Газовая сварка - Основы технологии и оборудование

Подробности

Опубликовано 25.05.2012 15:52

Просмотров: 24191

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОВОЙ СВАРКИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НЕЕ

Общие сведения Горючие газы. При газопламенной обработке (сварке, резке, поверхностной обработке, пайке) в качестве источника оплоты используется газовое пламя — пламя горючего газа, сжигаемого для этой цели в кислороде в специальных горелках. В качестве горючих газов используют ацетилен, водород, природные газы, нефтяной газ, пары бензина, керосина и др. Наиболее высокую температуру по сравнению с пламенем других газов имеет ацетилено-кислородное пламя, поэтому оно нашло наибольшее применение (табл. 3).

Основным сырьем для получения ацетилена является карбид кальция. Карбид кальция — химическое соединение кальция с углеродом (СаС2). Его получают в электрических дуговых печах при температуре 1900—2300° С сплавлением кокса (С) с негашеной известью (СаО) по реакции СаО+ЗС=СаС2+СО. Расплавленный карбид кальция сливают из печи в специальные изложницы, в которых он остывает и затвердевает, после чего его дробят и сортируют по кускам от 2 до 80 мм. Так как карбид кальция активно взаимодействует с водой и интенсивно поглощает влагу из воздуха и разлагается, его упаковывают в специальные герметичные барабаны из кровельной стали вместимостью 100 и 130 кг. Ацетилен (С2Н2) является химическим соединением углерода и водорода. Его получают в специальных аппаратах — ацетиленовых генераторах при взаимодействии воды с карбидом кальция (CaQ). Реакция разложения карбида кальция с образованием газообразного ацетилена и гашеной извести протекает бурно со значительным выделением теплоты Q: CaC2+2H20=C2H2+Ca(0H)2+Q. При разложении 1 кг карбида кальцйя образуется 0,25—0,3 м8 ацетилена. Теоретически для разложения 1 кг карбида кальция требуется 0,562 кг воды, практически берут от 5 до 20 кг воды для разложения и охлаждения. Ацетилен (С2Н2) при нормальных условиях (температура 20°С, давление 760 мм рт. ст.) представляет собой бесцветный газ с резким специфическим чесночным запахом. Ацетилен легче воздуха — 1 м3 ацетилена при нормальных условиях имеет массу 1,09 кг. Ацетилен взрывоопасен, с воздухом он образует взрывоопасные смеси в пределах от 2,2 до 81 % .по объему (ацетилена) при нормальном атмосферном давлении, с кислородом — от 2,3 до 93%. Наиболее взрывоопасны смеси, содержащие 7—13% ацетилена. Температура самовоспламенения ацетилена колеблется в пределах 500—600°С при давлении 0,2 МПа, при давлении 2,2 МПа — 350°С, присутствие окислов меди снижает температуру воспламенения до 240° С. Взрывоопасность ацетилена понижается при растворении в жидкостях. Очень хорошо он растворяется в ацетоне. При нормальных условиях в одном объеме технического ацетона растворяется до 20 объемов ацетилена. Растворимость ацетилена в ацетоне увеличивается с увеличением давления и понижением температуры. К месту сварки ацетилен доставляется в специальных стальных баллонах, заполненных пористой пропитанной ацетоном массой, под давлением 1,9 МПа. Наряду с получением из карбида кальция ацетилен получают также из природного газа, нефти, угля, что дешевле на 30—40%. Ацетилен, полученный из природного газа, называется пиролизным. Кроме ацетилена при резке, а также при сварке, пайке, наплавке, газопламенной закалке, металлизации применяют и другие более дешевые и менее дефицитные горючие газы и пары жидкостей (табл. 3). При кислородной резке используют горючие газы, которые при сгорании в смеси с кислородом дают пламя с температурой не ниже 2000°С. Применение газов-заменителей дает более высокую чистоту реза при резке металлов малых толщин. При сварке температура пламени газа-заменителя должна примерно вдвое превышать температуру плавления свариваемого металла. Наряду с температурой пламени выбор горючего газа зависит от его теплотворной способности. Теплотвор ной способностью газа называется количество теплоты в джоулях (килокалориях), получаемое при полном сгорании 1 м3 газа. Для расчетов замены ацетилена другим газом-заменителем пользуются коэффициентом замены ацетилена. Коэффициентом замены ацетилена (.) называется отношение расхода газа-заменителя (V3) к расходу ацетилена (Va) при одинаковой эффективной тепловой мощности <?*: V=VJVa. Эффективной тепловой мощностью пламени называется количество теплоты, вводимой в нагреваемый металл в единицу времени. Чем выше теплотворная способность газа и температура пламени, тем выше его эффективная мощность, тем меньше расход газа при сварке и резке. "Основные свойства горючих газов и жидкостей и области их применения приведены в табл. 3. Водород (Н2) — горючий газ без цвета и запаха, в 14,5 легче воздуха, взрывоопасен, получают разложением воды электрическим током. Коксовый газ — бесцветный газ с запахом сероводорода получают при выработке кокса из каменного угля и состоит из смеси горючих продуктов: водорода, метана и других непредельных углеводородов. Городской газ — смесь горючих газов (в процентах по объему): метана — 70—95, водорода — до 25, тяжелых углеводородов — 1, азота — до 3, окиси углерода — до 3, двуокиси углерода — до 1. Пропан-бутановые смеси — смеси, состоящие в основном из пропана (С3Н8) и бутана (С4Н10), бесцветные газы, без запаха, обладают самой большой теплотворной способностью. Бензин и керосин — продукты переработки нефти, бесцветные легкоиспаряющиеся жидкости. Кислоро д при нормальных условиях — это бесцветный негорючий газ, не имеющий запаха, немного тяжелее воздуха, 1 м3 его массы равен 1,33 кг. Кислород имеет высокую химическую активность, образуя соединения со всеми элементами (кроме инертных газов), он активно поддерживает горение с выделением большого количества теплоты. Кислород получают из воздуха в специальных установках. Атмосферный воздух представляет собой смесь, содержащую по объему: азота — 78,08%, кислорода — 20,95, инертные газы — 0,94%, остальные — углекислый газ, водород и другие газы. Перерабатываемый воздух, проходя через фильтры, очищается от вредных примесей, пыли, углекислоты, осушается, затем сжимается компрессором до давления 20 МПа, после чего охлаждается в теплообменниках до сжижения. Разделение воздуха на азот,* кислород и инертные газы (аргон, гелий) основано на разнице температур их кипения и испарения: температура кипения жидкого азота — 196°С, а жидкого кислорода — 182,9°С при нормальном атмосферном давлении. При испарении сначала в газообразную фазу будет переходить азот, так как он имеет более низкую по сравнению с кислородом температуру кипения, а остающаяся жидкость будет обогащаться кислородом. Отделенный от азота кислород перекачивается в газгольдеры, из которых и наполняются кислородные баллоны до давления 15 МПа. К месту сварки кислород доставляется или в газообразном состоянии в кислородных баллонах, или в жидком виде в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией. Для превращения жидкого кислорода в газ используются газификаторы и насосы с испарителями для жидкого кислорода. К рабочим постам газ в этом случае поставляется по системе газопроводов. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С 1 дм3 жидкого кислорода при испарении дает 860 дм3 газообразного. Поэтому доставка кислорода в жидком состоянии позволяет примерно в 10 раз уменьшить массу тары, экономить металл на изготовление баллонов, уменьшать расходы на их транспортировку и хранение. Для сварки и резки по ГОСТ 5583—-78 технический кислород выпускается трех сортов: 1-й чистотой не менее 99,7%, 2-й — не менее 99,5, 3-й — не менее 99,2% по объему. Чистота кислорода имеет большое значение для кислородной резки. Чем чище кислород, тем выше скорость реза, чище кромки и меньше расход кислорода. Газовое пламя. Ацетилено-кислородное пламя состоит из трех зон (рис. 32): ядра пламени средней восстановительной зоны 2, факела пламени — окислительной зоны 3. Ядро представляет собой газовую смесь СИЛЬНО нагретого кислорода И диссоциированного (разложенного) ацетилена —2С+Н 2+0 2, ядро выделяется резким очертанием и ярким свечением. Горение начинается на внешней оболочке ядра и продолжается во второй зоне. В зоне 2 происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода, поступающего из баллона по реакции 2С+Н 2 +0 2 -> —>-2СО+Н2. Углерод сгорает не полностью, а водород, как имеющий меньшее сродство к кислороду по сравнению с углеродом, в этой зоне не окисляется (не сгорает). Зона 2, имеющая самую высокою температуру и обладающая восстановительными свойствами, называется сварочной или рабочей зоной. В зоне 3 (факеле) протекает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода по реакции 2СО+ +Н2+3/202=2С02+Н20. Углекислый газ и пары воды при высоких температурах окисляют железо, поэтому эту зону называют окислительной. Для полного сгорания одного объема ацетилена требуется два с половиной объема кислорода: один объем поступает из кислородного баллона и полтора объема — из воздуха. Для полного сгорания одинакового объема различных газов требуется различное количество кислорода (см. табл. 3). Газовое пламя нагревает металл вследствие процессов теплообмена — вынужденной конвекции и излучения. Тепловые характеристики газового пламени (температура, эффективная тепловая мощность, распределение теплового потока пламени по пятну нагрева) зависят от теплотворной способности горючего газа, чистоты кислорода и их соотношения в смеси. Температура газового пламени (°С) неодинакова в различных его частях и достигает наибольшего значения на оси пламени, вблизи конца ядра. Тепловую мощность газового пламени, получаемого в сварочных горелках, условно оценивают часовым расходом ацетилена (л/ч). Эффективная мощность пламени т. е. количество теплоты, вводимой в нагреваемый металл в единицу времени, возрастает с увеличением расхода газа. Эффективный к. п. д. процесса нагрева металла газовым пламенем, определяемый как отношение эффективной мощности </и к полной мощности пламени q, равен rjH== =clJcI=clJ(kVa)> где kVa — полная тепловая мощность ацетилено-кислородного пламени; k — коэффициент, «0,84; г]й зависит от мощности пламени и меняется в пределах от 0,8 (малая мощность) до 0,25 (большая мощность). Газовое пламя является рассредоточенным источником теплоты. Наибольший тепловой поток на оси ацетиленокислородного пламени обычной сварочной горелки в 8—12 раз меньше, чем у открытой сварочной дуги примерно одинаковой эффективной мощности, поэтому газовое пламя нагревает металл медленнее и плавнее, чем сварочная дуга (см. табл. 1).