Сутність способу газового зварювання

3
Далее ⇒

Кафедра загально інженерних дисциплін

ТМ-134

Лабораторна робота №4

"Газове зварювання металів"

Виконав: Тимощук Д.А.

Перевірив: Сніцар В.Г.

Житомир 2014

Лабораторна робота № 4

Газове зварювання металів

Мета роботи: ознайомитися з основними відомостями про газове зварювання металів, вибрати режими зварювання, отримати зварне з'єднання та перевірити його якість.

Обладнання, інструменти і матеріали: спецодяг зварювальника з закисною маскою; пост газового зварювання, обладнаний зварювальними ацетиленовими пальниками, що живляться від генератора низького тиску і кисневого балона у комплекті з редукторами; зварювальний дріт марки Св-08А діаметром 1...5 мм; пластини з мало вуглецевої сталі 200 х 150 х (1...5) мм; ковальські кліщі, лупа 10-разового збільшення.

Теоретичні відомості

Сутність способу газового зварювання

Для одержання зварного з'єднання при газовому зварюванні кромки основного металу деталей, що зварюються, та присадний метал нагрівають до рідкого стану полум'ям суміші горючих газів і кисню, спалюваної за допомогою спеціальних зварювальних пальників. Газове зварювання широко використовується при різноманітних ремонтних роботах, при виготовленні газових та інших трубопроводів, при виправленні дефектів виливків із сірого чавуну та бронзи, а також у виробництві виробів із кольорових металів і сплавів.

Газове зварювання, як правило, здійснюють із застосуванням присадного матеріалу у вигляді дроту. Якщо формування шва можливе за рахунок розславлення кромок основного металу (наприклад, кромки деталей, що з'єднуються, відбортовані), то присадний матеріал не використовується. Схема утворення зварного шва при газовому зварюванні показана на рис. 1.

2.Горючі гази та газозварювальне полум'я

В якості горючих газів у промисловості застосовують ацетилен, пропан-бутанову суміш, водень, природний газ (метан) та ін. Застосовуючи горючі гази у суміші з киснем, можна одержувати пальну суміш із температурою полум'я 2400...3200 °С. Ацетилен має найбільшу теплотворну здатність у порівнянні з іншими горючими газами та високу температуру згоряння (3200 °С), що дозволяє використовувати його при газовому зварюванні сталей, чавунів та більшості інших металів і сплавів. Для зварювання кольорових металів і сплавів, температура плавлення яких нижча за температуру плавлення сталі, можуть бути використані інші горючі гази, що дають більш низьку температуру горіння.

Рис. 1. Схема утворення зварного шва при газовому зварюванні

Ацетилен_(С₂Н₂) - горючий газ із теплотворною здатністю не менше 52800 кДж/м³ при 20° С і тиску 0,1 МПа. Основним способом одержання ацетилену є розкладання карбіду кальцію (СаС₂} при взаємодії з водою у спеціальних апаратах - газогенераторах:

СаС₂ + 2Н₂0 = С₂Н₂1 + Са(ОН)₂.

При реакції з водою 1 кг технічного карбіду кальцію дає газоподібного ацетилену 230.. .280 л.

Ацетилен вибухонебезпечний при надлишковому тиску понад 0,175 МПа і при нагріванні понад 500 °С. Якщо нагріти ацетилен понад 150... 180 °С, то починає відбуватися процес полімеризації ацетилену з утворюванням нових сполук - бензолу (С₆Н₆), стиролу (С₈Н₈) та ін. Полімеризація супроводжується виділенням значної кількості тепла, що також може призвести до вибуху. Якщо вміст ацетилену у повітрі (або у суміші з киснем) перевищує 2,2 %, то утворюється вибухонебезпечна суміш, яка вибухає від іскри або відкритого вогню.

Ацетилен добре розчиняється в ацетоні (в одному об'ємі ацетону при тиску 0,15 МПа розчиняється 23 об'єми ацетилену). 3 підвищенням тиску розчинність ацетилену в ацетоні пропорційно збільшується. У розчиненому в ацетоні стані ацетилен не вибухає при тиску 1,6 МПа, а якщо є пориста речовина - не вибухає і ще при більшому тиску. Останню властивість використовують для безпечного збереження ацетилену в балонах.

Виконують зварювання при безпосередньому живленні ацетиленом від генератора або ацетиленових балонів, пофарбованих у білий колір. В ацетиленових балонах газ зберігається під тиском до 1,9 МПа.

Пропан-бутанова суміш (СН₃СН₂СН₃ - пропан, СН₃(СН₂)₂СН₃ - бутан) - безбарвний газ із різким запахом, яка є побічним продуктом при переробці нафти. Суміш легко переходить у рідкий стан (бутан зріджується при -0,5 °С, а пропан при -42,1 °С) при атмосферному тиску. Зріджену суміш зберігають тільки в закритих ємностях, тому що випаровування рідини відбувається навіть при від'ємних температурах.

