне.

Таблица 3

Основные характеристики баллонов под горючие и сжатые газы 

В настоящее время производят семнадцать типов редукторов. Обозначение марок редукторов включает в себя:

✓ буквы: Б (баллонный), С (сетевой), Р (рамповый), А (ацетилен), В (водород), К (кислород), М (метан), П (пропан), О (одна ступень с пружинным заданием), Д (две ступени с пружинным заданием), З (одна ступень с пневматическим задатчиком);

✓ цифры, по которым судят о максимальной пропускной способности редуктора.

Параметры некоторых наиболее часто применяемых редукторов приведены в табл. 4.

Корпус редуктора имеет такой же цвет, что и баллоны, т. е. для кислорода – голубой, для ацетилена – белый, для пропана – красный.

Таблица 4

Основные технические характеристики некоторых типов редукторов 

5. Сварочная горелка с комплектом сменных наконечников, которые по ГОСТу 1077–79 классифицируются:

1) по роду используемого газа или жидкости:

✓ для ацетилена;

✓ для газов-заменителей;

✓ для водорода;

✓ для горючих жидкостей;

2) по назначению:

✓ универсальные (для сварки, резки и проч.);

✓ специализированные;

3) по способу подачи газа и кислорода в смеситель:

✓ инжекторные;

✓ безынжекторные (в нашей стране производятся только горелки микромощности);

4) по количеству пламени:

✓ однопламенные;

✓ многопламенные;

5) по мощности пламени:

✓ микромощные (расход ацетилена 5–50 л/ч) Г1;

✓ малой мощности (25–600 л/ч) Г2;

✓ средней мощности (50–2200 л/ч) Г3;

✓ большой мощности (2200–7000 л/ч) Г4;

6) по способу использования:

✓ ручные;

✓ машинные. Горелки выпускают с набором наконечников от 0 до

7. Горелки Г1 и Г4 используются редко, поэтому наконечники к ним поставляются по специальному заказу. Наибольшим спросом пользуются малые и средние горелки. В комплект входят наконечники:

✓ Г2 – № 1, 2, 3 (№ 0 – по заказу);

✓ Г3 – № 3, 4, 6 (№ 1, 2, 5, 7 – по заказу).