Содержание

Сварочное пламя и его характеристика

Сварочное пламя. Виды сварочного пламени

Сварочное пламя получается при сгорании смеси горючих газов (или паров горючих жидкостей) и кислорода в мундштуке сварочной горелки. В зависимости от того, какой газ для газовой сварки применяют и от того, в каком соотношении с кислородом он сгорает, различают три вида сварочного пламени: нормальное (или восстановительное), окислительное, науглероживающее.

Структура сварочного пламени

На рисунке показана структура сварочного пламени, которое состоит из трёх зон: ядра пламени (поз.1), восстановительной зоны (поз.2) и окислительной зоны (поз.3).

Ядро пламени состоит из раскалённого кислорода и продуктов распада ацетилена. Ядро имеет достаточно чёткий контур и очень яркое свечение. Длина ядра может быть различной, в зависимости от давления и скорости подачи горючей смеси. Чем больше давление и скорость подачи газа, тем больше длина ядра. Горение газов начинается на внешней стороне ядра и продолжается в восстановительной зоне.

Во второй, восстановительной зоне ацетилен проходит первую стадию сгорания в кислороде, поступающего из кислородного газосварочного баллона. Сгорание происходит по реакции:

При этом сгорание углерода происходит не полностью, а водород в этой зоне не сгорает. Восстановительная зона имеет самую высокую температуру (3000-3200°C) на расстоянии 3-5мм от конца ядра и обладает восстановительными свойствами. Этой частью пламени производят газовую сварку, нагревая и расплавляя металл. При сварке частицы угарного газа и водорода восстанавливают металлы из их окислов. Поэтому вторая зона и получила название восстановительной зоной, а также сварочной или рабочей.

В третьей зоне, факеле, происходит окончательное сгорание ацетилена (точнее, продуктов его распада — угарного газа и водорода) в кислороде из окружающего воздуха по реакции:

Углекислый газ и вода при высоких температурах взаимодействуют со свариваемым металлом, окисляя его. Из-за этого зона факела получила название окислительной зоны.

Для полного сгорания одного объёма ацетилена необходимо два с половиной объёма кислорода. Один объём кислорода поступает из кислородного баллона в горелку, где смешивается с ацетиленом. Ещё полтора объёма кислорода поступает из окружающего воздуха.

Нормальный (восстановительный) вид сварочного пламени

Нормальным считается сварочное пламя, при сгорании ацетилена в кислороде в соотношении О2/С2Н2=1. Но на практике кислород подаётся с примесями, не чистый. Поэтому, нормальным получается пламя, при соотношении кислорода и ацетилена в пределах 1-1,3. Такой вид пламени положительно влияет на раскисление расплавленного металла и достижение высокого качества сварки.

Сварка большинства металлов и сплавов выполняется нормальным пламенем, особенно часто при сварке низкоуглеродистых сталей. При газовой сварке алюминия применяют нормальное сварочное пламя с небольшим избытком ацетилена.

Окислительный вид сварочного пламени

Окислительное сварочное пламя получается при избытке кислорода. Т.е. когда соотношение кислорода к ацетилену больше чем 1,3. Ядро окислительного пламени короче, чем у восстановительного. У него более резкий контур и оно менее яркое. Восстановительная зона и факел также короче по длине, чем у нормального пламени.

Температура окислительного пламени немного выше, чем у нормального. Такой вид пламени не подходит для сварки сталей, т.к. избыток кислорода способствует окислению металла, в результате чего образуются множественные дефекты в сварном шве в виде пор. Сам шов получается хрупким. Окислительное пламя часто используют при сварке латуни.

Науглероживающий вид сварочного пламени

Если в сварочной горелке соотношение кислорода к ацетилену меньше 1, формируется науглероживающее сварочное пламя. Ядро такого пламени не имеет резкого контура, а вершина ядра окрашивается в зелёный цвет, который свидетельствует об избыточном количестве ацетилена.

Восстановительная зона в таком пламени светлее, чем в нормальном пламени, а факел имеет жёлтую окраску. Не видно чёткой границы между зонами. Излишки ацетилена распадаются на углерод и водород. Углерод легко переходит в сварочную ванну, поэтому, науглероживающее пламя используют, если есть необходимость науглероживания металла сварного шва или для восполнения углерода, если при сварке происходит его угар. Такое пламя хорошо подходит для газовой сварки чугуна.

