Текст
Г. Л. ПЕТРОВ, Н. Г. БУРОВ
ТЕХНОЛОГИЯ и ОБОРУДОВАНИЕ
ГАЗОПЛАМЕННОЙ
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
Г. Л. ПЕТРОВ, Н. Г. БУРОВ
ТЕХНОЛОГИЯ и ОБОРУДОВАНИЕ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
Издание 2-е, переработанное и дополненное
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для машиностроительных техникумов
Chipmaker.ru
Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ» Ленинград 1970
УДК 621.791.925(07)
Технология и оборудование газопламенной обработки металлов. Петров Г. Л., Буров Н. Г., изд-во «Машиностроение». 1970. Стр. 288. Табл. 29. Илл. 136. Библ. 23 назв.
В учебнике рассмотрены все виды газопламенной обработки (сварка, кислородная резка, пайка, поверхностная закалка, газопламенная правка, металлизация, сварка и напыление неметаллов), а также рассмотрены свойства, методы производства и применения газов, используемых при газопламенной обработке, современное оборудование и аппаратура для всех рассмотренных процессов. Кроме того, рассмотрены вопросы организации работ н техники безопасности при газопламенной обработке.
Учебник является вторым, переработанным и дополненным изданием учебника «Оборудование и технология газовой сварки и резки», вышедшего в 1959 г. По сравнению с первым изданием в нем более широко рассмотрены вопросы применения газов-заменителей ацетилена, аппаратуры и технологии металлизации, сварки и напыления пластмасс. Включена новая глава по газопламенной правке.
Учебник предназначен для учащихся сварочной специальности машиностроительных техникумов; он может быть также использован инженерно-техническими работниками промышленных предприятий.
Рецензенты: инженеры Л. П. Шебеко и В. Р. Абрамович Редактор инж. М. М. Матус
3—12—b
51—70
ПРЕДИСЛОВИЕ
В освоении новых конструкций, улучшении их качества, эксплуатационных характеристик, а также совершенствовании производства в настоящее время большую роль играет использование различных прогрессивных методов изготовления конструкций, в частности различных методов сварочного производства.
План развития народного хозяйства ставит перед работниками сварочного производства новые задачи по дальнейшему развитию и углубленному изучению сварочных процессов. Эти задачи могут быть успешно разрешены только при условии подготовки большого количества высококвалифицированных специалистов — инженеров и техников по сварочному производству.
Учебник является вторым изданием ранее выпущенного под названием «Оборудование и технология газовой сварки и резки» (Машгиз, 1959 г.). Новое название второго издания определяется изменением наименования курса в техникумах, подготавливающих специалистов по сварочному производству.
Материал учебника добавлен, пересмотрен и обновлен в соответствии с программой курса «Технология и оборудование газопламенной обработки металлов», достигнутым за последние годы совершенствованием процессов, оборудования и технологии.
Материал учебника основывается на сведениях по химии, технологии металлов и металловедению, а также по одновременно изучаемым дисциплинам «Технология электрической сварки плавлением» и «Контроль качества сварки».
Введение, части вторая (кроме гл. XI, написанной обоими авторами), третья (кроме гл. XIII) и четвертая (кроме гл. XX) написаны Г. Л. Петровым, а часть первая, гл. XIII, XX и часть пятая — Н. Г. Буровым.
Все замечания и пожелания по содержанию настоящего учебника просим направлять в адрес издательства: Ленинград, Д-65, ул. Дзержинского, 10.
ВВЕДЕНИЕ
Значительное место в сварочном производстве занимает обработка материалов газовым пламенем. Классификация различных способов газопламенной обработки представлена на схеме 1.
Наибольшее применение в промышленности из представленных способов газопламенной обработки имеют сварка, пайка и кислородная резка.
Задачей сварочной операции является получение механически неразъемных соединений, по свойствам подобных свариваемому материалу. Это может быть достигнуто, когда по своей природе сварное соединение будет максимально приближаться к свариваемому металлу.
Свойства твердых тел, в том числе и механические (прочность, упругость, пластичность и др.), определяются их внутренними энергетическими связями, т. е. связями межмолекулярного, межчастичного (межатомного, ионного) взаимодействия. В металлах, которые относятся к твердым кристаллическим телам, внутренние связи определяются единым энергетическим полем ионизированных атомов (находящихся в узлах кристаллической решетки) и подвижных электронов. Группы атомов, расположенных с определенной ориентацией кристаллической решетки, образуют отдельные зерна или кристаллы металла. По границам между зернами кристаллическая решетка, как правило, искажена. Большинство металлов являются поликристаллическими телами, свойства которых определяются как свойствами самих зерен, так и свойствами границ между зернами.
Для получения в сварном соединении таких же энергетических связей, как и в свариваемом материале, необходимо пограничные слои узлов кристаллической решетки одной свариваемой детали приблизить к пограничным слоям решетки другой на такие расстояния, при которых между ними возникает единое энергетическое поле. В ряде случаев такое состояние может быть получено с помощью промежуточного добавочного материала, который должен установить подобные связи с пограничными слоями обеих свариваемых частей.
Расстояние между узлами кристаллической решетки, при котором в металлах образуется достаточно сильное энергетическое поле, составляет около 4 • 10“8 см. Подобной точности подгонки поверхностей твердых материалов современные методы обработки обеспечить не могут. Так, полировка и хонингование металла обеспечивают точность обработки поверхностей не выше 1СГБ—1СГе см, т. е. примерно в 400 раз менее точную, чем та, которая необходима при сближении поверхностей для установления общего энергетического поля, подобного полю в любом другом сечении твердого металла. Облегчить возможность сближения поверхностей на
Схема 1
Классификация способов газопламенной обработки
расстояния около 4-10"8 см и установления энергетических связей между отдельными частями, подлежащими сварке, можно: 1) применением внешней силы достаточной величины; 2) повышением
температуры.
В обычных условиях поверхность металлов всегда покрыта
различными загрязнениями: пленками окислов, жиров, слоем частиц окружающих металл газов. Эти загрязнения ограничивают
или исключают возможность установления энергетических связей между отдельными поверхностями (частями), подлежащими соединению сваркой. Поэтому они должны быть-либо удалены до
Рис. 1. Диаграмма технологических параметров выполнения сварки технически чистого железа
сварочной операции или в процессе выполнения сварки. Этому способствуют различные методы химической или физической очистки поверхностей, а в ряде случаев также повышение температуры для удаления газов и жиров, плавления окислов или пластическое деформирование поверхностей, разрушающее сплошные окисные пленки.
Некоторые материалы,
в частности весьма пластич-
ные металлы (алюминий, медь, свинец и др.) и сплавы, способны образовывать сварные соединения без применения каких-либо внешних источников тепла, в результате только совместного пластического деформирования частей, которые должны быть сварены. Другие материалы и, в частности, некоторые металлы способны образовывать сварные соединения при пластическом деформировании, выполняемом только при определенных, повышенных температурах. Многие материалы могут быть сварены с доведением их некоторого объема до расплавленного состояния.
Некоторые материалы способны в определенном диапазоне температур свариваться как при пластическом деформировании внешней силой (давлением), так и при доведении материала до расплавленного состояния (плавлением). Так, для технически чистого железа на рис. 1 показаны области режимов сварки по давлению и температуре. Выше кривой ABCD находится область, в которой при соответствующих соотношениях давления и температуры качество сварки получается хорошим, а ниже кривой — область, где сварка совсем не получается, либо получается, но низкого качества. Как видно из рисунка, при температурах ниже температуры плавления железа для сварки требуются и давление, и нагрев (область левее точки D), а при более высоких температу-
pax давления для выполнения сварки не нужно (область правее точки D).
Для других материалов также существуют определенные области таких режимов. Исходя из этого, все способы сварки можно классифицировать как способы сварки давлением (прессовые) и плавлением. Материалы, которые даже при высоких температурах почти не имеют пластичного состояния (например, чугуны), практически могут свариваться только плавлением.
Пайка также является способом получения механически неразъемных соединений, причем свойства последних иногда значительно отличаются от свойств основного материала.
Паяные соединения металлов получаются при использовании другого металла (сплава) — припоя, обладающего иными свойствами, в частности меньшей температурой плавления по сравнению с основным материалом. При пайке расплавленный припой взаимодействует с нерасплавленными кромками спаиваемых деталей, в результате чего после затвердевания должны устанавливаться те или иные энергетические связи припоя с обеими кромками деталей. Серьезным средством повышения эксплуатационных характеристик ряда изделий является наплавка на их некоторые поверхности сплавов с особыми, отличающимися от свойств металла детали, свойствами. Газопламенная наплавка является одним из способов обеспечения необходимых характеристик таких изделий.
Все большее распространение в промышленности получают различные неметаллические материалы химических производств, в частности пластмассы. Для изготовления изделий заготовки— полуфабрикаты из них — необходимо соединить друг с другом. Это осуществляется операциями подобными сварке. Поэтому сварка некоторых неметаллов рассматривается как один из способов газопламенной обработки совместно с металлами. Это же относится к нанесению неметаллических материалов на металл для создания особых свойств поверхностей деталей.
Весьма распространенным прогрессивным технологическим процессом разделения металла на части или удаления с поверхности металла некоторого его объема в настоящее время является кислородная резка.
По объему применения кислородная резка сейчас занимает ведущее место среди всех способов газопламенной обработки металлов. Но она в противоположность сварке или пайке разрушает имеющиеся в металле энергетические связи. Резка осуществляется сжиганием некоторого объема металла посредством воздействия кислорода. При этом, так же как и для большинства сварочных операций, необходим нагрев металла до достаточно высоких температур. В настоящее время применяется кислородная резка сплавов на основе железа, меди, а также титана, которая, являясь для этих материалов весьма гибким и эффективным технологическим
процессом, в ряде случаев полностью заменяет механическую обработку.
Меньшее применение имеет газопламенная обработка, связанная с использованием местного нагрева, с целью изменения структуры и свойств металла (местная термическая обработка), для поверхностной очистки обрабатываемого металла от окислов или перераспределения внутренних напряжений в металле.'
За последнее время все большее значение начинают приобретать способы нанесения поверхностных слоев — металлизация и газопламенное напыление.
Газопламенные методы обработки, несмотря на значительные энергетические преимущества электрических способов обработки (электросварки, электрометаллизации и др.), обладая значительной технологической гибкостью, находят все большее применение. Хотя относительная доля применения электрических способов сварки, металлизации и ряда других процессов обработки металлов увеличивается, абсолютный рост газопламенных методов обработки продолжает оставаться весьма значительным в связи с большим ростом всего производства сварных конструкций, предусмотренным постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 1966 г. на последующие годы.
Развитию газопламенных методов обработки в СССР значительно способствует работа ВНИИавтогенмаша, ряда отраслевых научно-исследовательских институтов, высших учебных заведений (МВТУ, Ленинградского и Киевского политехнических институтов, Академии им. Жуковского), а также новаторство инженерно-технических работников и рабочих ряда предприятий (Нижне-Тагильского вагонного завода и др.).
Все это позволило увеличить количество типов и объем выпускаемого оборудования для газопламенной обработки. Если в 1940 г. в СССР выпускалось только около 20 видов оборудования, то в 1968 г. их количество составляло более 100. Значительно расширилось применение механизированных и автоматизированных процессов газопламенной обработки.
Все виды газопламенной обработки характеризуются использованием местного нагрева обрабатываемого материала газовым потоком соответствующей температуры. Этот нагрев обычно осуществляется пламенем горючих газов.
Местный нагрев для выполнения различных операций газопламенной обработки наиболее эффективен, когда он максимально локализован, т. е. когда источник тепла нагревает только минимально необходимый для выполнения операции объем материала. В этом случае потери тепла за счет теплопроводности нагреваемого материала (особенно большие в теплопроводных металлах), будут относительно уменьшаться,
В связи с тем, что при газопламенной обработке нагрев осуществляется теплопередачей через контакт нагреваемого мате
риала с более нагретым газовым потоком, эффективность этого процесса качественно определяется степенью превышения температуры газа над температурой нагреваемого материала. Это оценивается температурным коэффициентом полезного действия т]г:
Т]Г=1—(1)
где Тг — максимальная температура газового потока;
Т., — необходимая максимальная температура для нагреваемого материала.
Естественно, что при относительно непродолжительном контакте газов и нагреваемого материала полного уравнивания температур в месте контакта не произойдет, и отходящие газы будут иметь температуру Т„,пх большую, чем Тм. Тогда эффективность нагрева с учетом уноса перегретых газов при приближении нагреваемого материала к необходимой максимальной температуре будет определяться подобным же коэффициентом т]р, учитывающим это несовершенство теплопередачи:
1Тотх ----• (2)
1 г
В случае, если Тотх = Тг, коэффициент равен нулю, и необходимого нагрева достигнуть не удается.
Для нагрева тугоплавких металлов (например, железа) до температуры плавления Тотх примерно равна 1900—2000° С. Следовательно, для того чтобы нагреть железо до температуры плавления, пламя должно иметь температуру выше 2000° С. Для нагрева железа (или другого материала) до менее высокой температуры Тотх соответственно будет ниже. Тогда для т)р £> 0 окажется допустимой более низкая температура пламени Тг.
Наиболее универсальным источником нагрева для всех видов газопламенной обработки будет пламя, температура которого выше 2000° С. Такую высокую температуру пламени можно получить только при сжигании углеводородов и водорода в чистом кислороде. Поэтому для выполнения газопламенной обработки в основном используются высококалорийные горючие газы и пары углеводородов, а также чистый кислород.
Курс «Технология и оборудование газопламенной обработки металлов» рассматривает методы производства газов (горючих и кислорода) для газопламенной обработки, аппаратуру, обеспечивающую их промышленное использование, технологические процессы всех основных видов газопламенной обработки, применяемых в настоящее время, а также некоторые основные вопросы организации работ по газопламенной обработке.
В связи с тем, что для основных показателей аппаратуры, расхода сварочных материалов и свойств металлов и сварных соединений применяются единицы технических измерений, они
использованы и в учебнике. Для возможности сопоставления с другими учебниками и учебными пособиями, использующими систему СИ, ниже дана таблица перевода некоторых единиц технических измерений в международную систему единиц СИ:
1 мк . .
1л................
1 т .............
] м/мин ....
1 г/см3 ..........
1 кг/ч ...........
I ма 1ч ..........
1 л/ч.............
1 л/мин...........
1 кгс ...
1 кгс/см2 ....
1 ат (атм. технич.)
1 кгс/мм2
г мм вод. ст. . .
1 мм рт. ст. . .
1 кет ............
1 кет -ч ....
1 ккал ...........
1 ккал/м3 ....
1 ккал/кг ....
1 мкм = 1 • 10”6 м 1,000028-10-3 м3 = 1,000028 дм3
103 кг
0,0167 м/сек
1000 кг/м3 278-IO*6 кг/сек 278-10-6 м3/сек 278-10-9 м3/сек 16,67-10-6 м3/сек
9,80665 н
98066,5 н/м2
98066,5 н/м2
9,80665-10е н/м2 = 9,80665 Мн/м2
9,80665 н/м2
133,332 н/м2
1000 вт
3,6-106 дж = 3600 кдж
4186,8 дж — 4,1868 кдж
4186,8 дж/м3 = 4,1868 кдж/м3 4186,8 дж/кг= 4,1868 кдж/кг
----ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ГАЗЫ, ОБОРУДОВАНИЕ
И АППАРАТУРА
ДЛЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА И ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
ГЛАВА I
КИСЛОРОД
§ 1. СВОЙСТВА КИСЛОРОДА
И СПОСОБЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
Кислород О2 является наиболее распространенным элементом на земле. Он находится в большом количестве в виде химических соединений с различными веществами в земной коре (до 50% вес.), в соединении с водородом в воде (около 86% вес.) и в свободном состоянии в атмосферном воздухе в смеси главным образом с азотом в количестве 20,93% об. (23,15% вес.).
Кислород имеет большое значение в народном хозяйстве. Он широко применяется в металлургии; химической промышленности; для газопламенной обработки металлов, огневого бурения твердых горных пород, подземной газификации углей; в медицине и различных дыхательных аппаратах, например для высотных полетов, и в других областях.
В нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса, не горючий, но активно поддерживающий горение. При весьма низких температурах кислород превращается в жидкость и даже твердое вещество.
Важнейшие физические константы кислорода следующие:
Молекулярный вес ...................................... 32
Вес 1 м3 при 0° С и 760 мм рт. ст. в кг ............. 1,43
То же при 20° С и 760 мм рт. ст. в кг................ 1,33
Критическая температура в °C1 ....................—118,8
Критическое давление в кгс/сл2 ...................... 51,35
Температура кипения при 760 мм рт. ст. в °C ... —182,97
Вес 1 л жидкого кислорода при —182,97° С и
760 мм. рт. ст. в кг............................... 1,13
Количество газообразного кислорода, получающегося из
1 л жидкого при 20° С и 760 мм рт. ст. вл 850
Температура плавления (затвердевания) при 760 мм рт. ст.
в °C ..............................................—218,4
Кислород обладает большой химической активностью и образует соединения со всеми химическими элементами, кроме редких газов. Реакции кислорода с органическими веществами имеют резко выраженный экзотермический характер. Так, при взаимодействии сжатого кислорода с жировыми или находящимися в мелкодисперсном состоянии твердыми горючими веществами происходит мгновенное их окисление и выделяющееся тепло способствует самовозгоранию этих веществ, что может быть причиной пожара или взрыва. Это свойство особенно необходимо учитывать при обращении с кислородной аппаратурой.
Одним из важных свойств кислорода является способность его образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами и парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры. Взрывчатыми являются и смеси воздуха с газо- или парообразными горючими.
Кислород может быть получен: 1) химическими способами; 2) электролизом воды; 3) физическим способом из воздуха.
Химические способы, заключающиеся в получении кислорода из различных веществ, малопроизводительны и в настоящее время имеют лишь лабораторное значение.
Электролиз воды, т. е. разложение ее на составляющие — водород и кислород, осуществляется в аппаратах, называемых электролизерами. Через воду, в которую для повышения электропроводности добавляется едкий натр NaOH, пропускается постоянный ток; кислород собирается на аноде, а водород — на катоде. Недостатком способа является большой расход электроэнергии: на 1 м3 О2 (кроме того, получается 2 м3 Н2) расходуется 12— 15 квт-ч. Этот способ рационален при наличии дешевой электроэнергии, а также при получении электролитического водорода, когда кислород является отходом производства.
Физический способ заключается в разделении воздуха на составляющие методом глубокого охлаждения. Этот способ позволяет получать кислород практически в неограниченном количестве
1 Критической температурой для каждого газа называется наивысшая температура превращения его в жидкость; необходимое при этом давление называется критическим.
и имеет основное промышленное значение. Расход электроэнергии на 1 м3 О2 составляет 0,4—1,6 квт-ч, в зависимости от типа установки.
§ 2. ПОЛУЧЕНИЕ КИСЛОРОДА ИЗ ВОЗДУХА
Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь-трех газов при следующем объемном их содержании: азота — 78,09?Ь, кислорода — 20,93%, аргона — 0,93%. Кроме того, в нем содержится около 0,03% углекислого газа и малые количества редких газов, водорода, закиси азота и др.
Главная задача при получении кислорода из воздуха заключается в разделении воздуха на кислород и азот. Попутно производится отделение аргона, применение которого в специальных способах сварки непрерывно возрастает, а также и редких газов, играющих важную роль в ряде производств. Азот имеет некоторое применение в сварке как защитный газ, в медицине и других областях.
Сущность способа заключается в глубоком охлаждении воздуха с обращением его в жидкое состояние, что при нормальном атмосферном давлении может быть достигнуто в интервале температур от —191,8° С (начало сжижения) до —193,7° С (окончание сжижения).
Разделение жидкости на кислород и азот осуществляется путем использования разности температур их кипения, а именно: Ткип. о2 = —182,97° С; Тк„п n2 = —195,8° С (при 760 мм рт. ст.).
При постепенном испарении жидкости в газообразную фазу в первую очередь будет переходить азот, имеющий более низкую температуру кипения и по мере его выделения жидкость будет обогащаться кислородом. Многократное повторение этого процесса позволяет получить кислород и азот требуемой чистоты. Такой способ разделения жидкостей на составные части называется ректификацией.
Для производства кислорода из воздуха имеются специализированные предприятия, оснащенные высокопроизводительными установками. Кроме того, на крупных металлообрабатывающих предприятиях имеются свои кислородные станции.
Низкие температуры, необходимые для сжижения воздуха, получают с помощью так называемых холодильных циклов. Ниже кратко рассматриваются основные холодильные циклы, используемые в современных установках.
Холодильный цикл с дросселированием воздуха основан на эффекте Джоуля—Томсона, т. е. резком снижении температуры газа при свободном его расширении. Схема цикла приведена на рис. 2.
Воздух сжимается в многоступенчатом компрессоре 1 до 200 кгс/см2 и затем проходит через холодильник 2 с проточной
Рис. 2. Холодильный цикл с дросселированием
водой. Глубокое охлаждение воздуха происходит в теплообменнике 3 обратным потоком холодного газа из сборника жидкости (ожижителя) 4. В результате расширения воздуха в дроссельном вентиле 5 он дополнительно охлаждается и частично сжижается.
Давление в сборнике 4 регулируется в пределах 1—2 кгс/см2. Жидкость периодически сливается из сборника в специальные емкости через вентиль 6. Несжиженная часть воздуха отводится через теплообменник, производя охлаждение новых порций поступающего воздуха.
Охлаждение воздуха до температуры сжижения происходит постепенно; при включении установки имеется пусковой период, в течение которого сжижения воздуха не наблюдается, а происходит лишь охлаждение установки. Этот период занимает несколько часов.
Достоинством цикла является его простота, а недостатком—относительно высокий расход электроэнергии — до 4,1 квт-ч на 1 кг сжиженного воздуха при давлении в компрессоре 200 кгс!см2\ при меньшем давлении удельный
расход электроэнергии резко возрастает. Данный цикл применяется в установках малой и средней производительности дд.я получения газообразного кислорода.
Несколько более сложным является цикл с дросселированием и предварительным аммиачным охлаждением
Холодильный цикл среднего давления с расширением в детандере основан на понижении температуры газа при расширении с отдачей внешней работы. Кроме того, используется и эффект Джоуля— Томсона. Схема цикла приведена на рис. 3.
Воздух сжимается в компрессоре 1 до 20—40 кгс!см2, проходит через холодильник 2 и затем через теплообменники 3 и 4. После теплообменника 3 большая часть воздуха (70—80%) направляется в поршневую расширительную машину—детандер 6, а меньшая часть воздуха (20—30%) идет на свободное расширение в дроссельный вентиль 5 и далее сборник 7, имеющий кран 8 для слива жидкости. В детандере 6
воздух, уже охлажденный в первом теплообменнике, производит работу — толкает поршень машины, давление его падает до 1 кгс!см2, за счет чего резко снижается температура. Из детандера холодный воздух, имеющий температуру около —100° С, выводится наружу через теплообменники 4 и 3, охлаждая по-
воздуха.
Рис. 3. Холодильный цикл среднего давления
Рис. 4. Холодильный цикл низкого давления с турбодетандером
ступающий воздух. Таким образом, детандер обеспечивает весьма эффективное охлаждение установки при сравнительно небольшом давлении в компрессоре. Работа детандера используется полезно и это частично компенсирует затрату энергии на сжатие воздуха в компрессоре.
Достоинствами цикла являются: сравнительно небольшое давление сжатия, что упрощает конструкцию компрессора и повышенная холодопроизводительность (благодаря детандеру), что обеспечивает устойчивую работу установки при отборе кислорода в жидком виде.
Холодильный цикл низкого давления с расширением в турбодетандере, разработанный акад. П. Л. Капицей, основан на применении воздуха низкого давления с получением холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (турбодетандере) с производством внешней работы. Схема цикла приведена на рис. 4.
Воздух сжимается турбокомпрессором 1 до 6—7 кгс!см2, охлаждается водой в холодильнике 2 и поступает в регенераторы 3 (теплообменники), где охлаждается обратным потоком холодного воздуха. До 95% воздуха после регенераторов направляется в турбодетандер 4, расширяется
до абсолютного давления 1 кгс!см2 с выполнением внешней работы и при этом резко охлаждается, после чего он подается в трубное пространство конденсатора 5 и конденсирует остальную часть сжатого воздуха (5%), поступающую в межтрубное пространство. Из конденсатора 5 основной поток воздуха направляется в регенераторы и охлаждает поступающий воздух, а жидкий воздух пропускается через дроссельный вентиль 6 в сборник 7, из которого сливается через вентиль 8. На схеме показан один регенератор, а в действительности их ставят несколько и включают поочередно.
Достоинствами цикла низкого давления с турбодетандером являются: более высокий к. п. д. турбомашин по сравнению с машинами поршневого типа, упрощение технологической схемы, повышение надежности и взрывобезопасности установки. Цикл применяется в установках большой производительности.
Разделение жидкого воздуха на составляющие осуществляется посредством процесса ректификации, сущность которого состоит в том, что образующуюся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержанием кислорода. Поскольку кислорода в жидкости меньше, а азота больше, то она имеет более низкую
температуру, чем проходящий через нее пар, а это вызывает конденсацию кислорода из пара и обогащение им жидкости с одновременным испарением из жидкости азота, т. е. обогащение им
паров над жидкостью. Представление о сущности процесса ректификации может дать приведенная на рис. 5 упрощенная схема процесса многократного испарения и конденсации жидкого воздуха.
Принимаем, что воздух состоит только из азота и кислорода. Представим, что имеется несколько соединенных друг с другом сосудов (/—V), в верхнем находится жидкий воздух с содержанием 21% кислорода. Благодаря ступенчатому расположению сосудов жидкость
будет стекать вниз и при этом постепенно обогащаться кислородом, а температура ее будет повышаться.
Допустим, что в сосуде II находится жидкость, содержащая 30% О2, в сосуде III — 40%, в сосуде IV — 50% и в сосуде V — 60% кислорода.
Для определения содержания кислорода в паро-вой фазе воспользуемся специальным графиком — а рис. 6, кривые которого § указывают содержание кис- i лорода в жидкости и паре при различных давле- i ниях. |
Начнем испарять жид-кость в сосуде Й при абсо- 1 лютном давлении 1 кгс!см\ ,§ Как видно из рис. 6, над жидкостью в этом сосуде, состоящей из 60% О2 и 40% N2, может находиться
равновесный ПО составу Рис. 6. Содержание кислорода в жидкости и пар, содержащий 26,5% О2 паре при разных абсолютных давлениях и 73,5% N2, имеющий та-
кую же температуру, что и жидкость. Подаем этот пар в сосуд IV, где жидкость содержит только 50% О2 и 50% N2 и поэтому будет более холодной. Из рис. 6 видно, что над этой жидкостью пар может содержать лишь 19% О2 и 81% N2, и только в этом
случае его температура будет равна температуре жидкости в данном сосуде.
Следовательно, подводимый в сосуд IV из сосуда V пар, содержащий 26,5% О2, имеет более высокую температуру, чем жидкость в сосуде IV', поэтому кислород пара конденсируется в жидкости сосуда IV, а часть азота из нее будет испаряться. В результате жидкость в сосуде IV обогатится кислородом, а пар над нею — азотом.
Аналогично будет происходить процесс и в других сосудах и, таким образом, при сливе из верхних сосудов в нижние жидкость обогащается кислородом, конденсируя его из поднимающихся паров и отдавая им свой азот.
Продолжая процесс вверх, можно получить пар, состоящий почти из чистого азота, а в нижней части — чистый жидкий кислород. В действительности процесс ректификации, протекающий в ректификационных колоннах кислородных установок, значительно сложнее описанного, но принципиальное его содержание такое же.
Независимо от технологической схемы установки и вида холодильного цикла процесс производства кислорода из воздуха включает следующие стадии:
1) очистка воздуха от пыли, паров воды и углекислоты. Связывание СО2 достигается пропусканием воздуха через водный раствор NaOH;
2) сжатие воздуха в компрессоре с последующим охлаждением в холодильниках;
3) охлаждение сжатого воздуха в теплообменниках;
4) расширение сжатого воздуха в дроссельном вентиле или детандере для его охлаждения и сжижения;
5) сжижение и ректификация воздуха с получением кислорода и азота;
6) слив жидкого кислорода в стационарные цистерны и отвод газообразного в газгольдеры;
7) контроль качества получаемого кислорода;
8) наполнение жидким кислородом транспортных резервуаров и наполнение баллонов газообразным кислородом.
Качество газообразного и жидкого кислорода регламентируется соответствующими ГОСТами.
По ГОСТу 5583—58 выпускается газообразный технический кислород трех сортов: высший — с содержанием не менее 99,5% О2, 1-й — не менее 99,2% О2 и 2-й — не менее 98,5% О2, остальное — аргон и азот (0,5—1,5%). Содержание влаги не должно превышать 0,07 г/м3. Кислород, получаемый электролизом воды, не должен содержать водорода более 0,7% по объему.
По ГОСТу 6331—52 выпускается жидкий кислород двух сортов: сорт А с содержанием не менее 99,2% О2 и сорт Б с содержанием не менее 98,5% О2. Содержание ацетилена в жидком кислороде не должно превышать 0,3 смА/л.
Применяемый для интенсификации различных процессов на предприятиях металлургической, химической и других отраслей промышленности технологический кислород содержит 90—98% О2.
Контроль качества газообразного, а также и жидкого кислорода производится непосредственно в процессе производства с помощью специальных приборов.
§ 3. АППАРАТЫ ДЛЯ ЖИДКОГО КИСЛОРОДА
Для хранения и перевозки жидкого кислорода применяются специальные стационарные и транспортные резервуары, имеющие необходимую тепловую изоляцию. Транспортировка кислорода в жидком виде, кроме автотранспорта, осуществляется также в специальных железнодорожных цистернах.
Жидкий кислород имеет ряд преимуществ перед газообразным: уменьшается примерно в 10 раз вес тары; отпадает расход металла на изготовление баллонов; не требуются помещения для складов баллонов; повышается безопасность выполняемых работ и, кроме того, в кислороде, получаемом испарением из жидкого, не содержится влага.
К недостаткам жидкого кислорода относятся: необходимость применения особого, сравнительно сложного оборудования, а также некоторые потери кислорода на испарение, в частности во время транспортировки.
Полученный в установках жидкий кислород сливается в стационарные цистерны, емкость которых обычно составляет 6000 л. Транспортные резервуары изготовляются на 1200 л, которые перевозятся на автомашинах грузоподъемностью 2,5 и ЬТ и на 6000 л, перевозимые на специальных автоприцепах.
Транспортный резервуар с вакуумно-порошковой изоляцией (рис. 7) представляет собой сосуд из нержавеющей стали Х18Н9Т, помещенный в кожух из алюминиевого сплава АМЦ или из углеродистой стали. Пространство между сосудом и кожухом заполнено кремнегелем или аэрогелем, причем после заварки люков в кожухе из междустенного пространства отсасывается воздух до остаточного давления 1 мм рт. ст. Когда сосуд заполняется жидким кислородом, давление в изоляционном пространстве снижается до 0,03—0,06 мм рт. ст., благодаря адсорбции воздуха охлажденным кремнегелем или силикагелем. С этой целью к нижней части внутреннего сосуда припаян карман, в который загружается 15 кг силикагеля. Для контроля за величиной вакуума служит лампа ЛТ-4М.
Техническая характеристика малого транспортного резервуара
Емкость по жидкому кислороду вл .....................1160
Максимальное избыточное давление в сосуде в кгс!смг . . 2
Вес порожнего резервуара в кг: с алюминиевым кожухом ..............................700
со стальным » .........................1100
Потери кислорода на испарение в кг/ч'. при исправном резервуаре ....... .... 0,7—1
» полной потере вакуума в межстенном пространстве и заполнении кремнегелем, Не более .............. 4
при заполнении аэрогелем, не более ............... 2,5
Время, необходимое для поднятия избыточного давления до 2 kxIcju? при наличии в сосуде 300 кг жидкости в мин ... 8
При наполнении транспортного резервуара жидким кислородом закрывают вентиль для повышения давления и открывают
Рис. 7. Схема транспортного резервуара для жидкого кислорода с вакуумнопорошковой изоляцией:
/ — вентиль спуска газа из шланга; 2 — вентиль наполнения—опорожнения; 3 — вентиль спуска газа из трубы; 4 — манометр; б — предохранительная мембрана; 6 — вентиль указателя уровня; . 7 — отделитель жидкости; 8 — предохранительный клапан;
9 — указатель уровня жидкости; 10 — вентиль указателя уровня; 11 — изоляция из мипоры; 12 — вентиль испарителя; 13 — предохранительная мембрана на кожухе; /4 — изоляция из аэрогеля (кремнегеля); 15 — вентиль вакуумный, сильфонный; 16 — лампа ЛТ-4М
вентиль на трубе для выпуска газообразного кислорода в газгольдер или в атмосферу, а также вентили к указателям уровня жидкости. Затем стационарный и транспортный резервуары соединяют гибким шлангом, поднимают давление в стационарном резервуаре до установленной величины и на обоих сосудах открывают вентили для слива жидкости. Во время наполнения необходимо следить за показаниями манометра и указателя уровня жидкости.
При прекращении наполнения необходимо сначала закрыть вентиль слива на наполняемом сосуде, затем закрыть вентиль на опорожняемом резервуаре, спустить избыток газа из гибкого шланга в газгольдер и, убедившись в отсутствии давления паров кислорода в шланге, осторожно отсоединить его от обоих резервуаров.
Слив жидкого кислорода из транспортного резервуара производится путем поднятия давления в сосуде за счет испарения некоторого количества жидкости в испарителе, находящемся вне резервуара, с перепуском образовавшихся паров в верхнюю его часть.
Для газификации жидкого кислорода на местах .производства работ должны быть либо газификаторы, либо газификационные
установки с насосами. Производство газификаторов в СССР в настоящее время прекращено, но поскольку так называемые холодные газификаторы имеются в эксплуатации на кислородных станциях многих предприятий, то ниже приводится схема (рис. 8) и краткое описание такой установки.
Холодный газификатор служит для питания цехов кислородом под давлением до 15 кгс/см2 по газопроводам. Газификатор позволяет хранить жидкий кислород в течение некоторого времени и испарять его по мере необходимости. Собственно газификатор состоит из толстостенного стального шара 7, внутри которого находится тонкостенный латунный сосуд такой же формы, в который и заливается жидкий кислород. Стальной шар 7 заключен в кожух, а межстенное пространство заполнено теплоизоляцией (мипорой, аэрогелем, кремнегелем). Слив жидкого кислорода из транспортного резервуара производится через вентиль наполнения 3.
Для подачи кислорода в сеть открывают вентиль 2, перепуская некоторое количество жидкости в пусковой испаритель /, из которого испарившийся кислород по трубе 4 поступает в стальной
шар 7 и поднимает в нем давление, благодаря которому жидкость вытесняется по соответствующей трубе в змеевик подогревателя 8, где обращается в газообразное состояние. Через вентиль 5 газообразный кислород поступает в трубопровод. При недостаточной подаче газа в сеть теплый кислород перепускают из змеевика испарителя в испаритель 6 газификатора, что приводит к быстрому повышению давления в стальном шаре и увеличению выхода жидкости в подогреватель.
Рис. 9. Схема газификационной установки с двухступенчатым кислородным насосом
Газообразный кислород, накапливающийся в газификаторе в периоды отсутствия потребления газа, отводится в реципиенты 9, из которых может подаваться в газопровод.
Газификационные установки с насосами по сравнению с газификаторами имеют меньшие габариты и вес, а также снижают потери кислорода на испарение. При применении насосов создается возможность газифицировать кислород под давлением от 20 кгс/см? (для непосредственной подачи в сеть потребления) до 400 кгс/см1 (для наполнения баллонов). В настоящее время выпускаются как стационарные, так и передвижные установки с насосами. Передвижные установки, монтируемые на автомашинах, используются для наполнения баллонов на небольших предприятиях-потребителях.
Схема стационарной газификационной установки высокого давления с двухступенчатым кислородным насосом показана на рис. 9. Жидкий кислород, доставленный потребителю, сливается в стационарные резервуары 2 и 4. Уровень жидкости и давление
в резервуарах контролируются манометром и указателем уровня, находящимися на щитах 1 и 5. Жидкость под давлением паров в резервуаре подается по трубе 9 через фильтры 3 в насос 8, снабженный баком 13 с поплавковым клапаном 12, поддерживающим постоянный уровень жидкого кислорода в баке. Через окна в стенке цилиндра жидкость поступает самотеком в I ступень насоса и при ходе поршня 10 выталкивается в цилиндр II ступени. Избыток жидкости и пары по трубе 11 перепускаются обратно в бак. При обратном ходе поршня жидкий кислород через нагнетательный клапан // ступени поступает в змеевик 7 испарителя, где превращается в газ и наполняет баллоны, присоединенные к рампе 6.
Установка может перекачивать от 65 до 85 л жидкого кислорода в час и наполнять около 10 баллонов водяной емкостью 40 л при избыточном давлении 150—165 кгс!см2. Мощность, потребляемая насосом, — 1,2 кет, а электродвигателем испарителя — 10,8 кет.
§ 4. КИСЛОРОДНЫЕ БАЛЛОНЫ
И ПЕРЕПУСКНЫЕ РАМПЫ
Баллоны для хранения и транспортировки кислорода, воздуха, азота и других газов под избыточным давлением 150 кгс!см2 изготавливаются из цельнотянутых труб с обжатием горловины и днища.
Стальные баллоны для газов изготавливаются по ГОСТу 949—57, согласно которому на избыточное давление 150 кгс1см2 предусматриваются типы 150 и 150Л соответственно из углеродистой и легированной стали с определенными механическими свойствами: для углеродистой ов 65 кгс!мм2-, оТ 5s 38 кгс/мм2-, 65 15%; для легированной ов 90 кгс1мм2\ 70 кгс/мм2;
65 10%; ан 10 кгс-м/см2.
Согласно ГОСТу 949—57 водяная емкость баллонов может быть от 0,4 до 55 л, причем наиболее широко применяются баллоны емкостью 40 л.
Кислородный баллон (рис. 10) состоит из цилиндрического корпуса 4 с выпуклым днищем 5 и горловиной. На нижнюю часть корпуса в горячем состоянии насажен башмак 6 для устойчивости в вертикальном положении и возможности перекатывания на небольшое расстояние. На горловину баллона насажено кольцо 3 с наружной резьбой для навинчивания предохранительного колпака 1, а внутрь горловины на конической резьбе ввернут вентиль 2.
Кислородный баллон водяной емкостью 40 л имеет следующие данные: высота баллона (без вентиля) 1390 мм, диаметр 210 мм, толщина стенки не менее 7 мм, вес около 60 кг (без вентиля, колпака и башмака).
Баллон типа 150Л при той же емкости имеет меньшую высоту и толщину стенки и соответственно меньший вес (43,5 кг). ..
Вентиль кислородного баллона (рис. II) имеет штампованный латунный корпус 8 с боковым штуцером 6 и конической хвостовой частью 7 с наружной резьбой. К штуцеру 6, имеющему наружную правую резьбу Труб 3/4", накидной гайкой присоединяется редуктор. В корпусе находится клапан 10 с наружной резьбой и уплотнителем 9 из красной меди; верхняя квадратная часть клапана входит в отверстие соединительной муфты 11 такой же формы.
в которое сверху вставляется нижний конец шпинделя 4. На верхнюю часть корпуса
Рис. 11. Вентиль кислородного баллона
Рис. 10. Кислородный баллон
навертывается сальниковая гайка 13, плотно прижимающая уплотнительную фибровую шайбу 12. На выступающую из сальниковой гайки часть шпинделя надевается маховичок 3, закрепленный с помощью пружины 1 и гайки 2. Вентиль снабжен заглушкой 5, предохраняющей штуцер от загрязнения и повреждения резьбы.
Открывается вентиль поворотом маховичка 3 против часовой стрелки, а закрывается вращением по часовой стрелке. Когда клапан 10 открыт, буртик шпинделя 4 благодаря пружине 1 и давлению газа плотно прижимается к фибровой шайбе 12, что препятствует выходу газа через сальник наружу.
Кислородные баллоны окрашиваются в голубой цвет с надписью черной краской «кислород».
На сферической неокрашиваемой части баллона (для защиты от коррозии покрывается прозрачным лаком) выбиваются его
паспортные данные: клеймо завода-изготовителя, дата изготовления, номер и тип баллона, рабочее и испытательное давление в кгс!см2, вес в кг, водяная емкость в л, срок следующего испытания и клеймо инспектора Госгортехнадзора.
Определение объема кислорода в баллоне (ГОСТ 5583—58) применительно к стандартным условиям (20° С и 760 мм рт. ст.) производится по формуле:
Со = 1,03 (р + 1,04) м\ (3)
где 1,03 — коэффициент, учитывающий сжимаемость кислорода и перевод давления, измеренного манометром, к 760 мм рт. ст.;
к7! — объем баллона в м9;
k — коэффициент для приведения объема газа к температуре 20° С;
р — давление кислорода в баллоне, измеренное манометром, в кгс/см2;
1,04 — среднее абсолютное давление в кгс!см2.
Значения коэффициента k для температур 20, 10, 0, —10, —20' С соответственно составляют 1,0; 1,035; 1,073; 1,114; 1,158.
Таким образом, при установленном для кислородных баллонов давлении наполнения 150 кгс/см2 и температуре 20° С в баллон емкостью 40 л вмещается около 6 м9 газа. Фактическая величина давления наполнения баллонов принимается в зависимости от температуры в наполнительном помещении.
Для подачи кислорода из баллонов на рабочие места кроме системы индивидуального питания (когда на каждом рабочем месте устанавливаются отдельные баллоны) применяется также система централизованного питания с подачей газа из перепускной (распределительной) рампы.
Система централизованного питания кислородом согласно действующим правилам должна обязательно оборудоваться при наличии в одном помещении 10 и более рабочих мест по газопламенной обработке. В ряде случаев эта система оказывается рациональной и при меньшем количестве постов. Основными частями системы являются перепускная рампа и газопровод.
Перепускная рампа (рис. 12) имеет медный или латунный коллектор 2 (с внутренним диаметром 20 мм), с кислородными запорными вентилями 3, к которым медными трубками 1 подсоединяются баллоны.
Коллектор 2 состоит из двух ветвей, работающих поочередно и перекрываемых вентилями 6. На рампе устанавливается рамповый редуктор 5, понижающий давление газа, подаваемого в цех по газопроводу 4, со 150 кгс/см2 до 5—15 кгс/см2.
Медь для коллектора и соединительных трубок применяется с целью обеспечения безопасности: этот металл не дает искры при
Рис. 12. Перепускная кислородная рампа
ударе и, следовательно, исключается загорание элементов рампы при эксплуатации.
Перепускные рампы устанавливаются либо за стеной цеха в пристройке из огнестойкого материала, либо в отдельном здании; в цехе разрешается лишь установка рампы с числом баллонов до 6 для питания одного поста, например при резке стали весьма большой толщины.
При обращении с кислородными баллонами должны строго соблюдаться установленные правила эксплуатации и техники безопасности, так как ввиду большого давления и высокой химической активности кислорода по отношению к органическим веществам, не исключены взрывы баллонов, что может привести к несчастным случаям и разрушениям помещений.
Причинами взрывов кислородных баллонов могут быть:
1) падение и удары баллонов, что особенно опасно в зимнее время ввиду повышения хрупкости металла баллона;
2) загрязнение жировыми веществами (попадание их в вентиль и баллон);
3) нагревание баллона каким-либо источником тепла;
4) наличие в кислороде, находящемся в баллоне, примеси горючего газа (при использовании баллонов не по назначению).
