Кислородная сварка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Развитие сварки

кислородный сварочный резка

Сварка является одним из наиболее распространенных технологических процессов соединения материалов, благодаря которому создано много новых изделий, машин и механизмов.

Сварное исполнение многих видов металлоконструкций позволило эффективно использовать заготовки, полученные прокаткой, гибкой, штамповкой, литьем и ковкой, а также металлы с различными физико-химическими свойствами. Сварные конструкции по сравнению с литыми, коваными и клепаными обладают большей прочностью, меньшей массой и менее трудоемки в изготовлении. С помощью сварки получают неразъемные соединения почти всех металлов и сплавов различной толщины. Нет такой отрасли промышленности, где бы ни применялись сварка, резка металлов или их наплавка на поверхность деталей.

Мысль о возможности практического применения «электрических искр» для плавления металлов впервые высказал в 1753 г. академик Российской Академии наук Г.Р. Рихман при исследованиях атмосферного электричества. В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской военно-хирургической академии В.В. Петров открыл явление электрической дуги и указал возможные области ее использования.

Для практического осуществления электрической сварки металлов потребовались многие годы совместных усилий физиков и инженеров, направленных на создание мощных источников питания для сварочной дуги.

Российские изобретатели первыми в мире разработали и во многих странах запатентовали способ дуговой сварки. В 1882 г. Н.Н. Бенардос предложил способ электрической дуговой сварки угольным электродом, а в 1888 г. Н.Г. Славянов -- металлическим электродом. Они же изобрели и ряд других процессов и вариантов сварки, в частности предложили устройство для механизированной подачи сварочной проволоки в дугу, использовали дробленое стекло в качестве флюса для защиты сварочной ванны от воздуха и др.

Изобретения Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова нашли заметное по тем временам применение, и в первую очередь на железных дорогах, а затем на нескольких крупных машиностроительных и металлургических заводах России. Однако, несмотря на первоначальные успехи русских изобретателей, инженеров и промышленников в деле разработки и внедрения дуговой сварки, к началу XX в. промышленно развитые страны Европы и США опередили оссию по объему применения сварки.

Широкое развитие сварки и ее использование в промышленности началось в 30-е годы. В Советском Союзе впервые в мире были изобретены и разработаны многие новые виды и высокопроизводительные способы сварки: подводная, в космосе, электрошлаковая, в углекислом газе, диффузионная, трением, живых биологических тканей и др.

Фундаментальные исследования по разработке новых процессов сварки, сварочных материалов и оборудования проводят многие научно-исследовательские организации, высшие учебные заведения и крупные промышленные предприятия. Наиболее известные среди них -- Институт электросварки имени Е.О. Патона Академии наук Украины, Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ), Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана и др.

Выдающийся вклад в разработку теоретических основ сварки и ее промышленное использование внесли ученые В.П. Вологдин, В.П. Никитин, К.К. Хренов, Е.О. Патон, Г.А. Николаев, Н.О. Окерблом, Н.Н. Рыкалин, К.В. Любавский, Б.Е. Патон и др.

В промышленности Республики Беларусь эффективно применяются современные сварочные технологии. На многих предприятиях широко используются автоматизированная и механизированная сварка в среде защитных газов, контактная точечная сварка, различные новые методы сварки, наплавки, напыления, резки. Идет внедрение робототехнологических комплексов, новейших средств технологического оснащения, а также современных методов контроля качества сварных соединении.

В машиностроении, строительстве, энергетике и других отраслях работают тысячи квалифицированных рабочих, техников и инженеров-сварщиков, которые вносят значительный вклад в развитие сварочного производства и подготовку кадров для промышленности Беларуси.

В Республике Беларусь в 1992 г. в составе НПО порошковой металлургии создан Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт сварки и защитных покрытий. Основными направлениями деятельности НИИ СП являются руководство государственными программами в области сварки и покрытий, проведение фундаментальных и прикладных исследований, оказание практической помощи промышленным предприятиям и организациям по сварке.

В последние годы ученые-сварщики Беларуси работают над созданием ресурсосберегающих технологий, которые позволяют снизить потребление электроэнергии, уменьшить расход материалов, рационально использовать труд сварщиков при изготовлении различных конструкций, машин и изделий.

В настоящее время сваривают материалы толщиной от нескольких микрон (в микроэлектронике) до нескольких метров (в тяжелом машиностроении). Наряду с широко применяемыми конструкционными сталями сваривают специальные стали, сплавы на основе алюминия, меди, титана, циркония, молибдена, ниобия и других металлов, а также разнородные материалы.

Существенно расширились условия проведения сварочных работ: сварку осуществляют в условиях высоких температур, радиации, под водой, в космосе. Сварные швы выполняют в любых пространственных положениях.

Быстрыми темпами внедряются новые виды сварки -- лазерная, электронно-лучевая, ионная, световая, диффузионная, ультразвуковая, трением, взрывом и другие, значительно расширились возможности дуговой и контактной сварки.

Современная техника располагает разнообразными способами сварки, при чем непрерывно создаются новые способы. В настоящее время широко применяется плазменная сварка и резка металлов. Очень перспективна воздушно-плазменная резка, при которой рабочим газом служит обычный атмосферный воздух. Для малых толщин металла ценной оказалась микроплазменная сварка на малых токах, когда плазменная струя имеет форму швейной иглы.