Характеристики сварочного пламени

К тепловым характеристикам сварочного пламени относятся температура, эффективная тепловая мощность, зона распределения нагрева свариваемого металла. Эти показатели определяются от того, какой газ используется при сварке, от чистоты подаваемого кислорода и от соотношения объема кислорода к объёму горючего газа в горелке.

Температура газового пламени различна в разных зонах. Максимума она достигает в конце первой зоны (ядра), 3200°C для ацетилена. Эффективной тепловой мощностью сварочного пламени называется количество теплоты, которое пламя способно передать металлу в единицу времени. Этот показатель повышается, если возрастает расход газа.

Тепловая мощность — важная характеристика пламени, измеряемая в л/ч. Кроме тепловой мощности есть мощность удельная. Удельная тепловая мощность это расход горючего газа (в л/ч), приходящийся на миллиметр свариваемого металла. Необходимая мощность сварочного пламени определяется, исходя из теплопроводности свариваемого металла и его толщины. При сварке низколегированных сталей, углеродистых сталей, сварки чугуна, алюминия, а также при сварке медных сплавов удельная мощность составляет 100-120л/ч. При сварке меди удельная мощность выше из-за её теплопроводности и составляет 150-200л/ч.

У газосварочного пламени довольно большая область нагрева свариваемого металла. Тепловой поток при газовой сварке рассредоточен. Наибольший поток тепла получается по центру пламени и он, примерно, в 10 раз меньше, чем у электрической сварочной дуги при их одинаковой тепловой мощности. Поэтому, при газовой сварке нагрев металла происходит медленнее, чем при ручной дуговой сварке.

Регулировка сварочного пламени

Для регулировки сварочного пламени большое значение имеет выбор давления кислорода. Давление кислорода необходимо подбирать в соответствии номеру наконечника, руководствуясь паспортом на сварочную горелку. Если выбрано слишком большое давление, газовая смесь вытекает очень быстро и пламя отрывается от мундштука. При этом пламя начинает выдувать и разбрызгивать жидкий металл за пределы сварочной ванны.

При давлении кислорода ниже требуемого, скорость подачи газовой смеси падает, сварочное пламя становится короче и возникает опасность возникновения обратного удара, который может привести к взрыву ацетиленового генератора, если газосварочный пост не оборудован водяным предохранительным затвором.

Из короткого окислительного пламени можно получить нормальное. Для этого необходимо медленно и постепенно увеличивать подачу ацетилена до появления яркого пламени и чёткого его ядра.

Из науглероживающего пламени можно получить нормальное, если постепенно перекрывать подачу ацетилена то тех пор, пока не исчезнет зеленоватый цвет пламени на вершине ядра.

Сварочное пламя

Сварочное пламя образуется в результате сгорания горючих газов или паров горючих жидкостей в смеси с техническим кислородом. При этом пламя имеет сложную структуру и строение, которое показано на рис.1. Качество газовой сварки во многом зависит от правильности регулировки пламени, которое сварщик выставляет «на глаз» по форме и цвету. Поэтому очень важно знать строение и структуру пламени газовой горелки, чтобы учитывать это в повседневной работе. Форму, цвет и структуру пламени горелки меняют соотношением ацетилена и кислорода, подаваемых в зону горения. В качестве примера рассмотрим ацетилено-кислородное пламя.

Ядро пламени имеет форму цилиндра с заостренным концом, вокруг которого расположена ярко светящаяся оболочка. Длина ядра пламени регулируется скоростью подачи газовой смеси и ее качественным составом. Диаметр ядра зависит от размеров мундштука и расхода горючей смеси.

Строение пламени меняется при изменении соотношения смеси и может быть: нормальным, науглероженным и окислительным (рис.2).

Нормальное пламя получается, когда на один объем горючего газа подается один объем кислорода. Если в качестве горючего газа принят ацетилен, то процесс его нормального сгорания можно записать в следующем виде: С2Н2 -Ю2 = 2СО+ Н2.


Рис. 1. Составляющие ацетилено-кислородного пламени: 1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел пламени	Рис. 2. Разновидности ацетилено-кислородного пламени: А — нормальное; Б — науглераживающее; В — окислительное

При этом продукты неполного сгорания догорают за счет кислорода, присутствующего в атмосферном воздухе, по следующей реакции: 2СО +Н, + 1,50., = 2С02 + Н70. Так как абсолютно чистых веществ в природе не бывает и кислород содержит в себе некоторое количество примесей, то нормальное пламя получается при некотором его повышенном значении, то есть при соотношении ацетилена и кислорода, равном 1,1 -1,2. Ядро нормального пламени светлое со слегка затемненной восстановительной зоной и факелом. По форме ядро пламени напоминает цилиндр с четкими очертаниями и закругленным концом. Диаметр цилиндра зависит от размера мундштука сварочной горелки, а длина — определяется скоростью истечения газовой смеси. Вокруг ядра пламени размещается светлая оболочка, в которой происходит сгорание раскаленных частиц углерода. При высокой скорости подачи газа пламя способствует сгоранию металла и выдуванию его из сварочной ванны. Малая скорость подачи газов чревата обратными ударами и хлопками.

