Практическое занятие 3 (2 час)
Цель занятия.
Ознакомиться с оборудованием, применяемыми материалами и технологией газовой сварки.
Задание.
В соответствии с вариантом задания (прил. 1) для газовой сварки малоуглеродистой стали в нижнем положении описать технологию, подобрать режим сварки, рассчитать полный расход горючего газа.
3.1. Теоретическое введение
При газовой сварке расплавление кромок свариваемого изделия и присадочной проволоки осуществляется теплом, выделяющимся при сжигании горючего газа в смеси с кислородом. Газовую сварку применяют при изготовлении сварных изделий из тонколистовой стали, медных и алюминиевых сплавов, при исправлении дефектов в чугунных и бронзовых отливах, а также при различных ремонтных работах.
Кислород, используемый для сварочных работ, получают из воздуха методом глубокого охлаждения и поставляют к месту потребления в стальных баллонах голубого цвета с черной надписью "Кислород". Водяная емкость баллона 40 литров и при давлении 15 МПа он вмещает 6 м3 газообразного кислорода.
В качестве горючих газов могут быть использованы ацетилен, водород, природный и нефтяной газ, пары бензина и керосина. Наибольшее применение получил ацетилен, так как он дает при горении в технически чистом кислороде самую высокую температуру пламени, достигающую 3150 °С.
Ацетилен (С2Н2) – бесцветный газ с характерным запахом, воспламеняется при 420 °С, становится взрывоопасным при сжатии свыше 0,18 МПа, а также при длительном соприкосновении с медью и серебром. Ацетилен получают в ацетиленовых генераторах при взаимодействии карбида кальция с водой:
СаС2 + 2Н2О ® С2Н2 + Са(ОН)2
Схема газового поста с питанием от баллонов показана на рис.1.
Рис. 1. Схема газосварочного поста с питанием от баллонов:
1 – сварочная горелка; 2 – гибкий шланг; 3 – редуктор;
4 – баллон с ацетиленом; 5 – баллон с кислородом
К вентилям баллонов крепятся газовые редукторы, которые предназначаются для снижения давления газа, поступающего из баллона к горелке, и поддержания постоянства установленного давления во время работы. Газовые редукторы имеют обычно два манометра, один из которых измеряет давление газа на входе в редуктор, второй – на выходе из него. Редукторы для различных газов отличаются лишь устройством присоединительной части, которая соответствует устройству вентиля соответствующего баллона и исключает ошибочную установку, например, ацетиленового редуктора на кислородный баллон. Корпус редуктора окрашивают в определенный цвет, например, голубой для кислорода, белый для ацетилена. К сварочной горелке кислород и ацетилен от редукторов подаются через специальные резиновые шланги.
Газосварочные горелки служат для смешивания в требуемой пропорции кислорода и ацетилена, подачи горючей смеси к месту сварки и создания концентрированного пламени требуемой мощности. По принципу действия горелки подразделяются на инжекторные и безинжекторные (рис. 2). В инжекторных горелках поступление горючего газа (ацетилена) происходит за счет подсоса его струей кислорода, который, вытекая с большой скоростью из сопла инжектора, создает разряжение в каналах, по которым поступает ацетилен. Давление кислорода должно быть при этом равным 0,2 – 0,4 МПа, а давление ацетилена на входе в горелку может быть 0,001 – 0,002 МПа.
Рис. 2. Схемы ацетиленовых горелок:
3 – наконечник; 4 – мундштук; 5 – смесительная камера; 6 – инжектор;
7 – вентиль; 8 – штуцер присоединительный
Горелки этого типа имеют сменные наконечники с различными диаметрами выходных отверстий инжектора и мундштука, что позволяет регулировать в широких пределах мощность ацетилено – кислородного пламени, поддерживая достаточно высокую скорость истечения газов из горелки. Наиболее распространенные инжекторные горелки “Звезда” и ГС – 3 имеют семь номеров сменных наконечников (табл. 1).
Таблица 1
Техническая характеристика инжекторных горелок “Звезда” и ГС – 3
Номера наконечников |
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Толщина свариваемого металла, мм (сталь малоуглеродистая)
0,5 – 1.5 1 – 2,5 2,5 – 4 4 – 7 7 – 11 10 – 18 17 – 30
Расход ацетилена, gм3/ч (л/ч)
50 – 125 120 – 240 230 – 430 400 – 700 660 – 1100 1050 – 1750 1700 – 2800
Расход кислорода, gм3/ч (л/ч)
55 – 135 130 – 260 250 – 440 430 – 750 740 – 1200 1150 – 1950 1900 –3100
Давление кислорода, 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 0,2 – 0,4
Давление ацетилена, МПа
Не ниже 0,001
Горелки большой мощности и многопламенные, работающие в тяжелых условиях, при высокой температуре, обычно делаются безинжекторными, в них оба газа – кислород и ацетилен – поступают под одинаковым давлением в пределах 0,01 – 0,15 МПа.
