Технология газовой сварки

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.

Рис. 1 Распределение температуры по оси нормального газового пламени

Газовая сварка. Газовое пламя чаще всего образуется в результате сгорания (окисления) горючих газов технически чистым кислородом (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 пламени У 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 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 в газовой смеси подаваемой в горелку кислорода и ацетилена называется коэф ?.

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

При ? = 1,1 ... 1,2 пламя нормальное (см. рис. 1). При увеличении этого соотношения (например ? = 1,5), т.е.- относительном увеличении содержания кислорода (окислительное пламя), форма и строение пламени изменяются (рис. 2). 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 ? (например, ? = 0,5), т.е. при увеличении содержания ацетилена в газовой смеси реакции окисления замедляются. Ядро удлиняется и его очертания становятся размытыми. 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 во-дородно-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 (см. рис. 1), так и в поперечном сечении. Она зависит от состава газовой смеси и степени чистоты применяемых газов. 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 (3 максимальная температура возрастает и смещается к мундштуку горелки. Это объясняется увеличением скорости горения смеси при избытке кислорода. При избытке ацетилена (? менее 1) наоборот, максимум температуры удаляется от мундштука и уменьшается по величине.
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 + Н2 и частично пары воды, а также СО2, Н2, О2 и N2 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. 3). 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. 3. Правый (а) и левый (б) способы газовой сварки

Рис. 4 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. 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.

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.

Режимы газовой сварки с применением в качестве горючего газа ацетилена.

Газовая сварка меди. Первое, что надо помнить - медь сильно окисляется. Образующийся оксид снижает пластичность и механическую прочность сварного шва. Помимо всего, появляются мелкие трещины в расплавленном металле «водородная болезнь». Это и объясняет необходимость обязательного использования флюсов при работах с медью. Роль флюсов заключается в растворении образующихся оксидов. Оксиды трансформируются в легкоплавкие шлаки. А чтобы закиси меди не образовывались в металле шва, необходимы присадки (марганец, кремний). Для указанных целей рекомендуется и использование меди с пониженным содержанием кислорода (до 0,01%).Флюсы и присадочные металлы даны в таблицах.

Таблица 1. Флюсы для газовой сварки меди

Таблица 2. Металлы присадочные

ые трудности возникают при газовой сварке меди из-за ее уникальных теплофизических свойств. Медь обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью (в 6 - 7 раз выше, чем у стали), повышенным коэффициентом линейного расширения при нагревании (в 1,5 раза выше, чем у стали).

Эти свойства обусловливают большую, чем при сварке стали, зону термического влияния и приводят к появлению значительных тепловых деформаций, которое могут вызывать при охлаждении сварного шва значительные напряжения.

Некоторыми технологическими приемами можно устранить нежелательные последствия при сварке меди.

К примеру, сварку можно вести на увеличенных скоростях. Это уменьшит время соприкосновения пламени с жидким металлом. Для этого надо предварительно подогреть свариваемые кромки. Наконечник для сварки меди всегда будет на 1 - 2 номера больше, чем наконечник для сварки стали. Это общее правило, и его надо знать без обращения к специальным источникам. Разрушить оксидные прослойки после сварки можно путем проковки шва в горячем состоянии. Обычно медь сваривается в виде стыковых и угловых соединений. Сварка впритык (тавровое соединение) и сварка в кромку применяется только при ремонте. Внахлестку медь не сваривается. Медь сваривается только в один слой т.к. при накладывании второго слоя большая вероятность появления трещин. При сварке меди надо соблюдать технологическую последовательность операций. В противном случае полученный сварной шов не будет соответствовать предъявляемым требованиям.

Подготовка свариваемых деталей. Для этого надо зачистить как кромки свариваемых изделий (деталей), так и прилегающую к ним поверхность металла. Очищать можно как механическим, так и химическим путем. Затем надо собрать свариваемые детали, закрепить их (лучше всего в кондукторе) и сделать прихватки. Прихватки - это короткие швы (не более 5 мм) с интервалом между ними в 70 - 100 мм. Если свариваются детали, имеющие значительную толщину, то длина прихваток составит не менее 20 мм при интервале между ними в 400 - 500 мм.

Установка свариваемой детали (свариваемых деталей). Свариваемые детали надо располагать под углом 7 - 10° к горизонтальной плоскости, чтобы лучше заполнялись зазоры кромок (разделка кромок).

Установка режима сварки. Мощность горелки регулируется, исходя из следующего расчета 155 - 175 л/ч ацетилена на 1 мм свариваемой толщины (при толщине 3 - 4 мм). Если толщина больше, порядка 8 - 10 мм 175 - 225 л/ч на 1 мм толщины. Пламя должно быть нормальным, мягким.