Восстановительная зона пламени имеет более темный цвет и располагается в пространстве в пределах 20 мм от конца ядра. Температура пламени в этой зоне может достигать 3150°С (при сгорании ацетилена). Размер восстановительной зоны зависит от номера сварочного мундштука. При помощи этой зоны пламени нагревают метал, плавят его и ведут сварку. Остальная часть пламени, расположенная за восстановительной зоной, состоящая из углекислого газа, паров воды и азота, имеет значительно меньшую температуру.

Науглероженное пламя получается, когда соотношение ацетилена и кислорода превышает указанное соотношение, то есть становится больше значения 1,1. Теоретически науглероженное пламя получается, когда в горелку подается 0,95 объема кислорода и менее. В этом случае ядро пламени увеличивается в объеме и теряет свои очертания. Недостаток кислорода в таком пламени приводит к неполному его сгоранию, и оно начинает коптить. Избыток ацетилена в науглероженном пламени приводит к его разложению на углерод и водород. Углерод из пламени переходит в металл, науглераживая его. Обычно науглероженное пламя применяют для сварки алюминия и наплавке твердых сплавов.

Восстановительная зона науглероженного пламени светлая и практически сливается с ядром. Температура такого пламени ниже, поэтому работать с ним более тяжело. Для перевода пламени в нормальное состояние увеличивают подачу кислорода или снижают подачу ацетилена.

Окислительное пламя получается при недостатке ацетилена, то есть соотношение ацетилен: кислород становится меньше 1,1. Практически окислительное пламя получается при объеме кислорода, превышающем в 1,3 объем ацетилена. Ядро такого пламени укорачивается и заостряется, а его края становятся расплывчатыми, цвет бледнеет. Температура такого пламени выше температуры нормального. Избыточный кислород окисляет железо и примеси, находящиеся в стали, что в конечном итоге приводит к хрупкости сварочного шва, пористости его структуры, обедненной марганцем и кремнием. Поэтому при сварке сталей окислительным пламенем пользуются присадочной проволокой с повышенным содержанием этих элементов, являющихся раскислителями. Самая высокая температура нормального пламени достигается в восстановительной зоне.

Примерный химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени приведен в таблице 1. Нужно отметить, что ацетилено-кислородная смесь дает самую высокую температуру пламени. Изменение горючих газов несколько снижает температуру пламени и распределение ее по объему. Графическая зависимость изменения температур метан-кислородного и пропан-бутан-кислородного пламени представлена на рис.3.

Таблица 1. Химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени

Часть пламени	Содержание по сбьёму%
Часть пламени	СО	Н2	CО2	Н2О	N2	О2	Прочие газы
Вблизи конца ядра	60	31	—	—	8	—	1
В конце восстановительной зоны	33	15	9	6	33	—	4
Всредней части факела	3,7	2,5	22	2,6	58	8	3,2
Вблизи конца факела	—	—	8	2,2	74	15	0,8

Рис. 3. Динамика роста температур метан-кислородного (А) и пропан-бутан-кислородного пламени (Б): 1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел; 4 — свариваемый металл; L — длина ядра

Значительный объем тепла, сконцентрированного в пламени газовой горелки, рассеивается в окружающую среду, поэтому его коэффициент полезного действия (К.П.Д.) низок и практически не превышает 7%. Расход энергии пламени при газопламенной обработке приведен в таблице 2.

Распределение энергии пламени	Количество, %
Количество тепла, раходуемого на плавление металла и поддержание режима сварочного процесса	6-7
Потери тепла:
— от неполноты сгорания	55-63
— с отходящими газами	13-15
— на излучение и конвекцию	9-10
— на нагрев околсшовной зоны	15-18
— на искрообразование	1-2

Металлургические процессы в сварочной ванне при ее газопламенной обработке, а также в прилегающей к ней зоне имеют довольно сложный характер и несколько отличаются от металлургических процессов, происходящих при дуговой сварке. Это обусловлено тем, что расплавленный металл при его газопламенной обработке взаимодействует с газами, поддерживающими процесс горения. В зависимости от характера пламени, который меняет соотношение газов, изменяются и металлургические процессы.