Безопасность при эксплуатации баллонов обеспечивается периодическими их испытаниями.
Испытания включают:
1) промывку, наружный и внутренний осмотр баллона;
2) ‘определение веса и объема баллона;
3) гидравлическое испытание на избыточное давление 225 кгс/см2 в течение 1 мин (Для баллонов на рабочее давление 150 кгс/см2).
Уменьшение веса и одновременно увеличение водяной емкости баллона указывают на износ внутренней поверхности стенок вследствие коррозии. При потере веса на 7,5—10% или увеличении емкости против паспортной более чем на 1,5—2% баллон переводят для работы при давлении сжатого газа на 15% ниже указанного в паспорте; при уменьшении веса от 10 до 15% или увеличении
емкости от 2 до 2,5% баллон допускается к эксплуатации под давлением не менее чем на 50% ниже установленного. При изменении паспортных данных баллона он подвергается новому клеймению, а старые клейма зачеканиваются. Если потеря веса превышает 15% или увеличение емкости составит более 2,5% — баллон бракуется.
Гидравлическое испытание производится только при положительных результатах осмотра, взвешивания и измерения емкости. Баллон считается пригодным к дальнейшей эксплуатации, если при этом испытании отсутствуют видимые деформации. После испытания в баллон ввертывается новый или отремонтированный вентиль, производятся записи в журнале испытаний, выбиваются новые клейма, в частности дата следующего испытания, и затем производится окраска баллона.
ГЛАВА II
ГОРЮЧИЕ ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
§ 5. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ
Для процессов газопламенной обработки применяются различные горючие газы и пары жидких горючих (керосина и бензина), при сгорании которых в кислороде образуется высокотемпературное пламя. По химическому составу эти горючие, за исключением водорода, представляют собой либо углеводородные соединения, либо смеси различных углеводородов, причем в последнем случае в качестве составляющих обычно входит водород, окись углерода и негорючие примеси.
Виды горючих, их состав и основные свойства приведены в табл. 1, а данные о пределах взрываемости газовоздушных и газокислородных смесей -— в табл. 2.
Преимущественное применение для газопламенной-обработки получил ацетилен С2Н2, являющийся наиболее эффективным, а также универсальным горючим. Однако все большее значение, в первую очередь для процессов, не требующих нагрева металла до температуры плавления, приобретают более дешевые горючие газы, называемые заменителями ацетилена: пропан, бутан и их смеси, коксовый газ, природные и городские газы и др., а также жидкие горючие.
В нашей стране имеются богатейшие месторождения природных газов, и для широкого их использования в целях газопламенной обработки важное народнохозяйственное значение имеет дальнейшее развитие сети газопроводов и газораздаточных станций.
Таблица 1
Основные свойства горючих
Область применения । c газопламенной обработки Резка, пайка, сварка свинца, алюминия, закалка
Способ подачи к потребителю К as c g g s x 2 ч c3 Л S s ^5(2 X . О 5§S ?S>0 Ч о g-ш J Sx д О. г О и e^cn <- ° C-5? 9 X Ch £\o gT^ „ S-o о Q. ф «J 1Д О О Я ь L.\o — Ю C £L По трубопроводу 1
Соотношение между кислородом и горючим в смеси OMiradoJ а 1-1,3 1 0,25 — 0,4 1,5 —1,6 0,7' 0, 75—0,8
(ияээь -Hxadoax) BHHBd -OJ3 OJOH -iron Kirh* 2,5 0,5 по формуле
амеэс! #он*пгэх -HiratfCBd Hdn внэгихаПв мнаи -не хнаи\1ифф€о>1 5.2 2,5 4,0 3.2
Эо я MoVodoiroHM э иээиэе инамвгп BdXiEdauwajL 3150 2100 2000 । 2000 2000
[VVWM 0 шэ ‘uid vtw И 9 oOZ Hdu чхзонёоях -oiruax Евтеи}-{ 12 600 2 400 4 100— ; 5 000 3 000 — 3 400 3500 — 4 200
zw[ex я шз -uid ww од/, и Э оОг Kdu ээя яганчгаНд 1.09 0,084 0,84 — 1,05 0,74 — 0,93 0,4 — 0,55
Газ и его состав в % об. Ацетилен С2Н2 Водород Н2 Городской газ * (6 — 10 Н,; 60 — 70 СН, 5—7 С2Н„; 4—6 СО; остальное N., СО2 и ДР) Сланцспый газ * (25—40 Н2; 14 — 17 СН„ 10 — 20 СО: 10 — 20 СО2; 4—'. 5 С2Н, и др.; 22 — 25 N,; до 1 О2) Коксовый газ * (50-59 Н2; 25 — 30 СН4; 1,8 — 3 С2Н, и другие непредельные: 5—7 СО; 6 — 13 N, и СО2; 0,5 — 0.8 О2)
Продолжение табл.
эмсэб нончсах
-HiraVsed иби внэ1гиха'нв 14 нам ве хнаиРиффео^
Эо а иоЕобокэня э ИЭЭИЭ s И НЭИВ1Ш вбАхвбапиэх 2300 2300 2100 2100 2500-2600 2450 — 2500
s>r/ri73/» а 'УАЗ 'wd WW Q9£ И ЭоОЕ ибн чхэонбоях -oifLiax ВВГПЕИН 9800 — 13 500 7 500- 8 000 8 500 21 200 10 200 — 10 600 1 ккал/кг 10 000 — 10 200 ккал/кг
уаэ ‘uid ww 09£ и ЭоОг ибн эая 01ЧНЧ1гаИ1^ 0.63-1.45 0,65 — 0,85 0,72 1,92 0.70 — 0,74 кг{л 0,798 кгс/л
Газ и его состав в % об. Нефтяной газ * (12 Н2; 28 С2Н4 и С5Нв; 50 С2Нв, С3НЯ н СН4; ЮСО2, СО и др.) Пиролизный газ * (28—36 Н2; 45 — 53 СН4; 17- 19 СЩНП; 5-12 СО) Природный газ — Саратовский (94 СН4; 1.2 С2НВ; 0,7 С8Нв; 0.4 С4Н10; 0,2 СЙН12: 3,3 N2) Пропа ио-бутановая смесь (85 С3Н8; 12 С4Нщ’, до 3 С2Нв) Еенаин С жидкость) 1 Керосин (жид- I кость)
* Составы сложных газов в качестве примера; в действительности могут колебаться в значительных пределах. Соответственно изменяются удельный вес и теплотворность газовых смесей.
1)
2)
3)
4)
и температурой пламени;
Степень пригодности и экономическая целесообразность применения отдельных горючих для газопламенных работ определяются в основном следующими их свойствами:
низшей теплотворной способностью (теплотворностью); удельным весом газа, скоростью воспламенения теоретическим, оптимальным и рабочим соотношениями между кислородом и горючим в смеси;
5) тепловой мощностью и удельным тепловым потоком пламени;
6) удобством и безопасностью при получении, транспортировке и использовании.
Низшая теплотворность горючего QH выражает количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 м3 или 1 кг горючего. Для чистых углеводородов и водорода она является физической константой. Для сложных газовых смесей, состав которых известен, теплотворность в ккал/м3 (при 20° С и 760 мм рт. ст.) может быть подсчитана по формуле
QH = 24Н2 + 80СН4 +
+206С3Н8 + 140CmHm +'
+ 28СО 275С4Н1О. (4)
Таблица 2
Пределы взрываемости горючих газов в смеси с воздухом и кислородом
Газ Пределы взрываемости при содержании горючего в смеси в % об.
с воздухом с кислородом
Ацетилен 2,2—81,0 2,8—93,0
Водород 3,3—81,5 4,65— 93,9
Окись 11,4—77,5 15,5—
углерода 93,9
Метан 4,8—16,7 5,0—59,2
Пропан 2,17—9,5 2,0—48,0
Бутан 1,55—8,4 1,3—47,0
Городской 3,8—24,8 10,0—
газ 73,6
Коксовый газ 7,0—21,0 —
Природный газ 4,8—14,0 5,0—59,2
Нефтегаз 3,5—16,3 —
Пары бензина 0,7—6,0 2,1—28,4
Пары керосина 1,4—5,5 —
В этой формуле содержание элементарных составных частей берется в объемных процентах. Символом CmHm обозначена сумма прочих высокомолекулярных углеводородов в газе. Коэффициенты перед обозначениями составных частей получены как значения 0,01QH для каждого элементарного горючего, причем QH берется в ккал!м3.
Ниже приводятся примеры расчета теплотворности, удельного веса и потребного количества кислорода для некоторых горючих газов.
Пример 1. Пропано-бутановая смесь имеет состав: 85% С3Н8; 12% С4Н10; 3% С2Нв.
Низшая теплотворность будет равна
QH = 206-85 + 275-12+ 140-3 = 21 230 ккал/м3. '
Удельный вес газа для сложных газовых смесей (уГЛ) может быть определен по формуле
У см = (ПН + r2?2 Н---+ г„т„) 0,01, (5)
где гх, г2, . . ., гп — содержание элементарных частей смеси в % об.;
Yi, ?2> • • -, У« — удельный вес элементарных частей смеси в кг/м3.
Пример 2. Природный газ имеет состав: 94% СН4; 1,2% С2Нв, 0,7% С3На, 0,4% С4НХ0, 0,2% С5НХ2, 3,3% N2; 0,2% СО2.
Удельный вес составляющих частей (при 20° С и 760 мм рт. ст.) Тсн4 = 0,67; ус2н<, = 1.34; yCsH, = 1,88; ус4н10 = 2,54; ус5н12 = = 2,98; yn2 = 1,16; усо2 = 1,84.
По формуле (5) удельный вес газовой смеси составит:
усм = (94 • 0,67 + 1,2 -1,34 + 0,7-1,88 + 0,4 • 2,54 + + 0,2-2,98 + 3,3-1,16 + 0,2-1,84)0,01 =0,717 кг/м3.
Скорость воспламенения и температура пламени для различных горючих в смеси с кислородом имеют разные значения.
Скоростью воспламенения называется скорость движущегося пламени в направлении перпендикулярном к поверхности воспламенения.
Наивысшая скорость воспламенения будет у ацетилено-кисло-родной смеси ve с2н2 = 12,54-13,7 м/сек. Для заменителей ацетилена эта скорость значительно ниже, например у сжатого газа метана пвсн4 = 2,44-3,3 м/сек, у сжиженных газов: пропана %с.н8 == 3,84-4,5 м/сек, у бутана цвс4н10 = 3,54-3,7 м/сек.
Большая скорость воспламенения смеси кислорода с ацетиленом создает условия для наиболее высокой температуры сварочного пламени в зоне, применяемой для расплавления металла.
Теоретическое соотношение |Зтах между количеством кислорода (1+) и горючего (Уг), требуемое для полного сгорания, определяется элементарным составом горючего газа. Для сложных газовых смесей оно может быть определено по формуле
Ртах = = 0,01 [о,5Н2 + 2СН4 + 5C3HS +
+ 2 (т + Д’) С-Н" + °’5С0 - °2] •
П р и м ер 3. Коксовый газ имеет состав: 59% Н2; 25% СН4; 2,4% С3Н8; 7,3% СО; 2,2% СОа; 0,6% Оа; 3,5% Na. Количество
кислорода, необходимое для полного сгорания 1 лг3 горючего, составит:
Ртах = 0,01 (0,5-59 4-2-25 + 5-2,4 + 0,5-7,3 — 0,6) = 0,945 м3. _
Оптимальное соотношение между количеством кислорода и горючего в смеси, т. е. такое, при котором обеспечивается наибольшая эффективная мощность пламени, всегда будет на 10—15% меньше теоретического соотношения ввиду участия в горении также кислорода воздуха, подсасываемого различными зонами пламени. Пламя при оптимальном соотношении будет иметь окислительный характер и может быть использовано лишь для процессов нагрева (резка, закалка и др.), но не для сварки.
Рабочее соотношение между кислородом и горючим, газом в смеси для выполнения сварки должно быть меньше оптимального во избежание окисления, для процессов резки в целях повышения производительности — близким к оптимальному. Обычно применяемые рабочие соотношения при выполнении резки низкоуглеродистой стали близки к оптимальным и составляют:
Ацетилен...............................1,15—1,3
Водород ..............0,25—0,4
Метан (или природный газ)................ 1,5
Коксовый газ............................. 0,8
Пропано-бутановая смесь ................. 3,5
Нефтяной газ среднего состава............ 2,0
Сланцевый » » » .......... 0,7
Тепловая мощность и удельный тепловой поток пламени рассматриваются в гл. IV.
Тепловую эффективность заменителей ацетилена принято выражать посредством коэффициента замены ф, представляющего собой отношение расхода газа-заменителя к расходу ацетилена при одинаковом тепловом воздействии на металл:
= (7)
г а
Значения коэффициентов замены для процессов 1 группы (сварка, пайка, разделительная резка, закалка) приведены в табл. 1. Для процессов 11 группы, в частности для поверхностной резки, значение коэффициентов замены в 1,5—2,5 раза больше.
§ 6. АЦЕТИЛЕН
Ацетилен является основным горючим для газопламенной обработки металлов благодаря высоким теплофизическим свойствам. Он относится к группе непредельных углеводородов ряда
Химическая формула его С2Н2, а структурная Н — С = С — Н. Важнейшие физические константы ацетилена следующие:
Молекулярный вес ........................................26
Вес 1 л? при 0° С и 760 мм рт. ст. в кг................1,17
То же при 20° С и 760 мм рт. ст. в кг . . . 1,09
Критическая температура в °C...........................35,9
Критическое давление в кгс/см*................... ... 61,6
Температура кипения при 760 мм рт. ст. в °C . . . .—81,8
Температура плавления (затвердевания при 760 мм рт. ст.) в °C............................................... . . —85
Технический ацетилен, применяемый для газопламенной обработки, в нормальных условиях представляет собой горючий бес-
цветный газ с резким запахом, объясняемым наличием примесей,
Рис. 13. Границы полимеризации и взрывчатого распада ацетилена
в частности сернистого водорода H2S и фосфористого водорода РН3, образующихся при получении ацетилена из карбида кальция в результате разложения содержащихся в нем примесей — сернистого кальция CaS и фосфористого кальция Са3Р2. Примеси повышают взрывоопасность ацетилена и делают его вредным для здоровья.
В жидком и твердом виде ацетилен в технике не применяется ввиду крайней взрывчатости.
Газообразный ацетилен также
имеет склонность к взрывчатому распаду при повышенной температуре и давлении. Взрывоопасными яв-
ляются и смеси ацетилена с воздухом и кислородом (см. табл. 2). Взрывчатый распад происходит
в том случае, когда температура технического ацетилена, находящегося под давлением свыше 2 кгс/см2, превышает 500° С.
При повышении температуры ацетилена его распаду часто предшествует процесс полимеризации, т. е. соединение нескольких молекул в одну; в результате получаются другие соединения углеводородного ряда: бензол СвНв, стирол С8Н8, нафталин С10Н8 и др. В присутствии катализаторов полимеризация протекает при температурах 250—300° С, причем процесс сопровождается выделением тепла, ускоряющего полимеризацию и в результате при недостаточном отводе тепла может произойти взрывчатое разложение оставшегося ацетилена. На рис. 13 приведен график границ полимеризации и взрывчатого распада ацетилена, из которого видно, что при давлении ниже 2,5 кгс/см2 и температуре ниже 550° С
в основном протекает процесс полимеризации, а при давлении свыше 1,5 кгс/см2- и температуре свыше 570° С будет происходить взрывчатый распад ацетилена.
Взрыв ацетилена может иметь место и при температуре ниже 500° С, но в присутствии катализаторов: окиси алюминия при 490° С, медной стружки — 460° С, окиси железа — 280° С, окиси меди — 240° С. Таким образом, наиболее активными катализаторами являются окись меди и окись железа.
При длительном соприкосновении влажного ацетилена с металлической медью и ее окислами образуется ацетиленид меди СиС2, легко взрывающийся (в сухом виде) при перегреве, трении или ударе. По этой причине для ацетиленовой аппаратуры допускается применение сплавов меди лишь при содержании ее не более 70%.
Взрываемость ацетилена увеличивается при смешении его с газами, вступающими с ним в реакцию. Так, например, ацетилен в смеси с хлором взрывается даже под действием света. В смеси с кислородом ацетилен взрывается при атмосферном давлении, если нагреть смесь до температуры 300° С, причем содержание ацетилена в смеси может колебаться в пределах 2,8—93%. Наиболее взрывоопасны смеси, содержащие около 30% ацетилена и 70% кислорода.
Смеси ацетилена с воздухом взрывчаты при содержании в них ацетилена 2,2—81%. Наиболее взрывоопасны смеси, содержащие 7—13% ацетилена, остальное — воздух. При взрыве ацетиленовоздушных смесей максимальное давление взрыва в 11—13 раз превышает величину абсолютного начального давления. Если же ацетилен смешать с газами, не вступающими с ним в реакцию, например СО2, Na, взрывоопасность его уменьшается; это свойство используется в некоторых химических процессах.
Одним из важных свойств ацетилена является хорошая его растворимость в некоторых жидкостях, в частности в ацетоне (CHgCOCHg). При 20° С один объем технического ацетона растворяет около 20 объемов ацетилена при атмосферном давлении, а при избыточном давлении растворимость возрастает пропорционально давлению. Это свойство ацетилена используется для транспортировки ацетилена в баллонах, в которые в определенном количестве вводится ацетон. В воде при нормальных условиях растворяется 1,15 объема С2Н2 на 1 объем Н2О.
Технический ацетилен получается двумя способами:
1) из карбида кальция;
2) из углеводородных продуктов, содержащихся в природных газах, нефти, газах от переработки угля и торфосланцев.
Для газопламенной обработки пока большее значение имеет первый (карбидный) способ, известный уже около столетия. Однако новые способы получения ацетилена все шире внедряются в промышленность, как более прогрессивные и рентабельные.
Так, энергетические к. п. д. для разных процессов получения ацетилена составляют: при карбидном способе — 56%; при процессе с электрокрекингом углеводородов — 66%; при термоокислительном процессе — 75%.
Ниже рассматривается карбидный способ получения ацетилена.
Карбид кальция СаС2 представляет собой твердое вещество кристаллического строения с удельным весом от 2,3 до 2,53 г!смъ в зависимости от содержания примесей. В свежем изломе карбид кальция имеет серый цвет, иногда с коричневым оттенком.
Технический карбид кальция получается в электродутовых печах при взаимодействии негашеной извести с коксом и антрацитом по эндотермической реакции:
СаО + ЗС = СаС2 + СО — 108 ккал!г-мол. (8)
Для получения одной тонны карбида кальция расходуется 900—950 кг извести, 600 кг кокса и антрацита и затрачивается 2800—4000 квт-ч электроэнергии (для печей большой и средней мощности). Технический карбид кальция содержит до 30% примесей, переходящих в него из исходных материалов.
Средний состав технического карбида кальция (по весу) следующий: карбид кальция СаС2 — 72,5%; известь СаО— 17,3%; окись магния MgO — 0,4%; окись железа Fe2O3 и окись алюминия A12OS — 2,5%; окись кремния SiO2 — 2,0%; сера S — 0,3%, углерод С — 1,0%; остальные примеси — 4%.
Карбид кальция активно взаимодействует с водой, образуя ацетилен и гидрат окиси кальция (гашеную известь). Реакция имеет резко выраженный экзотермический характер и протекает по уравнению:
СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са (ОН)2 + 30,4 ккал!г-мол. (9)
При разложении 1 кг СаС2 выделяется, таким образом, около 400 ккал тепла, что требует принятия необходимых мер при получении ацетилена в генераторах для предотвращения перегрева ацетилена и связанной с этим опасности взрыва.
Теоретический выход ацетилена из карбида кальция (принимая, что СаС2 имеет чистоту 100%) может быть определен по уравнению материального баланса, если известны молекулярные веса участвующих в реакции веществ
СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са (ОН)2. (10)
64 + 36 = 26 + 74
Теоретический выход, приведенный к 20“ С и 760 мм рт. ст., составит: VT = ~ = 0,406 кг; а по объему ~ = “ТТйГ = — 0,3725 л|3 = 372,5 л, где 1,09 — уд. вес ацетилена при 201 С.
Теоретический расход воды на 1 кг СаС2 составляет: QT — -g-p = = 0,562 кг, а по объему 0,562 л.
Фактический выход ацетилена из карбида кальция значительно меньше ввиду наличия в техническом СаС2 примесей и частичного разложения его влагой воздуха и находится в пределах 230— 300 л!кг. В табл. 3 приведен выход ацетилена из 1 кг карбида кальция в зависимости от сорта и размеров кусков (грануляции). Большинство ацетиленовых генераторов, выпускаемых в настоящее время, рассчитано на использование карбида кальция крупной грануляции 25^80.
Таблица 3
Нормы выхода ацетилена из карбида кальция по ГОСТу 1460—56
Размеры кусков в мм Условные обозначения размеров кусков Выход ацетилена в л/ке, не менее
I сорт 11 сорт
2—8 2/8 255 235
• 8—15 8/15 265 245
15—25 15/25 275 255
25—80 25/80 285 265
Смешанных размеров — 275 265
В соответствии с дополнением к ГОСТу 1460—56, утвержденным в 1959 г., карбид кальция в кусках размером 2—8, 8—15 и 15—25 мм, а также в кусках смешанных размеров и мельче 2 мм может поставляться только с согласия потребителей. Допустимое содержание кусков других размеров в сортированном карбиде приведено в табл. 4.
Таблица 4
Допустимое содержание кусков других размеров в сортированном карбиде
Грануляция Куски других размеров Г рануляция Куски других размеров
Величина Б мм Содержание в %, не более Величина в мм Содержание в %, не более
2/8 Менее 2 8—15 5 5 15/26 Менее 2 2—15 25—80 2 5 5
8/15 Менее 2 2—8 15—25 2 5 5 25/80 Менее 2 2—25 80—100 2 5 10
Ввиду значительного теплового эффекта реакции разложения и опасности перегрева ацетилена практически на 1 кг СаС2 в генераторах расходуют от 4 до 12 л воды. Процесс разложения карбида кальция протекает неравномерно: вначале реакция идет очень активно, с бурным выделением ацетилена, а затем скорость ее снижается, что объясняется уменьшением поверхности кусков
Рис. 14. Продолжительность разложения карбида кальция в зависимости от его грануляции и начальной температуры воды
карбида кальция и образованием на них корки извести, препятствующей доступу воды.
Скорость разложения карбида кальция зависит от его чистоты, грануляции, а также от чистоты и температуры воды. На рис. 14 приведены кривые, характеризующие скорость разложения карбида кальция в зависимости от грануляции и температуры воды.
С уменьшением размеров кусков скорость разложения возрастает, а частицы мельче 2 мм (пыль) разлагаются почти мгновенно, поэтому пыль нельзя применять в обычных генераторах, рассчитанных для работы на кусковом карбиде, так как это может привести к взрыву.
Карбид кальция хранится и транспортируется в герметично закупоренных барабанах из кровельной стали двух размеров — на 100 и 130 кг карбида.
§ 7. АЦЕТИЛЕНОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Ацетиленовыми генераторами называются аппараты для получения ацетилена действием воды на карбид кальция.
Согласно ГОСТу 5190—67, ацетиленовые генераторы подразделяются по следующим признакам:
1) по способу применения на две группы: передвижные с производительностью 0,5—3 м31ч-, стационарные с производительностью 5—160 м3/ч\
2) по давлению вырабатываемого ацетилена на два типа: низкого давления — до 0,1 кгс/см2 (до 1000 мм вод. ст.)-, среднего давления 0,1—0,7 кгс/см2 (1000—7000 мм вод. ст.) и 0,7—1,5 кгс/см2 (7000—15 000 мм вод. ст.);
3) по способу взаимодействия карбида кальция с водой на системы: КВ — карбид в воду; В К — вода на карбид с вариантами «мокрого» и «сухого» процессов); ВВ — вытеснением воды.
ГОСТ допускает сочетание двух систем в одном генераторе, в частности систем ВК и ВВ; при этом достигается более четкое регулирование процесса газообразования и уменьшение объема газосборника.
На рис. 15 приведены принципиальные схемы ацетиленовых генераторов.
Рис. 15. Схемы систем ацетиленовых генераторов:
а — система «карбид в воду»: 1 — бункер; 2 — газообразователь; 3 — питатель; 4 — решетка; 5 — спуск ила; 6 — отбор газа; б — система «вода на карбид»: I — корзина с карбидом; 2 — реторта; 3 — подача воды; 4 — газосборник; 5 — отбор газа; в — система «вода на карбид» с вариантом «сухого процесса»; 1 — барабан с карбидом; 2 — привод;
3 — подача воды; 4 — загрузка карбида; 5 — газосборник; 6— выгрузка сухой извести (пушонки); 7 — отбор газа; г — система «вытеснением воды»: / — корзина с карбидом; 2 — газообразователь — газосборник; 3 — воздушная подушка; 4 — отбор газа; д — комбинированная система «вода на карбид — вытеснением»: / — корзина с карбидом;
2 — реторта; <3 — подача воды; 4 — бак с водой; 5 — воздушная подушка; 6 — газосборник; 7 — обратный клапан; 8 — отбор газа
Генераторы системы «карбид в воду» (рис. 15, а) представляют собой аппараты, в которых карбид кальция порциями подается из бункера в газообразователь, наполненный до определенного уровня водой. Подача карбида производится автоматически при понижении давления газа ниже установленной величины.
Достоинства системы: полное разложение карбида кальция, хорошее охлаждение и промывка газа, удобное обслуживание. Основные недостатки: большой расход воды (до 12 л/кг) и значительные габариты установки. Такая система применяется преимущественно для генераторов большой производительности.
Генераторы системы «вода на карбид» с вариантом «мокрого» процесса (рис. 15, б) являются аппаратами, в газообразователи которых загружается карбид кальция, а затем постепенно поступает вода, причем при повышении давления газа выше определенной величины поступление воды и газообразование прекращаются, а при понижении давления — возобновляются.
Основными достоинствами таких генераторов являются сравнительно простая конструкция и надежность в работе. К недостаткам относятся возможность неполного разложения карбида кальция и перегрева ацетилена ввиду малого количества участвующей в реакции воды; затрудненное обслуживание крупных установок. Обычно эта система используется для генераторов производительностью до 10 м3/ч.
Генераторы с вариантом «сухого» процесса (рис. 15, в) представляют собой аппараты, в газообразователи которых загружается карбид кальция и подается вода в строго дозируемом количестве. Это количество воды примерно вдвое больше теоретически необходимого для разложения карбида кальция; избыточное количество ее испаряется с теплом реакции, благодаря чему второй продукт реакции — известь получается в виде порошка.
«Сухие» генераторы имеют существенные достоинства: отсутствуют потери ацетилена на растворение в воде, упрощается удаление отходов, облегчается обслуживание и др. В настоящее время данная схема используется в стационарных генераторах средней производител ьности.
Генераторы системы «вытеснением воды» (рис. 15, г) состоят из двух сообщающихся сосудов: газообразователя и вытеснителя. Количество смачиваемого водой карбида, находящегося в газообра-зователе, регулируется автоматически изменением уровня воды в зависимости от давления вырабатываемого ацетилена. Достоинства системы: плавное регулирование газообразования, надежность в работе и др., а недостатками являются: возможность перегрева ацетилена и трудоемкость обслуживания крупных установок с большой единовременной загрузкой карбида кальция. В настоящее время эта система применяется в передвижных генераторах.
Генераторы комбинированной системы «вода на карбид» и «вытеснением воды» (рис. 15, д) по своей конструкции близки к генераторам «вода на карбид», но имеют дополнительное устройство — вытеснитель для вмещения воды, которая при повышении давления газа в газообразователе оттесняется от карбида каль-дгия, что вызывает быстрое прекращение реакции. Главным преимуществом перед другими системами является весьма плавное
регулирование газообразования в зависимости от расхода ацетилена, благодаря чему давление его в корпусе генератора изменяется в небол1>ших пределах. Эта система применяется в основном в передвижных генераторах.
К ацетиленовым генераторам предъявляются следующие основные требования:
1) возможность работы при различной температуре окружающей среды: стационарные генераторы от +5 до +35с С; передвижные от —25 до +40° С;
2) автоматичность регулирования газообразования в зависимости от потребления ацетилена;
3) не должно быть деталей и арматуры из сплавов, содержащих более 70% меди, а также деталей, способных при работе вызвать образование искр;
4) отсутствие утечки газа из генератора, а также и подсоса воздуха из атмосферы;
5) для измерения давления газа стационарные генераторы низкого и среднего давления и передвижные среднего давления должны иметь соответствующие устройства;
6) устойчивость в работе при выработке ацетилена в пределах от 0,2 до 1,1 от номинальной производительности генератора;
7) наличие предохранительного устройства, ограничивающего давление газа в пределах, установленных для данного типа генераторов;
8) для предотвращения взрыва при обратном ударе пламени должен быть предохранительный затвор;
9) передвижные генераторы должны быть рассчитаны на применение карбида только крупной грануляции 25/80, причем единовременная загрузка должна обеспечивать непрерывную работу генератора в продолжении не более одного часа при его номинальной производительности.
В настоящее время в эксплуатации находятся передвижные и стационарные генераторы различных конструкций, в том числе и такие, выпуск которых прекращен. Ниже в качестве примеров рассматриваются три современные конструкции генераторов.
Передвижной генератор АНВ-1,25 (АНВ — аппарат с наружным вытеснением) конструкции ВНИИавтогенмаша является морозоустойчивым аппаратом прерывного действия, низкого давления— до 1000 мм вод. ст. (0,1 кгс/см2), малой производительности — до 1,25 м?1ч, комбинированной системы — «вода на карбид» и «вытеснением воды».
Генератор АНВ-1,25 (рис. 16) состоит из корпуса 2 с перегородкой 4 в средней части, в которую вварена циркуляционная труба 10\ реторты 8, в которую вставляется корзина 9 с карбидом кальция; вытеснителя //, вваренного в заднюю часть реторты; водяного затвора /, вставленного в циркуляционную трубу /0;
газоотводящей трубы 5, крана 7 и трубы 6 для подачи воды в реторту и карбидного осушителя газа 3.
Поскольку данный генератор является первой рассматриваемой конструкцией ацетиленовых генераторов, перед описанием его работы приведем порядок подготовки к работе и пуска в действие.
Рис. 16. Генератор АНВ-1,25
Подготовка генератора к работе заключается в наружном осмотре; наполнении водой затвора (до уровня контрольной пробки), а также корпуса (до уровня контрольной шайбы на колпаке газоотводящей трубы); проверке поступления воды в реторту; загрузке карбида кальция установленной грануляции и плотным закрывании реторты крышкой. В зимнее время в осушитель 3 загружается
1 кг карбида кальция. При эксплуатации генератора в летнее время года затвор крепится на корпусе генератора и осушитель не загружается.
Пуск генератора в работу производится открыванием крана 7, благодаря чему вода из корпуса попадает в трубу 6, а затем в газоотводящую трубу 5 и реторту 8. Чтобы поступающая в реторту вода не попадала на карбид кальция, корзина 9 снабжена полосой с отогнутыми краями. В момент пуска воды открывается также пробка для продувки реторты, т. е. для удаления из нее воздуха, оставшегося при загрузке карбида. С началом интенсивного выхода газа наружу продувочная пробка закрывается.
Ацетилен из реторты 8 поступает по газоотводящей трубке 5, прикрытой колпаком, под перегородку, т. е. в газосборник, и вытесняет находящуюся в нем воду через циркуляционную трубу 10 в верхнюю часть корпуса 2. Поступление воды в реторту прекращается, когда уровень ее в корпусе окажется ниже крана 7, что соответствует давлению газа 260—280 мм вод. ст., и с этого момента газообразование замедляется. Кроме того, при повышении давления газа в генераторе вода частично вытесняется из реторты 8 в вытеснитель 11, и разложение карбида полностью прекращается.
При отборе газа из генератора давление в нем падает, вода из вытеснителя вновь поступает к карбиду и газообразование возобновляется. При понижении давления до 230—270 мм вод. ст. вода в газосборнике поднимается выше крана 7 и вновь начнет поступать в реторту. Так происходит до полного разложения всего загруженного в реторту карбида кальция.
В случае резкого повышения давления в генераторе при внезапном прекращении расхода газа излишек его выбрасывается в атмосферу через вытеснитель И. Это происходит весьма редко, так как благодаря сочетанию двух систем давление ацетилена является практически постоянным.
Техническая характеристика генератора
Производительность в м3/ч........................... 1,25
Давление газа в мм вод. ст.'.
рабочее ................. . . . . ... 250—350
максимальное ..................................... 1000
Единовременная загрузка карбида кальция в кг ......... 4
Грануляция карбида кальция .............. 25/80
Расход воды на 1 кг в л . . ........................ 4,2
В случае необходимости может быть применена грануляция 15/25 при укладке в корзину сетки № 11 и уменьшении загрузки до 2 кг. Допускается также применение карбида кальция грануляции 2/8 и 8/15 в смеси с мазутом. В этом случае в летнее время в осушитель загружается кокс с размером кусков 10—25 мм; в зимнее время в нижнюю его половину — кокс, а в верхнюю — карбид кальция.
Стационарный ацетиленовый генератор ГРК-10-64 (рис. 17, а) конструкции ВНИИавтогенмаша, разработанный на базе генераторов ГРК-10 и ГРК-Ю-57, является генератором среднего давления (до 1,5 кгс/см2), производительностью 10 м3/ч, системы «вода на карбид».
Ио реакцию
Рис. 17. Генератор ГРК-10-64 (а) и схема подачи воды в нем (б)
По сравнению с предыдущими моделями генератор ГРК-10-64 обладает рядом преимуществ:
1) уменьшен расход металла благодаря наличию одного газо-сборника;
2) снижена трудоемкость изготовления;
3) облегчена загрузка карбида кальция;
4) сокращен расход воды за счет использования ее для реакции после охлаждения реторт.
Схема водоснабжения генератора приведена на рис. 17, б.
Вода через кран / и штуцер 3 поступает в рубашку реторты А, а затем через штуцер 4 направляется в штуцер 5 рубашки реторты Б. Величина давления поступающей воды контролируется по манометру 2. Выходя из штуцера 6 реторты Б вода через регулятор 8 поступает на реакцию в соответствующую реторту посредством вентилей 9, установленных после регулятора 8. При избыточном давлении ацетилена (0,85—0,90 кгс!смг) подача воды в реторты прекращается (момент «отсечки»); при дальнейшем повышении давления до 1,0—1,1 кгс!см2 вода начинает сбрасываться через клапан 7 в иловую яму. Эта схема подачи воды по сравнению с применявшейся ранее в генераторах ГРК снижает ее расход примерно на 4—5 л на 1 кг карбида кальция.
Генератор ГРК-Ю-64 (рис. 17, а) состоит из двух поочередно работающих реторт /, расположенных под углом 3° с контрольными кранами 11 и крышками 2; рубашек 3 для охлаждения реторт; загрузочных корзин 10, устанавливаемых одна над другой (по две в каждой реторте); вертикально расположенного газо-сборника 4; регулятора подачи воды 5; регулятора давления газа 6\ двух газовых клапанов шарикового типа 7; предохранительного клапана 9; регулятора сброса воды 8, щита управления 12.
Выделяющийся в результате реакции карбида кальция с водой ацетилен через обратный клапан поступает в трубу газосбор-ника, которая доходит до его дна. Газосборник залит водой до уровня контрольного краника. Ацетилен, проходя через слой воды, охлаждается и частично очищается от примесей. Из газо-сборника газ поступает в водяной затвор и влагосборник, а затем направляется в сеть.
Генератор ГРК-Ю-64 используется как для снабжения ацетиленом небольших цехов и участков газопламенной обработки металлов, так и для комплектации установок растворенного ацетилена.
Техническая характеристика генератора
Производительность в м3!ч-. номинальная ................. 10
максимальная............. 12
Деление в кгс!смг'.
в генераторе.............До 1,5
» сети ..............До 0,7
Единовременная загрузка
карбида кальция в одну
реторту в кг............До 25
Грануляция карбида кальция в мм..................25/80
Стационарный ацетиленовый генератор «сухого» типа АСР-2-64 (ацетиленовый с сухим разложением) конструкции ВНИИавтоген-маша (рис. 18) среднего давления (до 1,5 кгс/см2), производительностью 20 м3!ч, системы «вода на карбид» предназначен для непрерывного и периодического питания ацетиленом сварочных цехов по трубопроводу, а также для комплектации установок растворенного ацетилена.
Ацетилен получается в газообразователе 1, в котором вращается наполовину перфорированный конусный барабан 2. С помощью переносного бункера 3 в барабан загружается 120 кг карбида. Вода подается из бачков 4, попеременно питающих газообразова-тель. В каждый бачок вода заливается в количестве, необходимом для разложения одной загрузки карбида кальция; из бачка вода поступает в газообразователь через регулятор подачи воды 5. Шнеком сухая известь («пушонка») удаляется из генератора в сменный бачок 6. Барабан и шнек приводятся во вращение от электродвигателя 7.
Ацетилен из газообразователя через фильтр, где задерживаются уносимые газом частицы извести, поступает в холодильник 8, в котором конденсируются водяные пары и поглощаются растворенные в воде примеси. В холодильнике происходит также и охлаждение ацетилена до температуры 35° С. Газгольдер 9, являющийся резервной емкостью, предназначен для обеспечения непрерывной подачи ацетилена в сеть при загрузке генератора. Обратный клапан 10 препятствует поступлению ацетилена в газообразователь.
Постоянное давление газа в сети поддерживается регулятором давления газа 11, из которого ацетилен, проходя через водяной затвор 12 и влагосборник 13, поступает на потребление.
Техническая характеристика генератора
Производительность в м3/ч .................... 20
Давление в газообразователе в кгс/см2'. рабочее ...................................... 0,5—0,8
максимальное ............................. . 1,5
Предельно допустимая температура в газообразователе в °C............................... .... 100
Емкость газгольдера вл3 ...................... 2,5
Единовременная загрузка карбида кальция в кг 80
Количество неразложившегося карбида кальция
в пушонке в %, не более ..... 0,1
Допустимая грануляция карбида кальция . . 15,25 и 25/80
Габаритные размеры газообразователя........... 2250Х1050К1520
Преимуществами «сухих» генераторов, в частности генератора АСР-2, по сравнению с «мокрыми», являются:
1) значительная экономичность благодаря резкому снижению расхода воды, который составляет примерно 1 л на 1 кг карбида кальция;
В anmctpepy
Рис. 18. Генератор АСР-2-64
2) меньшее количество вспомогательного оборудования (не требуются насосы, цистерны, иловые ямы и т. д.);
3) удобство удаления отходов — пушонки, которая может храниться и транспортироваться в бумажных мешках;
4) меньшие габариты установки при той же производительности.
§ 8. ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ ЗАТВОРЫ
Водяные затворы предназначены для защиты ацетиленовых генераторов и трубопроводов для горючих газов от проникновения в них пламени при обратном ударе, а также кислорода из горелки или резака и воздуха из атмосферы.
Явление обратного удара пламени заключается в воспламенении горючей смеси в корпусе горелки или резака и распространении пламени по шлангу горючего, причем внешне это характеризуется резким хлопком и гашением пламени. Основными причинами обратных ударов являются нагрев наконечника и засорение мундштука, когда скорость истечения горючей смеси резко снижается, а скорость воспламенения может иметь значительно большую величину.
Конструкция затвора должна удовлетворять следующим основным требованиям:
1) надежное задержание обратного удара пламени с удалением взрывчатой смеси в атмосферу;
2) необходимая прочность;
3) наименьшее сопротивление потоку газа;
4) минимальный унос воды проходящим через затвор газом;
5) наличие устройства для контроля уровня воды;
6) доступность для очистки, промывки и ремонта.
Сопротивление затвора потоку газа не должно превышать при низком давлении ацетилена 150—350 мм вод. ст. в зависимости от пропускной способности затвора (в пределах 0,8—3,2 м5'ч) и при среднем давлении — 500 мм вод. ст.
Водяные затворы классифицируются по двум признакам:
1) по принципу работы — на затворы низкого давления, или открытого типа, применяемые при давлении газа до 0,1 кгс!см2, и затворы среднего давления, или закрытого типа, применяемые при давлении свыше 0,1 кгс!см2\
2) по пропускной способности — на центральные или групповые, с пропускной способностью, соответствующей максимальной производительности генератора или общему расходу газа из сети, и постовые затворы с пропускной способностью до 3,2 мЧч ацетилена.
Схемы затворов низкого и среднего давления показаны на рис. 19.
Затвор низкого давления работает следующим образом. При нормальной работе (рис. 19, а) ацетилен из генератора или газопровода через кран 3 и внутреннюю (газоподводящую) трубу 4 поступает в корпус затвора 1, проходит через слой воды и через ниппель 6 выходит в шланг. При этом вода, имеющаяся в корпусе затвора, частично вытесняется давлением газа в межтрубное пространство, поскольку наружная (предохранительная) труба 5
Рис. 19. Схемы водяных затворов низкого и среднего давления
имеет вверху открытую воронку 2, т. е. сообщается с атмосферой. Разность уровней воды в наружной трубе и корпусе затвора 1 и представляет собой величину давления газа в данный момент. Длина (высота) наружной трубы должна соответствовать максимальному давлению газа в генераторе или газопроводе, а поэтому по данной схеме постовые затворы выпускаются лишь на низкое давление — до 0,1 кгс!см2, при большем давлении такие затворы были бы весьма громоздкими или вообще неприменимыми для работы.
При обратном ударе пламени (рис. 19, б) взрывчатая смесь из горелки или резака попадает через ниппель 6 в корпус затвора /, создавая в нем давление, которым вода вытесняется в трубы 5 и 4, причем в трубе 4 создается водяная пробка, препятствующая проникновению в нее взрывчатой смеси и дальней
шему поступлению ацетилена в затвор, а через короткую трубу 5 при понижении уровня воды до ее обреза взрывчатая смесь выбрасывается в атмосферу.
Имеющийся в' воронке отражательный экран препятствует значительному выбросу воды вместе со смесью. Перед возобновлением работы после обратного удара необходимо при закрытом кране 3 проверить контрольным краном 7 уровень воды в затворе и при необходимости долить ее.
Промышленностью выпускаются водяные затворы низкого давления для ацетилена, а также для его заменителей, отличающиеся величиной давления, пропускной способностью и некоторыми конструктивными особенностями.
Затвор среднего давления работает следующим образом. При нормальной работе (рис. 19, в) ацетилен через кран, газоподводящую трубку 2 и газовый (обратный) клапан 6 поступает в корпус затвора 1, проходит через слой воды и через ниппель 4 поступает на место потребления. В верхней части затвора имеется предохранительная мембрана 3, рассчитанная на прорыв при давлении 2— 3 кгс!см2. В корпусе затвора 1 до уровня контрольного крана 5 налита вода.
При обратном ударе пламени (рис. 19, г) взрывчатая смесь попадает через ниппель 4 в корпус затвора, создавая в нем повышенное давление, под действием которого плотно закрывается газовый клапан 6 и одновременно прорывается предохранительная мембрана 3, благодаря чему взрывчатая смесь уходит в атмосферу. Перед возобновлением работы необходимо поставить новую мембрану (алюминиевая фольга толщиной 0,1—0,15 мм), а также проверить уровень воды.
Рабочее давление в затворе в зависимости от марки генератора может быть в пределах от 0,1 до 1,5 кгс'см2. Под предельно допустимым для ацетилена давлением (до 1,5 кгс/см2) газ поступает в затвор только в отдельных конструкциях генераторов малой производительности, например АСМ-1-66; во всех же остальных случаях при работе как от передвижных, так и от стационарных генераторов давление ацетилена на выходе в затвор не превышает 0,7 кгс!см2 и при этой величине давления не требуется применение постовых ацетиленовых редукторов.