До місця зварювання суміш доставляють у рідкому стані в сталевих балонах, пофарбованих у червоний колір при атмосферному тиску або по газопроводах через пропускну рампу.

При випаровуванні 1 кг рідкої пропан-бутанової суміші утворюється 500 дм³ газу.

Водень (Н₂) у нормальних умовах являє собою горючий газ без кольору й запаху. Це найлегший з газів, він у 14,4 рази легший за повітря. Теплотворна здатність водню більша, ніж в ацетилену, але температура горіння менша. Водень утворює у певних пропорціях з повітрям і киснем вибухонебезпечні суміші. Тому при зварювальних роботах необхідно суворо дотримуватися правил техніки безпеки.

Одержують водень розщепленням води електричним струмом. До місця зварювання водень доставляють в газоподібному стані у сталевих балонах під тиском до 15 МПа. Балони для водню фарбують у зелений колір. Водень, що застосовується для зварювальних робіт, повинен задовольняти вимоги ГОСТ 3022-70 «Водень технічний».

У табл. 1 наведено основні властивості горючих газів, що застосовуються для зварювання металів.

Кисень (0₂) при нормальних умовах - безбарвний негорючий газ, який активно підтримує горіння. Кисень окислює всі хімічні елементи, крім деяких інертних газів; Реакції з'єднання з киснем, що протікають з виділенням великої кількості тепла, носять екзотермічний характер.

Кисень для промисловості одержують зі зрідженого повітря при температурі -185 °С. При нормальному атмосферному тиску і температурі 20 °С маса 1 м³ газоподібного кисню складає 1,091 кг. З 1 л рідкого кисню при випаровуванні утворюється 790 дм³ газоподібного.

Для зварювання та різання згідно ГОСТ 5583-78 технічний кисень випускається трьох сортів: І сорт - з чистотою не менше 99,7 %, II сорт - не менше 99,5 %, III сорт - не менше 99,2 %.

Таблиця 1.

Основні властивості горючих газів

Горючий газ	Густина кг/м³ при 20 °С та 0,1 МПа	Температура полум'я в суміші з киснем, °С	Коефіцієнт заміни ацетилену	Кількість кисню на 1 м³ газу
Ацетилен	1,090	3100...3200	1,0	1,0...1,3
Пропан-бутанова суміш	1,867	2500...2700	0,6	3,5
Водень	0,084	2400...2600	5,2	0,3...0,4

До місця зварювання кисень доставляють у сталевих балонах блакитного кольору під тиском 20 МПа або по трубопроводах. Основні галузі застосування наведені в табл. 2.

Таблиця 2.

Основні властивості застосування горючих газів

Газ	Застосування
Ацетилен	Зварювання та різання усіх металів, паяння та поверхневе гартування
Водень	Зварювання сталей товщиною до 2 мм, чавуну, алюмінію та його сплавів, різання
Коксовий газ	Паяння та зварювання легкоплавких кольорових металів, різання
Нафтовий газ	Зварювання сталей товщиною до 2 мм, чавуну, кольорових металів та їх сплавів, паяння і різання
Піролізний газ	Паяння, різання, поверхневе гартування
Природній газ (метан)	Зварювання легкоплавких металів, паяння, різання
Пари гасу	Паяння, різання, поверхневе гартування
Пропан-бутанова суміш	Зварювання та паяння сталі, чавуну і кольорових металів, різання, поверхневе гартування

Карбід кальцію (СаС₂) - основна сировина для одержання ацетилену безпосередньо на місці зварювання. Отримують його сплавленням вапна і коксу при температурі 1900 ...2300 °С в електричних печах. Карбід кальцію активно взаємодіє з водою та інтенсивно поглинає вологу з повітря, виділяючи при цьому ацетилен.

З 1 кг карбіду кальцію, в залежності від його чистоти та грануляції, можна одержати від 235 до 285 дм³ ацетилену. Карбід кальцію транспортують у спеціальних герметично закритих сталевих ємностях.

Газозварювальне полум'я утворюється в результаті згоряння ацетилену або іншого горючого газу, що змішується у визначених пропорціях із киснем у зварювальних пальниках.

Ацетиленово-кисневе полум'я (рис. 2) складається з трьох зон: ядра полум'я 1, середньої (зварювальної) зони 2, факела полум'я 3.

Рис. 2. Розподіл температури в зонах зварювального полум'я

Найвища температура полум'я спостерігається наприкінці середньої зони.