При производстве сварных изделий важную роль играет контроль качества сварных соединений. Для контроля качества сварки Применяют различные разрушающие и неразрушающие испытания. Методы неразрушающего контроля позволяют выявлять дефекты без повреждения объектов контроля.

Повышение производительности труда в области сварочного производства достигается механизацией и автоматизацией самих процессов, т. е. переходом от ручного труда сварщика к механизированному, и комплексной механизацией, включающей механизацию заготовительных, сборочных, сварочных, отделочных, вспомогательных и контрольных операций.

2.Технология кислородной резки

2.1 Основы процесса резки

При выполнении разделительной кислородной резки необходимо учитывать требования, предъявляемые к точности резки и качеству поверхности реза. Большое влияние на качество реза и производительность резки оказывает подготовка металла под резку. Перед началом резки листы подают на рабочее место и укладывают на подкладки так, чтобы обеспечить беспрепятственное удаление шлаков из зоны реза. Зазор между полом и нижним листом должен быть не менее 100-150 мм. Поверхность металла перед резкой должна быть очищена. На практике окалину, ржавчину, краску и другие загрязнения удаляют с поверхности металла нагревом зоны резки газовым пламенем с последующей зачисткой стальной щеткой. Вырезаемые детали размечают металлической линейкой, чертилкой и мелом. Часто разрезаемый лист подают к рабочему месту резчика уже размеченным.

Перед началом резки газорезчик должен установить необходимое давление газов на ацетиленовом и кислородном редукторах, подобрать нужные номера наружного и внутреннего мундштуков в зависимости от вида и толщины разрезаемого металла.

Процесс резки начинают с нагрева металла в начале реза до температуры воспламенения металла в кислороде. Затем пускают режущий кислород и перемещают резак по линии реза.

Для обеспечения высокого качества реза расстояние между мундштуком и поверхностью разрезаемого металла необходимо поддерживать постоянным. Для этой цели резаки комплектуются направляющими тележками. В зависимости от толщины разрезаемого металла расстояние между мундштуком и металлом составляет:



При работе на газах-заменителях ацетилена указанные расстояния между мундштуком и поверхностью разрезаемого металла увеличивают на 30-40%.

Основными параметрами режима кислородной резки являются: мощность подогревающего пламени, давление режущего кислорода и скорость резки. Мощность подогревающего пламени характеризуется расходом горючего газа в единицу времени и зависит от толщины разрезаемого металла. Она должна обеспечивать быстрый подогрев металла в начале резки до температуры воспламенения и необходимый нагрев его в процессе резки. Для резки металла толщиной до 300 мм применяют нормальное пламя. При резке металла больших толщин лучшие результаты получают при использовании пламени с избытком горючего. При этом длина видимого факела пламени должна быть больше толщины разрезаемого металла.

Выбор давления режущего кислорода зависит от толщины разрезаемого металла, размера режущего сопла и чистоты кислорода. При увеличении давления кислорода увеличивается его расход. Давление кислорода выбирается в зависимости от толщины металла:

Чем чище кислород, тем меньше его расход на 1 пог. м реза. Абсолютная величина давления кислорода зависит от конструкции резака и мундштуков, величин сопротивлений в кислородоподводящей арматуре и коммуникациях.

Скорость перемещения резака должна соответствовать скорости горения металла. От скорости резки зависят устойчивость процесса и качество вырезаемых разрезаемых кромок, а большая - к появлению не прорезанных до конца, участков реза. Скорость резки зависит от толщины и свойств участков реза. Скорость резки зависит от толщины и свойств разрезаемого металла. При резке сталей малых толщин (до 20 мм) скорость резки зависит от мощности подогревающего пламени. Например, при резке стали толщиной 5 мм около 35% тепла поступает от подогревающего пламени.

Рис. 1. Характер выброса шлака

а - скорость резки мала, б - оптимальная скорость,

в - скорость велика

На скорость резки влияет также метод резки, форма линии реза и вид резки. Поэтому допустимые скорости резки определяют опытным путем в зависимости от толщины металла, вида и метода резки. При правильно выбранной скорости резки отстаивание линий реза не должно превышать 10-15% толщины разрезаемого металла.

1. Режимы ручной резки листового проката



На рис. 2 схематически показан характер выброса шлака. Если скорость кислородной резки мала, то наблюдается отклонение пучка искр в направлении резки (рис 1, а). При завышенной скорости резки отклонение пучка искр происходит в сторону, обратную направлению резки (рис. 1, б). Скорость перемещения резака считают нормальной, если пучок искр будет выходить почти параллельно кислородной струе (рис. 1, в). Режимы ручной резки листового проката приведены в табл. 1.

Рис. 2. Отстаивание режущей струи

Ширина и чистота реза зависят от способа резки. Машинная резка дает более чистые кромки и меньшую ширину реза, чем ручная. Чем больше толщина разрезаемого металла, тем больше шероховатость кромок и ширина реза. В зависимости от толщины металла ориентировочная ширина реза составляет:



В начале резки мундштук располагают перпендикулярно поверхности металла или с небольшим наклоном (5-10 єC) в сторону, обратную направлению резки. По мере углубления в массу металла ослабевает действие подогревающего пламени, уменьшается скорость кислородной струи, поэтому при резке происходит отстаивание режущей струи (рис. 2). Отстаивание увеличивается с увеличением скорости резки, отстаивание можно компенсировать наклоном мундштука вперед по направлению движения.