Затворы среднего давления до эксплуатации испытываются гидравлическим способом на давление ри, величина которого определяется по формуле:
Ри = (1 -F Р раб) 13 — 1 кгс/см2, (11)
где рриб — максимальное рабочее давление газа в кгс/см2',
13 — коэффициент, учитывающий увеличение объема газов при взрыве ацетилена;
1 — абсолютное атмосферное давление в кгс/см2.
Подставив в формулу вместо рраб величину 0,7, получаем: ри = (1 + 0,7) 13 — 1 =21,1 кгс/см2.
Практически в данном случае испытательное давление берется равным 22 кгс/см2'. для затворов с максимальным рабочим давлением 1,5 кгс/см2 испытательное давление составляет 32 кгс/см2.
В настоящее время выпускаются также безмембранные затворы, например типа ЗСП-7-62 (затвор среднего давления, постовой, рабочее давление до 0,7 кгс/см2}. Основной особенностью в конструкциях таких затворов является наличие в корпусе специального рассекателя в форме диска, между которым и стенками за-
Рис. 20. Сухой затвор ЗСС-2-60 для газов — заменителей ацетилена
твора имеется кольцевой зазор 2 мм. Этот диск воспринимает на себя основное воздействие обратного удара пламени, значительно ослабляя его. Испытание безмембранных затворов по специальной методике показали их полную надежность в работе.
Для газов — заменителей ацетилена, как менее опасных по сравнению с ацетиленом в отношении обратных ударов и взрывов, в качестве вспомогательных защитных устройств применяются также так называемые сухие затворы.
Одна из конструкций сухих затворов (ЗСС-2-60 — затвор сухой, среднего давления) приведена на рис. 20.
Затвор состоит из корпуса 9, в котором смонтированы рассекатель 8 и пористая вставка 7 из металлокерамики, закрепляемые кольцевой гайкой 6. В крышку 5 ввернуто седло 4 обратного клапана 3. Затвор присоединяется к вентилю газопровода штуцером 2 и накидной гайкой /. Шланг от горелки или резака присоединяется к ниппелю 10.
При-обратном ударе пламени взрывная волна проходит в затвор через ниппель 10, ударяется о рассекатель 8 и отражается от него. Потеряв часть энергии, взрывная волна проходит в кольцевой зазор между корпусом и рассекателем, а затем через отвер-
Рис. 21. Вентиль ацетиленового баллона
стие рассекателя внутрь корпуса, где пламя гасится пористой металлокерамической вставкой, еще более рассеивающей газовый поток и поглощающей много тепла. Одновременно под действием давления обратный клапан 3 закрывается, прекращая поступление новых порций газа из трубопровода и не допуская проникновения в него взрывчатой смеси.
Затвор также защищает трубопровод от проникновения воздуха или кислорода со стороны потребления газа, так как клапан 3, как и при обратном ударе, закрывается.
Существенным недостатком водяных затворов (в меньшей степени сухих) является замерзание воды при низкой температуре окружающего воздуха. Поэтому в зимнее время их необходимо заливать морозоустойчивыми водными растворами этиленгликоля или глицерина. Указанные растворы приготовляются смешением двух объемов этиленгликоля или двух объемов глицерина с одним объемом воды; температура замерзания при данной концентрации
—36° С соответственно. Могут применяться и солевые растворы (NaCl и СаС12), но они вызывают усиленную коррозию стенок затвора.
§ 9. РАСТВОРЕННЫЙ АЦЕТИЛЕН
Кроме высоких теплофизических свойств ацетилена, значительным его преимуществом перед другими газами является возможность получения его непосредственно на местах потребления из карбида кальция, а также возможность транспортировки в баллонах под давлением в растворенном состоянии.
Ацетиленовые баллоны выпускаются по ГОСТУ 5948—60 и имеют те же размеры, что и кислородные. Кроме цельнотянутых баллонов применяются также сварные типа БАС-1-58, изготовляемые из углеродистой стали Ст.З или низколегированной стали 15ХСНД с толщиной стенок 4—4,5 мм, что
обусловливает сравнительно небольшой вес оболочки баллона. Конструкция сварных баллонов емкостью 60 л, весом 35 кг и диаметром 300 мм разработана ВНИИавтогенмашем. Баллоны окрашиваются в белый цвет с красной надписью «ацетилен».
Вентиль ацетиленового баллона (рис. 21) изготовляется из низкоуглеродистой стали. Он имеет корпус 10, сальниковую гайку /, шайбу 2, сальниковые кожаные прокладки 3, сальниковое кольцо 4, шпиндель 5 с запрессованным в него эбонитовым уплотнителем 6, стальную сетку 7, проволочное кольцо 8 и войлочную прокладку 9. На боковой грани корпуса вентиля имеется кольцевая
выточка, в которую вставляется прокладка 11 из кожи или другого эластичного материала. К этой прокладке прижимается при помощи специального хомута входной штуцер ацетиленового редуктора. Открывание и закрывание вентиля производится торцевым ключом, надеваемым на верхнюю квадратную часть шпинделя.
Внутри ацетиленового баллона находится пористая масса и ацетон. Назначением пористой массы является разделение всего объема баллона на весьма малые объемы, в которых ацетилен менее опасен в отношении взрыва и, кроме того, ускорение процессов растворения ацетилена в ацетоне при наполнении, а также выделения его при расходе газа, что достигается увеличением поверхности контакта ацетилена с ацетоном, смачивающим находящуюся в баллоне пористую массу.
Пористая масса должна удовлетворять ряду требований:
1) малый вес и максимальная пористость; 2) отсутствие оседания в процессе эксплуатации; 3) инертность по бтношению к металлу баллона, ацетилену и ацетону; 4) надежное прекращение взрывчатого распада ацетилена, начавшегося в каком-либо месте баллона.
В настоящее время в СССР применяется пористая масса, состоящая из зернистого активированного древесного угля с размером зерен 1—3,5 мм марки БАУ (ГОСТ 6217—52), разработанная Д. Л. Глизманенко и С. Л. Милославским. Эта масса по сравнению с другими имеет ряд достоинств, в частности, является весьма легкой (объемный вес 300—310 г!л) и обладает высокой пористостью, достигающей 80%. Количество активированного угля, вводимого в баллон, составляет 290—320 г на 1 л емкости баллона.
Ацетон (CHSCOCH3) является одним из лучших растворителей ацетилена; будучи введен в баллон в количестве 225—300 г на 1 л емкости баллона, он пропитывает массу и при наполнении баллонов ацетиленом хорошо растворяет его.
Зависимость растворимости от температуры характеризуется следующими данными:
Температура в °C —20 —15 —10 —5 0 +5 +10 +15 +20
Растворимость ацети-
лена в ацетоне в л/л 52 47 42 37 33 29 26 23 20
Давление наполнения ацетиленовых баллонов по ГОСТу 5457—60 не должно превышать 19 кгс/см2 при 20° С.
Количество ацетилена в баллоне на заводах-наполнителях определяется взвешиванием его до и после наполнения; разность весов, деленная на удельный вес ацетилена (1,09 при 20° С) дает объем газа в м3. Приближенно газовую емкость баллона можно определить по формуле:
К = 7ЕР,
(12)
где Va — объем ацетилена в баллоне;
7 — коэффициент, учитывающий количество ацетона и растворимость ацетилена;
Е — водяная емкость баллона в л\
р — давление наполнения (19 кгс/см2 при 20° С).
При подсчете по приведенной формуле в баллоне емкостью 40 л при полном давлении наполнения будет около 5,5 ж3 газа.
Ацетиленовые баллоны, как и кислородные, подвергаются испытанию и периодическому освидетельствованию каждые пять лет, причем основное испытание — давлением — производится на 30 кгс/см2 азотом в специальных водяных ваннах. После очередного испытания на баллоне выбивается соответствующее клеймо. Состояние и уровень пористой массы в баллоне ежегодно проверяется на заводе-наполнителе.
При расходе ацетилена из баллона вместе с газом уносится некоторое количество ацетона — до 40 а на 1 ж3 ацетилена, что снижает газовую емкость баллона при последующих наполнениях. Для уменьшения потерь ацетона необходимо соблюдение определенных правил, а именно: вертикальное положение баллона при расходе газа, который не должен превышать 1700 л/ч, и оставление в баллоне остаточного давления не менее 0,5 кгс1с>л'- при температуре 0° С и соответственно 1 кгс!см-от 0 до 15е С и 2 кгс!см? от 15 до 25° С.
Качество растворенного ацетилена регламентируется ГОСТом 5457—60, согласно которому содержание примесей по объему не должно превышать: воздуха и других малорастворимых в воде примесей не более 2%, фосфористого водорода РН3 не более 0,02% и сероводорода H2S не более 0,05%. Такая высокая чистота ацетилена достигается применением осушки и химического способа очистки газа от РН3 и H2S перед наполнением баллонов (иногда такая очистка применяется перед подачей ацетилена на рабочие места из стационарного генератора).
Очистка производится посредством специальных очистительных масс, в которых активными элементами являются хром или хлор; в результате летучие соединения серы и фосфора окисляются и переходят в нелетучие соединения — кислоты.
Наибольшее применение для этой цели получила масса, называемая гератолем, представляющим собой порошок желто-оранжевого цвета. Гератоль состоит из инфузорной земли (45—55% вес.), пропитанной водным раствором хромпика Na2Cr2O7-2H2O и серной кислоты H2SO4. Действие гератоля может быть представлено следующими реакциями:
1) образование хромового ангидрида из хромпика
Na2Cr2O7 • 2Н,0 + H2SO4 = Na2SO4 + 2CrO3 + ЗН2О; (13)
2) взаимодействие хромового ангидрида с фосфористым водородом
8CrO3+3PHs+9H2SO4=3Cr2(SO4)3+2CrPO4+H3PO4-f- 12Н2О; (14)
3) взаимодействие хромового ангидрида с сернистым водородом
8CrO3 + 3H,S + 9H2SO4 = 4Cr2 (SO4)3 + 12Н2О. (15)
На очистку 1 м3 ацетилена расходуется 75—100 г гератоля, который при насыщении примесями приобретает зеленоватый цвет и должен заменяться свежим. Очистка производится в так называемых химических очистителях, представляющих собой цилиндрические сосуды с одной или несколькими горизонтальными металлическими решетками. На решетки укладывается слой мар in и насыпается гератоль; толщина слоя гератоля составляет 50--200 мм в зависимости от давления газа. Сверху гератоль также покрывается марлей, что препятствует уносу частиц массы потоком газа. Ацетилен поступает в нижнюю часть очистителя по трубе, имеющей ряд отверстий для распределения газа по сечению очистителя. Скорость прохождения ацетилена через очиститель не должна превышать 1 л/ч на 1 см2 площади решетки.
§ 10. АЦЕТИЛЕНОВЫЕ СТАНЦИИ
Ацетиленовой станцией называется специально оборудованное помещение с установками для получения ацетилена в целях централизованного снабжения газом рабочих мест -для газопламенной обработки металлов или наполнения ацетиленом баллонов.
Станции разделяются по двум признакам:
1) по производительности: малые — до 25 м3/ч', средние 26— 100 м3/ч; крупные — свыше 100 м3/ч;
2) по назначению: для производства газообразного ацетилена под давлением до 1,5 кгс/см2; для производства растворенного ацетилена; комбинированного типа для производства газообразного и растворенного ацетилена; для получения ацетилена под высоким давлением (свыше 1,5 кгс1см2) в специальных целях.
На металлообрабатывающих заводах оборудуются, как правило, станции для производства ацетилена под давлением до 1,5 кгс!см2 с подачей его на рабочие места по трубопроводу. Здание станции в этом случае имеет обычно следующие помещения: аппаратную, промежуточный склад карбида кальция (на суточный запас карбида), раскупорочную и бытовые помещения, отделяемые друг от друга несгораемыми стенами и защищенными от загорания дверями. Не должно быть непосредственного сообщения между промежуточным складом карбида с аппаратной, а также с бытовыми помещениями. Рядом с помещением станции должна быть оборудована яма для известкового ила, закрываемая крышкой и имеющая вытяжную трубу. Площадь аппаратного помещения зависит от производительности генератора и должна быть, например, при производительности до 5 м3/ч не менее 8 м2, от 6 до 10 м3/ч—16 м2, 11—20 м3!ч— 24 м2 и т. д.
§ И. ЗАМЕНИТЕЛИ АЦЕТИЛЕНА
Замена ацетилена более дешевыми и недефицитными горючими газами и жидкими горючими в целях газопламенной обработки металлов и некоторых неметаллов является одним из актуальных вопросов для промышленности. Кроме экономической эффективности, в ряде случаев достигается улучшение и других показателей процесса: например, более высокая чистота резов на малых толщинах, лучшее качество пайки при тонкостенных деталях и т. д.
Наилучшими заменителями ацетилена являются сжиженные нефтяные газы — пропан, бутан и их смеси, а также природные газы.
Основной областью применения газов-заменителей является кислородная разделительная резка, но в последние годы происходит широкое внедрение их в производство для выполнения и других газопламенных работ: пайки, закалки, гибки, правки, очистки поверхности металла, металлизации и напыления неметаллов. Успешно решена советскими учеными и работниками производства задача по замене ацетилена пропан-бутаном и природным газом при сварке чугуна различной толщины, углеродистой стали толщиной до 5 мм и цветных металлов.
Ниже даются краткие сведения о газах-заменителях ацетилена и жидких горючих.
Водород является горючим газом без цвета и запаха. Промышленное получение его осуществляется несколькими способами, в частности электролизом воды; разложением водяного пара в присутствии раскаленного железа; разделением коксового газа путем глубокого охлаждения; из водяного газа (СО + Н2О) путем конверсии СО в СО2 с помощью водяного пара; термопиролизом метана или природного газа; воздействием серной кислоты на железную стружку и цинк и др. Температура сжижения водорода —253°С. Особенностью водородно-кислородного пламени является то, что оно несветящееся и его зоны не имеют четких границ.
Водород хранится и транспортируется в стальных баллонах под давлением 150 кгс!см\ При работе с водородом необходимо обращать внимание на герметичность всех соединений ввиду его способности проникать через малейшие неплотности и образовывать взрывчатые смеси с воздухом в широких пределах.
Природные газы, получаемые из природных газовых месторождений, состоят в основном из метана СН4 (до 98°Ь по объему) с примесями этана, бутана, пропана, азота и углекислого газа. В обычных условиях они находятся в газообразном состоянии, не имеют цвета, но обладают легким чесночным запахом. Аретан может быть также получен из коксового газа методом глубокого охлаждения. Температура его сжижения — 158° С. Большое содержание СН4 в природном газе делает его ценным горючим
из-за высокой теплотворной способности; он широко применяется для промышленных и бытовых нужд. Транспортировка природного газа осуществляется по трубопроводам, а также в баллонах под давлением 150 кгс'см2.
Городские газы представляют собой природные Тазы с примесью низкокалорийных газов местных газовых заводов.
П ропано-бутановые смеси получаются при переработке естественных нефтяных газов и нефти. Обладают резким специфическим запахом. При нормальных условиях они находятся в газообразном состоянии, но при небольшом давлении сжижаются при положительной температуре. Так, при температуре +20° пропан переходит в жидкость при давлении 8,5 кгс!см\ а бутан при давлении 2,1 кгс!см3. Состав смесей в зависимости от исходного материала и технологического процесса получения может колебаться в широких пределах. В среднем для полного сгорания 1 м3 газообразного пропан-бутана требуется около 5 м3 О2; в горелку подается 3—3,5 лг!, т. е. по сравнению с другими горючими расход кислорода относительно высок.
При испарении 1 кг жидкого пропана получается 0,535 м3 паров, а при испарении этого же количества бутана — 0,406 м3.
Транспортировка пропано-бутановых смесей производится под давлением 16 кгс!см3 в тонкостенных стальных баллонах, изготавливаемых сваркой и окрашиваемых в красный цвет. Баллоны заполняются жидкой смесью неполностью (0,425 кг на 1 л емкости) по причине резкого возрастания упругости паров при повышении температуры. При одной и той же температуре упругость паров (давление) не зависит от количества жидкости в баллоне и будет почти неизменной, что не позволяет судить о количестве смеси в баллоне по показаниям манометра редуктора.
Для повышения отбора газа баллоны подогреваются теплой водой или соединяются в общий коллектор. Транспортировка больших количеств пропано-бутановых смесей производится в железнодорожных цистернах и автоцистернах.
Пиролизный газ представляет собой смесь газообразных продуктов термического разложения нефти, нефтепродуктов, или мазута. Выход газа составляет 0,35—0,4 м3 на 1 кг топливной нефти. Основными составляющими его являются: метан и другие углеводороды, водород, окись углерода.
При нормальных условиях пиролизный газ бесцветен и обладает неприятным запахом. Ввиду наличия в газе сернистых примесей и смолистых веществ, требуется тщательная очистка его для предотвращения коррозии мундштуков аппаратуры для газопламенной обработки и вредного воздействия на свариваемый металл. На места потребления газ подается по трубопроводу.
Нефтяной газ по составу и теплофизическим свойствам близок к пиролизному. Он получается как побочный продукт на нефте
перерабатывающих заводах в установках для пиролиза и крекинга нефти. Кроме подачи по трубопроводам может транспортироваться также в баллонах под давлением 150 кгс!см'2 и при этом частично будет находиться в сжиженном состоянии. При отборе его из баллона в целях полного испарения жидкости и выравнивания состава газа необходимо применять особый сосуд — ресивер, из которого через регулятор давления газ поступает по шлангу в горелку или резак.
Бензин и керосин получаются из нефти и представляют собой смеси различных углеводородов. Для газопламенной обработки используются в виде паров. С этой целью горелки и резаки снабжаются специальными испарительными или распылительными устройствами, что несколько усложняет аппаратуру и делает ее менее удобной по сравнению с аппаратурой для газообразных горючих. Ввиду наличия в керосине ряда примесей, перед применением его следует профильтровать через войлок и слой каустической соды (NaOH). Транспортировка бензина и керосина производится в цистернах и стальных бочках. Основная область применения жидких горючих — резка.
§ 12. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ГОРЮЧИХ
Выбор горючего для газопламенной обработки должен производиться применительно к конкретным условиям производства.
Основными факторами, определяющими выбор того или иного горючего, являются: вид выполняемых газопламенных работ (сварка, резка, пайка и др.) и их объем (производственная программа), стоимость газокислородных смесей с использованием различных горючих, возможность бесперебойного снабжения производства отдельными горючими, а также имеющиеся в распоряжении способы их транспортировки.
Вид газопламенных работ играет главную роль при выборе горючего. Так, при большом объеме сварочно-наплавочных работ и различных толщинах основного металла требуется применение горючего с наиболее высокими теплофизическими свойствами — ацетилена.
Если необходимо произвести выбор горючего для кислородной разделительной резки — процесса, в котором температура пламени и теплотворность не играют решающей роли и мало влияют на производительность, то лучшим вариантом будет применение дешевых заменителей ацетилена, в частности, пропан-бутана и природного газа. В некоторых случаях, особенно при резке на открытом воздухе, более предпочтительными могут оказаться жидкие горючие. В тех случаях, когда на данном предприятии применяется ряд газопламенных процессов, выбирается либо какое-то одно горючее, удовлетворяющее требованиям каждого
из процессов, либо применяются различные горючие соответственно видам работ.
Стоимость газокислородных смесей, т. е. суммарная стоимость выбранного горючего и кислорода, обычно сравнивается со стоимостью ацетилено-кислородной смеси, так как ацетилен до настоящего времени является основным горючим. При расчетах целесообразности применения отдельных горючих вместо ацетилена необходимо учитывать не только разницу в стоимости ацетилена и газа-заменителя (или жидкого горючего), но и коэффициент замены ацетилена в соответствии с группой процесса, а также увеличение расхода кислорода.
Способ подачи горючего к потребителю в значительной степени влияет на стоимость горючего и соответственно газокислородных смесей.
При использовании в качестве горючего ацетилена наиболее рациональной является система централизованного питания рабочих мест от стационарного генератора по газопроводу. Применение растворенного ацетилена или получение его в передвижных генераторах значительно повышает стоимость работ.
Наибольшая экономическая эффективность при использовании газов — заменителей ацетилена достигается при доставке пропан-бутана на предприятия в автоцистернах и при подаче природного газа по газопроводу.
Таблица 5
Сравнительная стоимость горючих газов и кислорода
Газ Отпускная стоимость в коп/м3 Коэффициент V' р V г Коэффициент замены ацетилена Стоимость (в коп/м3) газа, включая расходы на транспортировку
автомашиной по железной дороге
5—10 км 1000 км 2000 км
Ацетилен: растворенный из передвижного генератора из стационарного генератора Природный сжатый газ: из баллонов .... от газопровода Сжиженный газ пропан-бутан Кислород 56 52 45 4,3 2,0 8,4 8,0 1,0—1,3 1,0—1,3 1,0—1,3 1,5—1,6 1,5—1,6 3,0—3,5 1,6 1,6 0,6 68,5 56,5 4,3 2,0 9,2 9,0 79,5 55,2 9,23 103,3 57,5 10,5
Сравнительная стоимость некоторых горючих и кислорода приведена в табл. 5.
Ниже в качестве примера приводится расчет экономической эффективности при внедрении природного газа для разделительной резки стали вместо ацетилена. Ввиду того что скорость резки с использованием газов-заменителей при одинаковой тепловой мощности пламени такая же, как и при работе на ацетилене, расход режущего кислорода не учитывается, а подсчитывается лишь стоимость газокислородных смесей для подогревательного пламени.
Приближенно расход и стоимость газов составляет:
1) при р для ацетилена в среднем 1,2 и расходе его 1 м3 стоимость аЦетилено-кислородной смеси составит: 1 м3 ацетилена стоимостью 45 коп. плюс 1,2 м3 кислорода стоимостью 10,8 коп. — всего 55,8 коп.;
2) при р для природного газа 1,6, коэффициенте замены 1,6 стоимость горючей смеси составит: 1,6 м3 природного газа стоимостью 3,2 коп. плюс 2,6 м3 кислорода стоимостью 23,4 коп. — всего 26,6 коп., что примерно в два раза дешевле ацетилено-кислородной смеси.
По такой же схеме может быть подсчитан и годовой экономический эффект.
При определении эффективности применения пропан-бутановых смесей для сварки стали по сравнению с ацетилено-кислородной сваркой необходимо также учитывать несколько большую стоимость присадочного металла, так как для предотвращения окисления и обеспечения высоких механических свойств сварного шва приходится применять либо низколегированную проволоку, либо углеродистую проволоку с раскисляющими покрытиями.
ГЛАВА III
ГАЗОВЫЕ КОММУНИКАЦИИ
И ОБОРУДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПОСТОВ
§ 13. РЕДУКТОРЫ ДЛЯ СЖАТЫХ ГАЗОВ
Редукторы служат для понижения давления газа, отбираемого из баллона или сети, а также для поддержания рабочего давления постоянным в процессе работы.
Редукторы классифицируются по следующим признакам:
1) по роду газа — на кислородные, ацетиленовые, водородные, пропано-бутановые и др.; различаются окраской и способом крепления к баллону;
2) по пропускной способности — на баллонные и рамповые (центральные);
3) по числу камер редуцирования — на одно- и двухкамерные;
4) по принципу действия — на редукторы прямого и обратного действия.
Редукторы, за исключением ацетиленовых, присоединяются к баллонам накидными гайками, резьба которых соответствует резьбе штуцеров вентилей, а именно: редукторы для кислорода, воздуха и всех негорючих газов имеют гайки с резьбой Труб. 3/4" правой, а редукторы для горючих газов — гайки с левой резьбой диаметром 21,8 мм. Ацетиленовые редукторы закрепляются на баллонах при помощи хомута с упорным болтом.
Различные способы крепления редукторов, а также их окраска (та же, что и баллонов) исключают применение аппаратуры не по назначению и связанные с этим опасности.
Рамповые редукторы отличаются от баллонных большими проходными сечениями и соответственно большими размерами и весом.
Двухкамерные редукторы лучше, чем однокамерные поддерживают постоянство рабочего давления газа, и, кроме того, кислородные двухкамерные редукторы более устойчивы против замерзания при большом расходе газа и низкой температуре окружающего воздуха.
Принцип действия редуктора определяет его характеристику: у редукторов прямого действия она падающая, т. е. рабочее давление по мере расхода газа из баллона несколько снижается, а у редукторов обратного действия характеристика возрастающая, т. е. по мере уменьшения давления в баллоне рабочее давление будет повышаться.
Преимущественное применение имеют редукторы обратного действия, как более удобные в эксплуатации.
Редуктор обратного действия (рис. 22, а) работает следующим образом. Газ из баллона поступает через штуцер 1 в камеру высокого давления 4 и своим давлением препятствует открыванию клапана 5. Для подачи газа в горелку необходимо ввернуть регулирующий винт 10, сжимающий главную пружину 9, которая в свою очередь действует на резиновую (или металлическую) мембрану 11 и вызывает ее прогиб вверх. В результате штифт (стойка) 12, перемещаясь вверх, приподнимает клапан 5, который открывает отверстие для прохода газа в камеру низкого (рабочего) давления 8. Открыванию клапана кроме давления газа, поступающего в редуктор, препятствует обратная пружина 3, имеющая значительно меньшую силу, чем пружина 9.
Давление газа на входе в редуктор и в камере рабочего давления контролируется посредством манометров 2 и 7. Для предотвращения повышения рабочего давления в редукторе сверх допускаемого имеется пружинный предохранительный клапан 6.
В процессе работы в редукторе автоматически поддерживается постоянное рабочее давление независимо от расхода газа. В случае
увеличения расхода газа клапан больше открывается, так как давление на подвижную мембрану уменьшается, а при уменьшении расхода газа клапан прикрывается, так как давление газа на мембрану в этот момент несколько возрастает.
Уравнение сил для редуктора обратного действия может быть представлено в следующем виде:
Qi+pf = Q, + Pf+pF, (16)
где — сила главной пружины в кг-, Q2 — сила обратной пружины в кг-,
Р — высокое давление газа в кгс/см2-, р — рабочее давление газа в кгс/см2', F — площадь мембраны в см/2-, f — площадь клапана в см2.
Рис. 22. Схемы редукторов а — обратного действия; б — прямого действия
В левой части уравнения указаны силы, открывающие клапан, а в правой — закрывающие его.
В процессе расхода газа из баллона одна из сил, закрывающих клапан, а именно: высокое давление газа, действующее на клапан (Р/), будет уменьшаться и, следовательно, рабочее давление (р) будет несколько повышаться, т. е. редуктор имеет возрастающую характеристику. Для поддержания рабочего давления на требуемом уровне регулирующий винт иногда нужно выводить, т. е. уменьшать сцлу главной пружины Qx.
Уравнение сил для редуктора прямого действия (рис. 22, б) при использовании тех же обозначений будет иметь вид:
Qi + Pf = Q2 + pF + Pf- (17)
При расходе газа из баллона давление в нем будет постепенно снижаться и в результате рабочее давление будет также уменьшаться; для поддержания его на установленном уровне регулирующий винт нужно иногда вводить, т. е. увеличивать силу главной пружины Q1.
Основными рабочими характеристиками редукторов являются: 1) рабочее давление и пропускная способность; 2) перепад давления; 3) предел редуцирования; 4) чувствительность регулировки.
По рабочему давлению и пропускной способности редукторы подбираются в зависимости от условий работы. Пропускная способность редуктора зависит от величины рабочего давления, сечения отверстия в седле клапана и размеров других проходных сечений, в частности выходного штуцера.
Пер епад давления представляет собой величину изменения рабочего давления в камере редуктора при резком прекращении расхода газа. Важно, чтобы перепад давления был небольшим, иначе может быть срыв или разрыв шланга и неполадки в редукторе.
Перепад давления выражается в процентах:
Др =PkZlP.ioo%, (18)
где pj — рабочее давление при отсутствии расхода газа в кгс/см2', р — рабочее давление при расходе газа в кгс/см2.
Для баллонных редукторов перепад давления находится в пределах 10—30%, причем у редукторов обратного действия он меньше, чем у редукторов прямого действия, так как давление газа, поступающего из баллона, способствует более быстрому закрыванию клапана.
Пределом редуцирования называется такое наименьшее давление в баллоне или в сети, при котором рабочее давление резко падает. Это заставляет производить замену баллона. Предел редуцирования практически в 2—2,5 раза больше рабочего давления, что при значительной величине рабочего давления, например кислорода при резке стали большой толщины универсальным резаком, приводит к неполному использованию газа из баллона. В таких случаях баллоны доиспользуются для работ, не требующих большого давления, в частности для сварки и пайки.
Чувствительность регулировки характеризуется величиной изменения рабочего давления газа при повороте регулирующего винта на 90°. Для баллонных кислородных редукторов чувствительность составляет 0,5—1 кгс/см2, для ацетиленовых и пропановых редукторов 0,25—0,5 кгс/см2, так как давление горючих необходимо регулировать более плавно, чем давление кислорода.
Ниже кратко рассматриваются конструкции типовых баллонных редукторов для кислорода, ацетилена и пропан-бутана.
Кислородный редуктор РКД-8-61 (рис. 23) является двухкамерным обратного действия; предназначен для сварки, а также для резки стали малой и средней толщины (до 100 мм). Наибольшее рабочее давление 8 кгс/см2, максимальная пропускная способность 25 м2/ч. Устройство редуктора показано на рис. 23.
В первой камере редуктора, благодаря постоянной регулировке пружин, давление газа снижается с величины давления в баллоне до 20 кгс/см2, а во второй (рабочей) камере рабочее давление устанавливается регулирующим винтом. Редуктор снабжен предохранительным клапаном, отрегулированным на максимально допустимое давление в первой камере, т. е. 20 кгс/см2. Аналогичную конструкцию имеет кислородный редуктор РКД-15-61 (наибольшее рабочее давление 15 кгс/см2, максимальная пропускная способность 60 м2ч).
Ацетиленовый редуктор РД-2А (рис. 24) представляет собой однокамерный редуктор обратного действия. Сконструирован на базе кислородного редуктора РК-53, выпуск которого в настоящее время прекращен. Отличается от кислородного редуктора размерами главной и запорной пружин, диаметром седла клапана и наличием хомута для присоединения к баллону. Пределы регулирования рабочего давления от 0,1 до 1,5 кгс/см2. Наибольшая пропускная способность составляет 5 м2/ч. Схема редуктора сходна с приводимой ниже схемой редуктора для пропан-бутана.
Пропано-бутановый редуктор РД-1Б (рис. 25) является однокамерным обратного действия. Крепление к баллону производится накидной гайкой с левой резьбой диаметром 21,8 мм. Окрашивается в красный цвет. Ввиду разъедающего действия сжиженных газов на обычную резину, мембраны изготавливаются из мембранного полотна толщиной 0,8 мм, пропитанного бензомаслостойкой резиной. Рабочее давление может регулироваться в пределах 0,05— 1,5 кгс/см2. Наибольшая пропускная способность 5 м2/ч.
Редуктор РД-1Б может быть использован и для ацетилена при замене накидной гайки хомутом и с окраской корпуса в белый цвет.
В настоящее время промышленностью выпускается также ряд новых конструкций баллонных редукторов: ДКД-65 — кислородный двухкамерный; ДКП — кислородный однокамерный повышенной надежности; одноступенчатые редукторы для горючих газов: ДВП — водородный, ДАП — ацетиленовый, ДПП — пропано-бутановый; двухступенчатый ацетиленовый редуктор ДАД и др.
Из рамповых редукторов выпускаются: ДКР-250 и ДКР-500 для кислорода (соответственно на расход 250 и -500 м2/ч), ДАР-1-64 для ацетилена, ДПР-1-64 для пропан-бутана и др.
Регуляторы давления газа и подачи воды, применяемые в некоторых конструкциях ацетиленовых генераторов, имеют устрой-
Рис. 23. Двухкамерный кислородный редуктор РКД-8-61:
/ — регулирующий винт; 2 — вкладыш; 3 — кнопка; 4 — крышка; 5 — пружина; 6 — нажимной диск; 7 — прокладка; 8 — мембрана; 9 — ниппель; 10 — накидная гайка; 11 — корпус; 12 — клапан; 13 — пружина; 14 — крышка; 15 — контргайка; 16 — пружина; 17 — колпачок; 18 — прокладка; 19 — мембрана; 20 — нажимной диск; 21 — седло; 22 — гайка; 23 — передаточный шпиндель; 24 — прокладка; 25 — фильтр
Рис. 24. Ацетиленовый редуктор РД 2А
Рис. 25. Пропано-бутановый редук;тОр РД-1Б:
/ — регулирующий винт; 2 — крышка; 3 — пружина; 4 —_ нажимной диск; 5 — прокладка; 6 — мембрана; 7 — пружина; 8 — клапан; 9 — резиновый уплотнитель; 10 — центральный узел; 11 — передаточный шпиндель; 12 — ^чтунная сетка; 13 — накидная гайка; 14 — манометр; 15 — кожаная набивка; 16 — ма^ОВИЧОК; // — шпнидель; 18 — фибровая прокладка; 19 — манОметр
ство, сходное с баллонными однокамерными редукторами, но вместе с тем отличаются некоторыми конструктивными особен^ ностями, обусловленными условиями их работы, т. е. сравнительно небольшим давлением газа или воды и необходимостью повышен' ной чувствительности регулировки.
При эксплуатации редукторов необходимо следить за их ИС' правностью и соблюдать определенные правила для предотвратив' ния опасностей и перерывов в работе.
Основными неполадками и неисправностями при работе редую торов являются: утечка газа, воспламенение и выгорание частей редуктора, «замерзание» кислородного редуктора и негерметиЧ' ность клапана («самотек»).
Утечка газа из редуктора может быть при наличии не' плотностей. Опасной является утечка горючего газа ввиду обрЭ' зования в окружающей зоне взрывчатой смеси. Неплотности выяв' ляются смазыванием предполагаемого места утечки мыльной водой (образование пузырьков при выходе газа). Для устранения неплотностей редуктор должен быть снят с баллона.
Воспламенение и выгорание частей р е' дуктора может быть по различным причинам. Воспламенение редукторов для горючих газов может произойти при утечке газа й наличии огня, при случайном попадании брызг расплавленного металла и шлака или же при возникновении искры.
Воспламенение кислородных редукторов бывает в случаях загрязнения редуктора маслом и другими жировыми веществами и резкого открывания вентиля баллона. При резком открывании вентиля непосредственными причинами воспламенения и последующего выгорания частей редуктора могут быть: искровые разряды статического электричества, образующегося от трения молекул газа о стенки трубки высокого давления вследствие сверхзвуковой скорости кислородной струи; выделение большого количества тепла в той же трубке, так как в ней почти мгновенно создается такое же давление, как и в баллоне (до 150 кгс/см2), что равносильно быстрому сжатию газа. Теоретически температура газа в этот момент может достигнуть нескольких сот градусов.
В результате по обеим указанным причинам может произойти воспламенение отдельных деталей редуктора, в частности эбонитового уплотнения клапана (у редукторов прежних выпусков), обратной пружины и др. Во избежание загорания необходимо производить осмотр вентиля кислородного баллона, производить продувку его до присоединения редуктора и медленно открывать вентиль баллона. В случае загорания необходимо быстро закрыть вентиль баллона, приняв меры против ожогов.
«Замерзание» кислородного редуктора заключается в конденсации и замерзании влаги в отверстии клапана, что ведет к уменьшению, а затем к прекращению подачи кислорода в резак (имеет место обычно при резке). Возможность
замерзания повышается с увеличением расхода кислорода, при большом перепаде давления и при низкой температуре окружающего воздуха.
Понижение температуры при дроссель-эффекте выражается формулой:
4 = /1 - M/h -Рз) (~27^пг)2 > <19)
где и t2 — температура газа до и после расширения в °C;
Pi и Рг — соответственные давления газа в кгс/см2-, а — коэффициент газа (для кислорода а = 0,313).
Для кислородного редуктора при начальном давлении \ 50 кгс/см2 и начальной температуре кислорода +10° С теоретически возможная температура газа на выходе из седла клапана равна —31° С. Практически благодаря значительной массе и теплопроводности металла корпуса редуктора температура газа не будет столь низкой, однако при определенных указанных выше условиях охлаждение будет достаточным для возможности замерзания влаги, имеющейся в газе.
Мерами предотвращения замерзания являются: применение при большом расходе кислорода двухкамерных баллонных или рамповых редукторов, осушка или подогрев газа до редуктора, подача кислорода не из одного баллона, а из рампы.
Если редуктор «замерз», то отогрев его может производиться только горячей водой или паром, но не открытым пламенем.
Негерметичность клапана редуктора (самотек) заключается в том, что при отсутствии расхода газа клапан неплотно закрывает вход в камеру рабочего давления; при расходе же газа рабочее давление не поддерживается на установленном уровне, а имеет тенденцию к повышению. В результате может быть срыв или разрыв шланга и загорание его от брызг металла, шлака, а также от искр, что может привести к несчастным случаям.
Редуктор, имеющий самотек, должен сдаваться в ремонт.
§ 14. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА
ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
В зависимости от сущности процессов газопламенной обработки применяется соответствующая технологическая аппаратура.
Для процессов, связанных с нагревом материалов до той или иной рабочей температуры (пламенная закалка, огневая правка, поверхностная очистка, местная деформация, огневое бурение); а также для процессов образования соединений (сварка плавлением и газопрессовая, пайка, наплавка, сварка пластмасс) в качестве технологической аппаратуры применяются так называемые горелки, основными узлами которых являются устройства
для смешения кислорода и горючего в требуемом соотношении, а также для регулирования состава горючей смеси в некоторых пределах.
Для процессов кислородной резки всех видов и нанесения металлических и неметаллических покрытий в связи с более сложной их физико-химической сущностью применяется особая аппаратура. Резка производится ручными или машинными резаками, представляющими собой горелки с дополнительным устройством для подачи по оси пламени струи чистого кислорода в целях сжигания металла для образования разреза.
Нанесение металлических покрытий с использованием наносимого материала в виде проволоки производится металлизато-рами — аппаратами, имеющими кроме специальной горелки механизм подачи проволоки и устройство для распыления плавящегося металла проволоки сжатым воздухом.
Напыление покрытий с использованием порошкообразных материалов требует применения специальных установок, в комплект которых кроме горелок особой конструкции входит также бункер для порошка, подаваемого в горелку обычно струей воздуха.
Несмотря на большое разнообразие технологической аппаратуры для газопламенной обработки ее можно подразделить на группы по некоторым общим признакам:
1) по роду горючего — для ацетилена, для газов-заменителей и для жидких горючих;
2) по способу подачи горючего в смесительную камеру — на инжекторную и безынжекторную;
3) по способу применения — на ручную и машинную.
Принципы работы инжекторной и безынжекторной аппаратуры, основные требования к ней и условия устойчивой работы рассматриваются на примере сварочных ацетилено-кислородных горелок, являющихся базовыми конструкциями для другой аппаратуры. Приводятся также основные сведения по современным типовым горелкам и их характеристики.
Принцип работы инжекторной горелки (рис. 26, а) заключается в том, что горючая смесь образуется за счет инжектирования горючего низкого или среднего давления кислородом, поступающим в горелку под давлением 0,5—4 кгс/см2. Кислород через ниппель 1, трубку 3 и вентиль 9 поступает в осевой канал инжектора 8 и выходит с большой скоростью в смесительную камеру 7, создавая разрежение в канале горючего, благодаря чему горючее через ниппель 2, корпус горелки 4 и вентиль увлекается в смесительную камеру, проходя снаружи инжектора 8.
Образовавшаяся горючая смесь, состав которой может в некоторых пределах регулироваться вентилями горелки, выходит из горелки через трубку наконечника 5 и мундштук 6. Давление горючего должно быть не менее 0,01 кгс/см2.
Принцип работы безынжекторной горелки (рис. 26, б) более простой: горючий газ и кислород поступают в горелку под примерно одинаковым давлением (не ниже 0,5 кгс/см2), проходят в смесительную камеру, в которой смешиваются, и образовавшаяся горючая смесь идет на выход.
Основное значение имеют горелки инжекторного типа как более универсальные, поскольку они могут работать на горючем низкого и среднего давления, но их недостатком явтяется некоторая неустойчивость в работе из-за изменения состава горючей смеси.
а)
смесь
. Кислород
Рис. 26. Схемы сварочных горелок: а — инжекторной; б—безынжекторной
К сварочным горелкам предъявляется ряд требований:
1) небольшие размеры и вес;
2) смешение кислорода и горючего в требуемом соотношении и поддержание постоянства состава смеси в процессе работы; так, для ацетиленовых горелок соотношение объемов подаваемых газов должно быть в пределах-^- = 0,84- 1,5;
3) возможность изменения мощности пламени в зависимости от толщины металла;
4) для предотвращения обратных ударов пламени скорость истечения горючей смеси из горелки должна быть больше скорости ее воспламенения;
5) обеспечение регулирования состава горючей смеси в процессе работы;
6) безопасность горелки в работе.
На состав горючей смеси при работе инжекторной горелки влияют следующие факторы: нагревание наконечника, засорение мундштука и колебание давления газов перед горелкой.
Нагревание наконечника отраженным теплом вызывает повышение давления горючей смеси в его канале, что создает сопротивление для поступления следующих порций газов в смесительную камеру, в основном горючего газа, из-за уменьшения величины инжекции; в результате пламя становится окислительным. Для восстановления нормального пламени горелка должна иметь «запас» горючего, т. е. возможность увеличить подачу его путем дополнительного открывания вентиля горючего на горелке.
Засорение мундштука брызгами металла также создает сопротивление для прохождения горючей смеси и пламя также становится окислительным. В этом случае требуется очистка мундштука.
Колебание давления газов перед горелкой отражается на характере пламени в зависимости от причины изменения, например, при снижении давления кислорода уменьшается инжекция, а это вызывает, в свою очередь, уменьшение поступления горючего. Восстановление нормального пламени и требуемой мощности, характеризуемой расходом горючего в л/ч, производится дополнительной регулировкой, а при необходимости производится замена баллонов.
Если по какой-либо из названных выше причин скорость воспламенения превысит скорость истечения горючей смеси из горелки, происходят хлопки и обратные удары. Для устойчивой работы инжекторных горелок скорость истечения горючей смеси должна составлять 30—200 м/сек, что достигается определенным соотношением сечений каналов инжектора, смесительной камеры и мундштука, а также регулировкой рабочего давления кислорода в пределах от 0,5 до 4 кгс/см?.
Типовыми ацетиленовыми инжекторными горелками являются универсальная горелка «Москва» и малолитражная «Малютка». Общий вид горелки «Москва» с комплектом наконечников приведен на рис. 27.
Техническая характеристика сварочных горелок «Москва» и «Малютка» приведена в табл. 6. Аналогичную характеристику имеют горелки предыдущего выпуска (марок ГС и ГСМ).
Важным достоинством современных инжекторных горелок является возможность изменения мощности пламени, кроме смены наконечников, изменением рабочего давления кислорода, что позволяет получить непрерывную шкалу рабочей мощности пламени, т. е. верхний предел мощности предыдущего наконечника перекрывается нижним пределом мощности последующего. Это обеспечивает весьма плавную регулировку мощности пламени.
Безынжекторные горелки (равного давления) не нашли в отечественной практике широкого применения и в настоящее время не выпускаются.
Новейшими конструкциями ацетилено-кислородных сварочных горелок инжекторного типа являются ГС-ЗА и ГС-2А, которые по сравнению с горелками «Москва» и «Малютка» являются более удобными, долговечными и надежными в работе. Техническая характеристика их по существу не отличается от приведенной в табл. 6.
