Газопламенная обработка металлов

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 β.

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

При  β = 1,1 … 1,2 пламя нормальное (см. рис. 1). При увеличении этого соотношения (например β = 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 β (например, β = 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 (β 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

Тип горелки Модель горелки Номер наконечника Толщина свариваемой стали, мм Давление на входе в горелку, МПа (кгс/см2) Расход, л/час
ацетилен кислород ацетилен кислород
Г1 ГС-1 000 До 0,1 0,01-0,10 (0,1-1,0) 0,01-0,10 (0,1-1,0) 5-10 6-11
00 Св. 0,1 до 0,2 вкл. 10-25 11-28
0 Св. 0,2 до 0,6 вкл. 25-60 28-65
Г2 Г2-02 0 Св. 0,2 до 0,5 вкл. 0,01-0,10 (0,1-1,0) 0,15-0,30 (1,5-3,0) 40-50 45-55
1 Св. 0,5 до 1,0 вкл. 65-90 70-100
2 Св. 1,0 до 2,0 вкл. 0,2-0,3 (2,0-3,0) 130-180 140-200
3 Св. 2,0 до 4,0 вкл. 420-600 450-650
Г3 Г3-02 1 Св. 0,5 до 1,0 вкл 0,15-0,30 (1,5-3,0) 65-90 70-100
2 Св. 1,0 до 2,0 вкл 130-180 140-200
3 Св. 2,0 до 4,0 вкл 0,20-0,30 (2,0-3,0) 250-350 270-380
4 Св. 4,0 до 7,0 вкл 420-600 450-650
5 Св. 7,0 до 11,0 вкл 700-950 750-1000
6 Св. 11,0 до 17,0 вкл 0,01-0,10 (0,1-1,0) 0,20-0,35 (2,0-3,5) 1130-1500 1200-1650
7 Св. 17,0 до 30,0 вкл 1800-2500 2000-2800
Г4 ГС-4 8 Св. 30,0 до 50,0 вкл 0,03-0,10 (0,3-1,0) 0,25-0,50 (2,5-5,0) 2500-4500 3000-5600
9 Св. 50,0 4500-7000 4700-9300