Процесс сварки. Свариваемые кромки нагреваются, на них в виде пасты наносится флюс. Флюсом покрывается и присадочный пруток. Расплавить присадочный пруток, расположив его над местом сварки близко от сварочной ванны для уменьшения ее оксидирования. Установить горелку под углом наклона к свариваемому изделию 30 - 40°, присадочной проволоки 30 - 40°, расположить ядро пламени на расстоянии 6 - 10 мм от расплавленного металла и выполнить сварку восстановительной зоной пламени в один проход снизу вверх: левым способом при толщине листов до 5 мм, а при большей толщине - правым способом. Во время сварки периодически добавлять флюс непосредственно в зону сварки на кончике присадочной проволоки, непрерывно перемешивая жидкий металл присадкой, извлекая ее возможно реже из ванночки.

Завершение процесса сварки. После сварки шов проковать: при толщине листов до 4 мм - в холодном состоянии, при больших толщинах - при температуре до 500°С; принять меры предосторожности против резкого охлаждения сварного соединения под воздействием сквозняков или притока холодного воздуха. Очистить шов 2% раствором серной или азотной кислоты и промыть водой для удаления остатков флюса.

Сварка латуни. Латунь - это сплав меди с цинком (цинка может быть до 55%). Если речь идет о специальных латунях, то это означает, что в сплав включаются дополнительно различные легирующие добавки (свинец, никель, олово). Как и медь, латунь является трудносвариваемым сплавом. Основные трудности процесса - это выгорание цинка и поглощение газов расплавленным металлом. Последствия - образование пор и снижение механической прочности соединения. К тому же, сплав с содержанием цинка бо­лее 20% очень часто растрескивается после деформации в холодном состоянии. Чтобы добиться устранения этого, применяются особые технологические приемы приведенные в таблице3.

Таблица 3. Методы устранения дефектов

Обработка сварных соединений из латуни после сварки производится так же, как при сварке меди. Однако в отличие от меди, температура проковки латуни зависит не от толщины свариваемой детали, а от содержания цинка в основном металле. Холодную проковку латуней алюминиевым молотком или пневмомолотком применяют для латуней, содержащих менее 40% цинка.

Латуни, содержащие более 40% цинка, подвергают проковке при температуре 650°С, что соответствует нагреву металла до темнокрасного цвета.

Не следует забывать, что пары цинка, содержащиеся в латуни, ядовиты и это требует принятия мер для защиты органов дыхания. Лучше всего применять респиратор или постараться обеспечить бездымный технологический процесс. При сварке латуни применяются порошкообразные флюсы:

флюс № 1 состоит исключительно из прокаленной буры;

флюс № 3 состоит из 80% борной кислоты и 20% прокаленной буры;

флюс № 200 состоит из 70% борной кислоты, 21% прокаленной буры и 9% фтористого кальция.

Сварка бронзы. Бронза - это сплав меди с оловом (оловянные бронзы) алюминием (алюминиевые бронзы), кремнием (кремнистые бронзы) и т.д. В состав бронзы могут входить и другие элементы.

Процесс газовой сварки применим преимущественно для оловянной бронзы, алюминиевые и кремнистые бронзы свариваются в основном дуговой или аргонодуговой сваркой.

Есть необходимость подробнее остановиться на су­ществующих марках различных бронз и изложить в таблице 4 способы их сварки.

Таблице 4. Марка и применение различных бронз

Первое, что нужно сделать, готовясь к сварке - это очистить поверхность от окалины, от остатков формовочной смеси (если таковые имеются), других отложений. Зачистку надо проводить металлической щеткой до появления блеска металла. Затем следует этап разделки кромок V-образного профиля под 70 - 90°. После этого, учитывая вредность испарений оловянных бронз, закрепить соединяемые детали в зоне действия вытяжной вентиляции в нижнем положении, т.к. бронза обладает большой текучестью в расплавленном состоянии. Под будущий шов необходимо подвести подкладки из графита или асбеста. Сварку производить лучше всего ацетиленом, но можно применить и газы заменители (бутан, пропан). На горелке отрегулировать мягкое нормальное пламя из расчета 70 - 120 литров в час на 1 мм свариваемой толщины. На кромки деталей и на присадочный металл нанести флюс. Флюсы используются те же, что и при сварке меди. Если металл холодный, подогреть его до температуры 250 - 300°С. Затем расположить мундштук горелки под прямым углом к поверхности металла и расплавить соединяемые кромки и присадочный материал. Ядро пламени горелки должно находиться на расстоянии 7 - 10 мм от уровня расплавленного металла (сварочной ванны). Это необходимо для того, чтобы сварочная ванна не перегрелась и не началось выгорание олова. Хорошо перемешивать сварочную ванну присадочным прутком и периодически добавлять в жидкий металл флюс, который будет удалять образующиеся окислы. В качестве присадочного материала при сварке оловянных бронз надо использовать проволоку БрОФб,5-0,4 или БрОЦ4-3 с добавкой фосфора. Так же можно использовать бронзовые полоски, но только обязательно той же марки, что и свариваемый металл.