Таблица 6
Техническая характеристика горелок «Москва» и «Малютка»
ЕГ О) К О Я о W со® И К £ 2, кисло-'/СМ* Расход в л/ч S Я О я ogg £ к 0,0 етиле- ЕГО
Номер на* ника Толгцина ( ваемой f углеродис | стали в м. Давление рода в кгс 6 о Я CTJ * Ы ацетилена Раз реже нр в ацетиле канале го в мм рт. 1 Запас ац1 на в % Давление 1 лена в кгс
0 0,2— 0,7 0,5— 4 22—70 20—65 35—180 25—15
1 0,5— 1,5 1—4 55—135 50—125 75—135 50—15
2 3 1,0— 2,5 2,5— 4 1,5— 4 2—4 130—260 250—440 120—240 230—400 75—185 125—200 85—20 75—30 Не ниже 0,01
4 4—7 2—4 430—750 400—700 125—230 100— 35
5 7—11 2—4 740—1200 600—1100 140—250 100— 35
6 10—18 2—4 1150—1950 1050—1750 145—270 85—25 Не ниже
7 17—30 2—4 1900—3100 1700—2800 145—275 50—15 0,1
Примечание. Данные для наконечников 1—7 относятся к горелке «Москва», а 0—3 к горелке «Малютка».
Для некоторых процессов газопламенной обработки металлов, например для подогрева крупногабаритных изделий, правки, пайки твердыми припоями, а также для сварки небольших толщин стали, чугуна и цветных металлов, нашли применение горелки, работающие на жидких горючих — керосине и бензине.
В настоящее время выпускается керосиновая горелка ГКР-1-67, работающая по принципу распыления керосина кислородом с последующим испарением мелкокапельного горючего во внутренней полости мундштука от самонагрева. Такая горелка комплектуется тремя одноканальными и двумя сетчатыми мундштуками и по тепловой мощности равноценна ацетилено-кислородной горелке «Москва» с наконечниками № 3—7. Подача керосина производится из бачка БГ-63 емкостью около 5,5 л, в котором насосом создается давление воздуха, вытесняющего горючее в шланг и горелку. Расход керосина составляет от 0,3 до 3,4 кг!ч.
Для работы на газах-заменителях ацетилена применяются:
1) ацетил ено-кислородные универсальные горелки, комплектуемые соответствующими инжекторами, мундштуками и смесительными камерами;
2) специальные конструкции горелок без подогрева горючей смеси, например ГЗУ-1 и ГЗМ-1;
3) специальные конструкции горелок с подогревом смеси ГЗУ-2-62 и ГЗМ-2-62 (универсальная и малолитражная).
Наиболее рациональными являются две последние конструкции, разработанные на базе серийных ацетил ено-кислородных. Горелки ГЗУ-2 и ГЗМ-2 могут работать на различных заменителях ацетилена. Отличительной их особенностью является наличие компактных ввертных подогревателей, расположенных между трубкой наконечника и мундштуком.
Нагрев горючей смеси до 300—ЗЗО'3 С производится при малом расходе газа на подогрев, равном 7—10%. Эти горелки комплектуются сменными наконечниками, номера которых по эффективной мощности равны соответствующим наконечникам универсальной ацетилено-кислородной горелки.
Проходные рабочие сечения газовых каналов по сравнению с ацетиленовыми горелками имеют увеличенные размеры.
Наконечники № 5, 6, 7 снабжены сетчатыми многосопловыми мундштуками с коническим расположением осей сопел, формирующих пламя, что обеспечивает увеличение эффективной мощности на 7—10%.
На рис. 28 показана передняя часть наконечника горелки ГЗУ-2 с подогревающим устройством.
Горелки с подогревом смеси устойчивы в работе, дают резко очерченное ядро и укороченный факел пламени, обеспечивают в 1,5—1,7 раза большую скорость нагрева и на 20—30% повышение производительности сварки по сравнению с горелками без подогрева.
Указанными горелками можно производить сварку стальных изделий толщиной до 5 мм во всех пространственных положениях
шва. Производительность и качество сварки низкоуглеродистой
стали толщиной до 3 мм присадочной проволокой Св-12ГС близки к этим показателям при ацетилено-кислородной сварке. Сварка стали толщиной более 5 мм пропано-бутано-кислородным пламенем нерациональна вследствие значительного отвода тепла в металл.
Наконечники № 5, 6, 7 с сетчатыми мундштуками могут быть использованы для сварки чугуна и местного подогрева изделий.
Для сварки цветных металлов и некоторых наплавочных работ для получения высококачественных соединений требуется равномерная подача флюсов, что может быть обеспечено только при применении специальных установок.
Установка КГФ-2-66 обеспечивает подачу в пламя парообразного флюса, получаемого из легкоиспаряющейся жидкости специального состава. Так, флюс марки БМ-1 состоит из 75,5% тетраметилбо-рата (СН3О)3В и 24,5% метанола (СН3ОН). Температура кипения этой жидкости 54° С.
Установка может применяться для сварки меди, никеля и их сплавов (например, латуни, монель-металла), для наплавки латуни на черные металлы, для пайки мягкими и твердыми припоями. В комплект установки входят флюсопита-
Рис. 28. Наконечник про-пано-бутановой горелки
ГЗУ-2:
1 — мундштук; 2— подогревающая камера; 3—подогреватель; 4 — сопла подогревателя; 5 — трубка для горючей смеси; 6 — факелы подогревательного пламени
тель и осушитель.
Флюсопитатель представляет собой прибор для насыщения флюсом БМ-1 ацетилена, подаваемого в сварочную горелку. Пары флюса, попадая в пламя горелки, сгорают с образованием флюсующего вещества — борного ангидрида (В2О3).
§ 15. ТРУБОПРОВОДЫ ДЛЯ КИСЛОРОДА
И ГОРЮЧИХ ГАЗОВ
При количестве постов газопламенной обработки металлов в одном рабочем помещении свыше 10 должна оборудоваться система централизованного питания газами с подачей их по тру-
Таблица 7
Внутренние диаметры кислородных трубопроводов в мм
Длина газопровода в м Расход кислорода в ма/ч
2 4 6 8 10
10 4 5 6 7 8
20 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5
30 5 6 7 8 9
50 5,5 7 8 9 10
100 6 7,5 9 10 11
200 7 9 10 11 12
500 9 И 12 13 15
бопроводам. Кислород подается из газификаторов или из распределительных- рамп; ацетилен — из стационарных генераторов или также из рамп; пропано-бутановые смеси — из рамп, имеющих подогревательные устройства; природные и городские газы — из соответствующей сети.
Кислородопроводы в зависимости от рабочего давления делятся на три группы: 1) низкого давления — до 16 кгс/см2-, 2) среднего давления — свыше 16 до 64 кгс/см2-, 3) высокого давления — 64 кгс/см1 и выше. Кислородопроводы первых двух групй должны изготовляться из стальных бесшовных труб; надземные кислородопроводы высокого давления должны изготовляться только из медных или латунных труб; подземные кислородопроводы высокого давления могут быть из стальных бесшовных труб. Соединения отдельных частей газопроводов должны выполняться сваркой; фланцевые и резьбовые соединения допускаются только в местах присоединения арматуры и оборудования.
Прокладка кислородопрово-дов вне помещения при подаче газа из рампы может производиться либо в земле ниже уровня промерзания, либо по воз
духу при условии теплоизоляции труб для предотвращения замерзания конденсирующейся влаги в зимнее время. Во избежание накопления влаги в газопроводе необходимо прокладывать его с уклоном до 1° в сторону рампы. При подаче кислорода из газификатора указанные выше меры не требуются.
Внутри цеха на вводе кислородопровода должны быть установлены запорный вентиль и манометр. Прокладка внутренних газопроводов производится по стенкам, колоннам, а также в каналах пола. Высота прокладки газопровода над полом должна быть не менее 2,2 м. Диаметр кислородопровода может быть выбран по данным табл. 7. На внутреннем газопроводе устанавливается необходимая арматура, причем на кислородопроводах высокого давления она должна быть только из меди или латуни. Кислородопроводы окрашиваются в голубой цвет.
Кислородопровод перед сдачей в эксплуатацию должен быть обезжирен и испытан гидравлическим и пневматическим давлением.
Ацетиленопроводы в зависимости от рабочего давления, как и кислородопроводы, делятся натри группы: 1) низкого давления—
до 0,1 кгс/см2', 2) среднего давления — свыше 0,1 кгс/см2 до 1,5 кгс/см2-, 3) высокого давления свыше 1,5 кгс/см2. Все ацетилено-проводы должны изготовляться из стальных бесшовных труб с применением сварки; разъемные соединения допускаются лишь в необходимых местах, например в аппаратном помещении ацетиленовой станции.
Внецеховые ацетиленопроводы при подаче ацетилена из ацетиленовой станции на места потребления могут прокладываться как в земле, так и по воздуху с соблюдением условий, указанных для кислородопроводов. При подаче ацетилена из рампы ввиду отсутствия в нем влаги меры защиты от замерзания не требуются.
Внутрицеховые ацетиленопроводы прокладываются в зависимости от местных условий по стенам, колоннам или в полу. При совместной прокладке ацетиленопровода с другими газопроводами он должен располагаться выше других; расстояние между соседними газопроводами должно быть не менее 250 мм.
В большинстве случаев рациональна кольцевая форма внутреннего ацетиленопровода для обеспечения равномерного снабжения всех постов ацетиленом. На постовых отводах должны быть установлены водяные предохранительные затворы.
Диаметр ацетиленопровода определяется с учетом расхода газа, длины линии и величины давления газа, но не должен превышать 50 мм при среднем давлении (0,1—1,5 кгс/см2). Если необходимо применение большого сечения, то производится прокладка двух или более параллельных ветвей. Это объясняется возможностью детонации, заключающейся в распространении реакций воспламенения ацетилена, возникающих при некоторых условиях, со скоростью до 3000 м/сек, т. е. значительно превышающей скорость взрыва.
Подбор сечения газопровода производится по таблицам, графикам или же определяется расчетом по формуле:
d = (20)
где d — внутренний диаметр трубы, см\
V — часовой расход газа, ж3;
s — коэффициент плотности ацетилена по воздуху, равный 0,9;
/ — длина газопровода, м;
h — потеря давления газа, мм вод. ст. (25—50 мм на каждые 50 м длины газопровода).
Ацетиленопроводы окрашиваются в белый цвет. Перед сдачей в эксплуатацию ацетиленопровод должен быть подвергнут гидравлическому и пневматическому испытанию.
Устройство трубопроводов природного и нефтяного газов, в том числе пропан-бутана, должно соответствовать требованиям 74
Правил безопасности в газовом хозяйстве, утвержденных Гос-гортехнадзорами РСФСР, УССР и БССР в 1964 г. по согласованию с ВЦСПС и СНХ РСФСР.
§ 16. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
И ОСНАСТКА РАБОЧИХ МЕСТ
На местах потребления газов в целях газопламенной обработки металлов должны быть установлены газоразборные посты. Газоразборный пост для кислорода должен быть оборудован запорным вентилем для присоединения редуктора; газоразборный пост для ацетилена и водорода — водяным затвором и соответствующей запорной арматурой. Для газов — заменителей ацетилена вместо водяного затвора допускается установка обратного клапана конструкции, одобренной ВНИИавтогенмашем.
Газоразборные посты должны размещаться в металлических вентилируемых шкафах, закрываемых на замок и окрашенных масляной краской: для кислорода — в голубой цвет с надписью черными буквами «Кислород. Маслоопасно»; для ацетилена— в белый цвет с надписью красными буквами «Ацетилен. Огнеопасно»; для других горючих газов (кроме водорода) — в красный цвет с надписью белыми буквами «Горючий газ. Огнеопасно».
Постовые затворы должны применяться таких конструкций, которые соответствуют давлению газа в газопроводе, а их пропускная способность должна обеспечивать максимальный отбор газа, но не менее 3,2 м^/ч.
Расстояние между шкафами ацетиленового и кислородного постов должно быть не менее 150 мм и устанавливаться они должны на высоте не менее 600 мм от пола.
Газоразборные посты должны устанавливаться в местах потребления на стенах, колоннах или специальных конструкциях с соблюдением расстояний до электрокоммуникаций и других источников искрообразования и открытого пламени.
Рукава или шланги для газопламенных работ должны соответствовать ГОСТу 9356—60, согласно которому резиновые рукава оплеточной конструкции должны состоять из внутреннего резинового слоя (камеры), хлопчатобумажной оплетки и наружного резинового слоя.
Рукава изготавливаются для работы при температуре от +50 до —85° С трех типов: 1-й для подачи ацетилена и городского газа под давлением не более 6 кгс/см2, 2-й — для подачи жидкого горючего (бензин, керосин) под давлением не более 6 кгс/см2 и 3-й — для подачи кислорода под давлением не более 15 кгс/см2.
Рукава 2-го типа — бензостойкие и их, в частности, следует применять для сжиженных газов. Однако для этих газов допускается применение шлангов 1 и 3-го типов с обеспечением контроля за правильной газификацией пропана и в особенности бутана.
Рукава всех типов выпускаются внутренним диаметром 6, 9, 12 и 16 мм. Наиболее применимы шланги диаметром 6 и 9 мм. Шланги выпускаются длиной 10 и 14 м или кратной длины.
Закрепление шлангов на горелках и резаках производится специальными хомутиками. Для этой цели допускается применение мягкой отожженной проволоки с обвязкой конца шланга не менее чем в двух местах по длине ниппеля. На ниппели водяных затворов шланги должны плотно надеваться, но не закрепляться.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
ГАЗОВОЙ СВАРКИ
ГЛАВА IV
СВАРОЧНОЕ ПЛАМЯ
§ 17. СТРОЕНИЕ И СОСТАВ
СВАРОЧНОГО ПЛАМЕНИ
Для газопламенной обработки металлов в качестве горючих газов в основном применяются различные углеводороды и только в некоторых случаях водород (см. § 5).
Строение пламени при горении углеводородов в кислороде или в воздухе характеризуется наличием трех зон:
1) ядра;
2) средней зоны;
3) факела.
Форма, вид и относительные размеры этих зон зависят от соотношения кислорода (Ук) и горючего газа (Уг) в смеси, т. е. регули-
Vk
рования пламени, характеризуемого коэффициентом р = -у—•
Процесс горения проходит в несколько стадий.
Первая стадия — подготовка горючего к сгоранию — характеризуется распадом углеводорода в конечном виде на углерод и водород. Так, например, реакция распада ацетилена имеет вид:
С2Н2 —»2С + Н2 + 54 ккал/г-мол. (21)
Реакция ускоряется в случае присутствия кислорода в смеси с углеводородом. Реакции распада осуществляются внутри ядра пламени.
Вторая стадия горения характеризуется образованием СО и Н2. Выделяющийся в результате распада углерод окисляется находящимся в смеси кислородом по реакции
С2Н2 + О2 -> 2С Н2 + О2 -> 2СО + Н2 + 112,8 ккал/г-мол. (22)
Продукты этой реакции определяют состав второй зоны пламени.
При горении элементарные частицы углерода накаливаются, их свечение и показывает границу ядра пламени. Если кислорода в горючей смеси достаточно, за этой границей ядра свободного углерода уже нет.
При недостаточном количестве в горючей смеси подаваемого через горелку (первичного) кислорода (р <1 1) часть углерода не окислится, и его частицы будут догорать в других частях пламени, уже за счет кислорода воздуха (вторичного кислорода). При взаи-
С г и г °г
ЕЗ- ей ш-сог КЗ — ш~нго
Рис. 29. Строение и состав ацетилено-кислородного ‘пламени при 0=1:
а — характерные зоны пламени: 1 — ядро, 2 — средняя зона, 3 — факел; б — изменение состава газов в различных участках (по длуне пламени
Рис. 30. Внешний вид ацетилено-кислородного пламени сварочной горелки:
а — при (3 == 1 (нормальная регулировка); б — с избытком ацетилена; в—с избытком кислорода
модействии пламени с металлом, растворяющим углерод, в этом случае будет происходить науглероживание металла.
При избытке кислорода (р >> 1) уже во второй зоне пламени начинается третья стадия горения, заключающаяся в том, что образующиеся СО и Н2 частично окисляются в СО2 и Н2О.
Вторая зона находится непосредственно за ядром и имеет вид клина сероватого цвета. При избытке кислорода эта зона уменьшается в своих размерах, а при недостатке кислорода (избытке ацетилена) вокруг ядра видна область белого цвета, где углерод догорает за счет реакции с кислородом воздуха.
При р = 1 процессы окисления СО и Н2 осуществляются в третьей зоне за счет кислорода воздуха по реакциям:
2СО 4- О2 —» 2СО2 136,4 ккал!г-мол\ (23)
Н2 4- 0,5О2 —»Н2О 4- 57,8 ккал/г-мол. (24)
Продукты сгорания вместе с попавшим в пламя воздухом образуют факел оранжево-фиолетовых оттенков при Р = 1, желтооранжевых оттенков при р < 1 и фиолетовых при Р >> 1.
Строение и схема изменения состава ацетилено-кислоррдного пламени при р = 1 показана на рис. 29, а внешний вид пламени при различных значениях Р — на рис. 30. Однако на состав пламени, кроме того, могут влиять происходящие при высоких температурах реакции диссоциации газовых молекул (рис. 31). Так, например, непосредственно за ядром, где имеет место наивысшая
Рис. 31. Зависимость степени диссоциации газов от температуры при давлении 1 кгс!см2
температура, происходит частичный распад молекулярного водорода по реакции:
Н2—> 2Н — 103,8 ккал1г-мол. (25)
Поэтому во второй зоне пламени обычно кроме СО и Н2 имеется кислород и атомарный водород. Примерный состав этой зоны в момент горения при р = 1 следующий: 60% СО, 20% Н2, 20% Н и небольшое количество (—10-3—10~5%) свободного кислорода. Экспериментальный отбор газа, кроме того, показывает присутствие также и некоторого (около 8%) количества азота из воздуха.
В пламени с избытком кислорода (р >> 1,3) во второй зоне кроме СО, Н2 и Н имеются значительные количества СО2 и Н2О и большее количество свободного кислорода. Эта зона пламени горячее (имеет более высокую температуру, чем при р = 14-1,1) вследствие дополнительного теплового эффекта сгорания СО в СО2 и Н2 в Н2О и обладает более высокой окислительной способностью по отношению к нагреваемому и расплавляемому металлу.
При недостатке кислорода (р < 1) во второй зоне пламени не только появляется свободный углерод, но и уменьшается тепловой эффект горения. Так, например, при р = 0,8
С2Н2 4- 0,8О2 — 1,6СО + 0,4С + Н2 + 101,04 ккал/г-мол. (26)
Регулировка ацетилено-кислородного пламени осуществляется по внешнему виду.
Пламя заменителей ацетилена (различных углеводородов, наиболее часто пропан-бутана) принципиально подобно ацети-лено-кислородному и имеет три зоны. Соотношения количеств кислорода к горючему газу, дающих пламя нормальной регулировки, зависят от состава этих горючих газов. Так, при пропанобутановых смесях значение р примерно равно 3,5.
Как правило, регулировка пламени газов-заменителей, осуществляемая по внешнему виду, сложнее, чем ацетилено-кислородного, так как зоны пламени менее четкие. Наиболее трудно производить регулировку по внешнему виду водородно-кислородного пламени, которое не имеет ядра. В этих случаях регулировку . следует осуществлять с использованием ротаметров.
§ 18. ХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
ПЛАМЕНИ С МЕТАЛЛОМ
Взаимодействие металла с пламенем определяется свойствами металла, температурой, давлением и составом газовой фазы пламени. Состав газовой фазы устанавливается при сварке посредством регулирования пламени. Теоретические основы регулирования впервые разработаны А. Н. Шашковым.
Одним из наиболее распространенных процессов, происходящих при воздействии пламени на металл, является окисление. Типовой реакцией окисления при сварке является
2Ме + О2 X 2МеО + Q. (27)
Направление реакции, т. е. окисление (слева направо) или Еосстановление окисла (справа налево) зависит от концентрации (парциального давления1) кислорода в газовой фазе, контактирующей с металлом, температуры взаимодействия и свойств окисла (сродства металла к кислороду, определяющего стойкость окисла, его устойчивость против разложения, диссоциации). При определенных условиях такие обратимые реакции достигают равновесия, т. е. скорости реакции как слева направо, так и справа налево становятся равными. Для конкретных реакций (например, для окисления — диссоциации окислов определенного металла) достижение равновесия определяется температурой и составом газовой фазы. Например, равновесие различных газовых смесей с железом и его окислами представлено на рис. 32. Из рис. 32, а следует, что при общем давлении 1 кгс!см2 окисления железа при температурах сварочной ванны (заштрихованная область)
1 Парциальным давлением называется давление, которое оказывает каждый газ, входящий в состав газовой смеси, если ои одни будет занимать объем всей смеси.
при его взаимодействии со смесью водорода и паров воды не будет происходить только в случае содержания водорода в смеси более 45% (т. е. паров воды менее 55%). Такое во дородно-кислородное пламя может быть получено при р = - ~ ~ по реакции:
У в
(28)
4Н2 + О2—>2Н2 Т 2Н2О -р Q-
Рис. 32. Диаграммы равновесия железа н его окислов с газовыми фазами при давлении 1 кгс/см2'.
а — со смесью Нг + Н2О; б — со смесью СО 4- СОа
Пламя при горении углеводородов имеет больше составляющих, и поэтому необходимо учитывать парциальные давления не только Н2 и Н2О, но и СО и СОа. Как показано выше (26), в ацетилено-кислородном пламени с р <« 1 имеется свободный углерод, в связи с чем может происходить науглероживание металла.
При р > 1 во второй зоне пламени появляется СО2 и Н2О, допустимое количество которых (когда при сварке железа не образуется FeO) позволяет определить максимальное значение р.
Так, если пренебречь влиянием парциальных давлений, пользуясь рис. 32, можно подсчитать Р, при котором пламя будет находиться в равновесии с FeO:
С2Н2 + О2 = 2СО + Н2 +
2СО + 0,16О2 = 1,68СО + 0,32СО2
Н2 + 0,275О2 = 0,45Н2 + 0,55Н2О
(29)
С2Н2 + 1,435О2 = 1,68СО + 0,32СО2 + 0,45Н2 + 0,55Н2О
Если учесть влияние парциальных давлений и кислорода воздуха, попадающего в пламя, максимальное значение Р будет не 1,435, а примерно 1,3. Таким образом, применительно к железу пламяЛтри р < 1 является науглероживающим, а при р > 1,3 — окислительным. Пламя со значениями р = 1 1,3 для расплавленного железа является отчасти восстановительным и носит название пламени нормальной регулировки.
Пламя с Р>1,3 может применяться лишь для нагрева твердого железа или сталей с малым количеством других элементов (например, при поверхностной закалке).
Элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо (Al, Si, Мп, Сг и т. д.), могут интенсивно окисляться тогда, когда реакции образования FeO не происходит. Они легко окисляются не только в чистом виде, но и находясь в виде примесей или легирующих добавок в железных сплавах, причем чем больше их в сплаве, тем их окисление будет интенсивнее. Поэтому при сварке легированных, особенно средне- и высоколегированных сталей (см. § 29), в ряде случаев необходимо применять регулировку пламени с другими значениями р, чем при сварке нелегированных сталей. Окисление некоторых элементов, например Al, Ti, Si и др., вообще не удается исключить ни при какой регулировке пламени. Поэтому, например, алюминий, магний и их сплавы необходимо сваривать газовой сваркой с применением дополнительных средств защиты сварочной ванны от окислов посредством применения флюсов.
Некоторые элементы (Ni, Си и пр.) окисляются слабее, чем железо, и меньше окисляются, находясь в сталях в виде легирующих добавок.
Однако при сварке условия равновесия металла и газовой фазы не достигаются, и в результате взаимодействия пламени с металлом возможно образование таких окислов, которые в равновесных условиях не образуются.
Вследствие растворимости в расплавленных элементах их окислов (например, NiO в никеле) образовавшийся в какой-то
период окисел, растворяясь в ванне, не взаимодействует более с восстанавливающими газами, приводя в конечном счете к окислению сварочной ванны. Степень этой окисленности тем меньше, чем меньше р. Но при уменьшении |3, как показано выше, в пламени появляется повышенное количество свободного водорода, что может отрицательно сказаться на сварке некоторых металлов (см. § 20).
Поэтому при газовой сварке различных металлов и сплавов подбирают такое соотношение кислорода и горючего газа, которое позволяет получать наиболее благоприятный характер взаимодействия пламени со свариваемым металлом.
§ 19. ТЕМПЕРАТУРА АЦЕТИЛЕНО-КИСЛОРОДНОГО ПЛАМЕНИ И НАГРЕВ МЕТАЛЛА ПЛАМЕНЕМ
Температура является одной из важнейших характеристик пламени. Чем выше температура пламени, тем эффективнее процессы нагрева и плавления металла.
Экспериментальные исследования Н. Н. Клебанова по определению температуры ацетилено-кислородного пламени нормальной регулировки мощностью 500 л/ч дали следующие значения:
Расстояние по длине от ядра пламени в мм ....... 3 4 11 25
Температура в °C .... 3050—3150 2850—3050 2650—2850 2450—2650
Общий характер изменения температуры по длине ацетиленокислородного пламени различной регулировки представлен на рис. 33. Как видно, максимальная температура имеет место во второй зоне, где и состав газов наиболее благоприятен по химическому воздействию пламени на металл.
Аналогично, но с другим характером перепада (градиентом), изменяется температура и в поперечном сечении пламени, уменьшаясь от оси пламени к периферии.
Нагрев металла пламенем обусловливается лучистым (5—10%) и в основном конвективным теплообменом между потоком горящих газов и соприкасающейся с ним поверхностью металла.
Общее количество тепла q (в ккал]см? -сек), вводимое пламенем в единицу времени через единицу площади нагреваемой поверхности металла, равно
q = a(Te-TM), (30)
где а — коэффициент теплообмена, равный сумме коэффициентов конвективного (ак) и лучистого (а„) теплообмена, в ккал]см?-сек-°С\
Тг — температура потока газов в °C;
Тм — температура поверхности металла в °C.
Теоретические расчеты распространения тепла при нагреве металла газовым пламенем разработаны акад. АН СССР Н. Н. Ры-калиным, а экспериментальные исследования проведеныМ. X. Шор-
Рис. 33. Изменение температуры по длине пламени:
Z — окислительное; 2 — нормальной регулировки; 3 — с избытком ацетилена
шоровым и А. К- Нинбургом.
При соприкосновении с поверхностью металла газовый поток пламени растекается, образуя при перпендикулярном направлении потока симметричное относительно центра пятно нагрева (рис. 34, а). Характер распределения удельного теплового потока по пятну нагрева схематически предоставлен нижней частью рис. 34, а и приближенно может быть выражен математической формулой:
= (31)
где qr — удельный тепловой поток в любой точке А пятна нагрева на расстоянии г от центра в кал!см2-сек\
Qmax — максимальный удельный тепловой поток на оси пламени в кал!см2 • сек-,
е — основание натуральных логарифмов;
k — коэффициент сосредоточенности в 1/см2.
Рис. 34. Распределение удельного теплового потока пламени горелки по пятну нагрева:
а — при перпендикулярном направлении оси пламени; 6— при наклонном
При отклонении оси пламени от перпендикуляра к поверхности изделия на угол 90° — <р пятно нагрева вытягивается по направлению оси и сужается с боков (рис. 34, б). Интенсивность нагрева впереди ядра пламени увеличивается, а за ним — уменьшается.
Распределение теплового потока по пятну нагрева горелкой с различными наконечниками при перпендикулярном направлении пламени представлено на рис. 35.
При перемещении пламени относительно поверхности металла нагретые газы соприкасаются с более холодным металлом, в связи
с чем растет ввод тепла в единицу времени. Эффективная мощность пламени с увеличением расхода газа также увеличивается, но в меньшей степени, чем расход горючего. Вследствие этого эффективный к. п. д. т]и с увеличением мощности пламени падает. Значение т]„ определяется по формуле:
т)ц = -^-, (32)
Чп
Рис. 35. Распределение теплового потока пламени горелки по пятну нагрева при различных номерах наконечников
где дЭф — количество тепла, полученное металлом, в кал!сек-, дп—полная тепловая мощность
пламени, соответствующая
низшей теплотворной способности горючего (для ацетилена 12 600 кал/л).
Для ацетилена
„ Чэф __________ Чэф
,и 12 600 3,5VC ’
3600 Va
(33)
где Va — расход ацетилена в л!ч.
Результаты экспериментальных исследований дЭф и т]„ для сварочных горелок с различными наконечниками представлены на рис. 36.
На эффективную мощность пламени в наибольшей степени влияет расход горючего. Однако некоторую роль играют и другие параметры режима нагрева: угол наклона пламени к поверхности металла, скорость перемещения пламени, скорость истечения газов, значение коэффициента (3, толщина металла, его теплофизические свойства и др.
Вследствие меньшей концентрации тепла при воздействии на металл пламенем по сравнению с электрической дугой характер распределения температур в металле при нагреве пламенем является более плавным, с меньшим градиентом, а относитель
ная доля тепла, используемая на проплавление металла при сварке, уменьшается.
Полный коэффициент проплавления может быть определен из формулы
= <34>
где v — средняя скорость перемещения горелки в см/сек\
Fnp — площадь поперечного сечения металла шва в сл«2;
у — удельный вес металла в г!смл\
SnJI — теплосодержание расплавленного металла при температуре плавления в кал/г\
Va — расход ацетилена в л!ч.
ООО 800 1200 1600 2000 2400 ]/а,л!ч
Рис. 36. Эффективная мощность дэф и к. п. д. т]и при нагреве низкоуглеродистой стали (скорость перемещения горелки v— 500 мм/мин, толщина стали 6 мм)
Изменение полного к. п. д. в зависимости от толщины металла с использованием различных горелок и горючих газов при ручной газовой сварке представлено на рис. 37. Как следует из рисунка, полный к. п. д. при газовой сварке мал, и остальное тепло сжигаемого горючего составляет различные потери. Например, при ацетиленокислородной снарке стали толщиной 3 мм затраты тепла
Рис. 37. Изменение полного к. п. д. при ручной газовой сварке стали разных толщин 6:
1—ацетилено-кислородное пламя; 2—пламя пропан-бутана (Р — 3,5); 3 — водоро-дио-кислородное пламя
на нагрев свариваемого металла вокруг расплавляемой зоны (ванны, шва) составляют около 45%. При увеличении толщины свариваемого металла или его теплопроводности составляющая расхода на его нагрев вне расплавляемой зоны увеличивается.
Важное значение для проплавления металла и управления сварочной ванной имеет и механическое действие пламени, достигающее по оси пламени максимальной величины. При сварочных горелках большой мощности удельное давление газов пламени достигает 0,1 кгс/см2.
Газовая сварка ввиду ее меньшей производительности и тепловой эффективности по сравнению с дуговой применяется в основном для сварки стали малых толщин, чугуна и некоторых цветных металлов. При больших толщинах газовая сварка стали применяется только в тех случаях, когда по каким-либо причинам затруднено применение электросварки.
Основными путями повышения производительности газовой сварки является рациональное использование тепловой мощности пламени, в частности подбором мощности и регулировки, позволяющим получать хорошее качество сварки при увеличении ее скорости, а также использованием в частных случаях тепла отходящих газов.
ГЛАВА V
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ГАЗОВОЙ СВАРКЕ
§ 20. РЕАКЦИИ В РАСПЛАВЛЕННОМ МЕТАЛЛЕ
ПРИ СВАРКЕ
В процессе сварки металл соприкасается с газами пламени, а вне пламени — с окружающей средой, обычно с воздухом. В результате этого взаимодействия металл подвергается изменениям, характер которых зависит от свойств металла, способа и режима сварки.
Наибольшим изменениям подвергается металл, расплавляющийся в процессе сварки. При этом изменяется содержание
примесей и легирующих добавок в металле, а также может происходить обогащение его кислородом, а при некоторых условиях — водородом, азотом и углеродом (см. § 18). Так, при сварке стали, представляющей собой сплав железа с углеродом с присутствующими в виде примесей и добавок Мп, Si, S, Р, общая схема реакций в жидком металле сварочной ванны имеет вид, представленный на рис. 38.
Поступающая с кромок расплавляемого металла, а также образующаяся на поверхности жидкого металла закись железа раство-
Рис. 38. Схема основных реакций в расплавленном металле сварочной ванны
ряется в ванне и реагирует с различными элементами внутри сварочной ванны:
FeO + С Fe + СО — 37,3 ккал/г-мол-, (35)
2FeO + Si 77 2Fe + SiO2 + 63 ккал/г-мол-, (36)
FeO -f- Мп у-*- Fe Ц- MnO 4- 2,4 ккал/г-мол. (37)
Вероятность протекания реакций раскисления в сварочной ванне определяется сродством различных элементов к кислороду и их количеством в сварочной ванне.
Обладая в конкретных условиях большим сродством к кислороду, чем железо, Мп, Si и С в реакциях (35)—(37) могут связывать в сварочной ванне кислород: удалять его либо в виде газообразного продукта СО, либо неметаллических жидких или твердых соединений MnO, SiO2 и др. В металле ванны при этом уменьшается содержание кислорода — происходит раскисление. Такое раскисление называется осаждающим.
По мере уменьшения количества раскислителя в жидком металле вероятность его соединения с кислородом уменьшается и равновесное ему содержание кислорода увеличивается. Так, применительно к реакции (37) связь между равновесными коли-
чествами раскислителя Мп и закисью железа FeO (а следовательно, и кислорода в жидком металле) определяется формулой
[FeO] [Мп] = К = const. (38)
Качественно зависимость конечного содержания закиси же-
леза (кислорода) в сварочной ванне при показана на рис. 39.
На конечное содержание кислорода в ванне также будут влиять и количества Si, С, А1 и других раскислителей. При изменении температуры эта зависимость может смещаться либо в сторону ослабления действия раскислителя (вправо вверх), либо в сторону усиления его действия (влево вниз). Так, для экзотермических реакций раскисления марганцем и кремнием повышение температуры (+ДТ) смещает зависимость вправо вверх, при понижении температуры (—ДТ) — влево вниз. Углерод, дающий эндотермическую реак-
какой-то температуре
Содержание С,Ci,Мп
Рис. 39. Схема равновесия закиси железа с раскислителями (С, Si, Мп)
цию, при изменении температуры смещает эту зависимость в об-
ратных направлениях.
В целом увеличение количества раскислителей в ванне способствует ее освобождению от кислорода. Это обстоятельство следует
учитывать при сварке таких металлов, в составе которых раскислители практически отсутствуют (чистой меди, никеля высокой чистоты и др.), что приводит к возможности значительного окис-
Рис. 40. Растворимость водорода в железе в зависимости от температуры
ления ванны при сварке.
Основным способом введения раскислителей для осаждающего раскисления является применение присадочного металла, содержащего такие составляющие. Так, например, в присадочный металл для сварки сталей обычно вводят повышенные по сравнению со свариваемым металлом количества Мп или Мп и Si.
При сварке нежелезных металлов и сплавов применяются и другие раскислители.
При сварке следует учитывать влияние водорода. При охлаждении сварочной ванны в расплавленном металле растворяется атомарный водород, который по мере понижения температуры стремится выделиться из раствора (рис. 40). Если охлаждение металла и затвердевание (кристаллизация) происходят достаточно быстро, выделившийся водород в виде отдельных газовых пузырей (обычно на дне ванны или на неметаллических включениях,
находящихся в ванне) приводит к пористости или увеличивает поры, полученные от образования в ванне СО по реакции (35). При дальнейшем охлаждении металла водород продолжает выделяться в оставшиеся полости и пустоты у границ зерен, создавая возможность разрыва спайности зерен. Это приводит к пороку — флокенам, особенно при сварке легированных закаливающихся сталей, а иногда и при сварке углеродистых сталей с несколько повышенным содержанием углерода.
При реакции водорода с окислами металлов в процессе кристаллизации могут также образовываться нерастворимые в металле пары воды:
| МеО + Н2 = Me + Н2О. (39)
Это приводит к появлению внутренних надрывов (водородной болезни) и ухудшению механических свойств металла.
В пламени могут присутствовать SO2 или Р2О5> которые, взаимодействуя с расплавленным металлом, увеличивают в нем содержание S и Р, что может быть весьма вредным (в частности, увеличение содержания S приводит при кристаллизации к образованию горячих трещин). Поэтому при сварке металлов, чувствительных к таким загрязнениям (например, Ni в отношении S), количество вредных примесей в пламени необходимо сводить к минимуму, применяя только очищенный ацетилен.
§ 21. ФЛЮСЫ
В ряде случаев количество окислов, получающихся при сварке или пайке металлов, является столь значительным, что мешает получению хорошего сварного (или паяного) соединения.
С целью получения качественных соединений в таких случаях применяют флюсы. Флюсы — это вещества, которые вводятся в реакционное пространство при выполнении сварки или пайки для предотвращения окисления кромок твердого металла, извлечения, из жидкого металла окислов и неметаллических включений, а иногда и для частичного ввода в расплавленный металл благоприятно действующих элементов. Будучи в основной своей части нерастворимыми в металле, расплавленные флюсы образуют на поверхности металла пленку шлака, предохраняющую его от непосредственного воздействия газов пламени и воздуха.
Освобождение металла от окислов воздействием флюса может быть осуществлено посредством физического растворения окислов, химического связывания окислов в комплексные соединения и введения посредством флюса раскислителей.
Принцип физического растворения можно представить следующим образом. Если расплавленный металл покрыт шлаком, состоящим из окисла этого же металла, то количество растворенного окисла в металле определяется константой распределения. Для
каждого конкретного металла (Me) такая константа применительно к равновесию системы для постоянных условий (температуры жидкого металла и шлака) имеет определенную величину. Эта величина константы (Емео) определяется отношением концентрации свободного окисла в шлаке (МсО)ш и его концентрации в расплавленном металле [МеО]Л
Емео =
(МеО)ы<
[МеО]Л '
(40)
В этом случае любая добавка к шлаку (даже инертной примеси) уменьшит концентрацию (МеО)ш, и часть окислов из металла перейдет в шлак, уменьшая соответственно {МеО|м. В качестве таких физических растворителей используется ряд галлоидных солей: CaF2, NaF и др.
Большое значение имеет химическое связывание растворимых в металле вредных окислов в комплексные нерастворимые в металле желательно более легкоплавкие соединения и соли. Так, FeO растворим в расплавленном Fe и оказывает вредное действие на металл. Являясь основным окислом, FeO может образовывать комплексные соединения с кислыми окислами, например с SiO2;
FeO + SiO27TFeO-SiO2; (41)
2FeO 4- SiO2T± (FeO)2-SiO2. (42)
Эти комплексные соли нерастворимы в металле и уходят в шлак. Таким образом происходит раскисление металла, которое называется диффузионным.
Для того чтобы связать большее количество окислов основного типа, необходимо во флюсе (шлаке) иметь также большее количество свободных кислых окислов, а образующиеся комплексные соединения должны быть достаточно стойкими, не распадаться, не диссоциировать.
При газовой сварке и пайке в целях интенсификации связывания основных окислов (FeO, Cu2O и др.) в комплексные соединения обычно используют не относительно тугоплавкий кислый окисел SiO2, а окись бора В2О3. Для этого в состав флюсов вводят борную кислоту Н3ВО3.
Если при сварке сплава (например, чугуна) образуется значительное количество кислых окислов (SiO2 при окислении Si), то для их связывания надо вводить сильные основные окислы — основания (К2О, Na2O и др.). С этой точки зрения полезно введение в качестве флюса буры (Na2B4O7), которая при разложении выделяет Na2O.
В качестве основных флюсов также используются углекислые соли натрия и калия. Связывание кислых окислов можно видеть на примере следующей реакции:
2К2СО3 4- SiO2 = (К2О)2 • SiO2 4- 2СО2. (43)
Введение раскислителей посредством флюсов имеет место, например, при сварке меди, когда применяются фосфорнокислые легко распадающиеся при сварочных температурах соли. Освобожденный при этом фосфор восстанавливает окислы меди (см. § 31).
При сварке Al, Mg и сплавов на их основе раскислить окислы практически не удается, и для удаления А12О3 и MgO применяются флюсы на базе галлоидных соединений щелочных металлов (см. § 34, 35). Для того чтобы флюсы были достаточно активными при температурах процесса сварки (или пайки), они должны находиться либо в газообразном, либо в жидком состоянии, т. е. должны иметь температуру плавления ниже температуры процесса сварки (пайки).
Флюсы вводятся в реакционное пространство непосредственно (насыпаются рукой или ложкой) либо предварительно наносятся на кромки основного металла в виде раствора или пасты, либо вводятся совместно с присадочным металлом или припоем. Разработаны специальные устройства (например, КПФ-1-56 с горелкой ГАФ-1-56) для пневматической подачи порошкообразного флюса непосредственно в пламя.
Для сварки, наплавки и пайки некоторых цветных металлов и сплавов разработаны газообразные флюсы, представляющие собой легко испаряющуюся борорганическую жидкость, которая в виде дозированного количества паров смешивается с горючим газом, при его пропускании через бачок с жидкостью. В этом случае применяется специальная установка КГФ-1.
Флюсы, как правило, замедляют сварку, увеличивают ее стоимость и поэтому должны применяться только в тех случаях, когда без них нельзя получить доброкачественных соединений.
§ 22. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
И ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛА ШВА
И ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ
В процессе газовой сварки кроме расплавления металла сварочной ванны происходит нагрев и основного свариваемого металла до достаточно высоких температур, приближающихся к температуре плавления на границе раздела со сварочной ванной. Поэтому при сварке одновременно происходит ряд сложных процессов, связанных:
1) с расплавлением металла, его взаимодействием с газами и шлаками, а также последующей кристаллизацией;
2) с нагревом и охлаждением металла в твердом состоянии как в пределах шва, так и в основном металле, в зонах, прилегающих к шву.
Расплавленный металл сварочной ванны представляет в общем случае сплав основного и присадочного металлов. В результате
воздействия газов пламени или флюсов расплавленный металл ванны иногда изменяет свой состав. По мере удаления сварочного источника тепла металл затвердевает (кристаллизуется) в задней части ванны. Как и во всех случаях сварки плавлением, кристаллизация металла осуществляется на зернах основного металла, выходящих на границу сплавления и являющихся как бы «подкладкой» для кристаллизующегося расплавленного металла.
Более медленный прогрев при газовой сварке по сравнению с дуговой сваркой приводит к большому росту зерен нерасплав-
4 Г0.М
Рис. 41. Схема долевого участия расплавленного основного и наплавленного металла в металле однопроходного шва
газовой сварке. Поэтому
ленных кромок основного металла и, следовательно, к уменьшению их числа на единице поверхности границы сплавления в момент ее контакта с жидким металлом. Это уменьшает число зерен «подкладки», на которой кристаллизуется металл ванны, что способствует более крупнозернистому строению литого металла шва. Крупнозернистому строению первичной кристаллизации также способствуют умеренные скорости охлаждения при
первичная структура при газовой сварке, как правило, является худшей, чем при дуговой сварке.
Несмотря на замедленную кристаллизацию ванны при газовой сварке ликвация в металле шва почти отсутствует, хотя некоторая слоистость в расположении ликвирующих примесей имеет место. В связи с этим химический состав металла сварного шва в различных микрообъемах при сварке в один проход можно считать примерно равномерным. Средний химический быть
определен по формуле
[XL. ш —
т [-Х]<,. м~\~ п [Х]пр от + п
состав шва может
(44)
где [X1*. ш, (Х]о. м, (Х]пр — концентрация элемента X соответственно в металле шва, основном металле и присадочном; т — доля расплавленного основного металла в металле шва, равная
п — доля наплавленного присадочного металла в металле шва, Fh М равная =-------.