В зависимости от соотношений объемов ацетилена и кислорода, подаваемых в горелку, изменяется состав пламени. Если на 1 объем ацетилена подается примерно 1 – 1,2 объема кислорода, то весь ацетилен полностью сгорает и такое пламя называется нормальным. Пламя состоит из трех зон: ядра пламени 1, восстановительной зоны 2 и факела 3 (рис. 3).
Рис. 3. Строение сварочного ацетилено-кислородного пламени:
1 – ядро; 2 – восстановительная зона; 3 – факел пламени
Ядро ослепительно белого цвета, имеет форму конуса с закругленным концом. В ядре происходит постепенный нагрев до температуры воспламенения газовой смеси, поступающей из мундштука. Восстановительная зона имеет значительно более темный цвет, чем ядро, и наиболее высокую температуру на расстоянии 3 – 5 мм от края ядра. В факеле протекает горение ацетилена за счет атмосферного кислорода. Нормальное пламя используют для сварки малоуглеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей, а также меди, магниевых сплавов, алюминия, цинка, свинца и др.
При увеличении содержания кислорода (О2 / С2Н2 > 1,2) пламя приобретает голубоватый оттенок и имеет заостренную форму ядра. Такое пламя называется окислительным и может быть использовано только при сварке латуни. В этом случае избыточный кислород образует с цинком, содержащимся в латуни, тугоплавкие оксиды, пленка которых препятствует дальнейшему испарению цинка.
При увеличении содержания ацетилена (О2 / С2Н2 < 1) пламя становится коптящим, удлиняется и имеет красноватый оттенок. Такое пламя называют науглераживающим и применяют для сварки высокоуглеродистых сталей, чугуна, цветных металлов и наплавке твердых сплавов, так как в этом случае компенсируется выгорание углерода и восстанавливаются оксиды цветных металлов.
3.2. Технология газовой сварки
Качественный сварной шов обеспечивается правильным подбором тепловой мощности сварочного пламени, видом пламени, способом сварки, углом наклона горелки, применением соответствующего присадочного материала и флюса.
Тепловая мощность сварочного пламени оценивается по расходу ацетилена (л/ч) и определяется по формуле:
q =A S ,
где А – коэффициент тепловой мощности (для малоуглеродистой стали А = 100 – 130 л/ч·мм);
S – толщина свариваемого металла, мм.
По мощности пламени определяют номер наконечника горелки.
При использовании газовой сварки для изготовления металлических изделий предпочтительным типом соединения является стыковое. Нахлесточное и тавровое соединения вследствие возникновения в изделии значительных собственных напряжений нежелательны, а при сварке изделий большой толщины недопустимы.
Сварка сталей толщиной до 2 мм осуществляется без скоса кромок и без зазора между листами или с отбортовкой кромок без присадочного металла. При толщине листа 2 – 5 мм соединение встык выполняют без скоса кромок, но с соответствующим зазором. Сталь толщиной более 5 мм сваривают только встык с применением одностороннего или двухстороннего скоса кромок.
При толщине металла более 5 мм применяют правый способ сварки, при котором горелка движется впереди сварочной проволоки слева направо (рис. 4, а). Пламя направлено на наплавленный металл, что способствует более качественному формированию шва, увеличивает производительность, уменьшает расход ацетилена, но при малых толщинах может привести к прожогу металла.
Рис. 4. Способы газовой сварки:
а – правый; б – левый
Угол наклона горелки к свариваемой поверхности зависит от толщины металла. При её увеличении нужна большая концентрация тепла и соответственно большой угол наклона горелки (рис. 5).
Рис. 5. Изменение угла наклона горелки в зависимости
от толщины свариваемого металла
Диаметр присадочной проволоки d (мм) определяют в зависимости от выбранного способа сварки и толщины свариваемого металла S (мм) по следующим формулам:
при левом способе: d = S / 2 + 1;
при правом способе: d = S / 2.
При сварке изделия толщиной более 15 мм диаметр проволоки принимают не более 6 – 8 мм.