2.2 Техника резки

Рез листового металла (рис. 3) начинают у какой либо кромки. При вырезке внутреннего контура изделия в металле сверлят отверстие и от него начинают резку; тонкий металл толщиной менее 10 мм пробивают с помощью резака. Начало резки по контурам 1 и 2 может быть выбрано в любом месте, кроме углов. Наружный контур 4 вырезается в последнюю очередь.

Рис. 3. Последовательность Рис. 4. Вид поверхностей резки внутри контура наклонного реза изделия

При резке металла со скосом кромки (рис. 4) поверхности реза получаются не одинаковыми по качеству. Острый угол поверхности оплавляется сильнее, так как на нем концентрируется большая часть подогревающего пламени. Тупой угол поверхности также оплавляется, поскольку омывается кислородной струей и жидким шлаком.

Подготовку скоса кромок под сварку производят на машине сразу двумя или тремя резаками(рис 5). Резак нужно смещать в направление реза, чтобы не происходило соприкосновение струй кислорода от резаков и образование завихрений, приводящих к ухудшению качества реза.

Рис. 5. Резка кромок одновременно двумя (а) и тремя (б) резаками: 1, 2, 3 - резаки

Приемы резки профильного проката показаны на рис. 6. При резке уголка, после того как будет прорезана одна полка, резак разворачивают и устанавливают перпендикулярно второй полке; при резке двутавра в местах утолщения металла скорость резки понижают, чтобы полностью прорезать металл; при резке швеллера резак можно располагать со стороны внутренней или наружной поверхности швеллера.

Рис. 6. Приемы резки профильного проката: а - уголка; б- двутавра; в - швеллера

Заготовку из стали квадратного сечения начинают резать с угла (рис. 7, а). Процесс резки круглого прутка показан на рис. 7, б. Чтобы прорезать нижний угол, резак наклоняют 5-10 єC в сторону, противоположную направлению резки. Повысить производительность резки прутков малого диаметра можно, применяя безостановочный процесс (рис. 7, в). В местах перехода на каждый последующий пруток следует наклонять резак в сторону, обратную направлению резки.

Рис. 7. Приемы резки прутков Рис. 8. Положение мундштука различного профиля в начале и конце резки стали большой толщины

Для одновременной вырезки нескольких стальных заготовок из листового металла применяют пакетную резку. Сущность этого способа состоит в том, что несколько листов собирают в пакет, зажимают по контуру струбцинами и производят резку этого пакета за один проход резака. Резку стали толщиной более 300 мм выполняют специальными резаками на пониженном давлении кислорода (рис. 8).

Пробивка отверстий. Техника пробивки отверстий в листовой стали имеет особенности. При небольшой толщине металла(до 20 мм) и выполнении резки вручную пробивка отверстий внутри контура листа производится резаком. После предварительного нагрева металла до температуры оплавления подогревающее пламя выключается и на время пробивки отверстия с помощью вентиля на резаке включается подача режущего кислорода, после чего пламя вновь зажигается в раскаленном металле. Такая техника пробивки отверстий исключает возможность возникновения хлопков и обратных ударов.

При пробивке отверстий в металле толщиной от 20 до 50 мм лист следует устанавливать в наклонном положении или вертикально для облегчения стекания образующегося шлака.

При пробивке отверстий в металле толщиной более 50 мм вначале сверлением выполняют небольшое отверстие.

Машинная резка допускает возможность пробивки отверстий резаками в металле толщиной до 100 мм. Для этого после нагрева места пробивки до температуры оплавления медленно увеличивают давление режущего кислорода до требуемого значения с одновременным включением резака(машины), скорость которого должна составлять 150-600 мм/мин. Благодаря такому приему (рис.) брызги металла не попадают на торец резака, уменьшается вероятность хлопков и обратных ударов. Отверстия можно пробивать как с контура, так и вблизи его.

В процессе резки расстояние от торца мундштука до металла следует поддерживать постоянным. При ручной резке это достигается использованием специальных тележек, прикрепляемых к головке резака, а при машинной - укладкой листа в строго горизонтальное положение и применение суппортов с плавающей кареткой (обработка листов, не подвергавшихся правке).

В случае резки листов толщиной до 100 мм расстояние от торца мундштука до поверхности разрезаемого металла должно быть на 2 мм больше длины ядра пламени. При резке стали толщиной более 100 мм и работе на газах-заменителях ацетилена указанное расстояние увеличивают на 30-40% во избежание перегрева мундштука.

2.3 Ручная разделительная резка

Ручная разделительная резка применяется для резки листов, поковок профильного проката и скрапа. При резке в качестве горючего газа используется как ацетилен, так и газы-заменители ацетилена (пропан-бутан, природный газ и др.) В последнем случае увеличивается время предварительного подогрева металла до начала процесса резки, поэтому предпочтительнее использовать ацетилен (где это возможно). Резка скрапа преимущественно производится с применением жидкого горючего (керосин, бензин и их смеси).

Для резки листов толщиной от 3 до 300 мм используются универсальные ручные резаки Р2А-01, Р3П-01, а до 800 мм - специализированные резаки типа Р3Р-2.

Резка стали малой толщины сопровождается значительным перегревом, оплавлением кромок и короблением разрезаемого металла. При этом на резаках устанавливается внутренний мундштук №0 с минимальным отверстием для режущего кислорода и наружный №1. Лучшие результаты дает резка с последовательным расположением подогревающего пламени и режущего кислорода. Резку ведут с максимальной скоростью и минимальной мощностью подогревающего пламени. Мундштук резака наклоняют под углом 15-40є к поверхности реза сторону, обратную направлению резки.