Го. М -Г Гн. М
В связи с относительно незначительным окислительным влиянием газового пламени на выгорание различных примесей в ме
талле формула (44) позволяет достаточно точно определить средний химический состав шва по всем элементам, кроме имеющих весьма большое сродство к кислороду (например, Al, Ti, С и в некоторой степени Si при сварке стали), содержание которых в шве обычно оказывается ниже, чем рассчитанное по формуле (44).
Закристаллизовавшийся металл сварочной ванны, образующий металл шва, имеет структуру литого металла с вытянутыми достаточно крупными кристаллитами, направленными от зерен-подкладок основного металла к центру шва.
Микроструктура металла швов, кроме того, зависит и от вторичных процессов перекристаллизации, определяемых как составом металла, так и скоростью его охлаждения после затвердевания.
Металл, не расплавлявшийся при сварке, т. е. оставшийся при сварке в твердом состоянии, но нагревавшийся до тех или иных температур, как правило, в определенной зоне меняет свою структуру. Всю область основного металла, изменившего в результате сварки свою структуру и свойства, называют зоной термического воздействия.
Рассмотрим как типичный случай изменение структуры в зоне термического воздействия при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Всю зону термического воздействия (влияния) можно разделить на ряд участков, характеризуемых различными структурами, определяемыми главным образом их максимальной температурой нагрева в условиях сварки.
Общая схема изменения структуры основного металла углеродистой стали с содержанием углерода ~0,2% в зоне термического влияния показана на рис. 42. Изменения структуры связаны с диаграммой состояния Fe—С и кривой максимальных температур, достигаемых различными участками этой зоны при сварке.
Непосредственно к металлу шва прилегает участок зоны термического влияния, в котором металл нагревался ниже температуры ликвидус (температура полного перехода металла в жидкое состояние) и выше температуры солидус (температура появления начальных порций жидкости в твердом металле), т. е. при сварке металл в этом участке находился в двухфазном твердо-жидком состоянии. Ширина этого участка неполного расплавления зависит от температурного перепада солидус-ликвидус и интенсивности спада максимальных температур от шва в околошовную зону. При газовой сварке низкоуглеродистых сталей она составляет около 0,2 мм, а для стали, содержащей около 0,5% С, примерно 0,6 мм. Этот участок имеет, как правило, крупнозернистую структуру с видманштедтовой ориентацией ферритных выделений. По существу этот участок является переходным от металла шва к основному и его называют зоной или (при малой его ширине) границей сплавления.
Следующий за ним участок перегрева характеризует область металла, который не расплавлялся, но нагревался до температур, близких к солидусу (например, при сварке сталей выше 1100— 1200° С). Здесь происходит процесс перекристаллиза-ц и и металла в твердом состоянии, и обычно этот участок имеет также крупнозернистое строение (даже у закаливающихся при сварке сплавов зерна неравновесной структуры в этой зоне являются достаточно грубыми).
Рис. 42. Схема структур шва и зоны термического влияния низкоуглеродистой стали (С~ ~0,2%), связанная с кривой максимальных температур и диаграммой состояния Fe—С
Ширина этого участка при газовой сварке значительно больше, чем при дуговой сварке.
При сварке незакаливающихся сталей участок перегрева постепенно переходит в участок нормализации. Структура здесь дезориентирована даже при сварке прокатанного металла и мелкозернистая. При сварке сталей с малой критической скоростью охлаждения (закалки) этот участок и участки, расположенные ближе к шву, обычно имеют структуру закаленного металла и обладают относительно низкой пластичностью.
Еще дальше от шва расположен участок неполной перекристаллизации, имеющий в незакаливающихся сталях структуру с некоторым измельчением перлитных образований, а в закаливающихся — структуру неполной закалки.
Общая ширина участков околошовной зоны при газовой сварке сталей составляет примерно от 8 мм (при сварке металла малой толщины) до 25 — 28 мм (при сварке металла средних и больших толщин). Металл околошовной зоны в связи с изменением
структуры в различных участках имеет различные механические свойства.
При сварке металла с напряженной структурой зона изменения структуры и свойств, как правило, распространяется в область и более низких температур и, следователрно, имеет еще большую ширину. Так, при сварке холоднокатаных сталей или холодноштампованных деталей появляется участок рекристаллизации, ограничиваемый температурой нагрева около 500°С. Металл в этом участке крупнозернистый и легче разрушается, чем металл соседних зон.
При сварке предварительно закаленных деталей сварочный нагрев приводит к отпуску. Ширина участка отпуска закаленных сталей при сварке ограничивается температурой нагрева 200— 250° С. В этой зоне исходные свойства закаленного основного металла несколько снижаются.
Характер изменения структур других металлов и сплавов зависит от их состава, диаграммы состояния и состояния металла перед сваркой. Так, например, при сварке металлов и сплавов, не имеющих аллотропных превращений при нагреве до температур плавления и охлаждения, зона термического влияния характеризуется постепенным укрупнением зерна по мере увеличения максимальных температур при выполнении снарки (т. е. от основного металла к границе сплавления). Иногда в зоне термического влияния выпадают особые фазы—карбиды, интерметаллиды и пр.
Для улучшения структуры и свойств сварных соединений, выполненных газовой сваркой, в некоторых случаях применяется термомеханическая обработка (обычно горячая проковка швов) и общая или местная термообработка. Местная термообработка часто производится с применением нагрева пламенем той же сварочной горелки.
§ 23. НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ
ПРИ МЕСТНОМ НАГРЕВЕ МЕТАЛЛА
Деформации и напряжения, возникающие при местном нагреве, определяются тем, что нагревающийся и охлаждающийся после этого металл не может свободно удлиняться и сокращаться. В простейшей схеме нагрева (рис. 43, а, б) с температуры 7\ до Т2 например круглого стержня диаметром d на длине I, должно произойти тепловое удлинение
Д/ = /а(Г2-Т\), (45)
где а — коэффициент линейного теплового _ расширения (для низкоуглеродистой стали а=&12-10в 1/град).
Если такой стержень в процессе нагрева закрепить по концам абсолютно жесткими стенками, то его удлинение происходить не сможет и в нем возникнут напряжения сжатия. Величина этих
напряжений о (в кгс/лии2) может быть определена в упругой области в соответствии с законом Гука:
о = Ее = £-у-, (46)
где Е — модуль нормальной упругости (для стали равный 2-106 кгс/см2).
Рис. 43. Схема развития деформаций и напряжений при местном нагреве металла при исключении его свободного теплового расширения:
а — нагреваемый образец; б — условное поле распределения температур при нагреве; в — связь деформаций и напряжений при нагреве и охлаждении образца со значениями его предела текучести сжатия и растяжения в зависимости от температуры
Тогда, согласно уравнению (45)
о = Ей (Т2 — 7\) = ЕаЛТ, (47)
т. е. напряжения будут линейно возрастать с ростом температуры Т 2.
Рост этих упругих напряжений показан прямой 0А1 на рис. 43, в. При некоторой температуре Т% они достигнут предела 97
текучести сжатия аг и дальнейший нагрев приведет к процессу пластической деформации и пластического течения. Такая температура Тч при нагреве от 7\ = 0° С для низкоуглеродистой стали равна
гр _ °г ________2400______ . лло р
'2 — £а — 2- 10е-12-10-« —
Нагрев выше этой температуры при течении металла будет сохранять в нем уровень напряжений величиной ог зависящих от температуры, т. е. будет происходить по кривой Л1Л2Л3, приводя к увеличению диаметра стержня в месте нагрева на большую величину Ач, чем это определяется его тепловым-расширением. Если, например, такой стержень нагреть до температуры Тг, то в нем произойдут пластические деформации от Л! до Л2.
В случае прекращения нагрева металл на участке I начнет охлаждаться. Если бы стержень был при этом освобожден от закреплений, то он сокращался бы по линейному закону, подобному прямой 0Alt т. е. по штриховой линии Л2В2. В конечном состоянии, при достижении температуры Тг, он укоротился бы на вели-чину —j—, а его диаметр остался бы большим, чем А.
В случае, если бы закрепления действовали и в процессе охлаждения, в нем сначала бы снижались имеющиеся напряжения сжатия, при какой-то температуре Тк (рис. 43, в) они стали бы равны нулю, а дальнейшее охлаждение от Тк до Тг привело бы к появлению напряжений растяжения, т. е. к наличию в стержне остаточных напряжений растяжения равных о'.
Соответственно при начальном нагреве до температуры Тч пластические деформации, определяемые сжатием, были бы на большем участке АгАа. Сокращение свободного стержня к тем-пературе Тг составило бы: —j— _> —j—. Напряжения сжатия в закрепленном стержне снижались бы при охлаждении до температуры Тк, а при дальнейшем охлаждении при некоторой температуре выше Ту достигли бы (точка С3) напряжений растяжения равных пределу текучести растяжения и при дальнейшем охлаждении до Ту сохраняли бы напряжения о = от при прохождении пластических деформаций, характеризуемых участком С3С. В этом случае остаточные напряжения в металле стержня, остывшем до начальной температуры Ту, были бы равны пределу текучести растяжения, вызывая соответствующую уравновешивающую реакцию в опорах.
Если закрепление стержня было бы не абсолютно жестким, а обладало бы некоторой податливостью, то схема возникновения напряжений и деформаций осталась бы такой же, но наклон прямой ОАу был бы другой, т. е. точка А у смещалась бы к более вы
сокой температуре, чем 7г, т. е. в направлении А2А3А4. По существу даже весьма податливые опоры вызывают в металле появление пластических деформаций при практической, потере им упругих свойств к точке А4, когда его предел текучести становится близким к нулю. Такая температура для низкоуглеродистой стали равна примерно 600° С.
В связи с тем, что при сварке, а также в случаях применения других методов газопламенной обработки, всегда возникают местные нагревы до таких и более высоких температур, то как в процессе нагрева, так и после полного охлаждения в результате проходящих пластических деформаций сжатия и растяжения, изделие получает искажение размеров (деформации, коробления) Кроме того, в таком изделии имеются конечные остаточные напряжения растяжения в области имевшей нагрев, компенсируемые реакцией закреплений или зон напряжений сжатия в областях, окружающих нагревавшийся участок металла.
Поскольку в, курсе «Технология электрической сварки плавлением» схема появления и развития деформаций и напряжений рассматривается достаточно подробно, отметим здесь только основные особенности, связанные с выполнением газовой сварки или других методов газопламенной обработки металлов.
В результате менее концентрированного ввода тепла по сравнению с дуговой сваркой объем металла при газовом нагреве значительно больше, чем при дуговой сварке. Это в первую очередь приводит к значительному увеличению временных деформаций, т. е. имеющих место в период выполнения самой сварочной операции.
Временные деформации в ряде случаев становятся столь большими, что мешают нормальному ведению процесса сварки. При этом кромки, подлежащие сварке, расходятся на значительные расстояния. В этих случаях, например при сварке тонколистового металла встык и внахлестку, в самом процессе сварки приходится применять правку местным прижимом или ударами.
Развитие деформаций по времени происходит с опережением выполнения самого шва, в связи с чем соединяемые сваркой элементы получают невозвратимые искажения. Суммируясь с деформациями, происходящими при последующем охлаждении, общие конечные деформации после газовой сварки дают, как правило, большее искажение формы сварных узлов, чем при дуговой сварке. Применение жестких закреплений элементов перед газовой сваркой в большинстве случаев не приводит к улучшению. Действительно, закрепления вне шва при нагреве приводят к пластическому сжатию в значительной зоне вблизи шва, которое может даже увеличить деформации. Если же закрепления располагать вблизи свариваемых кромок, то большие пластические ''деформации сжатия, полученные при нагреве, могут привести к разрушению сварного соединения при охлаждении.
Согласно разработанной проф. Н. О. Окербломом теории сварочных деформаций и напряжений, при режимах нагрева в-условиях газовой сварки после охлаждения в районе шва могут появляться сжимающие напряжения, которые при сварке листового материала могут привести к бухтинам вследствие потери устойчивости.
При газовой сварке недостаточно жестких сварных конструкций основные затруднения обычно связываются с получением надлежащей формы изделий.
При газовой сварке швов в жестких контурах возможность возникновения трещин увеличивается в связи с большей областью пластических деформаций металла при нагреве.
ГЛАВА VI
ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ГАЗОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ
§ 24. ТИПЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
И ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА ПОД СВАРКУ
В процессе сварки плавлением происходит расплавление основного, а в большинстве случаев и присадочного металлов. Регулирование степени расплавления присадочного металла при газовой сварке может быть осуществлено в весьма широких пределах. Степень расплавления основного металла определяется мощностью пламени, геометрическими размерами и теплофизическими свойствами металла.
Обычными сварочными горелками возможно в один проход проварить металл ограниченной толщины (для стали эта толщина около 15 мм). Однако без ущерба для производительности сварки проплавление основного металла лучше осуществлять на меньшую глубину (например, для стали до 4—5 мм). В то же время сварка тонкого металла (менее 0,8—1 мм) является затруднительной в связи с сильным его расплавлением. Поэтому при сварке применяется специальная подготовка кромок.
Основным типом сварного соединения является стыковое. При газовой сварке помимо стыковых часто применяются торцовые и угловые соединения (рис. 44). Стыковые соединения с отбортовкой кромок и торцовые соединения обычно свариваются без присадочного металла. Угловое соединение с наружным швом выполняется как с присадочным металлом, так и без него.
Соединения тавровые и внахлестку применяются при газовой сварке только для небольших толщин, так как при увеличении
толщины резко ухудшается выполнение самой сварки, в связи
с неравномерностью прогрева кромок и значительными короблениями при сварке. Сварка подобных соединений производится угловыми швами (рис. 45). При этом используются в основном
вогнутые (облегченные) швы, широко применяемые в авиационной промышленности как более стойкие при знакопеременных нагрузках и дающие меньшие коробления.
В целях получения доброкачественных сварных соединений
Рис. 44. Типы сварных соединений и характерные формы подготовки кромок под сварку:
Рис. 45. Сечения угловых швов различных типов:
а — выпуклый; б — нормальный; в — вогнутый (облегченный)
Рис. 46. Схема последователь-
ности выполнения прихваток:
а — на стыковом продольном шве; б — на кольцевом
а — стыковые соединения; б — угловые и торцовые соединения
металл на кромках и вблизи от них (до 30—50 мм) должен быть перед сваркой зачищен от различных загрязнений (толстого слоя окислов, жировых пятен и пр.). Эта очистка производится либо механическими способами (пескоструйной очисткой, ручными или механизированными стальными щетками), либо химической очисткой. Иногда перед очисткой деталей щеткой производится
прогрев газовым пламенем, отделяющий окислы от металла и сжигающий ряд других загрязнений.
Обычно перед сваркой осуществляется совместно со сборкой и закрепление элементов, подлежащих сварке, различными приспособлениями, а чаще всего прихватками (короткими швами). Общий принцип расположения прихваток показан на рис. 46.
При сварке длинных швов незакрепленных листов во избежание недопустимых деформаций сборка иногда выполняется с расширяющимся зазором (с разведением концов). Подготовка кромок, сборка и выполнение прихваток во многом определяют качественное выполнение сварки.
§ 25. РЕЖИМ И ТЕХНИКА
ВЫПОЛНЕНИЯ ГАЗОВОЙ СВАРКИ
Эффективность выполнения процесса газовой сварки определяется режимом сварки (мощностью пламени, скоростью сварки, диаметром присадочного металла) и техникой сварки (включающей расположение горелки и присадочного металла по отношению к свариваемому металлу, а также движение горелки и присадочного металла).
Мощность пламени определяется количеством сжигаемого в единицу времени горючего и обычно измеряется в л/ч.
Из практики установлено, что необходимая для сварки мощность пламени Va примерно пропорциональна толщине свариваемого металла:
Va = k8, (48)
где 6 — толщина металла в мм;
k — коэффициент пропорциональности (л/ч-мм), равный для низкоуглеродистой стали 100—130, для чугуна и нержавеющей стали 75—100, для алюминия 100—150, для меди 150—225.
Средняя скорость перемещения пламени (v в м/ч) по отношению к свариваемому металлу при ручной сварке на установившемся режиме прогрева и расплавления свариваемого металла также зависит от толщины:
об = А, (49)
где А — коэффициент, зависящий от свойств свариваемого металла и в некоторой степени от толщины (для стали средних толщин А = 12 +15; для никеля А =9 + 11).
Диаметр присадочного металла (обычно в виде прутков проволоки или литых стержней) выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла и его теплофизических свойств. В большинстве случаев диаметр присадки d берется от до о.
сварки также зависят от этого
Рис. 47. Левый (а) и правый (б) способы сварки
Большое значение для получения швов хорошего качества имеет техника сварки, позволяющая при сварке правильно вводить и распределять тепло в свариваемом изделии, проплавлять свариваемые кромки и присадочный металл, управлять жидким металлом сварочной ванны.
Распределение тепла, вводимого в свариваемое изделие, и влияние механического действия пламени зависят от угла наклона оси пламени к поверхности свариваемого металла (<р). Проплавление основного металла и скорость угла. При малом значении угла <р пламя как бы скользит по поверхности металла, мало его проплавляя, но, подогревая находящийся впереди металл, способствует его тепловой подготовки для последующего расплавления. При значении <р близком к 90° глубина проплавления увеличивается, а степень тепловой подготовки еще нерасплавленного металла уменьшается. В связи с этим сварка металлов малых толщин производится при малом значенииугла <р.
При сварке больших толщин расположение горелки изменяют, направляя пламя более вертикально. Ниже приводятся ориентировочные углы наклона пламени при сварке сталей:
Толщина свариваемой стали в мм 1 1—3 3—5 5—7 7—10 10—12 12—15 15
Угол наклона пла-
мени <р в град 10 20 30 40 50 60 70 80
При сварке легких металлов (алюминия, магния) угол наклона <р должен быть небольшим, чтобы избежать выдувания металла из ванны механическим действием пламени.
В процессе выполнения шва угол наклона пламени может меняться. В начале сварки, когда основной металл еще не подогрет, требуется держать угол <р большим, уменьшая его до нормальной величины в процессе сварки по мере разогрева свариваемого металла.
Важным фактором, влияющим на эффективность газовой сварки, является выбор способа, определяемого взаимным расположением пламени и присадочного металла по отношению к направлению сварки.
Существует два способа сварки: левый и правый.
При левом способе сварки (рис. 47, а) пламя направляется вперед на еще не сваренные кромки основного металла и располагается между сваренным участком шва и приса
дочным металлом. В этом случае кромки, подлежащие сварке, предварительно подогреваются как непосредственно пламенем, так и теплом, распространяющимся в результате теплопроводности металла. Этот способ эффективен при малой толщине (для стали при 6 «С 4 мм) и позволяет получить большую скорость сварки.
При правом способе (рис. 47, б) пламя направлено в сторону уже сваренного участка шва, а присадочный металл расположен между пламенем и сваренным участком шва. В этом
Рис. 48. Траектории .перемещения горелки (сплошные линии) и присадки (штриховые) при сварке стали в нижнем положении (римскими цифрами отмечены места задержек пламени; арабскими — присадочного металла)
случае впереди лежащие кромки пламенем не подогреваются, но ввод тепла в сварочную ванну оказывается более эффективным, особенно при наличии разделки кромок, так как ядро пламени можно ближе подвести к поверхности расплавляемого металла. Этот способ эффективнее при больших толщинах металла (для стали при б > 5 мм).
При правой сварке металл шва в процессе охлаждения омывается пламенем и остывает несколько медленнее. Это позволяет в ряде случаев получать швы с лучшими свойствами металла, чем при левой сварке.
Выполнение швов при правом способе сложнее и требует соответствующих навыков сварщиков.
Для достижения наибольшей производительности труда при минимальной затрате материалов, в частности горючего, необходимо стремиться к максимальному сокращению тепловых потерь. Практика ручной газовой сварки показывает, что производительность труда сварщиков в зависимости от технических приемов может меняться на 30-—50%.
Рис. 49.' Выполнение вертикального шва двойным валиком
= 4+5 мм) и рис. 48, в (для
Технические приемы сварки (включающие перемещения горелки и присадки) зависят от расположения шва в пространстве, формы подготовки кромок, толщины и свойств свариваемого металла.
Наиболее просто выполняются нижние швы, т. е. швы, расположенные на верхней горизонтальной плоскости свариваемого изделия. При выполнении нижнего шва с отбортовкой кромок (или торцового) применяется левая сварка, причем траектория перемещения горелки должна быть прямолинейной, без поперечных колебаний. При загрязненном металле для улучшения сплавления иногда приходится применять продольно-колебательные движения горелкой в вертикальной плоскости. При левой сварке стыковых швов при 6 = 2-^3 мм, выполняемой без присадочного металла, применяются поперечные колебания горелки (рис. 48, а).
При увеличении толщины металла стыковые швы выполняются левой сваркой с применением присадочного металла, как указано на рис. 48, б (для 6 6 > 5 4-6 мм).
Правая сварка при толщинах около 5—6 мм характеризуется в основном поперечными колебаниями присадки, а при больших толщинах — и горелки, и присадки (рис. 48, г). В последнем случае как пламя, так и присадка подводятся к кромкам синхронно, в отличие от левой сварки, когда пламя и присадка, как правило, располагаются на противоположных кромках (рис. 48, б и в).
Вертикальные швы (т. е. швы, расположенные отвесно на вертикальной плоскости), выполняются либо сверху вниз (при малых 6), либо снизу вверх. Сварка сверху вниз выполняется правым способом; сварка снизу вверх выполняется как левым, так и правым способами.
При сварке толщин 2—8 мм весьма эффективной является сварка двойным валиком. При этом способе в нижней части стыка проплавляется сквозное отверстие. Пламя, располагаясь в этом отверстии и постепенно поднимаясь снизу вверх, расплавляет верхнюю часть отверстия. Этим расплавленным и присадочным металлом заполняется ванна, образующаяся на нижней поверхности этого отверстия (рис. 49).
При сварке горизонтальных швов (швов, расположенных горизонтально на вертикальной плоскости) металл ванны стремится стечь на нижнюю кромку. Поэтому сварку обычно выполняют
правым способом (используя механическое поддерживание пламенем). При этом ванну держатчнесимметрично (с перекосом) по отношению к свариваемым кромкам (рис. 50).
Потолочные швы (швы, выполняемые на горизонтальной плоскости снизу, над головой сварщика) лучше формируются при правой сварке.
Во всех случаях весьма важным является использование при-
садочного металла:
1) для регулирования температуры ванны, которое осуществляется погружением и извлечением из нее присадки;
2) для защиты от расплавления кромок уже сваренного участка шва при правой сварке;
3) для поддержания ванны присадкой (при сварке горизонтальных и потолочных швов).''
Рис. 50. Выполнение горизонтального шва
§ 26. ПОРОКИ СВАРКИ,
СВЯЗАННЫЕ С ТЕХНИКОЙ ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЯ
Большинство пороков сварных швов связано с техникой выполнения сварки. Рассмотрим основные из них.
Непровар — недостаточное сплавление или отсутствие сплавления кромок основного металла с металлом шва. Причинами непровара являются: неправильный выбор мощности пламени и скорости сварки; неправильное распределение тепла между кромками, а также неправильная разделка кромок (малый угол скоса, большое притупление); малый зазор или значительная загрязненность кромок окислами. Виды непроваров представлены на рис. 51.
Подрез (рис. 52, а) является следствием избыточного расплавления кромок основного металла при недостаточном количестве наплавляемого присадочного металла.
Наплыв (рис. 52, б) вызывается недостаточным прогревом и расплавлением верхней части кромок; наплывы в ряде случаев сопровождаются скрытым непроваром кромок.
В рцде случаев недостаточное расплавление присадочного металла приводит и к ослаблению сечения шва (рис. 52, в), что для большинства стыковых швов является недопустимым.
Сквозной прожог — порок, который может получаться при значительном нагреве основного (главным образом тонкого) металла у недостаточно квалифицированного сварщика.
Незаделанные кратеры в концах швов — порок, вызываемый невнимательностью сварщика.
Наплывы, подрезы, недостаточное сечение швов, незаделан-ные кратеры (и некоторые виды непроваров и прожогов) могут быть обнаружены при внешнем осмотре и замерах. Для обнаружения непроваров в большинстве случаев необходим, кроме того,
осмотр швов с обратной стороны.
Пороки, обнаруживаемые при внешнем осмотре, называются наружными. В сварных швах, кроме наружных пороков, могут быть и внутренние, не обнаруживаемые при внешнем осмотре.
К внутренним порокам, помимо некоторых видов непроваров, относятся шлаковые включения и пористость.
Шлаковые включения появляются: при применении пламени с избытком кислорода; при недостаточном перемешивании ванны присадочным металлом; при слишком
Рис. 51. Виды непроваров в стыковых швах (а) и тавровых соединениях (б)
Рис. 52. Виды некоторых внешних пороков швов: а — подрез; б — наплыв; в — неполное сечение ш^а
быстром застывании ванны- вследствие недостаточного прогрева металла и т. д. Кроме того, причиной таких включений могут являться значительные загрязнения основного и присадочного металла и неправильное использование флюсов.
Пористость шва получается в результате выделения газов при охлаждении, когда они не успевают удаляться из металла. Причиной пористости при газовой сварке является непра
вильная регулировка пламени и чрезмерно быстрое остывание ванны в результате неправильной техникй сварки.
Совершенно недопустимым пороком являются трещины, вызываемые низкими сварочными свойствами свариваемого металла, качеством присадочного металла, в частности его загрязнением различными примесями, а также неправильной технологической последовательностью сборочных и сварочных операций.
Кроме пороков макроструктуры, в сварных швах, выполненных газовой сваркой, иногда имеются и пороки микроструктуры, из которых наиболее характерными являются перегрев и пережог.
Перегрев связан с длительным воздействием нагрева и, как правило, приводит к весьма крупнозернистой структуре как металла шва, так и околошовной зоны основного металла. Такой крупнозернистый металл обладает худшими механическими свойствами.
Структура перегретого металла может быть исправлена общей или местной термической обработкой.
Пережог связан также с длительным нагревом и, кроме того, с окислительным действием пламенй, приводящим к расположению окисных включений по границам зерен. Пережог резко ухудшает свойства металла и не мо>«ет быть устранен последующей термической обработкой. При его обнаружении швы должны быть удалены и переварены внойь.
§ 27. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГАЗОВОЙ СВАРКИ
В ряде случаев применения сварки принципиально важным направлением является автоматизация и механизация процесса. Для газовой сварки в ее современном применении этот путь хотя и возможен, но не находит широкого применения в связи с заменой газовой сварки другими процессами в массовом производстве, в которых оправдывается применение специализированных автоматов.
При индивидуальных и мелкосерийных работах применение специализированных автоматов нерационально, поэтому следует рассмотреть пути возможного повышения производительности ручной газовой сварки, используемые сварщиками-передовиками.
При ручной сварке возможно применение больших мощностей пламени, чем используются обычно [см. формулу (48)]. Однако это требует высокой квалификации сварщиков и приводит к повышению производительности труда примерно на 20% при увеличении мощности пламени около 50%. Вопрос о рациональности применения этого метода должен решаться в каждом частном случае.
Применение жесткого пламени (т. е. пламени с повышенными скоростями истечения горючей смеси из горелок) приводит к большей концентрации нагрева и тем самым-К увеличению произво
дительности сварки. При этом скорость истечения при универсальных горелках может быть предельно увеличена на 20—30% от нормальных скоростей истечения. Сварка жестким пламенем еще более затруднительна, чем сварка пламенем повышенной мощности, в связи с усиленным выдуванием металла из сварочной ван^ы.
Более эффективным является применение «активированного» пламени, т. е. пламени с несколько повышенным количеством кислорода. При этом одновременно с повышением эффективности прогрева и расплавления будет происходить и окисление расплДВ-ленного металла. Для раскисления жидкого металла необходимо в ванну вводить достаточное количество раскислителей (при сварке углеродистых сталей обычно Si и Мп), которые, как правило, вводятся с присадочным металлом (например, для стали применяется присадочная проволока с содержанием Si 0,5—0,8% и Мп 0,8—1%). Добиваясь повышения производительности сварки, следует учитывать увеличение стоимости присадочного металла.
Распространенными формами повышения производительности газовой сварки являются также использование местного или общего предварительного подогрева перед сваркой с применением дешевого топлива (печи на коксовом газе, горны и пр.)'. Эти методы особенно эффективны при массовом производстве или ?а-ъарте брата кита деталей.
Некоторые сварщики при сварке мелких деталей, умело располагая их на сварочном (обычно поворотном) столе, используют для предварительного подогрева тепло отходящих газов пламейИ, подогревающих следующую деталь при сварке предыдущей. Это приводит к повышению производительности сварки на 20— 40% без какого-либо увеличения расхода материалов.
Рациональные методы повышения экономичности газовой сварки должны изыскиваться в каждом отдельном случае ее применения.
ГЛАВА VII
СВАРКА СПЛАВОВ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ
§ 28. СВАРКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
К низкоуглеродистым сталям относятся стали, содержание углерода в которых столь невелико, что оно не производит заметного изменения свойств железа. Так, например, к этой группе по металлургическим основаниям можно отнести стали с содержанием углерода до 0,18% (практически до —0,25%).
Железо при высоких температурах достаточно легко окисляется, причем образующаяся закись железа FeO имеет темпе-
ратуру плавления 1370° С, растворяется в расплавленном железе в количестве около 0,9% и выпадает йз раствора при затвердевании.
Присутствие закиси железа в твердой стали сопровождается явлением красноломкости (которая также усиливается серой), некоторым снижением прочностных свойств и при расположении слоями (как при кристаллизации сварочной ванны) —унижением пластических рочной ванне значительных
Рис. 53. Схема длительности интервала кристаллизации чистого железа (а) и углеродистой стали (б). Точка А соответствует окончанию затвердевания
свойств и ударной вязкости. Наличие FeO в сва-при сварке низкоуглеродистых сталей не вызывает затруднений, однако при значительном количестве закиси железа" рекомендуется ее флюсование.
Расплавленное железо растворяет различные газы, но в условиях газовой сварки металл шва после охлаждения содержит относительно малые количества и азота, и водорода. Это определяется тем, что в пламени концентрация азота и водорода невелика и растворившиеся в металле количества этих газов успевают удалиться при кристаллизации.
Так как расплавленное железо является достаточно вязкой жидкостью и хорошо смачивает твердые нагретые кромки, сварку его можно осуществлять при любом положении шва в пространстве.
Повышение содержания углерода ухудшает сварочные свойства сталей, приводит к порокам в шве, способствует образованию крупнозернистой структуры металла, особенно вблизи границы сплавления, и хрупких прослоек в околошовной зоне, а иногда и в самом шве. Все это затрудняет получение сварных соединений, равнопрочных с основным металлом.
Вследствие повышенного содержания углерода в ванне при наличии FeO образуется значительное количество окиси углерода: FeO + С = Fe + СО. (50)
Наличие СО в ванне может привести к пористости шва,-в связи с чем рекомендуется уменьшать исходное содержание углерода в ванне, применяя присадку с меньшим его содержанием, чем в основном металле.
Укрупнение структуры при кристаллизации углеродистой стали с повышенным содержанием’ углерода вызывается увеличением интервала ее затвердевания (рис. 53), в течение которого наиболее интенсивно растет зерно. В связи с увеличением температурного интервала ликвидус — солидус по мере увеличения
содержания углерода в стали (при 0,18% С около 20° С, при 0,5% С 100° С, а при 1,7% С 300° С) область двухфазного состояния у границы сплавления является более широкой (см. § 22). Этот участок сварного соединения характеризуется в конечном состоянии крупным зерном и даже пористостью, вызываемой реакцией (50).
Снижение критической скорости закалки у сталей с повышенным содержанием углерода (при отсутствии уменьшения скорости охлаждения после сварки) приводит к образованию в око-лошовной зоне неравновесных хрупких структур и увеличивает возможность образования трещин.
Ухудшающее действие углерода сказывается постепенно по мере увеличения его концентрации в стали. При газовой сварке стали, содержащей 0,25—0,35% С, затруднения в получении хорошего качества появляются только для особо жестких соединений. Поэтому при сварке углеродистых сталей с таким содержанием углерода применяется, как правило, обычная технология, используемая для сварки низкоуглеродистых сталей. При большем, содержании углерода применяется более сложная технология сварки.
При сварке низкоуглеродистых сталей применяется ацетилено-кислородное пламя с В = 44 = 1-5-1,2. Состав пламени Va
приводит к значительному изменению химического состава и механических свойств металла шва (табл. 8).
Для низкоуглеродистых сталей используется присадочный металл марок Св-08, Св-08А, Св-ЮГА и Св-08ГС по ГОСТу 2246—60, причем легированные проволоки (Св-ЮГА, Св-08ГС) дают лучшие результаты. Диаметр присадки берется в зависимости от способа сварки:
для левой сварки
+ (51)
для правой сварки
<52)
Правую сварку целесообразно применять при 6^5 мм, причем угол раскрытия может быть несколько уменьшен (до 70°).
Механические свойства металла шва могут быть в некоторой степени улучшены горячей проковкой, местной нормализацией или проковкой с последующей нормализацией.
При сварке тонких штампованных деталей для уменьшения участка рекристаллизации (см. § 22) следует ускорять процесс охлаждения, накладывая параллельно шву компресс из мокрого асбеста.
Основные технологические указания по газовой сварке среднеуглеродистых сталей сводятся к следующему.
Влияние регулировки пламени на свойства и состав металла шва
1.. В целях уменьшения окислительных реакций в сварочной ванне пламя следует регулировать с небольшим избытком ацетилена. Полезным также является применение флюсов, например: а) 50% углекислого натрия и 50% двууглекислого натрия; б) 70% борной кислоты и 30% углекислого натрия; в) 34% буры, 6,5% хлористого натрия, 58% углекислой соды и 1,5% окиси железа.
2. Чтобы получить более k пластичный металл шва при достаточной его прочности, в качестве присадочного металла используется проволока марок Св-08Г, Св-ЮГА, Св-10ГС и СВ-10ГСМ по ГОСТу 2246—60.
3. В целях уменьшения перегрева и времени пребывания ванны в расплавленном состоянии сварку следует производить максимально быстро. Увеличение скорости сварки возможно либо при общем предварительном нагреве свариваемого изделия до 300—400° С, либо при местном нагреве в районе сварки до 650—700° С. Мощность пламени при этом берется 75—90 л!ч на 1 мм тол-щйны свариваемой стали.
4. Во избежание получения хрупких структур в око-лошовной зоне, производят замедление охлаждения (достаточен предварительный подогрев до 200—250° С) или последующий отпуск при 600—650° С.
Все эти мероприятия позволяют получать доброкаче
ственные сварные соединения при содержании углерода в стали до 0,5—0,6%. При большем содержании углерода сварка может быть успешной только при малых сечениях свариваемых деталей.
В ряде случаев вместо сварки можно рекомендовать применение пайки твердыми припоями.
§ 29. СВАРКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Сварочные свойства легированных сталей зависят от их состава, причем различные легирующие добавки влияют в этом отношении различно. Однако в ряде случаев повышение содержания углерода может сказываться сильнее, чем влияние легирующих элементов.
Ниже приводятся основные сведения о легирующих элементах и их влиянии на структуру и свойства сталей, а также общие рекомендации по газовой сварке сталей, легированных одним элементом.
Марганец (Мп) образует с железом растворы, увеличивает область Fev, является карбидообразователем. В низколегированных сталях повышает прочностные характеристики при незначительном снижении пластичности; сообщает стали чувствительность к перегреву, склонность к образованию холодных трещин; при сварке испаряется и в некоторой степени окисляется.
При сварке сталей с содержанием Мп 1,2—2% и С около 0,3% основные затруднения появляются в связи с закалкой околошов-ных зон.
При содержании Мп 10—14% и С 1—1,4% сталь имеет аустенитную и аустенитно-карбидную структуру. Сварку такой стали следует производить после предварительной термической обработки (закалки в воду с температуры 1100° С) пламенем с небольшим избытком ацетилена, используя присадочный металл с меньшим содержанием углерода (около 0,8%) и высоким содержанием Мп (около 14%) и применяя флюсы. При сварке рекомендуется держать сварочную ванну небольших размеров и обеспечивать ускоренное охлаждение (вплоть до помещения свариваемой детали в воду).
Кремний (Si) в растворенном в железе состоянии повышает упругие и прочностные свойства при некотором снижении пластичности; сужает область Fev. В условиях сварки легко окисляется; при содержании в стали 1 % и более дает тугоплавкий и вязкий шлак; увеличивает усадку стали и тем самым способствует образованию трещин в швах.
Никель (Ni) при незначительном увеличении прочностных свойств сохраняет пластичность сталей; увеличивает закаливаемость и прокаливаемость; расширяет область Fev. При небольшом содержании в стали никель особого ухудшения сварочных свойств
не вызывает; при сварке низколегированных сталей приводит к подкалке околошовных зон.
При сварке аустенитных сталей (25% Ni и 0,5% С) следует учитывать повышенную растворимость газов (особенно водорода), в связи с чем нельзя применять пламя с избытком ацетилена.
Хром (Сг) значительно повышает прочностные характеристики, коррозионную стойкость; жаростойкость и жаропрочность сталей; сужает область Fev; при большом количестве дает однофазные ферритные стали. Хром понижает теплопроводность сталей, повышает их закаливаемость. Окислы хрома тугоплавки. При сварке сталей с высоким содержанием хрома (6—30%) дополнительно приходится учитывать значительное окисление хрома и применять повышенное содержание ацетилена в пламени (если это допустимо по свойствам сварного шва) или флюсы. При сварке деталей из полумартенситных хромистых сталей (1X13; 2X13) необходимо применять предварительный подогрев до 300—400° С и сразу после сварки до охлаждения деталей термическую обработку в печах при 650—700° С. При сварке ферритных сталей в шве и околошовной зоне получается очень крупнозернистая структура с низкой пластичностью. При этом применяется присадочный металл, аналогичный основному.
Молибден (Мо) измельчает зерно, увеличивает прочностные характеристики, особенно при повышенных температурах, образует стойкие карбиды, уменьшает теплопроводность сталей. Применяется в основном в виде малых добавок (до 0,5—0,6%). В условиях сварки малоактивен. При сварке легированных сталей следует учитывать повышенную закаливаемость околошовных зон.
Ванадий (V) измельчает зерно в сталях, дает устойчивые карбиды, в условиях сварки частично окисляется. При количествах до 0,5—0,8% его влияние на сварочной ванне не сказывается; при содержании ^2% (инструментальные стали) окислы ванадия делают шлак густым.
Вольфрам (W) образует прочные карбиды, повышает режущую способность сталей. В связи с летучестью окислов при больших размерах ванны дает пористую наплавку.
Алюминий (А1) легко окисляется и дает тугоплавкие окислы. При сварке сталей со значительным количеством алюминия необходимо применять флюсы на базе фтористых и хлористых солей.
Титан (Ti) при сварке выгорает. При содержании в стали до 1 % ухудшающего влияния не оказывает.
Медь (Си) при содержании более 0,6—0,8% (обычно при отсутствии Ni) способствует образованию межкристаллитных трещин.
В промышленности широко применяются стали, легированные одновременно несколькими элементами. В этих случаях техноло
гию сварки приходится выбирать с учетом влияния каждого элемента в отдельности и их суммарного действия в целом. В качестве примеров рассмотрим технологию сварки двух типовых сложнолегированных сталей.
Сварка хромомолибденовой стали применяется при изготовлении трубопроводов котельных установок высокого давления. Стали марок 20ХМ и ЗОХМ содержат 0,15—0,25% Мо и 0,8— 1,1% Сг. Сталь 12ХМ при том же содержании Сг имеет 0,4— 0,55% Мо.
Газовая сварка применяется для стыкования труб при их монтаже. Регулировка пламени должна быть строго нормальной (Р = I-т-1,1) при мощности Va = 1006 л/ч. В качестве присадочного металла применяется проволока марок Св-18ХМА, Св-12ХМ, Св-12МХ по ГОСТу 2246—60. Диаметр проволоки подбирается по формулам (51) и (52).
Для обеспечения полного провара стыка при толщинах более 3 мм применяется разделка кромок снятием фасок под углом 45°. Первый слой (корень шва) проваривается расплавлением кромок основного металла без присадки или с очень небольшой добавкой присадки (обычно называется «облуживание»). Следующие слои выполняются с присадкой. Сварку выполняют как левым, так и правым способом.
Ванна при сварке должна быть небольших размеров, причем следует избегать перегрева жидкого металла. Поэтому сварку нужно выполнять тонкими слоями (при толщине металла в 6 мм заполнение производится в два слоя, при толщине 12 мм — в пять слоев).
Сборку стыков труб под сварку производят с зазором около 0,5 мм в специальном центрирующем приспособлении. При этом в трех точках ставятся прихватки. Если температура окружающего воздуха ниже нуля, применяется предварительный местный подогрев стыка пламенем горелки до температуры 250—300° С.
Не рекомендуется прерывать процесса сварки до окончания половины окружности стыка. Заделывая конечную ванну, пламя следует отводить постепенно, подогревая ее факелом. При начале сварки с другой стороны стык предварительно нужно прогреть до 250—300° С. Для улучшения структуры и свойств сварного соединения после сварки применяется местная термическая обработка (разъемной электропечью или газовой горелкой), причем ширина обрабатываемой зоны должна не менее чем в пять раз превышать ширину шва (-~156). Термообработка осуществляется нагревом до 900—930° С. При относительно пониженном содержании углерода достаточен высокий отпуск при температуре 680— 700° С.
Такая технология позволяет получать сварные стыковые соединения, близкие по своим свойствам к основному металлу труб.
Аналогичная технология сварки применяется и для сварки стыков труб из молибденовых сталей 15М и 20М, содержащих 0,4—0,55% Мо и окбло 0,3% Сг.
Сварка аустенитных хромоникелевых сталей широко используется при изготовлении изделий химической промышленности и др. Высоколегированные хромоникелевые стали аустенитного класса, например Х18Н9Т, Х18Н11Б, Х18Н12М2Т, обладают высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью, жароупорностью и жаропрочностью.
Однако при нагреве нестабилизированных сталей этого типа (т. е. не имеющих в своем составе достаточного количества титана или ниобия) до температуры 500—850° С по границам зерен выпадают карбиды хрома. Такой металл получает склонность к межкристаллитной коррозии. Это свойство усиливается при увеличении в составе стали углерода, хотя даже при содержании углерода 0,024% полностью исключить межкристаллитную коррозию не удается. С этой целью в состав сталей вводят титан (примерно в шесть раз больше, чем углерода) или ниобий (несколько больше, чем титана). Однако титан при газовой сварке почти полностью выгорает, а ниобий увеличивает склонность швов к образованию горячих трещин.
Так как газовая сварка сопровождается более длительным пребыванием металла в области опасных температур, коррозион-^ ная стойкость сварных соединений является более низкой по сравнению с выполненными дуговой (особенно аргоно-дуговой) сваркой. Поэтому газовая сварка для хромоникелевых аустенитных сталей имеет ограниченное применение (главным образом для сложных сварных узлов из тонкого листового, штампованного' металла и из труб).
Газовая сварка пламенем нормальной регулировки без применения флюсов в связи с большим содержанием хрома в этих сталях приводит к образованию тугоплавких окислов хрома (Сг2О3), мешающих процессу сварки. Применение пламени с избытком ацетилена в большинстве случаев недопустимо из-за резкого снижения стойкости швов против межкристаллитной коррозии. Поэтому применяются флюсы, которые наносятся при сварке топкого металла обычно с обратной стороны шва.