В качестве присадочного материала следует применять проволоку или прутки, близкие по химическому составу к металлу свариваемых изделий. Для сварки чугуна применяют специальные литые чугунные стержни; для наплавки износостойких покрытий – литые стержни из твердых сплавов. Для сварки цветных металлов и некоторых специальных сплавов используют флюсы, которые могут быть в виде порошков или паст. Для сварки меди и её сплавов – кислые флюсы (буру, буру с борной кислотой); для сварки алюминиевых сплавов – бескислородные флюсы на основе фтористых или хлористых солей лития, калия, натрия и кальция. Роль флюса состоит в растворении оксидов и образовании шлаков, легко всплывающих на поверхность сварочной ванны, а также предохранении расплавленного металла от дальнейшего окисления в процессе сварки, покрывая его тонкой пленкой. Во флюсы можно вводить элементы, раскисляющие и легирующие наплавленный металл.
Скорость сварки V (м/ч) определяется глубинной проплавления и зависит от свойств металла.
где С – коэффициент скорости сварки, м мм/ч;
для углеродистых сталей С = 12 – 15;
S – толщина металла, мм.
Время сварки t (ч) определяют из уравнения:
t = L / V ,
где L – длина шва, м;
V – скорость сварки, м/ч.
Полный расход горючего газа Q (л) определяется по формуле:
Q = q · t ,
где q – тепловая мощность сварочного пламени, л/ч;
t – время сварки, ч.
3.3. Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Задание.
3. Рисунки: 1, 3, 4.
4. Результаты расчетов (табл. 2.).
5. Краткое описание сущности и технологии газовой сварки.
6. Выводы по выполненной работе.
Таблица 2
Исходные данные и результаты расчетов
№ п/п |
Параметр |
Расчетная формула |
Численное значение |
1 |
Толщина свариваемого металла S, мм |
Прил. 1 |
|
2 |
Длина шва L, мм |
Прил. 1 |
|
3 |
Способ сварки (правый, левый) |
||
4 |
Коэффициент тепловой мощности А, л/ч·мм |
|
|
5 |
Тепловая мощность пламени q, л/ч |
||
6 |
Угол наклона мундштука горелки, град |
Рис. 5 |
|
7 |
Диаметр присадочной проволоки d, мм |
||
8 |
Номер наконечника горелки |
Табл. 1 |
|
9 |
Коэффициент скорости сварки С, м·мм/ч |
||
10 |
Скорость сварки V, м/ч |
||
11 |
Вид пламени |
||
12 |
Время сварки t, ч |
||
13 |
Полный расход горючего газа Q, л |
3.4. Контрольные вопросы
1. Сущность газовой сварки.
2. Область применения газовой сварки.
3. Получение, хранение и транспортировка ацетилена.
4. Состав газосварочного поста.
5. Характеристика применяемых газов.
6. Характеристика горелок и их назначение.
7. Назначение газовых редукторов.
8. Строение ацетилено – кислородного пламени.
9. Виды пламени и область их применения.
10. Основные параметры режима газовой сварки.
11. Давление кислорода и ацетилена в баллонах и перед горелками.
12. Основные способы газовой сварки и их характеристика.
13. Сварочные материалы.
Приложение 1
Варианты заданий для выполнения работы
Номер варианта |
Толщина свариваемого металла S, мм |
Длина шва L, мм |
Номер варианта |
Толщина свариваемого металла S, мм |
Длина шва L, мм |
1 |
0,5 |
250 |
16 |
8,0 |
500 |
2 |
1,0 |
260 |
17 |
8,5 |
470 |
3 |
1,5 |
270 |
18 |
9,0 |
440 |
|
4 |
2,0 |
280 |
19 |
9,5 |
410 |
5 |
2,5 |
290 |
20 |
10,0 |
380 |
6 |
3,0 |
300 |
21 |
11,0 |
350 |
7 |
3,5 |
320 |
22 |
12,0 |
320 |
8 |
4,0 |
340 |
23 |
13,0 |
290 |
9 |
4,5 |
360 |
24 |
14,0 |
260 |
10 |
5,0 |
380 |
25 |
15,0 |
230 |
11 |
5,5 |
400 |
26 |
16,0 |
220 |
12 |
6,0 |
420 |
27 | 17,0 |
240 |
13 |
6,5 |
440 |
28 |
18,0 |
310 |
14 |
7,0 |
460 |
29 |
19,0 |
330 |
15 |
7,5 |
480 |
30 |
20,0 |
350 |