При сварке нормальным пламенем, когда количество поступающих в зону сварки газов регламентировано, происходят в основном восстановительные реакции:

FeO + СО = Fe + СО2, и FeO + Н2 = Fe + Н2О

Кроме восстановительных реакций оксидов железа аналогичные процессы происходят и с другими оксидами, находящимися в сварочной ванне.

При сварке окислительным пламенем происходят реакции окисления железа и других элементов, присутствующих в сварочной ванне, а образующиеся при этом оксиды железа могут окислять углерод, кремний и марганец.

Сварка науглероженным пламенем способствует насыщению металла углеродом, что влечет за собой увеличение прочностных характеристик сварочного шва со снижением его пластических свойств.

7.1. Сварочное пламя

При газовой сварке происходят разнообразные процессы: физические, связанные с нагревом и расплавлением металла, формированием шва, а также химические, обусловленные горением, взаимодействием флюса и присадочного материала с расплавленным металлом.

Основным инструментом газосварщика является сварочное пламя. Оно образуется при сгорании горючего газа в кислороде. От соотношения объемов кислорода и горючего газа в их смеси зависят внешний вид, температура и характер влияния сварочного пламени на расплавленный металл.

Рассмотрим строение пламени (рис. 7.1). Сварочное пламя имеет три четко различимые области: ядро 7, восстановительную зону 2 и факел 3.

Рис. 7.1. Строение ацетиленового сварочного пламени и распределение температуры по длине факела: 1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел

Ядро пламени представляет собой ярко светящуюся зону, в наружном слое которой сгорают раскаленные частицы углерода, образующиеся при разложении ацетилена.

Восстановительная зона, более темная, состоит из оксида углерода и водорода, которые раскисляют расплавленный металл, отбирая кислород от его оксидов.

Факел — периферийная часть пламени — представляет собой зону полного сгорания углеводородов в кислороде окружающей среды.

В зависимости от соотношения объемов кислорода и ацетилена получают три основных вида сварочного пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Виды сварочного пламени: а — нормальное; б — окислительное; в — науглероживающее; 1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел

Нормальное сварочное пламя образуется тогда, когда в горелке на один объем кислорода приходится один объем ацетилена. В нормальном пламени ярко выражены все три зоны.

Ядро имеет резко очерченную форму, близкую к цилиндру с ярко светящейся оболочкой. Температура ядра достигает 1000 °С.

В восстановительной зоне, содержащей продукты неполного сгорания ацетилена, проводят сварку. Температура этой зоны в точке, отстоящей на 3. 6 мм от ядра, составляет 3150°С. Факел имеет температуру 1200. 2500 °С.

Нормальным сварочным пламенем осуществляют сварку сталей всех марок, меди, бронзы и алюминия.

Окислительное сварочное пламя получают при избытке кислорода, когда в горелку подают на один объем ацетилена более 1,3 объема кислорода. Ядро такого пламени имеет укороченную, конусообразную форму. Оно приобретает менее резкие очертания и более бледную окраску, чем у нормального пламени. Протяженность восстановительной зоны уменьшается по сравнению с нормальным пламенем. Факел имеет синевато-фиолетовую окраску. Горение сопровождается шумом, уровень которого зависит от давления кислорода. Температура окислительного пламени выше, чем у нормального, однако при сварке таким пламенем из-за избытка кислорода образуются пористые и хрупкие швы.

Окислительное пламя применяют при сварке латуни и пайке твердыми припоями.

Науглероживающее сварочное пламя получают при избытке ацетилена, когда в горелке на один объем ацетилена приходится не более 0,95 объема кислорода. Ядро такого пламени теряет резкость очертаний, на его конце появляется зеленый венчик, по наличию которого судят об избытке ацетилена. Восстановительная зона существенно светлее, чем у нормального пламени, и почти сливается с ядром. Факел приобретает желтую окраску. При значительном избытке ацетилена пламя коптит. Температура науглероживающего пламени ниже, чем у нормального и окислительного.

Слегка науглероживающим пламенем сваривают чугун и осуществляют наплавку твердых сплавов.

Газосварщик регулирует и устанавливает вид сварочного пламени «на глаз».