Режимы ручной резки листовой стали приведены в табл. 2

Перед началом резки нужно положить лист на опоры, очистить место реза и установить на резаке мундштуки в зависимости от толщины разрезаемой стали. Мощность пламени и давления газов (кислорода и горючего) регулируют при открытом вентиле режущего кислорода. Подогрев листа начинается с кромки и длится обычно 3-10 с. Если резку начинают с середины листа, продолжительность подогрева увеличивается в 3-4 раза.

Точность и качество ручной резки зависят от правильного выбора режимов и квалификации резчика. Чтобы повысить точность, резку выполняют по разметке и направляющим (при прямолинейной резке). Качество резки в значительной степени зависит от своевременного пуска режущего кислорода, равномерного перемещения резака и поддержания постоянного расстояния между резаком и поверхностью листа. Для этого используют простейшие приспособления: циркуль для вырезки фланцев и отверстий, тележку для поддержания постоянного расстояния между резаком и поверхностью листа; направляющую линейку или уголок для прямолинейных резов и т.д.

Табл. 2. Режимы ручной кислородной резки листовой стали

Существуют особые технологические приемы повышения качества ручной резки. К ним относятся, например, безгратовая и пакетная резка.

Безгратовая резка применяется для получения поверхности реза без грата на нижних кромках. При этом используют кислород чистотой не ниже 99,5 и сопло режущего кислорода с расширением на выходе (для резки металла толщиной более 12 мм).

Пакетная резка позволяет получать качественный рез тонких листов (толщиной 1,5-2 мм). Листы складываются в пакет и стягиваются струбцинами (рис.6.). Максимальная толщина каждого листа 8-10 мм, а общая толщина пакета - не более 100 мм. Режимы резки устанавливаются по суммарной толщине пакета, однако скорость ее должна быть несколько ниже, чем для однослойной стали той же толщины.

Пакетную резку можно производить без плотного прилегания листов (с зазорами между ними до 3-4 мм). В этом случае пакет закрепляют с одной стороны и выполняют резку кислородом низкого давления (0,3-0,5 МПа) с рассверливаем горлового канала мундштука на 0,3-0,4 мм. Облегчает начало процесса резки сборка листов с небольшим сдвигом (рис. 8). Пакетную резку используют и при машинной резке.

Резка поковок и отливок проводится ручным резаком типа Р3Р-2, работающим на пропан - бутане в смеси с кислородом. Этот резак режет поковки и отливки толщиной от 300 до 800 мм. Для обеспечения качественной резки заготовок такой толщины важное значение имеют положение резака и скорость его перемещения. В начале резки резак располагают под прямым углом к разрезаемой поверхности или под углом 5є в сторону, обратную движению. После предварительного подогрева места начала резки и пуска режущего кислорода необходимо убедиться в полном прорезании металла по всей толщине и затем начать перемещение резака. К концу реза следует немного снизить скорость резки и увеличить угол наклона резака в сторону, обратную движению, до 10-15є для обеспечения полного прорезания конечного участка и уменьшения отставания линий реза.

Ручная кислородная резка используется для обрезки торцов труб под сварку, вырезки дефектных участков и отверстий в трубопроводах и т.д. Резка выполняется с использованием в качестве горючего газа ацетилена или газов-заменителей. Трубы можно резать в любых пространственных положениях. Резка труб небольшого диаметра выполняются без их поворота. При резке неповоротных труб большого диаметра резак перемещается по направляющему угольнику, а при резке поворотных труб используются специальные каретки и роликовые стенды (рис 9).



Рис. 8. Сборка листов Рис. 9. Роликовый стенд Рис. 10. Расположение в пакет, облегчающая для резки труб: резака при скоростной начало процесса резки 1- резак, 2- труба, 3- резке труб приводные ролики

Скорость резки труб с толщиной стенок 6-12 мм не превышает 800 мм/мин. Для повышения скорости резки резак устанавливают под углом 15-25є к касательной точке пересечения оси резака с поверхностью трубы (рис. 10). При этом увеличивается зона взаимодействия кислорода с металлом и образующийся в процессе резки шлак нагревает лежащий впереди участок трубы, благодаря чему улучшается окисление металла. Однако время предварительного подогрева поверхности трубы до температуры воспламенения увеличивается до 60-70 с. Чтобы избежать этого, необходимо ввести в зону реакции стальной пруток (или железный порошок). В этом случае средняя скорость резки труб диаметром 300-1020 мм с толщиной стенки до 12 мм составляет 1,5-2,5 м/мин, т.е. повышается в 2-3 раза по сравнению с резкой при перпендикулярном расположении резака.

Резка производится универсальными или вставными резаками. Режимы ее устанавливаются в зависимости от толщины металла согласно паспортным характеристикам резаков.

2.4 Свойства зоны термического влияния при резке

В процессе газокислородной резки в разрезаемый металл вводится значительное количество теплоты. Нагрев происходит неравномерно и распределяется по кромке реза и сравнительно узкой полосе металла, прилегающей к резу. Это создает напряжения в металле и деформирует его, искажая геометрическую форму. Кромка реза несколько укорачивается и в прилегающем слое возникают растягивающие напряжения, которые могут быть полностью сняты лишь отжигом с равномерным нагревом всей детали. Напряжения и деформации также уменьшаются при механической обработке (строгание или фрезерование кромки реза). Полоса металла шириной 2-5 мм, прилегающая к резу, быстро нагревается выше критических температур, а затем быстро охлаждается вследствие отвода теплоты в холодную основную массу металла. Происходит термообработка металла, соответствующая закалке.