Широкое применение получили флюсы следующего состава: 1) 30% фарфора, 28% мрамора, 20% двуокиси титана, 6% ферросилиция, 10% ферромарганца, 6% ферротитана (флюс наносится в виде пасты, приготовленной на жидком стекле с у = = 1,32 г!см3)',
2) 80% плавикового шпата, 20% ферротитана.
При сварке с флюсами применяется пламя нормальной регулировки. В связи с малой теплопроводностью этих сталей мощность горелки (в л/ч) определяется по формуле (48)
Va = (70-4-80) 6.
В качестве присадочного металла следует применять проволоку с минимальным содержанием углерода (Св-02Х19Н9 по ГОСТу 2246—60). Проволока при сварке малых толщин берется диаметром примерно равным толщине основного металла.
В связи с большими короблениями при сварке (коэффициент теплового расширения этих сталей в 1,5 раза больше, чем у обычных сталей) при длинных швах рекомендуется применять закрепления и производить сварку обратноступенчатым швом. Сложные узлы следует варить в жестких кондукторах.
С целью улучшения механических свойств и стойкости против межкристаллитной коррозии сварных швов после сварки рекомендуется термообработка (нагрев до 1050—1100° С и быстрое охлаждение при 6 = 14-2 мм — на воздухе, при 6 > 2 мм — в воде).
§ 30. СВАРКА ЧУГУНА
Чугунами называются сплавы железа с углеродом при содержании последнего от 1,7 до 6,7%. Практически наиболее распространенными являются чугуны с 2,5—4% С. Углерод в чугунах может находиться либо в стабильном состоянии — в виде графита, либо в метастабильном состоянии — в виде карбида Fe3C.
В зависимости от формы состояния большей части углерода чугуны имеют различную структуру. При мелкодисперсной форме графитных включений они называются модифицированными (обычно получаются при введении перед разливкой в чугун металлического магния), при более крупных размерах графитных включений — серыми (по внешнему виду излома), а при химически связанном углероде — белыми.
Белые чугуны в связи с хрупкостью и очень высокой твердостью для изготовления деталей почти не применяются. Но при специальной термической обработке — томлении (длительной выдержке при 800—1000° С в окислительной или нейтральной атмосфере) — из белых чугунов получают так называемые ковкие чугуны.
Ковкие чугуны применяются в основном в авто- и тракторостроении. Модифицированные чугуны применяются для изготовления деталей, требующих высоких прочностных свойств. Большинство машиностроительных литых деталей и изделий изготовляются из серого чугуна. Серые чугуны в зависимости от степени распада цементита, в свою очередь, делятся на ферритные и перлитные.
Прочность и твердость серых чугунов в зависимости от их структуры приведены в табл. 9.
Структура и свойства чугунов зависят также от их состава и скорости охлаждения в верхнем интервале температур. Быстрое охлаждение способствует получению углерода в виде Fe3C, т. е.
Таблица 9
Прочность и твердость серых чугунов
Структура чугуна "'Предел прочности в кгс/м.к* Твердость НВ
Феррито-графитовый с очень тонким графитом 15-20 100—120
То же с грубым графитом Ю-13 100—120
Феррито-перлито-графитовый 15-Зо 100—200
Перлито-графитовый с тонким графитом 25-35 180—220
То же с грубым графитом 15-25 180—220
белых чугунов. Замедленное охлаждение способствует^ распаду Fe3C и выделению свободного углерода (графитизации) — образованию серых чугунов.
Графитизации углерода способствуют и некоторые элементы, входящие в состав чугунов: С, Si, Al и Др. Кремний, находись
Рис. 54. Влияние содержания С и Si на структуру чугунов
Толщина стенок, мм
Рис. 55. Влияние скорости охлаждения (толщины стенок отливок) на структуру чугунов разного состава
в твердом растворе, при его содержании в чугуне около 4% уже приводит к полному распаду карбида железа. Набборот, Мп, Сг и другие элементы задерживают графитизацию углерода и способствуют отбеливанию.
Влияние содержания С и Si на структуру чугунов показано на рис. 54, а скорости охлаждения (определяемой толщиной стенок отливки) — на рис. 55. Наиболее широко (для литых деталей) применяются серые чугуны состава; 2,8—3,6% С; 1,5— 2,5% Si; 0,6—1,0% Мп; не более 0,8% Р; не более 0,12% S.
Состав чугунов может быть различным в зависимости от назначения отливаемых деталей, причем следует иметь в виду, что сера 118
является вредной примесью, а фосфор увеличивает жидкотекучесть.
Теплопроводность чугунов несколько ниже, чем у сталей, а коэффициент теплового расширения примерно такой же. Температура плавления чугунов 1150—1250° С.
Сварка чугунных изделий и деталей применяется только как метод ремонта. При этом ремонт—исправление деталей — применяется:
1) для отливок, имеющих различные литейные пороки (раковины, земляные включения, недоливы — неполучение необходимых размеров отливки, реже трещины), выявленные как на механически необработанных отливках, так и на частично или полностью обработанных на конечные размеры;
2) в целях ремонта изношенных или сломанных (при эксплуатации или случайно) готовых деталей или изделий.
Первая группа работ характерна для массового или серийного производства отливок, обычно примерно одинаковых размеров и форм, и лишь иногда при индивидуальном производстве отливов. Поэтому для сварки в этих случаях являются характерными некоторые типовые пороки и методы их исправления.
Вторая группа работ, как правило, требует индивидуального подхода в различных случаях.
Более низкие по сравнению со сталями сварочные свойства чугуна приводят к различным порокам. Так, в результате воздействия сварочных деформаций и напряжений чугун, являясь хрупким материалом с низкой пластичностью, плохой сопротивляемостью растяжению и особенно изгибу, часто дает трещины.
Быстрое охлаждение после сварки, особенно массивных дети, лей, способствует получению отбеленного чугуна в шве и в окол<> шовной зоне, нагревавшихся до высоких температур, и, как привило, приводит к образованию микро- и макротрещин в-сварных соединениях.
Для уменьшения вероятности ухудшения структуры (отбеда шва и части зоны термического влияния) и возможности разрушений при охлаждении после сварочного нагрева ремонтная заварка пороков и ремонта готовых деталей должна осуществляться с выполнением ряда технологических особенностей: особой подготовки под сварку; использованием предварительного и сопутствующего подогрева; выбора техники выполнения сварки и обеспечения режима последующего охлаждения.
Так как выполнение сварки чугунных деталей значительно сложнее, чем стальных, прежде чем приступить к выполнению сварочных работ, необходимо выявить все места, подлежащие заварке. Это осуществляется внешним осмотром, а для ряда деталей дополнительными испытаниями на плотность, в частности, керосином. Затем производится подготовка под сварку, которая состоит из механической очистки свариваемых кромок и металла
Рис. 56. Подготовка к сварке сломанной детали
(на расстоянии 30—50 мм от кромок), а также разделки кромок под сварку.
Разделка при исправлении брака литья (раковин, рыхлостей, земляных включений) заключается в удалении всех загрязнений до чистого металла и создании при этом стенок завариваемого участка, позволяющих осуществить хороший их разогрев и расплавление при сварке. Удаление дефектного металла осуществляется обычно механическими способами; зачисткой наждачными кругами, высверливанием и др.
Разделка трещин в стенках литья и в разрушенных деталях осуществляется снятием фасок (при толщине более 4—5 мм), обычно в виде V-образной разделки. При снятии фасок зубилом должна сниматься тонкая стружка (до 1 мм), чтобы избежать отколов и трещин, особенно при небольшой толщине стенок.
В случае восстановления изделия, разрушенного на две и более частей, для установки
их в первоначальное взаимное расположение часть кромок излома не следует обрабатывать, оставляя их в качестве сборочных поверхностей (рис. 56). Эти участки подготовляются под сварку уже после заварки ранее разделанных кромок. Для этого применяется горячая разделка, заключающаяся в нагревании кромок сварочным пламенем и удалении расплавляемого металла специальным скребком из стальной проволоки. Расплавление и удаление металла производится до тех пор, пока не получится канавка, охватывающая обе кромки и достаточная для получения провара всего сечения. Иногда горячая разделка применяется на всем протяжении подлежащего заварке участка. В таких случаях место излома предварительно закрепляется какими-либо дополнительными приспособлениями (хомутами, стяжками, болтами).
Прихватки для чугунных деталей в ряде случаев являются ненадежными: большие прихватки часто разрываются от тепловых напряжений, а малые прихватки с неглубоким проплавлением позволяют зафиксировать детали только для начала сварки.
В некоторых случаях, если сварку необходимо выполнять в труднодоступных местах (например, в стенке цилиндра, закрытой наружной стенкой водяной рубашки), предварительно высверливанием удаляют мешающую при сварке часть, которую вваривают обратно в виде заплаты после окончания заварки основного повреждения. При наличии вблизи места сварки обработанных поверхностей для предохранения от образования на них окалины последние рекомендуется покрывать смазкой из порошкообразных графита и мела, разведенных на масле.
Газовая сварка чугунных деталей производится:
1) без дополнительного подогрева;
2) с местным предварительным (иногда и с сопутствующим) подогревом;
3) с общим подогревом.
Предварительный подогрев при газовой сварке для предотвращения отбела необходим только в некоторых случаях, например при малом объеме заварки в массивном изделии. При большем объеме заварки количество введенного тепла и состав применяемого присадочного металла предотвращают отбел при получающихся скоростях охлаждения. Однако в большинстве случаев
Рис. 57. Выбор способа подогрева при ремонтной сварке чугуна
предварительный подогрев нужен для предотвращения разрушений от сварочных деформаций и напряжений.
Если свариваемое изделие имеет вид бруса с небольшим сечением (например, сломаный на две части рычаг простой формы, кусок лапы, сломавшейся по отверстию для крепежу, и др.), тепловые деформации могут проходить свободно, и предварительный подогрев не нужен (рис. 57, а).
В случаях, когда изделие имеет форму рамы с разрушенным плечом, нагрев в месте сварки в результате теплового расширения металла приведет к изгибу элементов конструкции и к возможности ее излома в новых, обычно наиболее слабых или напряженных местах (отмеченных стрелками на рис. 57, 6). В таких изделиях применяется предварительный подогрев целого плеча (в районе А на рис. 57, б) с расчетом создать в нем равномерную тепловую деформацию, примерно равную той, которая будет в момент заварки трещины в разрушенном плече.
Если изделие имеет еще более сложную форму, например, как на рис. 57, в, то обеспечить равномерную деформацию всех плеч по предыдущей схеме затруднительно, и в этих случаях обычно применяется общий подогрев перед сваркой. Температура общего предварительного подогрева в значительной степени определяется конструктивными формами изделия и расположением места
заварки. Так, при заварке блоков двигателей оказывается достаточным подогрев до 350—400° С (если исключено неравномерное остывание в процессе выполнения сварки), а для более сложных случаев "(при заварке перемычек между ребрами жесткости секций котлов, блока цилиндров больших машин и т. п.) подогрев может быть рекомендован до 600—650° С.
Для осуществления предварительного подогрева в массовом производстве (например, при заварке брака отливок одинакового развеса) применяются конвейерные печи (рис. 58, а). После сварки деталь опять помещается в конвейер печи, где производится ее замедленное охлаждение по мере продвижения к концу выдачи готовых деталей.
Рис. 58. Печи для подогрева чугунных отливок
При меньшей загрузке или по другим производственным соображениям возможно использование печей циклического действия и камер для замедленного охлаждения Для обеспечения непрерывности работы в этом случае используются две печи---
одна в работе, а вторая в состоянии загрузки или нагрева (рис. 58, б).
При индивидуальном характере сварочных работ, главным образом при ремонте, выбор нагревательных устройств производится с учетом размеров и веса ремонтируемых деталей.
Для нагрева малых и средних деталей используют горны или разборные железные коробки с отверстиями для поддува воздуха. Коробки делают размерами на 150—200 мм больше, чем соответствующие нагреваемые детали.
Крупногабаритные детали нагревают в специальных ямах. Внутренняя часть ям выкладывается кирпичом и устраиваются поддувы для равномерного нагрева деталей.
Нагрев должен выполняться равномерно, постепенно избегая местных перегревов, которые могут вызвать разрывы от неравномерных тепловых деформаций; степень нагрева должна регулироваться. В процессе нагрева, сварки и последующего охлаждения
не должно быть сквозняков, так как последние могут привести к образованию трещин. Во избежание этого нагретую деталь покрывают асбестовыми одеялами, листами и пр. При значительном местном перегреве в процессе сварки (в случае большого ее объема) необходимы перерывы для выравнивания температуры во всем изделии.
Охлаждение после сварки при сложных формах изделий также должно осуществляться медленно и равномерно.
Наиболее благоприятным является подогрев горючими газами, хотя используются и твердые горючие, сжигаемые в воздухе.
Из твердых горючих для наиболее ответственных работ следует применять древесный березовый уголь. Применение кокса часто приводит к резкому местному перегреву и может, кроме того, загрязнять газовый поток сернистыми соединениями.
Перед сваркой следует учитывать, что ее можно производить только в нижнем положении. Поэтому деталь надо устанавливать так, чтобы не было необходимости ее кантовать, так как это при температуре нагрева 450—500° С может привести к разрушениям.
Особенности свойств чугуна определяют необходимость применения при сварке ряда технологических приемов:
1) нагрев места сварки должен быть замедленным, чтобы обеспечить растворение графита в жидкой ванне; отсутствие его растворения и выдувание может привести к отбелу металла шва;
2) создание условий для минимального окисления графитизирующих элементов (в основном углерода и кремния); необходимо ограничивать перегрев ванны, что снижает выделение графита при охлаждении и перемешивание жидкого металла для уменьшения выгорания С и Si;
3) замедление охлаждения после сварки Для исключения отбеливания шва и околошовных' зон.
Сварка выполняется пламенем нормальной регулировки или с небольшим избытком ацетилена 1); мощность пламени
берется из расчета 75—100 л!ч ацетилена на 1 мм толщины металла. Для уменьшения концентрации нагрева ядро пламени должно находиться от металла на большем расстоянии, чем при сварке стали. Для получения в металле шва серого чугуна в качестве присадки используется чугун следующего состава: 3—3,6% С; 3,6—4,8% Si; 0,5—0,8% Мп; 0,08% S; 0,3—0,5% Р (состав марки Б по ГОСТу 2671—44) или 3—3,6% С; 3—3,5% Si; 0,2—0,5% Р (состав марки А, для сварки массивных деталей с общим подогревом). Присадочный металл применяется в виде литых стержней диаметром 5—12 мм.
В процессе сварки присадку необходимо держать в сварочной ванне, используя ее для спокойного перемешивания металла. В связи с образованием в ванне окислов FeO, SiO2 и СО происходит выгорание С, Si и затрудняется выполнение сварки, 'так
как FeO и SiO2 будут находиться в ванне в виде твердых включений.
Наличие FeO на дне ванны способствует значительному выделению СО (от реакции 1 г FeO с углеродом при температуре ванны может выделиться около 2000 см? окиси углерода). В связи с этим при сварке применяют флюсы. В качестве флюсов для сварки чугуна применяются:
1) бура плавленая 100%;
2) бура 56%, углекислый натрий 22%, углекислый калий 22%;
3) бура 50%, двууглекислый натрий 50%;
4) бура плавленая 23%, углекислый натрий 27%, азотнокислый натрий 50%.
Наиболее активно раскисляет чугун флюс № 4.
Флюс до образования ванны насыпается рукой, а затем периодически вводится присадочным прутком.
Сварка обычно выполняется участками длиной 25—50 мм. Сначала пламя направляют перпендикулярно поверхности металла, а по мере его расплавления наклоняют до угла <р, определяемого толщиной свариваемого чугуна. Расплавленный металл очищают от ярко светящихся частиц (различных неметаллических включений) присадкой и флюсами, затем все сечение заполняют расплавленным металлом присадки, применяя притирающие движения последней по дну ванны.
После заполнения одного участка переходят к следующему. Сварку следует вести возможно быстрее, без перерывов, если они не вызываются местным перегревом свариваемого изделия. После сварки производится замедленное охлаждение (при малых деталях в сухом, лучше подогретом, песке), которое обеспечивает разложение закалочных структур и предотвращает образование трещин, особенно часто образующихся при сварке перлитного чугуна.
Механические свойства металла шва обычно несколько выше, чем свойства самой отливки (ре шва до 30 кгс/мм?). Металл шва хорошо обрабатывается режущим инструментом.
Суммарные деформации при сварке чугуна значительно меньше, чем при сварке сталей, так как при охлаждении, кроме усадки при выделении графита, имеет место рост чугуна, т. е. некоторое увеличение объема.
Для исправления дефектов на обработанных поверхностях деталей сложной конфигурации для почти полного сохранения размеров и форм можно применять разработанный ВНИИавтоген-машем способ низкотемпературной сварки. Сущность этого способа заключается в подогреве пламенем кромок, подлежащих сварке, не до расплавления, а до температуры 820—860° С. Когда на такую кромку попадает капля расплавленной присадки, то вследствие шероховатости поверхности, получаемой от удаления (окисления) графита и диффузии между растекающимся тонким
слоем жидким присадочным металлом и нагревающейся под ним кромкой происходит соединение наплавленного металла с основным.
При заварке тонкостенных изделий при этом применяется флюс № 4 и присадочный металл марки № 1 состава: 3,0—3,5% С; 3,0—3,4% Si; 0,6—0,7% Мп; 0,2—0,4% Р; 0,4—0,6% Ni; 0,15— 0,2% Ti; менее 0,1% Сг и 0,05% S.
Для заварки толстостенных изделий рекомендуется специальная флюс-паста состава: бура плавленая 40%, углекислый литий 15%, фтористый натрий 12%, азотнокислый калий 10%, двуокись титана 5%, ферротитан 11%, железный порошок 7%;
паста разводится на керосине (14 вес. ч. на 100 вес. ч. сухой смеси). В этом случае для сварки рекомендуется присадка марки № 2 состава: 3,0—3,5% С; 3,5—4,0% Si; остальные составляющие как в присадке марки № 1.
Перед началом наплавки
Рис. 59. Движения прутка при низкотемпературной сварке чугуна
производится местный подогрев
пламенем горелки до температуры 300—400° С, а для деталей слож
ной конфигурации — общий подогрев до такой же температуры. При сварке стыков первая капля наносится на верхнюю
кромку и растекается под давлением пламени вниз к зазору; последующие капли наносятся вниз зазора и силой струи оттесняются к верхней части кромки (рис. 59, а). Таким образом облу-живается вся поверхность разделки, которая затем заполняется
тонкими последовательными слоями.
При заварке засверленных дефектов (рис. 59, б) присадочный металл наносится по винтовой восходящей линии. Сварка ведется левым методом. Угол между осью пламени и кромкой 20—30е. Пруток располагается на расстоянии 2—3 мм от ядра пламени. При правильном выполнении сварки, без расплавления кромок основного металла, твердость в зоне сварного соединения не превышает НВ 200—250, а прочность на растяжение составляет 16—20 кгс/мм2.
При сварке легированных чугунов (содержащих никель, хром, медь и другие элементы) применяют присадку того же состава, что и свариваемый металл.
Сварка модифицированного чугуна осуществляется с применением присадочного металла, содержащего магний в количестве около 0,1%. Для предотвращения появления трещин предварительный нагрев деталей из модифицированного чугуна производится до температуры не менее 500° С.
Ковкий чугун при газовой сварке обычно дает в околошовной зоне прослойки белого чугуна, лишающие деталь ценных пласти
ческих свойств. Наилучшие результаты дает присадка, аналогичная основному металлу, обеспечивающая получение в шве белого чугуна и последующее томление детали по режиму получения ковкого чугуна. В ряде случаев сварка ковкого чугуна заменяется пайкой твердыми припоями. Пайка твердыми припоями также применяется и для ремонта деталей из серого чугуна, главным образом в тех случаях, когда при пайке можно избежать общего нагрева, необходимого при сварке.
Пайка часто применяется для ремонта деталей из горелого чугуна (т. е. длительно работавшего при повышенных температурах и в связи с этим весьма окисленного), сварка которого представляет значительные трудности.
Пайка твердыми припоями описана в гл. IX.
ГЛАВА VIII
СВАРКА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
§ 31. СВАРКА МЕДИ
Медь является тяжелым (у = 8,9 а/см3), ковким и пластичным металлом с высокой электро- и теплопроводностью (примерно в шесть раз выше теплопроводности стали). Температура плавления меди 1083° С. Изготовление сварных изделий осуществляется главным образом из медных листов и труб.
Свойства меди зависят от ее чистоты и характера механической и термической обработки. Наиболее вредными, нерастворимыми в меди примесями являются висмут, свинец, сера и кислород. Примеси висмута и свинца располагаются по границам зерен, делая медь красноломкой и хрупкой даже при очень небольшом содержании этих элементов (около 0,01%). Сера, образуя эвтектику Cu2S—Си, также делает медь красноломкой при содержании ее около 0,1%.
Обычной примесью в меди является кислород. Эвтектика Си2О—Си образуется при 0,38% О2 (3,4% Си2О) и в литом состоянии сильно ослабляет связь между зернами уже при содержании О2 более 0,03%. Если прокаткой или проковкой разрушить сплошные прослойки эвтектики между зернами, пластичность (относительное удлинение, определяемое на пятикратных цилиндрических образцах 65) такой меди возрастает от 10 до 25—40%. В условиях сварки такая эвтектика может образовываться как в самом металле шва (в результате наличия кислорода в основном и присадочном металлах и окисления ванны), так и в основном металле вблизи шва, где температура нагрева превышает 1064° С — температуру плавления эвтектики Си2О—Си.
Для меди вреден не только кислород, но и водород, который в присутствии кислорода приводит к водородной болезни меди. Медь при повышенных температурах (^200° С) начинает снижать свою прочность. Однако если у сталей снижение прочности при повышенных температурах сопровождается увеличением пластичности, то у меди в области температур 250—550° С снижение прочности сопровождается и снижением пластичности. Поэтому в условиях жестких закреплений и значительных тепловых деформаций при сварке в этом температурном интервале могут образовываться трещины. В этих случаях нельзя выполнять швы в два прохода (так как первый проход уже создает жесткое закрепление); прихватки следует заменять скользящими закреплениями; нельзя проковывать швы при 200—550° С.
Высокая теплопроводность меди заставляет применять большую мощность пламени. Так, для малых толщин (до 3—4 мм) мощность пламени подбирается из расчета 150—175 л/ч ацетилена на 1 мм толщины, а при толщинах до 8—10 мм мощность пламени увеличивается до 175—225 л!ч на 1 мм толщины. При больших толщинах рекомендуется использование двух и даже трех горелок, причем сварка ведется одной горелкой, а другие используются для подогрева.
Пламя для сварки регулируется строго нормальным (Р = = 1-5-1,1). Для уменьшения количества кислорода в металле шва рекомендуется: быстрое выполнение сварки, уменьшающее время контакта газов пламени с расплавленной ванной; введение в ванну раскислителей (обычно через присадку) и использование флюсов на базе окислов бора и натриевых солей. При малой толщине свариваемого металла применение флюсов нецелесообразно, так как это замедляет сварку.
Раскислителями при сварке меди являются фосфор, кремний и марганец. Наиболее эффективно идет раскисление фосфором:.
2Р + 5Cu2O = 10Cu + Р2О6; (53)
Р2О5 4- 3Cu2O = Р2О5 (Си2О)3. (54)
В связи с вредным влиянием избыточных количеств фосфора в меди обычное содержание его в присадке, достаточное для раскисления ванны, равно ~0,2%, а при сварке меди толщиной более 10 лои и кремния 0,15—0,3%.
При сварке меди применяются флюсы следующих составов: 1) бура плавленая 100%;
2) бура 94—96%, металлический магний 6—4% (борный шлак);
3) бура 50%, борная кислота 35%, кислый фосфорнокислый натрий 15%;
4) бура 50%, древесный уголь 20%, кислый фосфорнокислый натрий 15%, кремнекислота 15%.
Однако и при применении флюсов пластичность шва получается в ряде случаев недостаточной и может быть улучшена проковкой. Проковка для тонкого металла осуществляется при температурах ниже 200° С, а для толстого — при 550—600° С.
Кроме теплового режима сварки весьма важным является правильный выбор размера присадки. Так, в зависимости от толщины свариваемой меди присадка должна иметь следующие диаметры:
Толщина металла в мм 1,5
Диаметр присадки в мм 1,5
1,5—2,5 2,5—4 4—8 8—15
2 3 4—5 6
15
8
Присадку при сварке нельзя держать в сварочной ванне (так как это приводит к дополнительному отводу тепла и охла-
Рис. 60. Структура меди, отожженной при 600° С (слева) и перегретой до 1000е С (справа)
Рис. 61. Сварка меди в вертикальном положении, выполняемая одновременно двумя сварщиками
ждению ванны), а расплавлять ее необходимо второй зоной пламени.
При правильно выполненной сварке и последующей проковке сварные швы обеспечивают прочность 17—22 кге/мм2. При испытаниях на загиб непрокованные сварные стыковые соединения разрушаются по центру шва при углах загиба 30—50°, а прокованные (при основном металле М3) — по зоне сплавления при углах загиба 45—65°.
В случае сварки основного раскисленного металла (меди МЗС) углы загиба при испытаниях прокованных швов составляют 120—180°. Некоторое улучшение свойств сварных соединений после проковки можно получить дополнительной термической обработкой (нагрев до 550—600° С и охлаждение водой), что дает значительное измельчение структуры (рис.. 60).
Сварка меди выполняется в основном в нижнем положении с применением подкладок (из гр*афита, просушенного асбеста)
для удерживания металла в ванне при сквозном проплавлении. Сварка выполняется, в один проход на всю толщину.
При сварке стыков толстолистовой меди, расположенных вертикально, иногда применяется сварка, выполняемая одновременно двумя сварщиками (рис. 61). Выполнение таких швов требует от сварщиков специальных навыков.
В /ряде случаев сварку меди можно заменять пайкой латунью.
§ 32. СВАРКА СПЛАВОВ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ
В промышленности широко применяются различные сплавы на медной основе — латуни и бронзы.
К латуням относятся сплавы меди с цинком, иногда и с некоторыми другими добавками. Сплавы с содержанием цинка до 20% называются томпаками; при содержании цинка до 37% латуни являются однофазными (а-латуни), а при содержании Zn более 37% латуни являются двухфазными (а + Р-латуни). Однофазные а-латуни хорошо обрабатываются давлением в холодном состоянии, обладают низкими литейными свойствами и при нормальных и пониженных температурах имеют временное сопротивление 30 кгс/мм2 при относительном удлинении около 40%.
Двухфазные а + Р-латуни обладают высокими литейными свойствами, плохо деформируются при низких температурах, обладают повышенной прочностью (ов 40 кгс/мм2) и пониженной пластичностью (б5 < 30%).
Удельный вес латуней 8,5—8,85 г!см2\ температура плавления 890—935° С (для томпаков до —1070° С).
В связи с наличием в латунях цинка, который является раскислителем для меди, жидкая латунь при плавке и сварке является достаточно раскисленной. Однако при сварке латуней происходит значительная потеря цинка, обусловленная главным образом испарением. Температура кипения чистого цинка равна 906° С. При обычном его содержании в латуни (т. е. когда Zn меньше чем 100%) температура кипения возрастает. Однако при температурах сварочной ванны цинк испаряется довольно интенсивно, и, если не принимать мер против его потерь, металл шва вместо 37—38% Zn в исходном расплавляемом металле будет содержать только 22— 27% Zn. Одновременно в таком шве может наблюдаться значительная пористость, ослабляющая его сечение и приводящая •к возможности появления трещин.
Особенно усиливается процесс испарения цинка при растворении водорода в жидком металле. Поэтому лучшие результаты дает сварка латуни окислительным пламенем (Р = 1,24-1,4), в котором водород в значительной степени окислен до Н2О и при некотором удалении ядра пламени от поверхности сварочной ванны. Мощность пламени берется 100—150 л!ч на 1 мм толщины.
Для связывания образующейся окиси цинка ZnO в шлаки обычно применяются флюсы на базе окислов бора (флюсы, применяемые для сварки меди), а также газообразные флюсы, представляющие собой пары метилборатов, добавляемых в газосварочное пламя при применении специальной дополнительной аппаратуры, разработанной ВИИИавтогенмашем. Состав флюса в этом случае следующий: метилборат 75% и метиловый спирт 25% (флюс марки БМ-1).
Весьма важным для уменьшения потерь цинка является введение в сварочную ванну кремния. Потери цинка при сварке латуни Л62 в зависимости от содержания кремния в присадоч-
ном металле показаны на рис. 62. Разработанный ВИИИавтогенмашем присадочный металл ЛК62-05 (62% Си; 0,3—0,7% Si; остальное —Zn) позволяет получать плотные швы с хорошими свойствами сварных соединений (при сварке в нижнем положении
Рис. 62. Зависимость потерь при сварке цинка от содержания кремния в присадочном металле
oe ss 40 кгс/мм?, угол загиба а — 180°, ан = 7,8 кгс'м/см?, при сварке в вертикальном положении о 32 кгс/мм?, а = 170°, ан = 8 кгс-м/см*). При сварке в потолочном положении следует применять кремнистый присадочный металл и газообразный флюс БМЛ, что обеспечивает получение вязкой шлаковой пленки. Однако и в этом случае швы имеют повышенную пористость.
В ряде случаев положительные свойства могут быть получены при дополнительном легировании присадки 0,3—0,5% Sn, в частности применением присадки марки ЛОК 59-1-0,3. Хорошее качество сварных соединений латуней обеспечивается и при применении самофлюсующегося присадочного металла Л КБ 062-02-004-05, в котором наряду с кремнием (~0,2%) и оловом (~0,5%) содержится бор (в среднем 0,04%), заменяющий флюсы. Применение такой присадки повышает производи-
тельность сварки и почти полностью исключает потери цинка.
Сварку латуни следует выполнять односторонним швом. Иногда полезным является отжиг (нагрев до 550е С с охлаждением на воздухе).
Хорошие свойства сварных соединений могут быть получены и при сварке легированных латуней, в частности ЛМц 58-2 (ов «= 43 кгс/мм?, 65 =5= 14% — для прокованного шва).
В связи с тем что при значительном выделении пары цинка, окисляясь в воздухе, дают окись цинка ZnO, являющуюся ядовитой (вызывает литейную лихорадку), при сварке латуни обычно необходима местная вентиляция.
Сварка латуни возможна и при применении газов — заменителей ацетилена. При этом рекомендованныережимы аналогичны ацетилено-кислородной сварке. Для уменьшения выгорания цинка используется присадочный металл марки ЛК-62-05 и порошковые флюсы. При этом могут быть получены плотные швы хорошего качества, но свариваемые изделия имеют увеличенные деформации по сравнению с выполненными ацетилено-кислородной сваркой.
Бронзами называются сплавы меди с различными элементами: оловом, алюминием, марганцем, кремнием и др.
В настоящее время находят широкое применение бронзы оло-вянистые, алюминиевые, алюминиевожелезные, кремнистые и кремнемарганцовистые. В основном бронзы применяются в виде отливок.
Оловянистые бронзы в связи с ликвацией олова при нагреве становятся очень хрупкими. Это заставляет варить их с предварительным подогревом, причем деталь предварительно подпирается, чтобы не разрушилась при нагреве от действия собственного веса.
Кантовка деталей при температуре выше 350—450° С недопустима. Не рекомендуется создавать, значительный местный перегрев, вызываемый длительным нагревом сварочным пламенем. В этом случае сварку необходимо прерывать для выравнивания температуры во всей детали.
Пламя применяется нормальной регулировки при мощности 90—150 л!ч на 1 мм толщины. Пламя регулируется мягким и поддерживается на несколько большем расстоянии от ванны, чем при сварке сталей.
В качестве присадочного металла применяются литые прутки диаметром 5—8 мм с несколько повышенным содержанием олова (на 1—2% больше, чем в свариваемом металле). Иногда применяется присадочный металл состава 95—96% Си, 3—4% Sn и до 0,4% Р. Состав применяемых флюсов такой же, как и при сварке меди. Свойства металла сварных соединений, особенно после отжига, обычно не ниже свойств основного металла литых деталей.
При сварке алюминиевых бронз основное затруднение вызывается образованием в ванне тугоплавкого окисла алюминия. Поэтому для сварки бронз с содержанием А1^9% следует применять флюс состава: 12—16% фтористого натрия, 20% хлористого натрия, 20% хлористого бария, остальное — хлористый калий. Для лучшего удаления окиси алюминия из сварочной ванны жидкий металл следует перемешивать присадкой. Присадочный металл по составу должен примерно соответствовать основному металлу. При сварке алюминиевых бронз в целях экономии ацетилена может применяться предварительный подогрев, но только для крупногабаритных деталей.
Малокремнистые (около 3,0% Si и 15% Zn), кремнистые (около 30% Si и 15% Zn) и кремнемарганцовистые (около 3,0% Si и 1 % Мп) бронзы обладают достаточно хорошими сварочными
свойствами. Только для литых деталей сложной формы перед сваркой применяется предварительный подогрев до 300—350° С. Сварка выполняется пламенем нормальной регулировки, присадочный металл используется аналогичный основному. Металл сварных соединений по механическим свойствам *в сопоставлении с основным металлом обеспечивает 80—95% прочности и около 85% пластичности.
Меньшее применение по сравнению с рассмотренными выше сплавами меди имеет сварка мельхиора (сплава меди с 20% Ni и 1% Fe). При сварке мельхиора основные трудности возникают в связи с образованием плохо шлакующейся закиси никеля и получением пористых швов.
Сварка пламенем строго нормальной регулировки (0 = 1 -ь 1,1), мощностью около 100 л/ч на 1 мм толщины с применением флюса состава: 34% плавленой буры, 33% борной кислоты и 33% поваренной соли — дает достаточно хорошие результаты, обеспечивая предел прочности сварных соединений 34—38 кгс/мм2 при угле загиба 90—150°.
Хорошо сваривается ацетилено-кислородным пламенем с применением в качестве флюса плавленой буры нейзильбер (65% Си, 20% Ni и около 15% Zn). Медноникелевый сплав м о -нель-металл (68% Ni, 28% Си, 2,5% Fe и около 1,5% Мп) варится по такой же технологии, что и никель.
§ 33. СВАРКА НИКЕЛЯ
Никель является тяжелым металлом (у = 8,9 г/см2) с ценными техническими свойствами, позволяющими применять его для изготовления ряда агрегатов химической промышленности.
Температура плавления никеля 1455° С, температура размягчения 650—700° С. Чистый никель содержит до 99,95—99,98% Ni+ + Со, а технический никель марок от НО до Н4 от 99,8 до 97,6% Ni. Отожженный никель имеет ов = 45-ь52 кгс/мм2,' холоднотянутый — до 80—90 кгс/мм2. Отожженный никель пластичен (68 35-^45%).
Наиболее вредными примесями в никеле являются свинец и сера, вызывающие красноломкость. Увеличение красноломкости никеля наблюда'ется уже при содержании серы около 0,01%, так как эвтектика Ni—NiS имеет температуру плавления всего 644° С. Наличие серы приводит к образованию горячих трещин в сварных швах.
При сварке никеля возникают затруднения в связи с образованием окиси никеля, имеющей более высокую температуру плавления, чем никель, и образованием пористости в результате резкого изменения растворимости газов при кристаллизации.
Для уменьшения окисления сварочной ванны газовая сварка выполняется строго нормальным пламенем или пламенем с неболь
шим избытком ацетилена (Р = 0,97+1,05). В качестве флюсов применяются:
1) прокаленная бура 100%;
С 2) бура 25%, борная кислота 75%;
3) бура 30%, борная кислота 50%, хлористый натрий 10%, фтористый калий 10%.
Иногда к смеси буры и борной кислоты добавляют 4—5% хлористых соединений Mg, Мп и др.
Для лучшего раскисления сварочной в'анны в ряде случаев применяется присадочный металл с содержанием Мп до 3% или Mg 0,06% и Si около 0,2%. В некоторых случаях по условиям работы сварных соединений в эксплуатации не допускается применения легированной проволоки, а иногда (для сернокислотной аппаратуры) и флюсов.
В целях борьбы с горячими трещинами полезными присадками также являются Мп и Mg. Однако и при этом необходимым является применение очищенного ацетилена с минимальным содержанием H2S. При сварке никеля следует применять правый способ сварки в связи с тем, что при этом способе уменьшается образование пор вследствие замедления процесса кристаллизации ванны. Левая сварка применяется только для толщин до 1,5—2 мм.
Мощность пламени берется 120—130 л/ч на 1 мм толщины. При сварке ядро пламени должно находиться на расстоянии 3—4 мм от поверхности ванны. Ванну присадкой перемешивать не рекомендуется.
Механическая прочность соединений встык составляет не менее 26—28 кгс/мм?, углы загиба (при малых 6) не менее 90°.
Сплавом никеля является нихром (75—80% Ni, 15—18 Сг, 1,2—1,4% Мп); он обладает весьма малой теплопроводностью. Сварка нихрома затрудняется образованием в ванне тугоплавкой окиси хрома Сг2О3. Газовую сварку нихрома следует вести максимально быстро, без перерывов. Многослойная сварка и вторичное расплавление металла вызывают рост зерен и образование трещин. Пламя применяется с небольшим избытком ацетилена при мощности 50—70 л/ч на 1 мм толщины. Присадочный металл следует применять с пониженным содержанием углерода и с верхним пределом содержания хрома. При сварке применяются флюсы состава: 40% буры, 50% борной кислоты, 10% хлористого натрия или фтористого калия. Полезно также добавление некоторого количества плавикового шпата.
После отжига временное сопротивление сварного соединения составляет 35—45 кгс/мм2.
§ 34. СВАРКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Алюминий является легким металлом (у = 2,7 г/смй) с низкой температурой плавления (658° С), высокой теплопроводностью (примерно в три раза больше, чем у железа) и высоким коэффи-
циентом теплового расширения (в два раза больше, чем у железа). Скрытая теплота плавления алюминия больше, чем у стали, и составляет почти половину его теплосодержания в расплавленном состоянии, в связи с чем алюминий при нагреве долго не расплавляется, а затем сразу может образоваться расплавленная ванна больших размеров. На поверхности алюминия всегда находится тонкая пленка тугоплавких окислов А12О3.
Свойства алюминия зависят от его состояния. Так, технически чистый литой алюминий имеет ов = 9-4-12 кгс/мм2 и 65 = 18-4--4-25%; для наклепанного (холоднокатаного) алюминия <г„ = = 18-4-26 кгс/мм2 и 65 = 3-4-5%; для отожженного — ов = 7-4-4-11 кгс/мм2 и 6S = 30-г-40%.
Алюминий является основой ряда сплавов, деформируемых и литейных.
Наиболее распространенным литейным сплавом является силумин (содержащий 10—14% Si). Временное сопротивление силумина ов 20 кгс/мм2 при 68 = 5%.
Деформируемые сплавы могут быть термически упрочняемыми (сплавы с медью — дуралюмины и некоторые другие, например с Zn) или термически неупрочняемыми (сплавы с марганцем — АМц или магнием АМг).
Сплав АМц содержит около 1,6% Мп и имеет в отожженном состоянии а8 ~ 13 кгс/мм2 и 68 20%; в полунагартованном
состоянии его прочность повышается до 16 кгс/мм2 при бБ^10%.
Алюминиево-магниевые сплавы содержат обычно от 2 до 7 % Mg. Их прочность повышается по мере увеличения содержания Mg примерно до 30—35 кгс/мм2 при 65 = 12-4-20%. Алюминиево-магниевые сплавы являются весьма перспективными для использования в сварных конструкциях.
Термическое упрочнение алюминиевых сплавов производится посредством закалки и старения обычно прокатанного (деформи-рованного)»металла. В этом состоянии они имеют ов до 45 кгс/мм2 при достаточно хороших пластических свойствах. Даже после кратковременного нагрева при температурах более 300° С прочность термически обработанного сплава резко падает, приближаясь к прочности литого металла такого же состава (о8 = 18-4--4-22 кгс/мм2 при невысоких пластических свойствах).
Эта пониженная прочность шва и околошовных зон не позволяет полностью использовать свойства таких сплавов в сварных конструкциях значительных размеров, в связи с чем их применение ограничивается.
Техника сварки деформированных сплавов аналогична сварке прокатанного алюминия и в дальнейшем будет описываться в общей форме с выделением только специфических особенностей применительно к отдельным сплавам.
Основными причинами, вызывающими затруднения при сварке алюминия, являются: высокая теплопроводность, заставляющая 134
подбирать соответствующую мощность источника сварочного тепла; высокая окисляемость алюминия; высокая температура плавления окиси алюминия А12О3 (2050° С); низкие механические свойства нагретого алюминия (что в связи с широкой областью нагрева и значительным коэффициентом теплового расширения создает затруднения в борьбе с трещинами и короблениями); значительное изменение свойств основного металла в околошов-ной зоне (если он был предварительно нагартован) и сплавов (если они были термически обработаны).
Подбор мощности сварочного пламени в зависимости от толщины металла осуществляется так же, как для стали. Пламя применяется нормальной регулировки (0 = 1 1,2). В связи с невозможностью борьбы с окислами посредством регулирования пламени проводится ряд мероприятий.
Значительное количество окислов (толстую поверхностную пленку), имеющихся на основном и присадочном металлах, обычно предварительно удаляют химической очисткой. Операция очистки включает обезжиривание (водным раствором NaOH 1%, Na2PQi 5% и жидкого стекла 3%), промывку горячей водой, кратковре: менное травление (10-процентным раствором HNO3) и опять промывку водой. Такую обработку следует проводить не более чем за 8 ч до сварки. Непосредственно перед сваркой кромки и прилегающие к ним части основного металла подвергаются очистке щеткой.
В процессе сварки окислы удаляются присадочным прутком или стальной проволокой, но наиболее эффективным при этом является применение флюсов на базе галлоидных солей щелочных (и в меньшей степени щелочно-земельных) металлов.
Характер химического взаимодействия флюсов с окислами алюминия определяется реакциями типа:
А12О3 + 6КС1 = 2А1С13 + ЗК2О. (55)
При этом хлористый алюминий А1С13 удаляется в атмосферу, так как его температура кипения 183° С.
В связи с тем, что простые соли (KF, КС1 и др.) по своим свойствам не являются удовлетворительными для флюсования, практически применяемые флюсы обычно составляют из смесей различных компонентов:
1) 14% LiCl, 50% KCl, 28% NaCl, 8% NaF (флюс АФ-4А);
2) 15% LiCl, 45% KCl, 33% NaCl, 7% KF;
3) 29% KCl, 19% NaCl, 48% BaCl2, 4% CaF2;
4) '51 % KCl, 41% NaCl, 8% NaF.
Флюсы, не содержащие LiCl, хотя и являются более дешевыми и менее гигроскопичными, но по своим технологическим свойствам уступают флюсам, имеющим в своем составе LiCl (например, флюсу АФ-4А).
chipmaker.ru
Флюсы вводятся в сварочную ванну в виде порошков на нагретом конце присадки, однако удобнее их предварительно наносить на кромки свариваемого изделия и на присадку в виде паст, приготовленных на воде или спирте.
При сварке литейных сплавов могут возникать трещины, во избежание которых проводится, как правило, предварительный подогрев свариваемых отливок до 250° С. Трещины часто получаются и при сварке дуралюминов в связи с образованием легкоплавких эвтектик А1—Си, для борьбы с которыми надежных средств в настоящее время нет.
mm.
Рис. 63. Виды подготовки
кромок для сварки алюминия
В качестве мер борьбы с короблениями, особенно при сварке тонколистового металла, применяются дополнительные жесткости (выштампованные зиговки, располагаемые вдоль свариваемых кромок) или различные виды подготовки кромок под сварку (рис. 63).