При выполнении сварочных работ необходимо, чтобы сварочное пламя обладало тепловой мощностью, достаточной для расплавления свариваемого металла.

Мощность пламени при газовой сварке зависит от расхода ацетилена — объема газа, проходящего за один час через горелку. Мощность регулируют подбором наконечника горелки и изменением положения ацетиленового вентиля. Мощность пламени выбирают в соответствии с толщиной свариваемого металла и его теплофизическими свойствами.

Расход ацетилена, дм 3 /ч, необходимый для расплавления слоя свариваемого металла толщиной 1 мм, устанавливают на практике. Так, слой низкоуглеродистой стали толщиной 1 мм расплавляется при расходе ацетилена 100. 130 дм 3 /ч. Чтобы определить расход ацетилена при сварке конкретной детали, нужно умножить расход, соответствующий единичной толщине, на действительную толщину свариваемого металла, мм.

Пример. При сварке низкоуглеродистой стали толщиной 3 мм минимальный расход ацетилена, дм 3 /ч, составит 100х3 = 300, а максимальный — 130х3 = 390.

Сварочное пламя

СВОЙСТВА И РЕГУЛИРОВАНИЕ СВАРОЧНОГО ПЛАМЕНИ

Внешний вид, температура и влияние сварочного пламени на расплавленный металл зависят от состава горючей смеси, т. е. соотношения в ней кислорода и ацетилена.

При сгорании ацетилена в воздухе без добавления кислорода образуется пламя желтоватого цвета, имеющее форму длинного факела без светлого ядра. Такое пламя имеет низкую температуру и коптит, выделяя много сажи (несгоревшего углерода), поэтому непригодно для сварки.

Если в пламя прибавлять кислород, оно резко меняет свой цвет и форму, а температура его значительно повышается. Изменяя соотношение кислорода и ацетилена, можно получать три основных вида сварочного пламени (рис. 84, а, б, в): нормальное, называемое также восстановительным; окислительное (с избытком кислорода) и науглероживающее (с избытком ацетилена).

Для сварки большинства металлов применяют нормальное (восстановительное) пламя. Теоретически оно образуется, когда в горелку на один объем ацетилена подается один объем кислорода. Ацетилен тогда сгорает за счет кислорода смеси по реакции

Последующее сгорание происходит за счет кислорода окружающего воздуха по реакции

Окись углерода и водород, образующиеся в пламени при I фазе сгорания, раскисляют металл, восстанавливая имеющиеся в сварочной ванне окислы. При этом металл шва получается без пор, газовых пузырей и включений окислов.

Практически в смесь подают несколько больше кислорода, чем это нужно для получения восстановительного пламени по приведенной выше схеме сгорания. Нормальное восстановительное пламя получается при избытке кислорода в смеси до 30% против теоретического, т. е. при отношении ацетилена и кислорода от 1 : 1 до 1 : 1,3.

Схема образования нормального восстановительного ацетилено-кислородного пламени показана на рис. 85, а. Нормальное пламя имеет ядро, восстановительную зону и факел. У ядра четко очерченная форма, близкая к форме цилиндра с закругленным концом, и ярко светящаяся оболочка из раскаленных частиц углерода, сгорание которых происходит в наружном слое оболочки. Размеры ядра зависят от расхода горючей смеси и скорости ее истечения. Если увеличить давление кислорода в горелке, то скорость истечения смеси увеличится и ядро удлинится. С уменьшением скорости истечения смеси ядро укорачивается. На рис. 85, а внизу приведены длины и диаметры (мм) ядер ацетилено-кислородного пламени, получаемые в мундштуках разных номеров.

Восстановительная зона имеет темный цвет, отличающий ее от ядра и остальной части пламени. Длина этой зоны достигает 20 мм от конца ядра, в зависимости от номера мундштука. Она содержит окись углерода и водород. Восстановительная зона имеет наиболее высокую температуру в точке, отстоящей на расстоянии 2—6 мм от конца ядра. Этой частью пламени нагревают и расплавляют металл в процессе сварки.

Остальная часть пламени за восстановительной зоной называется факелом. Факел содержит углекислый газ, пары воды и азот, которые образуются при сгорании окиси углерода и водорода восстановительной зоны за счет кислорода окружающего воздуха, в состав которого входиг азот. Температура факела значительно ниже температуры восстановительной зоны.