Степень закалки, образующиеся структуры и максимальная твердость кромки реза определяются в первую очередь химическим составом стали и ее чувствительностью к термической обработке. Простые углеродистые стали, содержащие менее 0,3% углерода, при резке почти не закаливаются. У легированных сталей и сталей с повышенным содержанием углерода часто значительно повышается твердость по кромке реза. Металл нагревается до наивысшей температуры у поверхности кромок, где обычно происходит полное аустенитное превращение, наблюдаются максимальные изменения структуры и твердости. В низкоуглеродистых сталях образуется сорбитная структура; по мере повышения содержания углерода и легирующих элементов в стали появляется троостит, а затем и мартенсит, свидетельствующий о высокой твердости и хрупкости металла. По мере удаления от кромки изменения структуры постепенно становятся менее заметными, твердость уменьшается и на расстоянии несколько миллиметров от кромки основной металл сохраняет первоначальную структуру.

Ширина зоны термического влияния при кислородной резке зависит от химического состава и толщины разрезаемого металла, возрастая вместе с ней. При резке низкоуглеродистой стали толщиной 10 мм ширина зоны влияния превышает 1мм; при толщине 150-200 мм ширина этой зоны составляет около 3 мм. Стали легированные и с повышенным содержанием углерода толщиной 100 мм могут иметь зону термического влияния шириной до 6 мм.

Исследования структуры и механических свойств металла показали, что кислородная резка меньше изменяет свойства кромки, чем механическая резка ножницами и фрикционной пилой. Для низкоуглеродистой стали нет необходимости удалять поверхностный слой металла с кромки реза; при последующей сварке достаточно очистить кромки от окалины. После резки сталей, чувствительных к термической обработке, иногда приходится прибегать к дополнительным операциям: механическому строганию кромки, местному отжигу. Особенно опасным является возникновение мелких трещин в зоне влияния, что иногда наблюдается у сталей, легко закаливающихся. В подобных случаях используют предварительный подогрев металла. Он уменьшает коробление, внутренние напряжения, изменения структуры, твердость металла. Поэтому подогрев часто является единственным надежным средством, обеспечивающим качественную кислородную резку легко закаливающихся легированных и углеродистых сталей. При машинной кислородной резке подогрев осуществляется мощными многопламенными горелками, смонтированными на режущей машине и перемещающимися вместе с кислородным резаком вдоль поверхности разрезаемого металла.

Помимо структурных превращений металла, при кислородной резке происходит изменение его химического состава на глубину 2-3 мм. Наиболее существенным является повышение содержания углерода у поверхности реза, что можно объяснить науглероживающим действием подогревательного пламени. Однако повышение содержания углерода происходит и при использовании водородного пламени, которое не может науглероживать металл. По-видимому, основной причиной является миграция (перемещение) металла в более нагретые области. Так как наиболее сильно нагревается поверхность кромки реза, то наблюдается перемещение углерода из внутренних менее нагретых слоев металла к поверхности кромки.

2.5 Деформации при кислородной резке

Деформации металла - это изменения формы и размеров вырезаемых деталей по сравнению с намеченными до резки.

При вырезке плоских заготовок происходят укорочения, удлинения и изгибы вырезаемых деталей. Способами борьбы с деформациями являются: рациональная технология резки, предварительный подогрев вырезаемой детали, жесткое закрепление концов детали при резке.

3. Электрическая дуга и ее применение в сварочных работах

3.1 Строение и возникновение сварочной дуги

Сварочной дугой называется устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров материалов, используемых при сварке.

Сварочная дуга характеризуется большой плотностью тока и высокой температурой.

Для образования и поддержания горения дуги необходимо иметь в промежутке между электродами электрически заряженные частицы - электроны, а также положительные и отрицательные ионы. Процесс образования ионов и электронов называется ионизацией, а газ содержащий электроны и ионы, ионизированным. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения.

Ионизированный газ концентрируется в объеме около 1 см³. Но и в этом небольшом пространстве различают три области (рис. 12). Две из них - катодная и анодная - пограничные между электродами и ионизированным газом. В этих областях наблюдается значительное падение напряжения, вызванное образованием около электродов пространственных зарядов ( скоплением заряженных частиц). На поверхности анода и катода образуются электродные пятна, через которые проходит сварочный ток. Электродные пятна выделяются яркостью свечения.

Рис. 12. Схема сварочной дуги и падения напряжений в ней

Общая длина сварочной дуги L_д =L_к + L_с + L_a, где L_k - длина катодной области, равная примерно 10^-7 м; L_c - длина столба дуги; L_a - длина анодной области, равная примерно 10^-6 м. Длина дуги редко превышает 10-15 мм.

Общее напряжение сварочной дуги U_д слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги: U_д = U_k + U_c + U_a, где U_k, U_s, U_a - падения напряжения соответственно в катодной области, столбе дуги и анодной области, В. Обычно в сварочных дугах напряжение U_д = 10-16 В.

Температура в столбе сварочной дуги достигает 5000 - 12000 єС и зависит от плотности тока, состава газовой среды дуги, материала и диаметра электрода.