При свАрке нагартованного металла и термообрабатываемых' сплавов следует учитывать снижение свойств металла в околошов-ной зоне. В некоторых случаях для небольших сварных узлов из термообрабатываемых сплавов возможно некоторое повышение свойств посредством применения дополнительной термообработки всего узла после сварки.
Состав присадочного металла выбирается в зависимости от свариваемого основного металла. Так, для сварки алюминия в качестве присадки используется чистый алюминий или сплав АК (малокремнистый силумин с 4,5—6% Si, дающий меньшую литейную усадку и обладающий хорошей жидкотекучестью); для сварки
сплава АМц — сплав АК; для сплавов АМг — аналогичный металл, но с содержанием Mg не более 6%; для дуралюминов — алюминий или сплав, подобный основному металлу (если будет производиться термообработка после сварки); для литых деталей— силуминовые стержни.
Диаметр присадки при сварке алюминиевых сплавов должен быть следующий:
Толщина металла в мм 1,5 1,5—3 3—5 5—7 7—10
Диаметр присадки в мм 1,5—2 2,5—3 3—4 4—4,5 4,5—5,5
Сварка алюминия и его сплавов осуществляется левым способом. В связи с тем, что пленка образующегося окисла А12О3 при нагреве до температуры плавления алюминия цвета не меняет, а расплавление металла происходит очень быстро, у сварщиков должен быть выработан навык для исключения сквозных проплавлений. При выполнении сварки пламя направляется на металл вначале почти вертикально, а после начала расплавления наклонно, но с меньшим углом <р, чем при сварке стали.
Сварку длинных швов обычно осуществляют с применением прихваток. Шаг прихваток рекомендуется от 15 (при толщине свариваемого алюминия 0,5 мм) до 35 мм (при толщине 4,0 мм). Выполнение шва начинают не от края, оставляя непроваренным участок около 100 мм, который заваривают в последнюю очередь.
После сварки остатки флюса должны удаляться, так как они приводят к разъеданию как шва, так и основного металла. При этом имеют место реакции:
К2О + Н2О = 2КОН; (56)
2А1 + 2КОН +.2Н2О = 2КА1О2 + ЗН2. (57)
В результате этих реакций металл толщиной 8—10 мм разъедается на всю толщину остатками флюса за несколько недель. В связи с этим при сварке алюминия не применяются соединения, из которых удалить остатки флюса не удается (например, внахлестку с большим перекроем; нахлестка может применяться только при переплавлении всего участка перекроя). Удаление флюса осуществляется промывкой швов теплой или подкисленной водой (двухпроцентным раствором хромовой кислоты).
Механические свойства металла швов сварных соединений хорошего качества, как правило, несколько ниже свойств прокатанного металла. При сварке технического алюминия ое = = 6,54-8,5 кгс/мм2- при сварке сплава АМц ов = 8,54-11,5 кгс/мм2-, при сварке АМг5 ов = 184-22 кгс/мм2.
В сварных соединениях литья обычно обеспечивается равно-прочность с основным металлом, особенно после отжига при 200—350° С, с последующим медленным охлаждением.
§ 35. СВАРКА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Магний является одним из самых легких металлов (у = = 1,74 г/см3), а удельный вес сплавов на его основе составляет 1,76—1,90 г!см3. Сочетание малого веса с достаточно высокой прочностью (ов до 30 кгс/мм2) позволяет широко применять эти материалы для ряда конструкций.
По своим свойствам (температуре плавления, тепловому расширению, теплопроводности) магний близок к алюминию. На поверхности магния всегда находится пленка тугоплавкой окиси MgO (Т„л як 2500° С). Однако эта пленка менее плотная, чем А12О3, и поэтому хуже защищает металл от коррозии. Температура воспламенения Mg в воздухе близка к температуре его плавления, в связи с чем в условиях газовой сварки возможно воспламенение деталей. Для предотвращения этого как расплавленный металл, так и высоконагретый твердый металл должны надежно изолироваться флюсом от контакта с кислородосодержащими газами и азотом. Последний в виде нитридов ухудшает свойства магниевых сплавов.
В качестве флюсов при сварке магниевых сплавов применяются смеси чистых фторидов и хлоридов щелочных металлов:
1) 31% LiF, 14% MgF, 7% CaF2, 15% ВаС12, 33% AlF3;
2) 40% LiCl, 40% NaCl, 20% CaF2;
3) 25% MgF, 33% BaF2, 19% LiF, 15% CaF2, 3% MgO и
5% натриевого криолита (марки К-1 или К-2).
Могут также использоваться и флюсы, применяемые для сварки алюминия. При этом необходимо учитывать, что флюсы, содержащие хлор, отрицательно влияют на коррозионную стойкость сварных ..швов.
Перед сваркой детали следует предварительно протравливать. Рецептура для травления магниевых сплавов перед сваркой зависит от режима их предварительной обработки.
Сварка выполняется пламенем с небольшим избытком ацетилена. Мощность пламени берется несколько меньшей, чем при сварке алюминия. Сварка выполняется только левым способом, причем пламя направляется на поверхность металла с большим наклоном (ф як 10°), и все сечение шва заполняется в один проход.
При сварке магниевых сплавов присадочный металл по составу обычно берется аналогичным основному металлу.
При сварке не следует производить горелкой поперечных колебаний. Присадку расплавляют над ванной, без ее погружения. После сварки остатки флюса должны удаляться промывкой. Для улучшения пластичности шов подвергают проковке.
Сварочные свойства и рекомендуемые режимы термической обработки для различных магниевых сплавов приведены в табл. 10.
Для улучшения коррозионной стойкости на сварном шве и прилегающих к нему зонах создают защитный слой путем кипя-
Таблица
Сварочные свойства и режимы термической обработки магниевых сплавов
Марка сплава Основные легирующие составляющие Состояние поставки Сварочные свойства Режим термообработки после сварки
Температура в °C Выдержка в мин 1
МА1 0,3% А1, 1,3—2,5% Мп Прокат отожженный Ограниченные 260 15
МА2 МАЗ 3—4% А1, 0,15—0,3% Мп, —0,5% Zn 5,5—7% Al, - 0,15—0,5% Мп, —1,5% Zn Прокат прессованный Удовлетворительные 260 15
МА5 МА8 7,8—9,2% Al, 0,15—0,5 Мп, 0,2—0,8% Zn 1,5—2,5% Мп, 0,3% Si, 0,15—0,25% Се Прокат прессованный закаленный 315 15
Прокат отожженный — —
МЛ4 4,5% Al, 0,15—0,5% Мп, 2—3% Zn, 0,30% Si Литье в землю закаленное Ограниченные — —
МП5 7,5—9,3% Al, 0,15—0,5% Мп, 0,5% Zn, 0,25% Si Закаленный и состаренный 205 60
чения изделия в течение 30 мин в растворе, содержащем 3% сернокислого аммония, 1,5% двухромокислой соли аммония, 0,35% аммиака.
Прочность сварных стыковых соединений магниевых сплавов при газовой сварке составляет 60—80% прочности основного металла.
§ 36. СВАРКА ЦИНКА
Цинк является тяжелым металлом (у = 7,1 г!см3) с температурой плавления 419° С и температурой кипения 906° С. Цинк легко окисляется и пары его весьма вредны для здоровья. В сварных конструкциях цинк применяется для изготовления аппаратуры химической промышленности.
Подготовка цинка к сварке сводится к разделке кромок (с углом раскрытия 90° при 6 более 4 мм) и их очистке от загрязнений. Пламя применяется с небольшим избытком ацетилена при мощности около 50 л/ч на 1 мм толщины. В качестве присадочного
металла применяются полоски, нарезанные из листового цинка такой же толщины.
Сварка цинка выполняется с применением флюса состава: 50% хлористого цинка и 50% нашатыря. Флюс перед сваркой наносится в небольшом количестве на свариваемые кромки, а затем добавляется, как обычно, на нагретом конце присадки.
Для удержания расплавленного металла в ванне под нижнюю часть свариваемых кромок обычно подкладывают кирпич или просушенный асбёст.
Сварка выполняется левым способом. При этом следует избегать перегрева ванны. Присадку держат погруженной в ванну, перемешивая ее вертикальными перемещениями конца присадки.
Внешний вид шва получается хорошим. Прочностные свойства сварного соединения без дополнительной обработки оказываются низкими вследствие образования крупнозернистой структуры в шве. Структура и свойства металла сварных соединений значительно улучшаются проковкой шва при 100° С с дальнейшим быстрым охлаждением водой.
§ 37. СВАРКА СВИНЦА
Свинец имеет большой удельный вес (у == 11,3 г/см3), низкую температуру плавления (327° С) и низкую теплопроводность (примерно в 2,5 раза меньшую, чем железо). Механические свойства листового свинца характеризуются временным сопротивлением о8 = 1,35 кгс/мм2 при 6s%50%.
Свинец химически устойчив по отношению к H2SO4 (при концентрации ниже 80%), Н3РО4 (при концентрации не более 60%), но легко поддается действию HNO3 и растворам, содержащем углекислоту.
Кислород, азот и водород растворяются в расплавленном свинце в незначительной степени.
Низкое теплосодержание расплавленного свинца (5ПЛ % 19 ккал/кг) и его'низкая теплопроводность дают возможность применять для сварки, особенно малых толщин, водородно-воздушное пламя, водородно-кислородное, а также ацетилено-кислородное малой мощности (10—20 л/ч на 1 мм толщины).
Сварка свинца может производиться при любом расположении шва в пространстве. Сварка в нижнем положении ведется встык и внахлестку. При малых толщинах часто применяется отбортовка. Скос кромок производится для толщин более 6 мм. При сварке внахлестку величина перекрытия зависит от толщины и составляет до 75—100 мм.
Для сварки вертикальных швов внахлестку производится отгибание кромки листа, которая при расплавлении заполняет шов. При сварке труб соединение внахлестку осуществляется разбортовкой одной из труб. Перед сваркой осуществляется
зачистка кромок на 30—40 мм от шва. При сварке свинца пламя применяется нормальной регулировки (Р = 1-Н,2).
Для сварки в нижнем положении применяется мягкое пламя; в потолочном положении, а также для швов внахлестку и встык при большой толщине для улучшения провара применяется Жесткое пламя.
В качестве присадочного металла обычно используются полоски, нарезанные из листового свинца, или реже круглая проволока. В зависимости от толщины свариваемого свинца размер присадки должен быть следующий:
Толщина свинца в мм .... 0,8—1,2 1,5—2,0 2,5—3,0 4—8
Диаметр присадки в мм . . . 3 6 8 10—12
При сварке малых толщин в качестве флюса используется стеарин, которым натирают очищенные кромки основного металла и присадку. При больших толщинах рекомендуется применять флюс, состоящий из равных частей стеарина и канифоли.
Сварка тонкого свинца производится отдельными каплями, подаваемыми с присадки на расплавленные кромки так, чтобы предыдущая капля перекрывалась последующей примерно наполовину ее длины. В некоторых случаях применяются железные формочки небольших размеров, подкладываемые под шов при сварке в нижнем положении.
Начиная вертикальный шов, расплавленный металл поддерживают стальным прутком. Когда первая ванна застынет, последующие порции расплавленного металла уже формируются на ней и поддерживать их стальным прутком не требуется.
При сварке свинца специальных мероприятий по борьбе со сварочными напряжениями не требуется в связи с его высокой пластичностью, однако при сварке сплавов свинца с сурьмой следует учитывать возможность образования трещин. Обычно требуемая плотность швов при сварке свинца достигается после небольшой тренировки сварщика.
ГЛАВА IX
ГАЗОПЛАМЕННАЯ ПАЙКА И НАПЛАВКА
§ 38. ГАЗОПЛАМЕННАЯ ПАЙКА.
МЯГКИЕ И ТВЕРДЫЕ ПРИПОИ
Пайкой называется технологический процесс получения неразъемных соединений, выполняемый с использованием металла или сплава-припоя, имеющего температуру плавления меньшую, чем температура плавления спаиваемого металла.
В результате взаимодействия расплавленного припоя с кромками основного металла и последующего остывания образуется спай. При этом припой может механически внедряться между зернами основного металла (рис. 64, а), или, кроме того, внедрению может сопутствовать образование промежуточного слоя твердых растворов (составляющих припоя и -основного металла) или их химических соединений (рис. 64, б).
Свойства паяного соединения определяются свойствами литого припоя, промежуточного слоя и свойствами основного металла, подвергнутого термическому воздействию при пайке.
Рис. 64. Структура паяных соединений
Промежуточный Основной металл
слой
Свойства литого припоя и основного металла могут быть легко оценены на основании общих сведений об этих металлах.
Свойства промежуточного слоя определяются свойствами припоя и спаиваемого металла, температурой и временем их взаимодействия, величиной и чистотой поверхностей взаимодействия и пр. Поэтому качество спаев получается различным в зависимости от применяемых комбинаций основного металла-припоя и режимов пайки.
В результате диффузионного проникновения составляющих основного металла в припой последний может изменять свои свойства. Эффективность такого изменения свойств припоя зависит также и от толщины его слоя, подвергавшегося изменению в результате взаимодействия с основным металлом, т. е. от величины зазора, заполняемого припоем. На рис. 65 показана такая зависимость при пайке сталей медью.
Однако не всегда можно обеспечить при пайке сохранение такого начального зазора, который позволит увеличить механическую прочность. Кроме того, приходится учитывать и проникае-мость припоя в технологические зазоры. Поступление припоя в зазоры облегчается улучшением смачиваемости расплавленным припоем кромок основного металла при температуре пайки и уменьшением поверхностного натяжения припоя. Кроме того, следует учитывать действие силы тяжести (т. е. будет ли припой опускаться или подниматься по зазору при пайке).
Смачиваемость кромок зависит от их чистоты, в частности от наличия или отсутствия на них окислов. В связи с этим следует производить очистку кромок как предварительно (механическими , способами или травлением), так и в процессе пайки восстановлением или ошлаковыванием окислов. Улучшение смачиваемости достигается также применением флюсов. В некоторой степени флюсы влияют и на поверхностное натяжение припоев.
В качестве флюсов при пайке используются смеси легкоплавких солей или окислов (температура плавления этих смесей должна
Рис. 65. Влияние величины зазора (слоя припоя) на механическую прочность паяных соединений
для П дляСи дляСииведляве
ез Область температур плавления
Рис. 66. Диаграмма температур плавления наиболее распространенных групп припоев (штриховкой показана область температур плавления)
быть ниже температуры плавления припоя) или газы (водород при пайке стали медью в печах; боросодержащие пары, вводимые в пламя при пайке сплавов на медной основе).
В технике применяется большое количество разнообразных припоев в зависимости от спаиваемых металлов и назначения паяных соединений. Важнейшей характеристикой припоев является их температура плавления. Примерные температуры плавления припоев на основе различных металлов представлены на рис. 66.
Припои классифицируются как мягкие и твердые. Мягкими припоями называются такие, температура плавления которых значительно ниже температуры плавления спаиваемого металла. Если температура плавления припоя достаточно высока (иногда сопоставима с температурой плавления спаиваемого металла), то такие припои называются твердыми. В практике мягкими припоями обычно называют припои с температурой плавления ниже 450° С, а твердыми—припои с температурой плавления выше 450° С.
Твердые припои могут обеспечивать прочность стыковых соединений ов = 30-j-50 кгс/мм2, мягкие — ов «5 10 кгс/мм2.
Наиболее распространенными мягкими припоями для сплавов на основе железа и меди являются оловянисто-свинцовые с добавками сурьмы (ПОС по ГОСТу 1499—54). Пайка этими припоями производится с применением различных источников тепла, обеспечивающих необходимый для выполнения пайки нагрев кромок до температуры не ниже температуры плавления припоя (паяльников, паяльных ламп и др.).
Перед пайкой оловянисто-свинцовыми припоями кромки очищаются травленой соляной кислотой; в качестве флюсов применяются канифоль и хлористый цинк. Цинковые и цинко-оловя-нистые припои с добавками применяются для пайки алюминия. Состав таких припоев следующий:
1) 94—96% Zn и 6—4% А1;
2) 50% Zn, 45% Sn и 5% Al;
3) 70—78% Zn, 20—25% Sn и 2—6% Al.
В качестве флюсов при этом используются нашатырь или составы, содержащие хлористый цинк (85—90%) с добавками фтористого натрия и хлористого аммония. Такие паяные соединения обладают пониженной коррозионной стойкостью при наличии влаги.
Значительно большие возможности технического применения имеет пайка твердыми припоями, причем ряд сварных соединений может быть заменен паяными. В некоторых случаях пайка твердыми припоями обеспечивает возможность получения лучших свойств соединений, чем сварка, например, когда:
1) основной металл, нагреваемый до сварочных температур, резко ухудшает свои свойства (ковкий чугун, некоторые марки специальных сталей и т. п.);
2) необходимо соединить разнородные металлы, сплавы которых обладают низкими свойствами (сталь и медь, чугун и сталь);
3) при сварке присадочным металлом, аналогичным основному, получаются низкие свойства соединений (например, при сварке горелого чугуна);
4) при сварке получаются недопустимые деформации, а применение пайки удовлетворяет требованиям к соединению и дает меньшие деформации.
Пайка иногда обеспечивает большую экономичность. Так, например, при ремонте пайкой чугунных изделий исключается их общий нагрев, необходимый при сварке; соединение медных деталей может быть выполнено пайкой быстрее и экономичнее, чем сваркой.
Твердыми припоями, обеспечивающими соединения с хорошими свойствами для ряда металлов и сплавов (сталей, включая высоколегированные, никеля, меди и на ее основе сплавов, серебра), являются серебряные (ПСр по ГОСТу 8190—56), имеющие температуру плавления от 725 до 850° С.
Для пайки серебряными прйпоями большинства сплавов в качестве флюсов применяются плавленая бура или смеси буры с борной кислотой. Для пайки высокохромистых сталей применяется флюс состава: 53% борной кислоты и 47% фтористого калия. Иногда'к этому составу добавляется в количестве 10% пла-
виковая кислота.
Хорошими качествами обладает и припой состава: 80% Си, 15% А1 и 5% Р. Температура плавления его около 650—680° С.
Этот припой в связи с наличием фосфора является самофлюсую-щимся и не требует применения флюсов. Однако присутствие фосфора не позволяет применять его для пайки сплавов на железной основе, так как при этом образуются хрупкие прослойки на границе припоя с основным металлом.
Более дешевыми припоями являются меднофосфористые припои с содержанием фосфора около 8 %, применяющиеся для пайки меди и сплавов на медной основе.
Довольно широко применяются медно-цинковые припои. Однако припои ПМЦ по ГОСТу 1534—42 обладают плохими технологическими свойствами (кроме ПМЦ 51)
200 . W0 600 S00 Температура испытания,°C
Рис. 67. Прочность паяных соединений хромоникелевых жаропрочных сталей при различных температурах:
•---•—припой ПСр-45; О— О—
припой ЛОК59-1-0,3; X----X —спе-
циальный припой
и в качестве припоев применяются латуни (например, Л62) или специальные сплавы (например, ЛОК 59-1-0,3). Припой ЛОК 59-1-0,3 дает хорошие результаты при пайке чугуна и высоколегированных сталей (рис. 67).
Иногда применяются и специальные припои, например для пайки жаропрочных сталей, для припайки пластин твердого сплава к резцам (припои на основе Ni—Си и Ni—Си—Мп). При низких требованиях к соединению стальных деталей некоторые заводы в качестве припоя используют высокофосфористый чугун.
Для пайки алюминия и его сплавов С. Н. Лоцмановым разра-
ботан ряд припоев и флюсов, из которых наибольшее распространение получил припой 34А (25—30% Си, 4—7% Si, остальное А1) и флюс 34А (25—35% LiCl, 8—15% ZnCl2, 12—18% NaF, остальное КО). Температура плавления припоя 34А составляет около 525° С. Паяные соединения, как правило, лучше работают на срез, чем на растяжение. Характерные типы паяных соединений показаны на рис. 68.
В тех случаях, когда определяющей прочность паяного соединения является зона перехода от припоя к основному металлу, поверхность этой зоны иногда дополнительно увеличивают посредством ее зазубривания.
При пайке газовым пламенем в качестве горючих применяются ацетилен, а также газы — заменители ацетилена и жидкие горючие — бензин и керосин. В качестве аппаратуры для пайки могут
Рис. 68. Типы паяных соединений:
а — стыковые; б — внахлестку; в — с отбортовкой; г — втулочные; д — специальные (при заплатах на алюминиевые детали)
применяться обычные горелки, однако лучшие результаты дают специализированные горелки, имеющие сетчатые мундштуки.
Техника пламенной пайки подготовленного соединения сводится к нагреву кромок (до температуры плавления флюса, если пайка производится без газового флюсования и несамофлюсую-щимися припоями), введению и расплавлению флюса, дальнейшему нагреву до температуры плавления припоя, введению и расплавлению припоя с проверкой его растекаемости и проникания в зазор и охлаждению соединения отводом источника тепла.
Пайку мелких деталей лучше вести так, чтобы все предварительные стадии подготавливали возможность единовременным вводом припоя выполнить пайку всего соединения в один прием. При длинных швах выполнение пайки осуществляется участками.
В случае пайки серого чугуна перед вводом флюса предварительно необходимо выжечь окислительным пламенем с поверхности металла графитовые включения, а перед заполнением шва припоем
произвести облуживание кромок, т. е. после обработки их флюсом нанести первоначально тонкий слой припоя, используя притирающие движения припоя по нагретым до температуры его плавления кромкам основного металла. Затем вся разделка заполняется припоем как при сварке.
§ 39. НАПЛАВКА ПОВЕРХНОСТЕЙ
ИНОРОДНЫМИ СПЛАВАМИ
В ряде случаев, в связи с особенностями эксплуатации различных деталей, к поверхностному слою металла предъявляются совершенно особые требования (повышенная коррозионная стойкость, сопротивляемость истиранию и пр.) по сравнению с основной частью этой же детали. Весьма эффективным способом решения подобной задачи является наплавка на поверхность детали (обычно стальной) сплава, отвечающего по своим свойствам требованиям к поверхности. В общем случае может иметь место наплавка из цветных металлов — меди, латуни, бронзы — или получение слоя высокой твердости нанесением специальных твердых сплавов, легированных сталей и чугуна. Наплавка цветных металлов на сталь и чугун применяется в различных деталях, в химической аппаратуре, на рабочих зеркалах, на поверхности уплотнения и пр.
По своей сущности этот процесс наплавки должен обеспечивать соединение основного металла с наплавленным, соответствующее пайке твердыми припоями. В процессе наплавки в ряде случаев происходит значительное расплавление основного металла, в связи с чем в первом слое образуется промежуточный состав, часто не отвечающий техническим требованиям к поверхности. В этом случае приходится применять наплавку в два и более слоев.
Иногда возникает необходимость получения значительной толщины поверхностного слоя (2—8 мм), что обусловливает увеличение количества тепла, вводимого в деталь при наплавке. Это приводит к большим напряжениям и деформациям, вызываемым местным нагревом деталей, чем при пайке твердыми припоями. В результате их воздействия по промежуточному слою между основным и наплавленным металлом может происходить расслоение.
Для наплавки меди и сплавов на ее основе на стальные и чугунные детали применяется газопламенная и электродуговай наплавка, а также наплавка по способу разделенного нагрева (акад. В. П. Никитина) при различных комбинациях источников нагрева.
При газовой наплавке легче регулировать степень нагрева основного и присадочного металла. Это позволяет избежать слишком большого расплавления основного металла и его перемешивания с наплавленным, что является, как правило, желательным. Основным недостатком газовой наплавки является низкая произ
водительность и большие затраты газов при наплавке крупногабаритных деталей. Поэтому такая наплавка применяется главным образом для деталей относительно небольших размеров.
При газопламенной наплавке на предварительно подготовленную (зачищенную) поверхность направляют пламя для создания подогрева выше температуры плавления наплавляемого металла, но не доводят основной металл до. расплавления. Затем, расплавляя присадку, наплавляют металл, добиваясь его растекания по нагретой поверхности. Для очистки нагретой поверхности от окислов обычно применяют флюсы, как при сварке и пайке.
Рис. 69. Микроструктура наплавки на сталь: а — меди; б — латуни
Некоторые сплавы на медной основе дают со сталью плохое сцепление из-за образования хрупких прослоек (например, сталь со сплавами, содержащими кремний, фосфор). В этом случае имеет место промежуточный процесс — облуживание поверхности, причем оно не всегда производится тем же сплавом, каким выполняется наплавка.
Наплавка меди и ряда марок латуни на сталь дает достаточно хорошие результаты. Микроструктуры наплавки меди и латуни на сталь приведены на рис. 69. Иногда в наплавленном слое, особенно при перегреве основного металла, имеют место включения зерен основного металла, в ряде случаев недопустимые по техническим требованиям к наплавке.
При наплавке сплавов на медной основе на сталь обычно применяется нормальная регулировка пламени, однако при наплавке латунью, особенно второго или последующих слоев, пламя регулируется с избытком кислорода. Мощность пламени подбирается в соответствии с размерами наплавляемой детали. Флюсы применяются те же, что и для сварки меди и сплавов на ее основе. Наплавка, как правило, выполняется в нижнем положении. Производительность наплавки при мощности пламени около 1200 л!ч составляет 500—700 г/ч.
При наплавке латуней на черные металлы, как правило, требуется применение флюсов, причем технологически наиболее бла
гоприятные условия создает газофлюсовая наплавка с применением флюса БМ-1 (см. § 21, 32). При этом активность флюса и его непрерывная подача в пламя позволяет осуществлять наплавку при нагреве поверхности наплавляемой детали около 800—850° С.
Обычно, наплавка производится левым способом в нижнем положении, хотя при необходимости получения более толстого слоя наплавки применяют наклон изделия с выполнением наплавки снизу вверх.
При наплавке латуни Л62 с флюсом БМ-1 на углеродистую сталь прочность соединения на отрыв составляет около 33 кгс!мм\ и оно выдерживает без отслаивания загиб на 180°. Однако следует отметить, что при газопламенной наплавке меди на сталь в основном металле часто образуются значительные трещины, что не позволяет этот способ рекомендовать для изготовления ответственных деталей.
Твердые сплавы имеют весьма разнообразное применение. Так, сплавленно-спеченные твердые сплавы, изготовляемые в основном из тугоплавких карбидов вольфрама с добавками кобальта, никеля и железа, используются в виде пластинок для припайки к инструментам. Из этих сплавов в СССР широко .применяется победит (80—85% W, 5—6% С, 7,8—8,0% Со, 1,8—2%Мо, остальное Fe). Иногда вместо пайки применяется приварка пластинок к державкам газовой сваркой мягкой стальной проволокой.
Широко применяются для наплавки поверхностей, работающих на истирание, порошкообразные твердые сплавы, изготовляе-мйе в виде крупки. Из этих сплавов в СССР применяются; висхом и сталинит (-—55% Fe, 11—42% Сг, 16—17% Мп, 1,8—2% Si, 12—13% С). Обычно эти сплавы наплавляют электрической дугой угольным электродом, так как газосварочное пламя сдувает зерна.
Широко используются при газовой наплавке литые твердые сплавы и трубчатые присадки. Литые твердые сплавы для наплавки изготовляются в виде прутков диаметром 5—8 мм, которые отливаются в металлические кокили.
Для деталей, работающих в условиях высоких температур, для наплавки применяются стеллиты (В2К, ВЗК), представляющие собой карбиды вольфрама и молибдена, связанные кобальтом и железом. Состав стеллита В2К: 13—17% W, 27—33% Сг, 1% Мп, 2% Ni, 47—53% Со, < 2% Fe, 1—2% Si, 1,8—2,5% С. Стеллит ВЗК имеет меньше вольфрама (4,0—5,0%), больше кремния (до 2,5%) и кобальта (58—62%).
Для деталей, работающих при нормальных и несколько повышенных температурах, наплавка осуществляется сормайтами — высокохромистыми чугунами. Заэвтектический чугун — сормайт № 1 содержит 25—31 % Сг и около 3,0% С, а доэвтектический — сормайт № 2 — 13,5—17,5% Сг и/—2%С. Сормайт № 2 менее хрупок, после отжига может подвергаться обработке резцом с последующей закалкой.
Наплавляемые поверхности тщательно зачищаются, детали перед наплавкой предварительно подогреваются до 500—700° С для уменьшения короблений и предотвращения образования трещин. Наплавку ведут в нижнем положении пламенем с небольшим избытком ацетилена. В результате некоторого науглероживания поверхности металла детали на ней появляется тонкая пленка расплавленного металла, с которой и сплавляется наплавляемый металл присадочного стержня, растекаясь по разогретому участку наплавляемой поверхности. Для обеспечения надлежащих свойств наплавляемого слоя необходимо максимально ограничивать глубину проплавления, не допуская ее более 0,3—0,5 мм.
Для очистки металла от окислов, получающихся в результате контакта нагретой поверхности с газами, содержащими кислород, в ряде случаев применяется флюсование бурой или другими флюсами:
1) бура прокаленная 20%, борная кислота 68%, плавиковый шпат 12% (для наплавки стеллитов);
2) бура 50%, двууглекислая сода 47%, кремнезем 3% (для наплавки сормайтов).
После наплавки на чугун или инструментальную сталь деталь подвергают медленному охлаждению в песке.
Аналогично выполняется наплавка и трубчатой присадкой, представляющей собой железную ленту толщиной около 0,5 мм, свернутую в трубку диаметром 5—6 мм, внутренняя полость которой заполняется крупкой карбидов вольфрама (прутки ТЗ). При правильно выполненной такой присадкой наплавке она имеет твердость HRC около 85.
ГЛАВА X
ГАЗОПРЕССОВАЯ СВАРКА
§ 40. СУЩНОСТЬ ГАЗОПРЕССОВОЙ СВАРКИ
И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ
Как уже указывалось во введении, сварка может выполняться с доведением свариваемых кромок до расплавления (сварка плавлением), но для многих металлов она может быть выполнена и при твердом состоянии металла, с'применением давления и пластического деформирования (сварка в пластическом состоянии).
Исследования процесса сварки давлением показывают, что условия получения доброкачественных соединений зависят не
только от состава и свойств металла; температуры и давления,
являющихся основными параметрами режима сварки; но и от состояния свариваемых поверхностей (их степени обработки, чистоты и пр.).
Влияние температуры сварки и ность соединений при сварке низкоуглеродистой стали в нейтральной газовой атмосфере показано на рис. 70.
При улучшении предварительной обработки поверхностей, подлежащих сварке, температура при той же величине давления для получения одинакового качества сварки может быть несколько снижена.
Влияние состава стали на температурный режим сварки давлением (рис. 71) показывает, что при увеличении содержания углерода
величины давления на проч-
Рис. 70. Влияние температуры и давления на предел прочности соединений низкоуглеродистой стали при сварке давлением
диапазон режимов, дающих доброкачественные сварные соединения, уменьшается. При этом нижний предел сварочных температур располагается выше температуры общей перекристал-
0,7 0.40.60.S1012W1.Б V Собержание С,%
Рис. 71. Температурные режимы сварки стали давлением в зависимости от содержания углерода: / — область выполнения сварки; // — область получения доброкачественных сварных соединений
лизации почти для всех составов стали (исключая составы, близкие к чистому железу).
Сварка давлением низкоуглеродистой стали применялась еще в конце XIX века для изготовления ответственных сварных конструкций. Нагрев кромок и прилегающего к ним металла осуществлялся пламенем многосопловых горелок с горючей смесью водяного газа (СО + Н2 при некотором количестве паров Н2О) с воздухом. В связи с этим сам способ получил название сварки водяным газом. Сварка выполнялась н0 специальных машинах последовательным выполнением шва от участка к участку с приложением статического давления (на роликовых машинах) или ударами (проковкой на молотковых машинах).
Несмотря на некоторое зашлаковывание швов при сварке этим способом боль-
ших толщин, котлы со сварными швами, выполненными сваркой водяным газом, работают и по настоящее время, находясь в эксплуатации около 50 лет.
Более современной является газопрессовая сварка с использованием более эффективного ацетилено-кислородного пламени. Газопрессовая сварка характеризуется предварительным выполнением цикла тепловой подготовки всего сечения, подлежащего сварке, с последующим единовременным сдавливанием по всей свариваемой поверхности.
Газопрессовая сварка подразделяется на сварку с нагревом металла до пластического состояния и сварку с нагревом металла до оплавления.
Сварка в пластическом состоянии выполняется с применением нагрева пламенем многосопловой горелки, имеющей форму, соответствующую боковой поверхности свариваемого изделия. При этом металл вблизи свариваемого стыка прогревается до сварочной температуры и сдавливается до достижения необходимой величины осадки.
Этот способ применяется главным образом для сварки встык труб или стержней (относительно небольшого диаметра), которые можно прогреть пламенем горелки, располагаемой со стороны их боковой поверхности, до равномерной температуры во всем свариваемом сечении.
В некоторых случаях для обеспечения равномерного прогрева сложного сечения (например, рельсового стыка), облегчения удаления окислов, образующихся на стыкуемых кромках, а также для упрощения подготовки кромок при развитых сечениях (например, при стыковании полос) является рациональным применение сварки с оплавлением кромок.
В этом случае нагрев металла вблизи кромок до температуры сварочного жара сопровождается дополнительным нагревом металла на поверхности кромок до температуры плавления. При последующем сжатии жидкий металл выдавливается из зазора, и производится обычная сварка давлением металла, находящегося в твердом состоянии.
Длительность нагрева при сварке в пластическом состоянии зависит от толщины металла (или диаметра стержня); протяженность шва влияет только на конструкцию нагревающей горелки и мощность питающих газом устройств. В связи с этим производительность при этом способе мало зависит от длины шва. Так, например, время на сварку стыка труб 38 X 4,5 мм и 529 X 5,0 мм оказывается примерно одинаковым. Поэтому для ряда работ газопрессовая сварка является высокопроизводительным процессом, многие операции которого легко механизируются.
В СССР газопрессовая сварка нашла применение для сварки стыков труб при монтаже магистральных трубопроводов, а также для изготовления и ремонта ряда деталей из углеродистых сталей для подвижного состава железных дорог.
§ 41. ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ГА30ПРЕСС0В0Й СВАРКИ
Для газопрессовой сварки применяются установки, состоящие из следующих основных частей:
1) станка с механизмами для зажатия свариваемых деталей и осадки в процессе сварки;
2) горелки для осуществления сварочного нагрева;
3) системы питания газами, водой (для охлаждения) и воздухом (в случае применения пневматических устройств).
Зажатие и осадка деталей в станке в зависимости от размеров свариваемых деталей и необходимой величины осевого давления при сварке осуществляется ручным способом (с помощью пневматических устройств) или механизированно (с помощью гидравлических устройств).
Выбор способа зажатия и осадки зависит от величины максимальных усилий, которые требуются для выполнения этих операций применительно к размерам сечений свариваемых на данном станке деталей. При этом усилия для зажатия должны примерно вдвое превышать усилия для осадки. Усилия для осадки зависят в основном от свариваемого металла. Так, при сварке низкоуглеродистой стали сплошного сечения удельное давление осадки должно быть равно 1,5—2,5 кгс!мм2, для сварки труб — 2,0— 3,5 кгс/мм2. Для сварки труб из низколегированных сталей усилие осадки должно составлять 5—6 кгс!мм2, а для труб из высоколегированной стали Х18Н9Т от 10 до 12 кгс!мм2.
Некоторые конструкции станков имеют на станине каретку для закрепления и перемещений сварочной горелки.
Горелки для газопрессовой сварки многосопловые, с водяным охлаждением. По конструкции они различаются между собой в зависимости от формы свариваемого изделия. Обычно для сварки стержней и труб горелки изготовляются разъемными, состоящим^ из двух половин, шарнирно связанных друг с другом. Для торцового нагрева и для сварки листов горелки делаются неразъемными.
Однорядные кольцевые горелки с цилиндрической рабочей поверхностью, применяемые для сварки стержней и труб, обычно характеризуются диаметром De, по которому располагаются сопла диаметром dc (обычно 0,6—0,8 мм), и шагом 1С (обычно 4—6 мм), с которым сопла расположены по периметру, определяемому De. Такое расположение сопел обеспечивает достаточно равномерный прогрев по периметру свариваемой поверхности. Учитывая, что при скоростях истечения горючей смеси <о = 110-е-125 м/сек длина ядра пламени составляет 7—10 мм, а нагреваемая поверхность должна отстоять от ядра на 2—3 мм, значение D? определяется в зависимости от диаметра D свариваемого изделия:
De = D + 2h, (58)
где h — длина ядра пламени плюс 2—3 мм.
Число сопел N равно:
TV = nJP + 2Л> f (59)
а расход горючей смеси S Vc (в м31сек):
S Vc = NFcwn, (60)
где Fc — площадь сечения одного сопла в Л12;
т — коэффициент истечения из цилиндрического сопла (—0,85 — 0,9).
Удельный расход ацетилена, обеспечивающий необходимый прогрев стыка при сварке сплошных сечений, составляет 1,5— 2,5 л!ч-мм2, а для труб 1,8—2,2 л!ч-ммг (при |3 = 0,95-ь 1). При этом для стандартных труб диаметром 273 мм расход ацетиленокислородной смеси составляет 6—7,5 л!сек, а для труб диаметром 529 мм — 11—14 л!сек. >
Для уменьшения количества сменных типовых размеров кольцевых горелок ВНИИавтогенмаш разработал конструкцию горелок МГ со сменными ввертываемыми в корпус горелки мундштуками различной длины. Серия горелок МГ позволяет варить трубы с толщиной стенок 3—14 мм и стержни диаметром 30—120 мм при мощности пламени 0,75—15 м31ч ацетилена. Горелки во избежание недопустимого перегрева в процессе работы охлаждаются проточной водой.
Некоторые из станков имеют специальные устройства (например, пневмотурбинки) для колебаний горелки, требуемых для создания соответствующего нагрева стыка.
Система питания газами включает регулирующие устройства, вентили, газовые рубильники и устройства для подачи и регули-
Таблица 11
Технические характеристики стационарных станков для газопрессовой сварки
Тип станка Максимальное усилие осадки в кгс Способ осадки Наибольшая величина осадки в мм । Максимальное усилие зажатия в кгс Способ зажатия Наибольший диаметр в мм Расстояние между зажимами в мм Способ перемещения горелки Наибольший ход горелки в мм
свариваемых труб свариваемых стержней
СП г-Эр 3 000 Ручной 16 6 000 Ручной 51 35 150 Ручной 40
СГП-1р 13 000 50 25 000 — 160 330 100
СГП-7 12 000 Пнев- 50 24 000 Пнев- 160 100 300 Механический 100
мгпс 15/160-53 15 000 магический 40 42 000 магический 160 60 — Ручной и механический 100
ровки воды и воздуха. Все регулирующие устройства обычно выведены на пульт управления.
Технические характеристики стационарных станков для газопрессовой сварки приведены в табл. 11.
Основным недостатком газопрессовой сварки является то, что основные характеристики процесса — температура, время осадки — определяются на глаз и зависят целиком от квалификации сварщика. Предложенные ВНИИСТ и МВТУ им. Баумана способы автоматизации по времени нагрева и величине осадки недостаточно совершенны.
§ 42. ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОПРЕССОВОЙ СВАРКИ
750 650 950 10501150 1250 Температура сборки, °C
Рис. 72. Механические свойства соединений, выполненных газопрессовой сваркой в зависимости от температуры сварки
Технология газопрессовой сварки зависит от применяемого способа сварки в пластическом состоянии или с оплавлением поверхности.
При сварке в пластическом состоянии предъявляются повышенные требования к подготовке свариваемых поверхностей. Они должны быть тщательно зачищены; для толщин более 6 мм лучше применять скос кромок, что обеспечивает более равномерное прогревание без местных перегревов и недо-гревов металла. Скос кромок при толщине стенок труб от 6 до 14 мм соответственно увеличивается от 8 до 25° (общий угол раскрытия получается двойным —16—50°).
При сварке стыка круглых стержней или труб весьма важно собрать их под сварку соосно, так как даже незначительное несовпадение осей свариваемых элементов обычно приводит к значительному ухудшению качества сварки.
Горелку ставят у стыка концентрично поверхности свариваемого изделия, но смещают ее несколько вниз так, чтобы ядро пламени в верхней части горелки располагалось на 1—2 мм ближе к поверхности изделия, чем в нижней части. При строго концентричном расположении горелки нижняя часть стыка перегревается по сравнению с верхней. Пламя берется с небольшим избытком ацетилена (Р = 0,95), так как в случае р = 1 в стыке обнаруживается более или менее значительная ферритная полоска с включениями окисленного железа, снижающая свойства сварного соединения.
Нагрев должен быть обеспечен достаточно равномерный до температуры 1150—1250° С. Зависимость свойств металла стыка от температуры сварки представлена на рис. 72. Температура
определяется по цвету металла или, в некоторых отработанных технологических процессах, по времени нагрева (обычно для труб с толщиной стенок 6—7 мм около 100—150 сек).
Весьма важным для качества сварки является способ приложения и величина давления осадки. Характерные циклы нагрева и давления при газопрессовой сварке приведены на рис. 73. При постоянном давлении (рис. 73, а), раннее начало осадки мешает нагреву нижней части свариваемой толщины и может способствовать
Рис. 73. Характерные циклы нагрева Т и давления р при газопрессовой сварке:
1 — момент приложения давления;
2 — момент зажигания горелки;
3 — момент выключения горелки (3'—момент приложения ковочного давления); 4 — момент снятия ковочного давления
ухудшению качества сварки. Бо-л'ёё равномерный прогрев и, следовательно, лучшее качество сварки может быть обеспечено схемой со ступенчатым давлением (рис. 73, б).
В ряде случаев по мере приближения к температуре сварки, для большей равномерности в распределении температур, горелке придают колебательные движения (поперечные по отношению к стыку, реже вращательные для выравнивания температуры по периметру стыка).
Осадка, дающая хорошие результаты по качеству стыка, зависит от формы свариваемых элементов. Так, при сварке сплошных стержней углеродистых сталей величина осадки обычно рекомендуется около 0,3 D (D— диаметр свариваемого стержня), а при сварке труб — от 1 до 1,3 6, где 6 — толщина стенок трубы.
Доброкачественно сваренные стыки, как правило, обладают прочностью не ниже прочности целой трубы,
но имеют несколько пониженную пластичность (хотя обычно удовлетворяющую требованиям, предъявляемым к углу загиба) и резко сниженную ударную вязкость (до 20% от значения для основного металла — углеродистой стали), что определяется структурой перегретого металла в районе сварного соединения.
Для улучшения пластических свойств и особенно ударной вязкости после сварки рекомендуется дополнительная термообработка — нормализация, выполняемая той же горелкой. После охлаждения стыка примерно до 600° С (после снятия ковочного давления и выключения горелки) снова зажигается горелка, и металл в районе стыка и области перегрева вторично нагревается примерно до 950° С. Затем горелка снова гасится и снимается, а стык охлаждается на воздухе. В результате такой дополнительной термообработки структура металла в районе стыка полу
чается мелкозернистой, и ударная вязкость его возрастает до 80—85% от ударной вязкости основного металла.
В случае сварки с оплавлением при торцовом нагреве в подготовленный для сварки зазор стыка вводится горелка, по форме подобная свариваемым торцам. Нагрев продолжается до появления оплавления. Тогда горелка быстро выводится из зазора и дается ковочное давление. \
Иногда сварку компактных сечений удобнее вести с боковым нагревом. В этих случаях нагрев сжатого (без зазора) стыка начинают пламенем, направленным с боковых поверхностей, а когда температура становится близкой к сварочной, стык разводят, и пламя направляется в зазор, производя оплавление обеих свариваемых поверхностей, сплавляя неровности и загрязненные шлаками участки; затем подается ковочное давление (3—3,5 кгс/мм2), производится осадка и, если необходимо, — нормализация. Усиление сварного шва срубается в горячем виде зубилом, а стык проковывается.