Если увеличить подачу кислорода или уменьшить подачу ацетилена в горелку, то получается окислительное пламя. Оно образуется, когда в смеси на один объем ацетилена приходится более 1,3 объема кислорода. Окислительное пламя характеризуется укороченным, заостренным ядром с менее резкими очертаниями. Температура окислительного пламени выше температуры нормального восстановительного, однако такое пламя может окислять свариваемый металл.

При уменьшении подачи кислорода или увеличении подачи ацетилена получается науглероживающее пламя, которое иногда называют ацетиленистым. Оно образуется при подаче в горелку 0,95 и менее объема кислорода на один объем ацетилена. В ацетиленистом пламени размеры зоны сгорания увеличиваются, ядро теряет резкие очертания, становится расплывчатым, а на конце ядра появляется зеленый венчик, по которому судят об избытке ацетилена. Восстановительная зона светлее, почти сливается с ядром и пламя принимает желтоватую окраску. При большом избытке ацетилена пламя коптит вследствие недостатка кислорода, необходимого для полного сгорания ацетилена.

Избыточный ацетилен в ацетиленистом пламени разлагается на водород и углерод, переходит в расплавленный металл. Температура такого пламени ниже температуры восстановительного пламени. Уменьшая подачу ацетилена в горелку (до полного исчезновения зеленого венчика на конце ядра), ацетиленистое пламя превращают в нормальное.

При регулировании пламени следует обращать внимание на правильность установки давления кислорода и размер ядра пламени. С повышением давления кислорода скорость истечения смеси из мундштука возрастает и пламя становится «жестким», т. е. раздувает металл сварочной ванны и этим затрудняет сварку. При слишком большой скорости истечения смеси пламя может отрываться от мундштука. Если же слишком низкое давление кислорода, пламя становится короче и при приближении конца мундштука к металлу горелка начинает хлопать.

Сварочное пламя должно обладать достаточной тепловой мощностью, т. е. давать количество тепла, необходимое для расплавления свариваемого и присадочного металла и покрытия потерь тепла в окружающую среду. Тепловая мощность пламени определяется расходом ацетилена (дм 3 /ч) в горелке.

При сварке тепловая мощность пламени выбирается в зависимости от толщины, свариваемого металла и его физических свойств. Металл большой толщины и хорошо проводящий тепло требует более мощного сварочного пламени, чем тонкий, менее теплопроводный и более легкоплавкий металл. Изменяя тепловую мощность пламени, можно в широких пределах регулировать скорость нагрева и расплавления металла, что является одним из положительных качеств процесса газовой сварки. Схема и распределение температур для метан-кислородного и пропан-бутан-кислородного пламени показаны на рис, 85, б.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ГАЗОВОЙ СВАРКЕ

Металлургические процессы при газовой сварке характеризуются: малым объемом^ ванны расплавленного металла; высокой температурой и концентрацией тепла в месте сварки; большой скоростью расплавления и остывания металла; интенсивным перемешиванием металла ванны газовым потоком пламени и присадочной проволокой; химическим взаимодействием расплавленного металла с газами пламени.

При избытке в пламени кислорода происходят реакции окисления железа, марганца, кремния и углерода по уравнениям:

Образующаяся закись железа (FeO) может окислять марганец, кремний и углерод по реакциям:

[Мn] 4- [FeO] = (MnO) + Fe

[Si] + 2 [FeO] = (Si0₂) + 2Fe

Так как окислы МnО и Si0₂ переходят в шлак, то количество раскислителей (марганца и кремния) в металле шва уменьшается. Это приводит к появлению избытка кислорода в наплавленном металле и ухудшению его механических свойств.

При выходе окиси углерода из сварочной ванны происходит кипение и разбрызгивание металла.

Если пламя имеет восстановительный характер, в сварочной ванне будут протекать реакции восстановления, обратные приведенным выше, а именно:

1. Восстановление железа окисью углерода:

2. Восстановление железа водородом:

Водород способен хорошо растворяться в жидком железе. При быстром остывании сварочной ванны он может остаться в шве в виде мелких газовых пузырей. Однако газовая сварка обеспечивает более медленное охлаждение металла по сравнению с дуговой сваркой. Поэтому при газовой сварке углеродистой стали весь водород успевает выделиться из металла шва и последний получается плотным.

Большую опасность водород представляет для сварки меди и латуни, так как может вызвать «водородную болезнь» (растрескивание) меди и пористость шва при сварке латуни.

3. Восстановление железа из его закиси FeO осуществляется марганцем и кремнием по приведенным выше уравнениям 2 и 3.