3.2 Классификация сварочной дуги

В зависимости от числа электродов и способов включения электродов и свариваемой детали в электрическую цепь различают следующие виды сварочных дуг(рис. 13):

Рис. 13. Виды сварочных дуг:

а - прямого действия, б - косвенного, в - комбинированного

-прямого действия, когда дуга горит между электродом и изделием; -косвенного действия, когда дуга горит между двумя электродами, а свариваемое изделие не включено в электрическую цепь;

-трехфазную дугу, возбуждаемую между двумя электродами, а также между электродом и основным металлом.

По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. При прямой полярности электрод подключается к отрицательному полюсу и служит катодом, а изделие - к положительному полюсу и служит анодом. При обратной полярности электрод подключается к положительному полюсу и служит анодом, а изделие - к отрицательному и служит катодом.

В зависимости от материала электрода различают дуги между неплавящимися электродами (угольными или вольфрамовыми) и плавящимися металлическими электродами.

Сварка дугой переменного тока имеет некоторые особенности. Вследствие того что мгновенные значения тока переходят через 100 раз в 1 с, меняет свое положение катодное пятно, являющееся источником электронов, ионизация дугового промежутка менее стабильна и сварочная дуга менее устойчива по сравнению с дугой постоянного тока.

Общепринятой мерой повышения стабилизация сварочной дуги переменного тока является включение в сварочную цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления. Последовательное включение в сварочную дугу цепь катушек со стальным сердечником (дросселей) позволяет вести сварочные работы металлическими электродами на переменном токе при напряжении сварочного трансформатора 60-65 В.

3.3 Магнитное дутье

Столб дуги можно рассматривать как гибкий проводник, по которому проходит электрический ток и который под действием электромагнитного поля может изменять свою форму. Если будут созданы условия для взаимодействия электромагнитного поля, возникающего вокруг сварочной дуги, с посторонними магнитными полями, с собственным полем сварочной цепи, а также с ферромагнитными материалами, то в этом случае произойдет отклонение дугового разряда от первоначальной собственной оси. При этом может нарушиться сам процесс сварки. Это явление получило название магнитное дутье.

Большое влияние на магнитное дутье имеет угол наклона электрода, который вызывает отклонение дуги (рис. 14).

Рис. 14. Влияние наклона электрода на отклонение дуги

Сильное действие на отклонение дуги оказывают ферромагнитные массы: массивные сварные изделия имеют большую магнитную проницаемость, чем воздух, в магнитные силовые линии всегда стремятся пройти по той среде, которая имеет меньшее сопротивление, поэтому дуговой заряд, расположенный ближе к ферромагнитной массе, всегда отклоняется в ее сторону (рис. 15).

Рис. 15. Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги:

а - в сторону массивной детали, б - при выполнении углового шва,

в - при выполнении стыкового шва в разделку

Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно устранить путем изменения места токоподвода, угла наклона электрода, временного размещения ферромагнитного материала для создания симметричного поля и заменой постоянного тока переменным.

На столб сварочной дуги действует также несимметричное магнитное поле, которое создается током, проходящим в изделии; столб дуги при этом будет отклонятся в сторону, противоположную токоподводу.

3.4 Вольт-амперная характеристика дуги

Важнейшей характеристикой дугового разряда является статическая вольт-амперная характеристика, которая отражает зависимость напряжения дуги при постоянной ее длине от силы сварочного тока.

В вольт-амперной характеристике различают три области (рис. 16). Область 1 - это область малых токов (примерно до 100 А). Этой области на графике соответствует падающая характеристика, так как с увеличением тока I_д увеличивается объем разогретого газа и степень его ионизации, проводимость дуги при этом возрастает, а сопротивление столба дуги уменьшается и в результате падает нужное для поддержания дугового разряда напряжение U_д. Сварочная дуга, имеющая падающую вольт-амперную характеристику, имеет малую устойчивость.

Рис. 16. Статическая вольт-амперная амперная характеристика дуги

В области 2 при дальнейшем росте точка I_д столб дуги несколько сжимается и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряжение дуги становится мало зависящим от тока, а вольт-амперная характеристика - пологой.

Падающая и пологая характеристики соответствуют ручной сварке покрытыми электродами и сварке в защитных газах.

Область 3 - это область больших токов, степень ионизации здесь высока. С увеличением силы тока I_д происходит интенсивное сжатие столба дуги, его напряжение U_д увеличивается, а вольт-амперная характеристика становится возрастающей. Возрастающая характеристика соответствует дуговой сварке под флюсом и сварке в защитных газах тонкой проволокой на больших плотностях тока.

Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины описывается уравнением U_д = a + bl_д, где а - сумма падений напряжения в прикатодной и прианодной областях, В; l_д - длина столба дуги, мм; b - удельное падение напряжения в дуге, отнесенное к 1 мм столба дуги, В/мм. С увеличением длины дуги ее напряжение увеличивается, и кривая вольт-амперной характеристики дуги поднимается выше, примерно сохраняя свою форму (кривая l_д2).

3.5 Перенос электродного металла

При дуговой сварке электродный металл плавится за счет: теплоты, выделяемой на конце электрода в приэлектродной области дуги; теплоты, попадающей из столба дуги; теплоты от нагрева вылета электрода при прохождении сварочного тока от токопровода до дуги. Чем больше вылет электрода, тем больше его сопротивление и тем больше выделяется теплоты.