По окончании сварочных работ произвести термообработку детали (изделия) и удалить остатки флюса путем промывки шва 2% раствором серной или азотной кислоты.

Сварка алюминия и его сплавов. Газовая сварка алюминия процесс проблемный из-за того, что на расплавленном участке сразу образуется тугоплавкая пленка оксида алюминия. Для устранения этого явления используется присадочная проволока со специальными флюсами, которые растворяют пленку, преобразуя ее в шлак.

Алюминиевые сплавы делятся на две группы: деформируемые и литейные.

Наиболее распространенные деформируемые сплавы - это сплавы алюминия с марганцем (АМц) и магнием (АМг), а также термоупрочняемые сплавы с медью типов Д1 и Д6 (дюралюминий). Из литейных сплавов чаще всего применяются различные виды силумина (сплава алюминия с кремнием) типов Ал2. Ал4 и Ал9.

В последние годы сварка деформируемых алюминиевых сплавов производится преимущественно дуговыми методами и, в частности, аргонодуговой сваркой. Газовая сварка используется при отсутствии такой возможности.

Литейные алюминиевые сплавы хорошо поддаются газовой сварке и этот метод, наравне с аргонодуговой сваркой, широко применяется при заварке дефектов литья и при ремонте.

Еще одна особенность, которую проявляют алюминиевые сплавы при сварке - это наличие высокого коэффициента линейного расширения (почти в два раза больше, чем у низкоуглеродистой стали). Следствием является то, что возникающие при сварке напряжения и деформации при сочетаний с чрезмерно быстрым охлаждением ведут к появлению трещин. Поэтому всякое отклонение от правильного режима сварки и охлаждения может привести к браку всего изделия. Правильный режим охлаждения заключается в следующих операциях:

Укрыть отливку асбестом или засыпать песком и обеспечить после сварки медленное охлаждение, не оставляя ее на сквозняке или в холодном помещении. Произвести проковку отливки, совмещая ее с отжигом при температуре 300 - 350°С и с выдержкой в печи в течение 2 - 5 ч для снятия остаточных напряжений и улучшения механических свойств сварного соединения

При сварке алюминиевых сплавов необходимо учитывать их склонность к порообразованию из-за растворения водорода, содержащегося в пламени. Для уменьшения вероятности возникновения пористости необходимо уменьшить скорость сварки и использовать предварительный подогрев свариваемых деталей.

При газовой сварке алюминия и его сплавов чаще всего применяют ацетилен, но может быть применен и водород (для толщин до 1,2 мм), пропанбутан (для толщин до 3 мм) и другие газы-заменители.

Сварка должна производиться мягким (при давлении кислорода 0,15 - 0,2 МПа), нормальным пламенем. Использование пламени с избытком ацетилена приводит к увеличению пористости сварного соединения, а применение окислительного пламени недопустимо, так как оно благоприятствует образованию оксида алюминия.

Основной вид соединений алюминия и его сплавов при газовой сварке - стыковой. Разделка кромок может быть самая различная. Нахлесточные и тавровые соединения не рекомендуются, т.к. из них трудно устранять флюсы и шлаки.
Если свариваются пластины, то начало сварки надо производить, отступив от края на 80 мм. Сварочный процесс при этом вести обратноступенчатым методом. Это значит, что пропущенный участок надо сваривать в обратном направлении.

Если деталь достигает толщины 10 мм и более, надо прогреть ее перед сваркой до температуры 300°С.

Таблица 5. Режимы сварки сплавов алюминия

Таблица 6. Присадочные материалы

Таблица 7. Степень свариваемости газом алюминия и его сплавов

Газовая сварка чугуна. Чугуны в зависимости от их структуры различаются на три вида - белые, серые и ковкие. Все три вида в свою очередь делятся на легированные и нелегированные.

Белый чугун. Газосварочные работы с ним осуществляются только в части исправления брака литья, наплавки, наварки. Сам по себе белый чугун очень твердый металл, практически не обрабатываемый в машиностроении. Белый чугун - трудносвариваемый