Если в пламени имеется избыток углерода, то он может переходить в металл и науглероживать его по реакциям:

Свободный углерод образуется в пламени при разложении ацетилена по реакции С₂Н₂ = 2С + Н₂.

При газовой сварке в металле шва происходят структурные изменения. Вследствие более медленного (по сравнению с дуговой сваркой) нагрева зона влияния при газовой сварке получается больше, чем при дуговой.

При газовой сварке углеродистых сталей малых толщин зона теплового влияния основного металла простирается на 8-15 мм, а средних толщин — на 20 — 25 мм в ту и другую сторону от шва. Характер изменения структуры металла в зоне теплового влияния определяется составом металла (сплава) и его состоянием перед сваркой. Для улучшения структуры и свойства металла шва и околошовной зоны часто применяют горячую проковку шва, общую или местную термообработку. Местную термообработку также производят путем нагрева металла шва и околошовной зоны пламенем сварочной горелки.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Виды сварочного пламени

Сварочное пламя образуется при сгорании горючего газа или паров горючей жидкости в кислороде. Пламя нагревает и расплавляет основной и присадочный металл в месте сварки. Наибольшее применение при газовой сварке нашло кислородно-ацетиленовое пламя, так как оно имеет высокую температуру (3150°С) и обеспечивает концентрированный нагрев. Однако в связи с дефицитностью ацетилена в настоящее время получили широкое распространение (особенно при резке металлов) газы-заменители ацетилена — пропан-бутан, метан, природный и городской газы.

От состава горючей смеси, т. е. от соотношения кислорода и горючего газа, зависят внешний вид, температура и влияние сварочного пламени на расплавленный металл. Изменяя состав горючей смеси, сварщик тем самым изменяет основные параметры сварочного пламени.

Для получения нормального пламени отношение кислорода к горючему газу должно быть для ацетилена — 1,1-1,2, природного газа — 1,5-1,6, пропана — 3,5.

Все горючие газы, содержащие углеводороды, образуют сварочное пламя, которое имеет три ярко различимые зоны:

ядро
восстановительная зона
факел

Водородное пламя ярко различимых зон не имеет, что затрудняет его регулировку по внешнему виду.

При зажигании газовой струи, вытекающей из сопла, пламя перемещается по направлению движения струи газовой смеси. Скорость истечения для каждого газа подбирается такой, чтобы пламя не проникало внутрь сопла горелки и не отрывалось от него. Газ в струе должен прогреваться до температуры воспламенения, ацетилен воспламеняется при температуре 450-500°С, а газы-заменители — 550-650°С. Поэтому ядро пламени при сгорании газов-заменителей длиннее, чем при сгорании ацетилена.

а — окислительное, б — нормальное, в — науглероживающее; 1 — ядро, 2 — восстановительная зона, 3 — факел

Рисунок 1 — Виды сварочного пламени

Процесс сгорания ацетилена в кислороде можно условно разделить на две стадии. Сначала под влиянием нагрева происходит распад ацетилена на элементы: С₂Н₂=2С+Н₂. Затем происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода смеси по реакции 2С+Н₂+O₂=2СО+Н₂. Вторая стадия горения протекает за счет кислорода воздуха: 2СО+Н₂+1,5O₂=2СO₂+Н₂O. Процесс горения горючего газа в кислороде экзотермичен, т.е. идет с выделением теплоты.

Ядро имеет резко очерченную форму (близкую к форме цилиндра), плавно закругляющуюся в конце, с ярко светящейся оболочкой. Оболочка состоит из раскаленных частиц углерода, которые сгорают в наружном слое оболочки. Размеры ядра зависят от состава горючей смеси, ее расхода и скорости истечения. Диаметр канала мундштука горелки определяет диаметр ядра пламени, а скорость истечения газовой смеси — его длину.

Площадь поперечного сечения канала мундштука горелки прямо пропорциональна толщине свариваемого металла. Сварочное пламя не должно быть слишком «мягким» или «жестким». Мягкое пламя склонно к обратным ударам и хлопкам, жесткое — способно выдувать расплавленный металл из сварочной ванны. При увеличении давления кислорода скорость истечения горючей смеси увеличивается и ядро сварочного пламени удлиняется, при уменьшении скорости истечения ядро укорачивается. С увеличением номера мундштука размеры ядра увеличиваются. Температура ядра достигает 1000°С.