Конец электрода нагревается до температуры 2300 - 2500єС, и в результате на нем образуются капли расплавленного металла, которые переносятся через дуговой промежуток в сварочную ванну. Формирование и перенос капель осуществляются под воздействием их собственного веса, сил поверхностного натяжения, давления газов, образующихся внутри расплавленного металла, давления газового потока, электростатических и электродинамических сил, реактивного давления паров металла.

В зависимости от соотношения сил, действующих на каплю, перенос электродного металла может быть различным:

-крупнокапельный (характерен для ручной дуговой сварки покрытым электродом);

-мелкокапельный (наблюдается при сварке под флюсом и в защитных газах - аргоне, углекислом газе и др.);

-короткими замыканиями (характерен для сварки в углекислом газе);

-струйный (имеет место при сварке в аргоне на больших токах).

Мелкокапельный и струйный переносы электродного металла обеспечивают более устойчивый процесс сварки и лучшее формирование шва.

Отрывку капли и ее переносу способствуют электродинамические силы и давление газовых потоков. С увеличением сварочного тока роль этих сил возрастает, что приводит к измельчению капель. Сила тяжести капли имеет существенное значение при малых плотностях тока и способствует отрыву и переносу капель металла только при сварке в нижнем положении.

Перенос электродного металла в дуге сопровождается выбросом части металла за пределы сварочной ванны. Разбрызгивание связано главным образом с электрическим взрывом перемычки между отделяющейся каплей и торцом электрода под действием электромагнитных сил.

Основной металл плавится в результате выделения теплоты в активном пятне (в приэлектродной области) на поверхности изделия и теплоты столба дуги. Форма проплавления (глубина и ширина) определяется концентрацией теплового и силового воздействия дуги.

Давление осевого плазменного потока вызывается электромагнитными силами, его значение пропорционально квадрату тока. Дуга с плавящимся электродом оказывает большее силовое воздействие на сварочную ванну, чем дуга с неплавящимся электродом.

4.Эксплуатация оборудования

4.1 Общие сведения

Газопламенные работы (сварка, резка, строжка, выплавка пороков металла, нагрев изделий и др.) должны производится на расстоянии не менее 10 м от передвижных генераторов, 5 м - от баллонов и бачков с жидким горючим, 1,5 м - от газопроводов и газообразных постов. Перед началом работ необходимо проверить исправность используемой аппаратуры, передвижного ацетиленового генератора, баллонов и рукавов и герметичность разъемных соединений, а также пломб на затворах «сухого» типа и редукторах. При работе от газоразборного поста следует убедиться в работоспособности защитного устройства и проверить уровень залитой жидкости по контрольному крану на жидкостном затворе. Вблизи рабочего места сварщика должен находиться сосуд с чистой водой для охлаждения горелки работу нужно прекращать. По окончании работ следует перекрыть вентили на баллонах или газоразборного поста, вывернуть регулировочный винт редуктора, открыть вентиль на горелке (резаке), привести в порядок рабочее место и убрать оборудование в специально отведенное место.

Запрещается:

- проводить газопламенные работы при нарушении герметичности соединений и рукавов;

- работать без спецодежды и средств индивидуальной защиты, в замасленной одежде, применять замасленную ветошь и инструмент;

- использовать кислород для очистки одежды от пыли; выполнять газопламенные работы при отсутствии средств пожаротушения;

- курить при работе с передвижным ацетиленовым генератором, карбидом кальция, жидким горючим;

- ремонтировать горелки и другую аппаратуру на рабочем месте.

4.2 Баллоны

Склады для хранения баллонов оборудуются вентиляцией . Освещение складов баллонов с горючими газами должно быть выполнено во взрывозащищенном исполнении.

Хранить горючие материалы и производить работы, связанные с применением открытого огня (кузнечные, сварочные, паяльные и др.) в радиусе 25м от склада баллонов, запрещается.

Баллоны с кислородом хранить в одном помещении с баллонами с горючим газом, а также с карбидом кальция, красками и маслами (жирами) запрещается. Пустые баллоны следует хранить отдельно от баллонов, наполненных газом.

Перевозка наполненных газом баллонов производится на рессорном транспорте или автокарах и горизонтальном положении обязательно с прокладками между баллонами. В качестве прокладок могут применятся деревянные бруски с вырезанными гнездами для баллонов, а также предохраняющие баллоны от ударов один о другой. Все баллоны на время перевозки должны укладываться вентилями в одну сторону.

Разрешается перевозка баллонов в специальных контейнерах, а также без контейнеров в вертикальном положении обязательно с прокладками между ними и ограждением от возможного падения.

При погрузке, разгрузке, транспортировании и хранении баллонов должны приниматься меры, предотвращающие падение, повреждение и загрязнение баллонов.

Совместная перевозка кислородных баллонов с баллонами горючих газов как наполненных, так и пустых на всех видах транспорта запрещается, за исключением доставки двух баллонов на специальной ручной тележке к рабочему месту.

Баллоны необходимо перемещать на специально предназначенных для этого тележках (рис.17), контейнерах и других устройствах, обеспечивающих устойчивое их положение (рис. 18). Переноска баллонов на руках или плечах запрещается.

В рабочем положении и при хранении баллоны должны находится в вертикальном положении в гнездах специальных стоек. Допускается держать на рабочем месте отдельные баллоны без специальных стоек или в наклонном положении, но приняв меры против их опрокидывания.