У першій зоні відбувається екзотермічний розпад ацетилену на складові елементи - вуглець та водень:

2С₂Н₂ + 20₂ = 4С + 2Н₂ + 20₂.

Температура першої зони не перевищує 1000 °С, а саме ядро полум'я яскраво світиться за рахунок часток вуглецю, що розжарилися.

У другій зоні відбувається неповне згоряння часток вуглецю:

4С + 2Н₂ + 20₂ = 4СО + 2Н₂.

Внаслідок утворення окису вуглецю та водню друга зона має відновлювальний характер. Найбільш висока температура у цій зоні знаходиться на відстані 2...4 мм від кінця зони. Цю частину полум'я й використовують при газовому зварюванні.

У третій зоні за рахунок кисню повітря відбувається згоряння окису вуглецю та водню:

4СО + 2Н₂ + 30₂ = 4С0₂ + 2Н₂0.

Теплову потужність газозварювального полум'я, що визначається втратою ацетилену (дм³/год.), обчислюють за емпіричною формулою:

Р = А +δ,

де А — коефіцієнт, що визначається дослідним шляхом (для вуглецевих сталей А = 100, для міді А = 150, для алюмінію А = 75); δ - товщина металу, мм.

Для розрахунків із заміни ацетилену іншим газом користуються коефіцієнтом заміни ацетилену ψ. Коефіцієнт заміни ацетилену - це відношення витрат газу-замінника V_з до витрат ацетилену V_А три однаковій тепловій потужності.

Газозварювальні пальники

Газозварювальні пальники - це головний інструмент газозварювальника. Пальники призначені для змішування у необхідних пропорціях горючого газу з киснем для утворення зварювального полум'я необхідної потужності, розмірів і форми. Зварювальні пальники відповідно до ГОСТ 1077-69 поділяються наступним чином:

1. За способом подачі горючого газу та кисню в змішувальну камеру (інжекторні та безінжекторні).

2. За родом горючого газу, що застосовується (ацетиленові, для різних газів-замінників).

3. За призначенням - універсальні (зварювання, різання, паяння, та наплавлення) і спеціалізовані (для виконання однієї операції).

4. За кількістю джерел полум'я - однополуменеві, багатополуменеві.

5. За потужністю полум'я - пальники мікро потужності (витрати ацетилену - 5...60 л/год), малої потужності (25...700 л/год), середньої потужності (50...2500 л/год), великої потужності (2500...7000 л/год).

У промисловості найбільш поширені інжекторні пальники, придатні для використання ацетилену низького та середнього тиску. Принцип роботи такого пальника засновано на підсмоктуванні (інжекції) ацетилену струменем кисню. На рис. 3 показана схема інжекторного пальника.

Рис. 3. Схема газозварювального інжекторного пальника

Ацетилен і кисень подаються через ацетиленовий 1 і кисневий 2 ніпелі. На корпусі 6 держака-рукоятки 3 знаходяться регулювальні вентилі 4 та 5. За допомогою накидної гайки 7 до корпусу 6 приєднуються змінні наконечники 9, які мають змішувальну камеру 8 та мундштук 10. Кисень під тиском 0,2...0,4 МПа подається крізь вузьке сопло в інжектор 11, який має поздовжні пази для надходження ацетилену. Кисень створює, завдяки великій швидкості, у камері 8 розрідження, завдяки чому через поздовжні пази інжектора засмоктується ацетилен, який має значно менший тиск.

У табл. 3 наведено технічні характеристики найбільш розповсюджених ацетиленових інжекторних пальників «Звезда» та ГС-З у залежності від номера наконечника.

Різаки. Для кисневого різання із застосуванням ацетилену використовують те ж саме обладнання, що й для ацетиленового зварювання, але замість зварювального пальника застосовують так званий різак, зазвичай інжекторного типу.

Таблиця 3

Технічні характеристики пальників "Звезда" та ГС-3

Показники	Номер наконечника

Товщина металу, що зварюється (маловуглецева сталь)	0,5 ... 1,5	1,0...2,5	2,5 ...4	4...7	7 ...11	10... 18	0,5 ...1,5
Витрати ацетилену, дм³/год	50... 125	120... 240	230... 240	400... 700	660... 1100	1050... 1750	50... 125
Витрати кисню, дм³/год	55 ... 135	130... 260	250... 440	430... 750	740... 12С0	1150... 1950	55 ...135
Тиск кисню, МПа	0,1...0,4	0,15... 0,4	0,2... 0,4	0,2... 0,4	0,2... 0,4	0,2... 0,4	0,1...0,4
Тиск ацетилену, МПа	не менше 0,001

Для різання широко застосовують різаки типу «Пламя-62» і РГС-60М. Конструкція різака майже така сама, як і ацетиленового пальника.

3
Далее ⇒