Восстановительная (средняя) зона располагается за ядром и по своему более темному цвету заметно отличается от него. Длина ее зависит от номера мундштука и достигает 20 мм. Зона состоит из продуктов неполного сгорания ацетилена — оксид углерода и водорода. Она называется восстановительной, так как оксид углерода и водорода раскисляют расплавленный металл, отнимая кислород от его оксидов. Если в процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны находится в средней зоне, то сварочный шов получается без пор газовых и шлаковых включений. Этой зоной пламени выполняю сварку и поэтому ее называют рабочей. Восстановительная зона имеет наиболее высокую температуру (3140°С) в точке, отстоящей на 3-6 мм от конца ядра.

Зона полного сгорания (факел) располагается за восстановительной зоной. Она состоит из углекислого газа, паров воды и газа, которые образуются в пламени при сгорании оксида углерода и водорода восстановительной зоны за счет кислорода окружающего воздуха. Температура этой зоны значительно ниже, чем температура восстановительной, и колеблется от 1200 до 2520°С.

В зависимости от соотношения между кислородом и ацетиленом получают три основных вида сварочного пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее. Нормальное пламя теоретически получают тогда, когда в горелку на один объем кислорода подают несколько больше от 1,1 до 1,3 объема ацетилена.

Нормальное пламя характеризуется отсутствием свободного кислорода и углерода в его восстановительной зоне. Кислорода в горелку подается немного больше из-за небольшой его загрязненности и расхода на сгорание водорода. В нормальном пламени ярко выражены все три зоны.

Окислительное пламя получается при избытке кислорода, при подаче в горелку на один объем ацетилена более 1,3 объема кислорода. При этом ядро приобретает конусообразную форму, значительно сокращается по длине, становится с менее резкими очертаниями и приобретает более бледную окраску. Сокращаются по длине также восстановительная зона и факел. Все пламя приобретает синевато-фиолетовую окраску. Пламя горит с шумом, уровень которого зависит от давления кислорода. Температура окислительного пламени выше нормального, однако сваривать стали таким пламенем нельзя из-за наличия в пламени избытка кислорода. Избыток кислорода приводит к окислению металла шва, шов получается пористым и хрупким. Окислительное пламя можно применять при газовой сварке латуни и пайке твердыми припоями.

Науглероживающее пламя получается при избытке ацетилена, когда в горелку на один объем ацетилена подается 0,95 и менее объема кислорода. Ядро такого пламени теряет резкость своего очертания, на конце его появляется зеленый венчик, по которому судят об избытке ацетилена. Восстановительная зона значительно светлее и почти сливается с ядром, а факел приобретает желтоватую окраску. При большом избытке ацетилена пламя начинает коптить, так как в нем ощущается недостаток кислорода, необходимого для полного сгорания ацетилена. Находящийся в пламени избыточный углерод легко поглощается расплавленным металлом и ухудшает качество металла шва. Температура науглероживающего пламени ниже, чем нормального и окислительного. Уменьшая подачу ацетилена в горелку до полного исчезновения зеленого венчика на конце ядра, ацетиленовое пламя превращается в нормальное. Слегка науглероживающее пламя применяют для сварки чугуна и при наплавке твердыми сплавами.

Характер сварочного пламени сварщик определяет на глаз по форме и окраске пламени. При регулировании пламени необходимо обращать внимание на правильность подбора расхода горючего газа и кислорода.

Вытекающая из мундштука горючая смесь оказывает механическое воздействие на расплавленный металл сварочной ванны и формирует валик шва. Жидкий металл отжимается к краям ванны. Характер формообразования металла зависит от угла наклона мундштука горелки к поверхности свариваемого металла.

а — вертикальном, б — наклонном, в — схема перемещения жидкого металла в ванне

Рисунок 2 — Схема механического воздействия пламени на жидкий металл сварочный ванны при различных положениях мундштука

Давление газов оказывает влияние на жидкий металл, перемещая его к задней стенке сварочной ванны, образуя чешуйки шва. При большом давлении кислорода горючая смесь вытекает из мундштука с большой скоростью, пламя становится «жестким» и выдувает расплавленный металл из сварочной ванны, затрудняя тем самым сварку.

Качество наплавленного металла и прочность сварного шва зависят от состава пламени, поэтому во время газовой сварки сварщик должен следить за его характером, регулировать его состав в течение всего процесса сварки. Характер пламени подбирают в зависимости от свариваемого металла и его свойства. Для газовой сварки сталей требуется нормальное пламя, для сварки чугуна, наплавки твердых сплавов — науглероживающее, для сварки латуни — окислительное пламя.