При транспортировании и хранении баллонов с горючими газами на боковых штуцерах вентилей баллонов должны быть поставлены заглушки.

Перевозить и хранить баллоны с газами необходимо с навинченными на их горловины предохранительными колпаками. Снимать баллоны с автомашины колпаками вниз запрещается.

Баллоны, предназначенные для газопламенных работ, должны иметь отличительную окраску и надписи.

Баллоны, находящиеся в эксплуатации, подвергаются периодическому освидетельствованию не реже 1 раза в 5 лет.

Баллоны, имеющие неисправные вентили, трещины и коррозию корпуса, заметное изменение формы, окраску и надписи, не соответствующие требованиям Проматомнадзора, а также баллоны с истекшим сроком освидетельствования подлежат немедленному изъятию из эксплуатации и направляются в ремонт на газонаполнительную станцию или в специальные ремонтные мастерские.

Баллон с утечкой газа не должен приниматься для работы или транспортирования. Проверка утечки газа осуществляется путем покрытия мыльной эмульсией возможных мест утечки.

Если баллон неисправен, его следует вынести в безопасное место и осторожно выпустить из него газ. Если это невозможно сделать из-за неисправности вентиля, баллон должен быть возвращен на наполнительную станцию.

Баллоны с газом устанавливаются в стороне от проходов и находиться на расстоянии не менее 1 м от радиаторов отопления, отопительных приборов и печей и не менее 5 м от открытого огня.

Рис. 17. Перемещение баллона Рис. 18. Приспособления для перемещения баллонов: а - носилки, б - тележка

Во время работы на сварочном посту должны находится одновременно не более двух баллонов (с кислородом и горючим газом).

В сварочной мастерской при наличии не более 10 сварочных постов допускается для каждого поста иметь по одному запасному баллону с кислородом и горючим газом. Если в мастерской более 10 сварочных постов, должно быть организовано централизованное снабжение газами.

Запасные баллоны хранятся на специальных пристройках к мастерской или в местах, огражденных стальными щитами.

Необходимо избегать ударов по баллонам металлическими предметами и предохранять их от воздействия прямых солнечных лучей и других источников тепла. Подогревать баллоны для повышения давления запрещается.

Если давление в баллоне окажется выше допустимого, необходимо кратковременным открыванием вентиля выпустить часть газа в атмосферу или охладить баллон холодной водой. При выпуске газа из баллона, продувке вентиля или горелки рабочий должен находиться в стороне, противоположной направлению струи газа. При возникновении хлопков во время работы необходимо закрыть на горелке сначала вентиль горючего газа, а затем кислородный и охладитель мундштук в воде. Во время охлаждения мундштука в воде необходимо следить, чтобы вентили были полностью закрыты, в противном случае возможно скопление газа на поверхности воды и образование взрывоопасной смеси.

При хранении, перевозке и пользовании баллонами необходимо следить за тем, чтобы на них не попадали масло или жир во избежание воспламенения и взрыва. При проведении газосварочных и газорезательных работ курить и пользоваться открытым огнем на расстоянии 10 м от баллонов с горючими газами и кислородом, ацетиленовых генераторов и иловых ям запрещается. Пустые баллоны из-под кислорода и горючих газов требуют соблюдения тех же мер безопасности, что и наполненные. Баллоны возвращаются на склад или завод для заполнения с заглушками, колпаками и закрытыми вентилями при наличии остаточного давления газа. Остаточное давление в ацетиленовых баллонах должно быть не ниже следующих значений:

Остаточное давление в баллонах для кислорода и других горючих газов - не ниже 0,049 МПа(0,5 кгс/см²).

При отправке на склад или завод баллона с неиспользованным газом на нем должна быть сделана надпись «Осторожно - с газом!» Использованный баллон должен иметь надпись «Пустой».

4.3 Редукторы

Применять баллоны с кислородом и горючим газом можно при наличии на них редуктора. Пользоваться редуктором без манометра, срок проверки которого истек, запрещается. Редукторы должны иметь предохранительный клапан, установленный в рабочей камере. Клапан не устанавливается, если рабочая камера рассчитана на давление, равное наибольшему входному давлению перед редуктором, который окрашивается в тот же цвет, что и соответствующий баллон.

Перед установкой редуктор и рукава необходимо проверить, для какого газа они предназначены. Боковые штуцера на баллонах для горючих газов должны обязательно иметь левую резьбу, а на баллонах, наполненных кислородом, - правую.

Присоединять к кислородному баллону редуктор и рукав, предназначенные для горючего газа, запрещается. Перед работой уплотняющие прокладки в накидной гайке следует осматривать и при необходимости неисправные заменять новыми.

Замерзшие редукторы следует отогревать чистой горячей водой, не имеющей следов масла, использовать для этих целей открытый огонь и электрический подогрев запрещается.

Литература

1.Лупачев, В.Г. Ручная дуговая сварка: учебник / В.Г. Лупачев. - Мн.: Высш. шк., 2006. - 416с.

2., В.Г. Сварочные работы: учеб. пособие / В.Г. Лупачев. - Мн.: Высш. шк., 1997. - 320с.

3.Лупачев, В.Г. Газовая сварка: учеб. пособие / В.Г. Лупачев. - Мн.: Высш. шк., 2001. - 400с.

4.Соколов, И.И. Газовая сварка и резка металлов: учебник / И.И. Соколов. - Мн.: Высш. шк., 1986. - 304с.

Размещено на Allbest.ru