ГЛАВА XI
СВАРКА НЕМЕТАЛЛОВ
§ 43. СВАРКА КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
В промышленности при изготовлении многих изделий во все большем объеме применяются различные неметаллы как материалы с особыми свойствами и как заменители металлов. Использование неметаллов в ряде конструкций обусловлено возможностью получения соединений, аналогичных сварным в металлоконструкциях. При этом такие соединения, как правило, обеспечивают достаточную прочность, плотность и монолитность изделий.
Применительно к металлам в определение процесса сварки входит понятие об установлении кристаллических связей в сварном соединении. Неметаллы же не являются кристаллическими веществами. Однако подобие по технике выполнения и по получаемым результатам позволяет операции по получению неразъемных соединений неметаллов также называть сваркой.
Если кристаллические материалы имеют более или менее определенный температурный интервал перехода из твердого состояния в жидкое, то у аморфных материалов, к которым относятся и некоторые свариваемые неметаллы, наблюдается относительно плавный, постепенный переход из твердого состояния к расплавленному, и уменьшение вязкости происходит в достаточно широком диапазоне температур. Это в значительной степени определяет
и характерную особенность сварки неметаллов, которая занимает промежуточное положение между сваркой плавлением и сваркой давлением.
В настоящее время в промышленности применяется сварка
стекла, кварцевого стекла, некоторых органических пластмасс. При сварке этих материалов свариваемые кромки разогреваются до перехода в пластичное и вязко-текучее состояние, при котором приобретают липкость, благодаря чему могут прочно соединяться вместе при приложении некоторого давления. Так, например, при необходимости заварки трещины в тонком стекле (рис. 74) кромки трещины и конец присадки разогреваются до светло-крас-
ного каления; при этом стекло становится достаточно пластичным и текучим. Затем, создав сцепление присадки с нагретыми кромками трещины приложением небольшого давления рукой на присадку, производят поперечными движениями присадки как бы ее размазывание
Рис. 74. Схема заварки трещины в стекле
по трещине, затягивая ее тянущимся нагретым стеклом.
Сварка стекла требует относительно невысокого нагрева и поэтому для данной цели используется обычно городской газ при сгорании его в воздухе.
Разработка сварки кварцевого стекла открыла широкие возможности изготовления различных изделий из сравнительно простых элементов. Температура размягчения кварцевого стекла, при которой возможно выполнение сварки, весьма значительна и составляет примерно 1600° С, но и при этой температуре вязкость материала остается еще весьма высокой (~106 пз).
Применение пламени горючих газов, содержащих углерод, при сварке кварцевого стекла приводит к его помутнению в результате попадания частиц углерода в шов и частичного восстановления SiO2- Поэтому лучшие результаты получаются при применении водородно-кислородного пламени, причем, поскольку
окисления свариваемого материала происходить не может, то пламя применяется при р = 0,5.
Техника сварки кварцевого стекла заключается в размазывании нагретых кромок присадкой, которой необходимо придавать не только продольно-поперечное перемещение, но и полувраща-тельные движения по оси прутка или трубки, служащих присадкой. Таким способом свариваются как стыковые швы, так и швы тавровых соединений с катетами 4—10 мм. Скорость сварки при средних толщинах кварцевого стекла составляет 2—4 м!ч.
Так как малая теплопроводность кварца создает значительные местные деформации и напряжения, а кварц при обычной температуре и при нагреве до 1000° С является хрупким, для предотвращения образования трещин конструктивно жесткие соединения
сваривают при общем подогреве изделия в особых печах с окнами для выполнения сварки. Сварка сравнительно простых соединений, например труб встык, осуществляется с местным подогревом до 1050° С. После сварки для большинства изделий требуется отжиг с нагревом до 1050—1100° С с последующим медленным охлаждением в печи.
§ 44. СВАРКА ВИНИПЛАСТА
В настоящее время в промышленности применяется большое количество различных полимерных материалов, но свариваться могут в основном так называемые термопласты, т. е. такие материалы, которые при нагревании размягчаются и становятся пластичными, а при последующем охлаждении возвращаются в исходное состояние, причем первоначальные свойства материала не претерпевают значительных изменений. К этому классу полимеров относятся, например, винипласт, полиэтилен, полихлорвиниловый пластикат и др.
Сварка термопластов может производиться несколькими способами, один из которых — газовыми теплоносителями, по своей сущности близок к газовой сварке. Применять какой-либо горючий газ непосредственно для сварки пластмасс нельзя вследствие высокой температуры газового пламени.
Сварка нагретым газом является наиболее гибким способом сварки пластмасс и широко применяется как при изготовлении новых изделий, так и в ремонтных работах. При этом способе свариваемые детали и присадочный пруток нагреваются теплоносителем, в качестве которого могут использоваться воздух, азот и углекислый газ. Используемый газ-теплоноситель подвергается нагреву до необходимой температуры в специальных устройствах — нагревателях, условно называемых горелками; они бывают электрические и газовые.
В электрических горелках нагрев газов производится нагревательными элементами, в газовых — газовым пламенем. В последнем случае применим как прямой, так и косвенный способ нагрева: при прямом нагреве газ-теплоноситель смешивается с продуктами сгорания горючего газа; при косвенном — передача тепла от продуктов сгорания к газу-теплоносителю происходит через стенку. В выпускаемой в настоящее время горелке ГГП-1-65 использована схема прямого нагрева.
Винипласт является высокополимером хлорвинила с длинными цепными молекулами. Структурная формула его имеет вид:
нннннн’
I I I I I I
— С— С—С— С—С—С —
I I I I I I
Н С1 Н С1 Н С1
Рис. 75. Типы сварных соединений винипласта:
а — встык; б — внахлестку; в — тавровое впритык; г — угловое
Винипласт обладает высоким молекулярным весом (150 000— 300 000) и внутренней химической связью между аналогичными группами с энергией диссоциации 70—100 кал/г-мол при температуре диссоциации 250—300° С.
Винипласт получается термической пластификацией полихлорвинила и выпускается в виде пленки, листов различной толщины, труб, стержней и других полуфабрикатов. Он обладает химической стойкостью в отношении ряда агрессивных сред, имеет малый удельный вес (~ 1,4 г/см3), хорошие тепло- и электроизоляционные свойства и легко обр абатывается.
На рис. 75 показаны основные типы сварных соединений, применяемых при сварке винипласта.
Стыковое соединение при толщине до 2 мм выполняется без скоса кромок; при 2 мм и более с V-об-разным скосом без притупления и углом раскрытия 55—60°; при толщине свыше 5 мм более прочным и экономичным будет шов с Х-образ-ной разделкой и углом раскрытия 70—90°. Сварка производится как без зазора, так и с зазором 0,5— 1,5 мм\ в последнем случае достигается большая прочность соединения.
Соединение внахлестку получается значительно менее прочным, чем стыковое (ств в 5—6 раз меньше), так как кроме растягивающих усилий на соединение действуют также и усилия среза, и изгибающие. Поэтому такой тип соединения применяется редко. Исключением является раструбное клеесварное соединение труб (рис. 75, б), но назначением шва здесь является лишь обеспечение дополнительной плотности.
Тавровое соединение (рис. 75, в) выполняется одно- или двусторонним швом, причем для повышения прочности на стенке снимаются фаски.
Угловое соединение выполняется, как правило, наружным швом со снятием фаски на одной или обеих деталях, так как при наличии разделки лучше обеспечивается связь сварочным прутком всех пленок, составляющих винипластовый лист. Угловые швы применяются при сварке ванн, приварке днищ и крышек к корпусам аппаратов, приварке фланцев и т. д.
Снятие фасок производится вручную (напильником, стругом) или механическим путем (электрорубанком), на фуговальном, фрезерном и других станках.
Рис. 76. Схема сварки винипласта:
I — свариваемый лист;
2 —присадочный пруток;
3 — горелка
в нагретые кромки.
В качестве присадочного материала применяются винипласто-вые прутки диаметром 2—4 мм с допуском по диаметру ±0,5 мм, изготовленные с добавкой пластификатора (8,5%), снижающего температуру размягчения. Диаметр прутка выбирается в зависимости от толщины свариваемых листов, формы разделки кромок и требуемой прочности.
При сварке больших толщин рациональнее применять прутки диаметром 3—4 мм\ при большем диаметре снижается прочность шва. Для провара корня шва рекомендуется использовать прутки диаметром 2—3 мм. Применение прутков большого диаметра ограничивается тем, что вследствие малой теплопроводности винипласта такие прутки не успевают разогреться по всему сечению до необходимой температуры, что отрицательно отражается на качестве сварного шва. Производительность сварки возрастает, если прутки предварительно нагреть в специальном патроне. В этом случае можно использовать прутки большего сечения. Качество сварных швов при этом повышается. Для повышения произ- . водительности сварки могут также применяться сдвоенные прутки.
Схема выполнения сварки винипласта показана на рис. 76. В процессе сварки пруток необходимо подавать с некоторым
усилием для обеспечения вдавливания его Хорошие результаты могут быть получены только при одинаковом нагреве кромок и прутка, соответствующем его диаметре и сохранении перпендикулярности прутка к сварной детали. Угол наклона наконечника при толщине материала меньше 5 мм должен быть 20—25°, а при толщинах 10—20 мм 30—45°. Расстояние между наконечником и поверхностью кромок (также и присадки) необходимо поддерживать постоянным в пределах 5—8 мм, причем для лучшей равномерности нагрева горелке придаются поперечные колебательные движения. Диаметр отверстия сменного наконечника берется равным диаметру присадочного прутка.
Хорошее соединение прутка с основным материалом в начале шва будет обеспечено, если пруток нагреть и приварить так, чтобы конец его выступал за срез шва на 3—5 мм. Выступающие в начале шва (а также и в конце) концы прутков срезаются после укладки последнего прутка.
Практика показывает, что лучшие результаты получаются при средней скорости укладки присадочного прутка 12—15 м/ч электрической горелкой и 15—20 м/ч— газовой. При большей скорости получается недогрев как основного материала, так и прутка и в результате недостаточное сцепление их между собой,
а при меньшей — происходит пережог, характеризуемый «вскипанием» материала.
Температура нагрева должна быть в пределах 200—220 С, так как именно при такой температуре винипласт переходит в вязкотекучее состояние; температура же нагрева воздуха в электрической горелке или газового потока в газовой горелке прямого нагрева при выходе из наконечника должна быть 230—270е С.
При правильном режиме и технике сварки прочность сварного соединения может составлять примерно 90% от прочности основного материала.
'ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
КИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ
ГЛАВА XII
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ основы
КИСЛОРОДНОЙ резки
§ 45. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТИ
ПРИМЕНЕНИЯ КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ
Кислородная резка металлов основана на сгорании некоторого объема обрабатываемого металла в струе кислорода и удалении этой струей образующихся окислов.
По характеру образуемых резов кислородную резку можно разделить на разделительную (образующую сквозные разрезы, отделяющие одну часть металла от другой); поверхностную (удаляющую некоторый поверхностный слой металла в виде канавок полукруглого сечения или слоя некоторой глубины) и резку копьем (приводящую к прожиганию в металле глубоких отверстий).
Процесс кислородной резки заключается в интенсивном окислении (горении) нагретого металла при воздействии струи кислорода. При этом окисление происходит как при непосредственном контакте кислорода с поверхностью металла, так и посредством передачи (диффузии) его к поверхности металла через тонкий слой окислов — шлака. Продукты реакции — окислы — механическим действием струи кислорода удаляются (выдуваются) от места их образования.
По характеру применяемого необходимого для резки подогрева и специальных дополнительных материалов можно выделить резку газовую, электрокислородную и кислородно-флюсовую (обычно с газовым нагревом). При резке кислородным копьем посторонний источник подогрева требуется только в начале процесса.
В некоторых случаях кислородная резка производится в особых условиях (например, резка под водой). Эти особые случаи резки будут рассмотрены совместно с резкой копьем в гл. XVII.
Классификация основных способов кислородной резки приведена в схеме 1.
Кислородная разделительная резка является наиболее распространенной и применяется почти во всех областях металлургической, металлообрабатывающей промышленности и в строительстве. При этом ручная разделительная резка применяется в основном при раскрое листовой стали, при вырезке различных деталей, изготовляемых из листов, при резке профильного материала. Она также применяется для отрезки прибылей литых деталей, разделки поковок под обработку более мелких деталей, для различных подгонок при монтаже стальных конструкций.
Все более широкое применение получает машинная разделительная резка, осуществляемая переносными машинами, перемещающимися по разрезаемому металлу; стационарными машинами, автоматически выполняющими вырезку деталей различного контура при применении соответствующих устройств, и специальными машинами, выполняющими некоторые особые работы (фасонная и прямая отрезка труб, вырезка лазов и др.). Машинная резка с успехом заменяет в ряде случаев штамповочные, фрезерные и другие станочные работы, обеспечивая весьма высокий экономический эффект. Машинная резка широко применяется на заводах среднего и тяжелого машиностроения, транспортного и сельскохозяйственного машиностроения, судостроения и др. Относительное применение машинной резки к общему объему разделительной резки в некоторых видах производств является весьма большим (в судостроении до 70—80%).
Несколько меньшее, но достаточно широкое распространение приобретает и поверхностная резка, применяемая вместо вырубки корня шва и пороков сварных швов, при подготовке U-образных кромок под сварку, для удаления поверхностных пороков литья и при обработке блюмов и слябов перед прокаткой.
В связи с разработкой кислородно-флюсовой резки высоко-хромистых и хромоникелевых сталей, а также чугуна и ряда цветных сплавов этот процесс в последнее время находит все большее применение в турбостроении, при изготовлении химической аппаратуры, а также в металлургии.
Особые способы резки — резка копьем, разделительная резка под водой и электрокислородная — имеют меньшие, но достаточно важные области применения (см. гл. XVII).
Кислородная резка применяется примерно с начала ХХ^в., однако наибольшее свое развитие в СССР она получила в период Великой Отечественной войны и в послевоенные годы.
В послевоенные годы значительную роль в разработке аппаратуры, а также в разработке и усовершенствовании технологических процессов резки сыграл организованный в 1946 г. Всесоюзный научно-исследовательский институт автогенной обработки металлов (ВНИИавтогенмаш). Одновременно разработкой
ряда вопросов кислородной резки занимались отраслевые научно-исследовательские и проектно-технологические институты, ряд предприятий и учебные институты.
Широкая возможность механизации и автоматизации резки, разработка и внедрение многорезаковых машин, машин с фотокопировальными устройствами и масштабным копированием, а также механизация поверхностной резки и разделки кромок под сварку обеспечивают дальнейшее развитие этого весьма эффективного процесса.
§ 46. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА
И ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ
Металлы и сплавы окисляются при контакте с кислородосодержащими газами. Интенсивность окисления увеличивается с увеличением концентрации кислорода в газе и с повышением температуры. В технически чистом кислороде (чистотой 98—99%) при некоторой начальной температуре реакции интенсивность окисления становится очень большой и переходит в горение. Если продукты сгорания не будут изолировать далее расположенные слои от места контакта металла с окисляющей газовой фазой и эти слои будут иметь соответствующую температуру, то горение будет распространяться и на них. Для непрерывности процесса горения необходимы следующие условия:
I) контакт окислителя с неокисленным металлом поверхности;
2) подогрев неокисленного металла до температуры воспламенения;
3) достаточно высокая концентрация кислорода в газовой фазе, взаимодействующей со сжигаемым металлом.
Если начальная температура горения (температура воспламенения) металла будет выше его температуры плавления, то это приведет к отрицательным результатам резки. В этом случае в разрезаемое изделие надо вводить много тепла; при этом градиент температур в районе разреза будет небольшим, а кромки металла у разреза грубыми. Наиболее эффективным и дающим лучшие результаты по качеству оставшихся неокисленными кромок будет такой процесс горения, который начинается при температуре ниже температуры плавления, хотя в дальнейшем практически тепло горения вызывает оплавление металла перед его сжиганием. Отсюда первым требованием, которое необходимо предъявить к материалу с точки зрения эффективности его резки кислородом, является:
Тгор тпл. м. (61)
Получающиеся продукты горения .при температуре процесса могут быть в твердом, жидком или в газообразном состояниях.
Твердые окислы, образующиеся на поверхности еще неокислив-шегося твердого или подплавившегося металла, будут в большей или меньшей степени изолировать его от контакта с окислительной газовой фазой и способствовать прекращению горения. Это может происходить, когда температура плавления окислов будет выше температуры плавления разрезаемого металла.
Жидкие и газообразные окислы можно сравнительно легко удалять от еще неокисленной поверхности, не препятствуя (при выполнении прочих условий) продолжению горения. При этом тонкие слои жидких или газообразных окислов не исключают возможности поступления кислорода к находящейся под этим .слоем поверхности металла и продолжения его окисления. Однако значительное количество образующихся газообразных продуктов сгорания приводит к уменьшению концентрации свободного кислорода в газовой фазе, снижая тем самым эффективность окисления. Это потребует повышения начальной температуры воспламенения и, как следствие, может нарушить условие протекания процесса [см. формулу (61)]. Поэтом}- при температуре процесса образующиеся окислы в основном должны быть в расплавленном состоянии. Отсюда второе требование к разрезаемому материалу:
Тпл. ок Тпл. М- (62)
Кроме этих двух основных требований, следует учитывать и дополнительные. Так, например, процессу резки благоприятствует повышение количества тепла, выделяющегося при сгорании металла (сплава). Этим создается тепловая подготовка металла, еще не вступившего в контакт с окислительной средой, и обеспечивается нагрев его до температуры, необходимой для воспламенения. Процесс резки облегчается также при достаточной жидкотекучести получающихся окислов, легко удаляемых в этом случае от еще неокисленных поверхностей металла. И, наоборот, нормальному протеканию процесса резки препятствует высокая теплопроводность разрезаемого металла, понижающая его температуру в месте протекания реакции горения вследствие интенсивного отвода теплоты.
Из чистых металлов предъявленным условиям отвечают Fe, Мп и TL Так, для железа: Тплре = 1530° С; Тгорре — 1200° С; Тплгео = 1370° С; Тпл Fe,o, = 1527° С.
Тепловой эффект горения железа достаточно высок:
Fe + 0,5Оа = FeO + 64,3 ккал1г-мол\ (63)
3Fe + 2О2 = Fe3O4 + 266,9 ккал/г-мол\ (64)
2Fe + 1,5О2 = Fe2O3 + 198,5 ккал/г-мол, (65)
5,
а теплопроводность железа является ограниченной.
Худшими характеристиками обладают Ni и Си. Так, Тпд Си — = 1083е С; Тплсио = 1230° С. Тепловой эффект реакции горения меньше (37,5 ккал/мол), а теплопроводность меди велика. Совершенно не удовлетворяют этим требованиям Al, Mg, Сг и Zn. Так, Тпя А1 = 658° С; Тпл А!,о, = 2050° С; Тпл Mg = 657° С; Тпл Mgo = 2500° С.
Естественно, что примеси в сплавах также несколько изменяют их способность обрабатываться кислородной резкой. Так, углерод в железе, дающий при сгорании газообразную окись угле-
рода, снижает чистоту кислорода туру воспламенения (рис. 77); температуры ликвидуса и солидуса понижаются. В связи с этим при содержании С около 1 % воспламенение сплава становится затруднительным и в процессе горения появляется значительное количество расплавляющегося металла. Практически отрицательное действие углерода начинает проявляться и при меньшей его концентрации как с точки зрения ухудшения чистоты реза (при С
0,5%), так и в отношении
и повышает тем самым темпера-
Рис. 77. Влияние углерода в железе на изменение температуры воспламенения массивного куска сплава (штриховая линия) в чистом кислороде
возможности подкалки металла (при С Ss0,3%).
Марганец, никель и медь в тех количествах, в которых они обычно содержатся в ста-
лях, не оказывают значительного ухудшения на процессы ее окис-ляемости. Так, стали, содержащие до 30% Мп режутся довольно хорошо. Без особых затруднений подвергается резке сталь с 25% Ni. Медь в количествах до 1,5% не мешает выполнению резки. Однако при содержании Си в стали более 0,5—0,6% при отсутствии никеля резка может привести к образованию меж-
кристаллитных трещин, перпендикулярных поверхности реза.
Кремний, алюминий, хром, по мере увеличения их содержания в стали, ухудшают процесс резки. Так, ухудшающее влияние хрома начинает проявляться при его содержании в стали около 2 %. Стали с содержанием Сг 6 % и более обычному процессу резки не поддаются в связи с большим количеством образующегося в продуктах горения твердого окисла Сг2О3 с Тпл =& 2000° С. Резка таких сталей возможна только при флюсовании этих окислов, их перегреве и абразивном удалении (см. гл. XVI).
Таким образом, без дополнительных усложнений процесса кислородом режутся низкоуглеродистые, низколегированные и
высоколегированные стали, содержащие Мп и Ni. По усложненной технологии могут резаться высоколегированные стали с хромом, а также чугуны, цветные металлы и сплавы на основе меди и никеля. Для выполнения резки всех этих материалов требуется тепловая подготовка независимым источником тепла (обычно подогревательным пламенем) и струя чистого кислорода.
Не режутся кислородом Al, Mg, Zn и сплавы на их основе.
§ 47. ПОДОГРЕВАТЕЛЬНОЕ ПЛАМЯ
Как уже указывалось, для того чтобы обеспечить протекание процесса горения, необходимо создать соответствующую начальную температуру — температуру воспламенения. Степень нагрева зависит от интенсивности отвода тепла, которое выделяется в результате реакции окисления поверхностных слоев, и, следовательно, от массы реагирующего с кислородом металла. Так, мельчайшие частицы железа сгорают в чистом кислороде, целиком переходя в окислы примерно при нормальной комнатной температуре, а в воздухе — при температуре около 400° С. Тонкие же-лезны^ проволоки (диаметром 0,03—0,04 мм) сгорают в кислороде при начальной температуре около 860—950° С. Увеличение диаметра до 0,05—0,1 мм приводит к повышению начальной температуры реакции до 1000—1050° С. В больших массах эта температура еще выше. Опытами, проведенными в Ленинградском политехническом институте им. М. И. Калинина, эта температура определена примерно в —4200° С. Пластины размерами 40 X 30 X 12 мм зажимались в губки контактной машины и нагревались током. При достижении в центральной части некоторой температуры, оцениваемой показаниями приборов (оптическим пирометром, термопарами), пускалась струя кислорода из резака, закрепленного над этой частью пластины. Температурой воспламенения считалась та, при которой получался сквозной прорез по толщине 12 мм. При этом подогрев кислородной струи до 400° С снижал температуру воспламенения на 40—50° С. При таких опытах с низко легированными сталями для воспламенения требовалась температура 1260—1290° С. Практически для массивных листов, поковок из низкоуглеродистой стали начальной температурой воспламенения при газокислородной резке можно считать 1350— 1370° С.
Источником тепловой подготовки металла может служить электрическая дуга (см. гл. XVII), но более удобным является пламенный подогрев. В связи с необходимостью меньшего нагрева, чем при сварке, в качестве горючих для подогревательного пламени могут использоваться газы и пары горючих жидкостей меньшей тепловой эффективности, чем ацетилен. Однако для коротких резов, когда относительное влияние увеличения времени предварительного подогрева проявляется сильнее, замена ацетилена
другими горючими становится менее эффективной. В связи с этим ацетилен, как более универсальное горючее, при резке является наиболее распространенным, хотя в некоторых случаях другие горючие являются не только экономически целесообразными, но и дают даже лучшие результаты в отношении качества резки.
'Мощность пламени для подогрева требуется значительно меньшая, чем при сварке. Характерными значениями мощности аце-
Направление резки
Рис. 78. Относительное расположение каналов для горючей смеси и кислорода в резаках для разделительной резки
тилено-кислородного подогревательного пламени являются следующие:
Толщина разрезае-
мой стали в мм 3—25 25—50 50—1000 100—200 200—300
Мощность пламени
(ацетилен) в ж3/ч 0,3—0,55 0,55—0,75 0,75—1,0 1,0—1,2 1,2—1,3
При указанных мощностях пламени время предварительного подогрева до пуска кислорода режущей струи и начала горения составляет при толщине 10—20 мм примерно 3—10 сек, а при толщине 100—200 мм — около 25—40 сек.
Подогрев разрезаемого металла обеспечивается соответствующим расположением подогревательного пламени и режущего кислорода. Относительное расположение каналов в резаках для подачи горючей смеси в подогревательное пламя и режущего кислорода показано на рис. 78.
Последовательное расположение подогревательного пламени и режущего кислорода (рис. 78, а) дает хороший рез без оплавления верхних кромок, но является неудобным для выполнения фигурных резов. В СССР эта схема практически не применяется.
Щелевое отверстие, расположенное концентрично центральному отверстию для кислорода (рис. 78, б), позволяет осуществлять
резы с любым изменением направления, но часто приводит к оплавлению верхних кромок реза. Более качественные резы с этой точки зрения получаются при многосопловых мундштуках (рис. 78, в), которые в настоящее время считаются наиболее совершенными. Высота расположения мундштука от разрезаемого металла определяется длиной ядра пламени. Наиболее эффективным является нагрев, когда ядро располагается над поверхностью разрезаемого металла на 1,5—2 мм.
Подогревательное пламя по соотношению' кислорода и горючего следует регулировать на несколько повышенное содержание кислорода. Это улучшает качество реза и интенсифицирует нагрев.
При наличии на поверхности разрезаемого металла значительного слоя окалины, земли, шлака и других загрязнений (что особенно часто имеет место при отрезке прибылей литья) стабильность процесса резки снижается. Последняя в некоторой степени может быть восстановлена усилением нагрева и снижением скорости резки.
§ 48. КИСЛОРОД РЕЖУЩЕЙ СТРУИ
Сжигание металла и удаление продуктов сгорания осуществляется струей режущего кислорода. Расход кислорода режущей струи в общей форме можно представить так:
Ук. р = Ук. OK "F У«. вый, (66)
где VK. ок — расход кислорода на окисление (химическую реакцию горения) разрезаемого металла;
У», мд— расход кислорода на выдувание (удаление) окислов.
Количество кислорода, необходимого для окисления разрезаемого металла, определяется количеством сжигаемого металла и средним расходом кислорода на его сжигание. Это среднее количество кислорода в продуктах сгорания (в шлаке) может быть установлено на основании данных, приведенных в табл. 12.
По этим данным количество кислорода в шлаке составляет от 20,4 до 23,7%, в среднем 21,3%. Если бы шлак состоял из 100% FeO, то содержание Оа в нем было бы 22,2%. Тогда с некоторым приближением (относительная погрешность всего около 5%) можно рассчитать расход кислорода на сжигание, предполагая, что продуктом сгорания является FeO. Тогда по формуле (63) расход кислорода на окисление по отношению к сжигаемому железу составит = 28,5% вес. Такая замена фактического состава шлака условным (расчетным) является оправданной и с точки зрения теплового эффекта при расчете на единицу кислорода, вне зависимости, по какой из трех реакций [(63), (64) или (65)] идет окисление. Так, на 1 г-мол кислорода выделяется
Таблица 12
Состав шлаков, получающихся при резке стали
Автор Состав шлака в % Всего окис-. лов в шлаке Количество ! кислорода I в шлаке *
Fe FeO Fe2Oe Fe,O4
%
Спараджен и Клауссен 4,6—23,0 14,5 15,0 47,1—57,8 52,0 50,0 — 21—46,1 33,5 35,0 77—95,4 85,0 21,6 21,1
Вольф 20,0 — 80 — 80,0 22,0
Петров 14,0 66,0 20,0 86,0 20,4
Нинбург 9,4 27,2 63,4 — 90,6 23,7
Предлагаемый расчетный состав — 100,0 - — — 100,0 22,2
• Рассчитано, исходя из того, что в FeO содержится 22,2% Оа, в Fe3O« 27,5% 02. в Fc2O3 30.0% О2.
тепла: по реакции (63) Q = 128,6 ккал', по реакции (64) Q = = 133,45 ккал-, по реакции (65) Q = 132,3 ккал.
Средний тепловой эффект на 1 г-мол кислорода составляет 131,45 ккал. Отклонения от этого среднего значения в зависимости от конечного состава продуктов окисления составляют не более 2—2,5%. Тогда количество кислорода на сжигание железа (низкоуглеродистой стали) с точки зрения получения шлака и теплового эффекта горения может быть определено следующим образом:
G*. г, (67)
где а — ширина реза в см;
I — длина реза в см;
6 — толщина разрезаемого металла в см;
уре — удельный вес железа в г/см*.
Соответственно на единицу площади поверхности реза (S = = /6) удельный расход кислорода на окисление равен:
@к. ок — S/CM ,
(68)
или в литрах О2 на 1 смг поверхности реза;
I/ 16 1 , »
Ксок — -gg- уреа— л/см ,
(69)
где ак = 1,43 г/л — вес 1 л О2, отнесенный к 0° С.
Так как ширина реза а при резке средних толщин (6—50 мм)
изменяется относительно мало (от 0,25 до 0,35 см, а в среднем
0,3 см), то удельный расход окисляющего кислорода на единицу
площади поверхности реза равен 0,47 д/см2 (при возможных изменениях ширины реза от 0,4 до 0,55 л!см2).
Рис. 79. Ориентировочная зависимость расхода ’ кислорода на окисление (кривая 1), выдувание (кривая 2) и общего режущего (кривая 3)
Для получения общего расхода режущего кислорода необходимо учесть либо удельный расход кислорода на выдувание, либо коэффициент использования кислорода режущей струи на окисление, который равен:
и = ^к-оК —
К Р Vk. ок Т" Ук.выд
= . (70)
и*. ок + и к. выд
Качественная зависимость количества кислорода, идущего на сжигание металла и на выдувание, от
ширины реза (при постоянной толщине разрезаемого металла) представлена на рис. 79.
Естественно, что зависимость удельного расхода кислорода на окисление от ширины реза имеет. линейнцй характер 1см. формулу (67)].
Расход кислорода на выдувание окислов из очень узкого реза должен быть весьма большим (в связи с большим сопротивлением узкого канала выдуванию шлака из реза и большой сцепляе-мостью шлака с кромками). При увеличении ширины реза уда-ляемость шлака из него облегчается, и расход кислорода на выдувание приближается к весьма малым значениям.
При резке металла больших толщин (когда и ширина реза является большой) относительная часть кислорода, используемого на горение (т. е. щ. ₽)> возрастает. При этом меньшая часть,
идущая на выдувание, позволяет уменьшать и давление кислорода, а следовательно, уменьшать и скорость кислородной струи, что, в свою очередь, приводит к более длительному контакту струи с разрезаемым металлом и более эффективному использованию кислорода на окисление (см. § 61, 62).
Для других толщин (а следовательно, и для других значений ширины реза) соотношения количеств кислорода на окисление и выдувание могут быть другими. Так, при практически приме-
няемых рациональных режимах разделительной резки стали средних толщин коэффициент использования кислорода на окисление металла составляет 40—55%. Отсюда суммарный удельный рас-VK „ ход кислорода на единицу площади разрезаемого металла
чК. р
0,4 0,55 , ,
составляет при резке средних толщин от g-gg- ДО 0 4~ л/см2, т. е. от 0,73 до 1,37 л/см2. Обычно для машинной резки толщин 10—60 мм этот удельный расход составляет 0,75‘—0,95 л!см2, а при ручной резке 1,1 —1,3 л!см2.
Рис. 80. Каналы подачи кислорода режущей струи и форма струи после истечения в атмосферу:
a—цилиндрический; б— ступенчато-цилиндрический;
в — расширяющийся
Рис. 81. Влияние чистоты режущего кислорода на время резки (кривая 1) и расход кислорода (кривая 2)
Интенсивность выдувания окислов в значительной мере зависит от кинетической энергии кислорода режущей струи, являющейся функцией перепада давлений, связанной и с конструкцией канала истечения струи. Основные типы каналов и формы струи показаны на рис. 80.
При истечении в атмосферу из простого цилиндрического канала (рис. 80, а) струя кислорода расширяется, принимая в сечении форму усеченного конуса. При увеличении давления кислорода в канале форма струи ухудшается.
Наиболее протяженный участок цилиндрической формы струи сохраняется при расширяющихся каналах (рис. 80, в), сечение и длина расширяющейся части которых подбирается так, чтобы обеспечить полное расширение газа к выходному сечению канала, т. е. полностью превратить потенциальную энергию газа в кинетическую. Однако эффективное использование сопел такого типа возможно только при определенном давлении кислорода и при точном их изготовлении. Поэтому сопла со сложной формой канала практически почти не применяются, кроме частных случаев для резки металла больших толщин (см. § 61).
Ступенчато-цилиндрические сопла (рис. 80, б) могут давать цилиндрическую часть струи большей протяженности чем простые цилиндрические и иногда применяются для резки стали средних толщин. Однако при давлениях кислорода до 6 кгс!см2 их преимущества практически не ощущаются по сравнению с цилиндрическими,- имеющими увеличенный размер I. Поэтому в настоящее время наиболее распространенными являются сопла, изображенные на рис. 80, а.
Большое значение имеет и чистота кислорода, определяющая производительность резки, удельный расход газов и качество поверхности разрезаемых кромок; влияние ее на время резки и расход кислорода показано на рис. 81. При снижении чистоты кислорода до 95—93% процесс резки становится практически неприменимым.
§ 49. МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСЫ
АЦЕТИЛЕНО-КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ
Материальный баланс ацетилено-кислородной резки можно представить следующим образом:
Gpe + Gк. ок Gk, выд 4“ GK. п 4“ Gq — Gpe 4“ Gpeo 4-
4- GFe3O4 Fe2O3 + Ge + GK, (71)
где GFe — вес сгорающего железа (удаленного из
разреза);
GK. ок> GK. выа, GK. „ — вес кислорода, соответственно идущего на окисление металла, выдувание окислов и на подогревательное пламя;
Ga — вес ацетилена, идущего на подогревательное пламя;
Gpe, Gpeo, GFeso4, Fe2o3 — вес составляющих шлака (железа и его окислов);
Сг — вес газовых продуктов окисления ацетилена (в основном СО2 и Н2О с учетом и некоторого участия воздуха, не включенного в баланс);
GK — вес неиспользованного кислорода.
В упрощенном виде все основные составляющие материального баланса кислородной резки на основании рассмотренного выше и некоторых дополнительных сведений можно свести к количеству сжигаемого металла GFe.
Действительно для резки средних толщин расход кислорода на окисление GK В1е составляет GFe = 0,285 GFe. Так как GK. выд GK вк, то GK. выд 0,285 GFe. Суммарно GK Bfi 4~ GK# ebld % 0,57 GFe.
Расход ацетилена подогревательного пламени Ga по отношению к общему расходу кислорода на резку (GK. Ок + GK, выз + + GK, п) при малых толщинах составляет около 15—20%, при толщинах около 50 мм примерно 10%, а при толщинах около 100 мм — примерно 5%. Так как соотношение VK/Va в подогревательном пламени при резке имеет величину около 1,5, то и GK_ „ и Ga могут быть определены. При резке средних толщин GK. п 0,15 GFe и Go 0,10 Gpe.
Таким образом, общий весовой расход кислорода при резке средних толщин (GK. ок + GK. еыз + GK. п) составляет около 0,70— 0,72 GFe или на сжигание металла объемом 1 см3 расходуется около 4 л кислорода и около 0,5—0,6 л ацетилена.
Правая часть уравнения материального баланса (если пренебречь величинами Сг и GK, не представляющими практического значения) сводится к сумме окислов, которая согласно § 48 может быть принята как FeO, т. е. 1,285 GFe.
Полный тепловой баланс кислородной резки представляется следующим выражением:
Qn~\~Qe. пр — Q.M. n~f~Qj>t (г. ж+е. np)4~Qjn. ш + (<?Ш Q.M. ш)+&, (72)
где Qn — тепло, выделяемое подогревательным пла-
менем (рассчитывается, исходя из расхода горючего и его низшей теплотворной способности);
Qe. ж — тепло, выделяемое при сгорании железа (определяемое удельной теплотой образования FeO из Fe, равной 1150 кал1г)\
0.г. пР — тепло, выделяемое при сгорании примесей в железе (при обычных составах низколегированных сталей дает увеличение общего теплового эффекта реакций горения металла на 2—4%);
Qm. п — нагрев металла подогревающим пламенем;
Qm (г. ж+г. пР) — нагрев металла сжиганием железа и примесей;
Qm — тепло, необходимое для нагрева сжигаемого металла до температуры воспламенения и для перегрева шлака до температуры, при которой он удаляется из разреза (—1600° С);
QM ш — тепло, отдаваемое металлу шлаком, застывшим на кромках разрезанных частей металла (обычно 10—15% (2Ш);
Qe — потери тепла с газами (унос перегретыми газами, потери на излучение, подогрев струи кислорода).
Наиболее интересными являются составляющие нагрева разрезаемого металла (QM. п\ QM (г, ж+г. пр)', Qm.iu)- В связи с тем, что
при резке низкоуглеродистой стали 0,е.ж-\- 0г.пр^ 1,03 QFe можно приближенно считать QM (г. ж+г. пр) QM. е. ж- Тогда количество тепла, получаемое разрезаемым металлом, складывается из следующих факторов:
I) нагрева металла подогревательным пламенем;
2) тепла, получаемого от горения металла в резе (1150 кал/г);
3) тепла, отдаваемого металлу шлаком, остающимся на нижних кромках разрезаемого металла в виде грата.
Экспериментальные исследования показали, что при резке стали средних толщин (около 25 мм) на режимах, близких к оптимальным, составляющая тепла, получаемого металлом от подогревательного пламени QM п = 25н-32% от общего тепловложе-ния, тепло от грата примерно 5% и 63—70% оТ сжигания самого металла (QM. г_ ж). При резке меньших толщин относительная доля тепла, получаемого разрезаемым металлом от подогревательного пламени, увеличивается, а при больших толщинах уменьшается. Поэтому при резке больших толщин почти все тепло, получаемое разрезаемым листом (изделием), определяется реакцией горения сжигаемого в резе металла. В связи с этим при резке больших толщин принципиально подогревательное пламя служит только для стабилизации процесса горения.
При поверхностной резке теплосодержание шлака оказывает большее влияние на нагрев металла, способствуя его тепловой подготовке (гл. XV) и позволяя заметно увеличить количество сжигаемого в единицу времени металла.
§ 50. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ
ПРИ КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКЕ
В результате совместного влияния тепла, выделяемого подогревательным пламенем, тепла сгбрания разрезаемого металла и в некоторой степени отдачи тепла от нагретого шлака, оставшегося на кромках разреза, в металле создается температурное поле.
Подогревательное пламя и остатки шлака являются в основном поверхностно действующими источниками тепла (соответственно верхней и нижней поверхностей), а выделяемое тепло от сжигания металла распределяется по всей его толщине (со стороны торцовой поверхности реза). В связи с этим устанавливающееся температурное. поле но толщине металла неоднородно (рис. 82), и у верхней поверхности зона разогрева является наибольшей.
Термические циклы для отдельных точек металла, расположенных на верхней поверхности разрезаемого металла на различных расстояниях от кромки реза, приведены на рис. 83, а, а температурное поле (в плане), отнесенное к средним слоям разрезаемого металла, представлено на рис. 83, б.
В целом температурное воздействие на металл при кислородной резке аналогично температурному воздействию при
Рис. 82. Распределение максимальных температур в разрезаемом металле:
1 — по верхней кромке; 2 — по нижней кромке; 3 — средняя температура
Рис. 83. Тепловое воздействие резки на разрезаемый металл:
a — термические циклы в различных точках поверхности при различном расстоянии у от кромки реза; б — температурное поле в средних слоях разрезаемого металла (условия резки те же, что для рис. 82). Пунктирной линией показана кривая максимальных температур
однопроходной дуговой автоматической сварке средних толщин, т. е. характеризуется очень быстрым нагревом, высокой скоростью охлаждения при высоких температурах и замедлением охлаждения по мере снижения температуры.
Разработанных теоретических расчетов температурных полей при кислородной резке нет, однако, используя расчетные формулы Н. Н. Рыкалина для условий нагрева при сварке, можно получить и температурное поле при резке:
Т(х, I), Т) =Тс (х, и. Т) + Тр (х, у, Т). (73)
где Тс (х, у, т) — температура разрезаемого металла, возникающая в результате действия сосредоточенного источника тепла (реакции горения) в точках с координатами х и у, исчисляемая через время г с момента прохождения режущей струей рассматриваемого сечения;
Тр (хру, т) — температура в тех же точках и при том же времени от воздействия поверхностно распределенного источника тепла (т. е. от подогревательного пламени и от шлака, остывающего на нижних кромках металла);
Т(х, у, т) — результирующее поле в разрезаемом металле для установившегося процесса, перемещающееся вместе с перемещением места резки (квазиста-ционарное состояние с подвижной системой координат при х = 0 в месте воздействия кислородной струи на разрезаемый металл).
В первом приближении сосредоточенный источник тепла можно принять линейным, равномерно распределенным по толщине металла. Мощность этого источника определяется выделением тепла от сжигания металла (в кал!сек) с исключением части тепла, уносимого шлаком.
Мощность распределенного источника тепла, в основном подогревательного пламени, определяется расходом горючего и коэффициентом сосредоточенности (§ 19).
Расчеты по этой схеме позволяют получить при резке средних толщин расчетное температурное поле, отличающееся от экспериментального очень незначительно (в области температур выше 700° С в пределах 15% погрешности, а в области более низких температур — с еще меньшей погрешностью).
§ 51. ВЛИЯНИЕ РЕЗКИ НА СОСТАВ, СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ РЕЗА
Установлено, что состав металла на поверхности реза и на некоторой глубине от этой поверхности, как правило, отличается от состава разрезаемого металла. Так, например, при резке сталей,
легированных С, Ni, Си, Сг, Si, Мп, имеет место обогащение поверхностных слоев вблизи реза углеродом, никелем и медью, обеднение хромом и кремнием, а содержание марганца при его небольшом количестве в стали остается примерно на исходном уровне. Такое изменение состава на кромках реза определяется взаимодействием разрезаемого металла с контактирующей с ним средой.
В связи с тем, что процессы окисления металла при резке не доходят до конца (в шлаке имеется некоторое количество неокис-ленного железа — см. табл. 12),
происходит перераспределение кислорода между отдельными элементами, находящимися в реакционном пространстве, в зависимости от их степени сродства к кислороду. При этом происходит как бы выборочное окисление элементов с большим сродством к кислороду по сравнению с основой сплава (железом), а элементы с меньшим сродством к кислороду окисляются в меньшей степени. Так, при резке никелевой стали (Ni0. м= = 3,5%) в шлаке при пересчете
Расстояние от кромки реза, him
Рис. 84. Распределение вблизи кромки реза элемента с меиьшим сродством к кислороду (кривая /) чем железо и с большим сродством (кривая 2)
на металлическую основу ни-
келя оказывается меньше, чем его было в стали (NiUJ (Л4) = 3%). В результате этого на кромках реза относительное количество Ni
растет, и он за счет диффузии проникает в прилегающие к поверхности реза участки металла. Также в стали распределяется и медь. Общий характер распределения элемента с более низкой степенью сродства к кислороду, чем у основы сплава, вблизи кромки реза представлен на рис. 84 кривой 1.
Элементы с большим сродством к кислороду, чем Fe, будут выгорать сильнее. На поверхности реза их концентрация понижается, в связи с чем из объемов металла, находящихся вблизи
кромки реза, появляется диффузионный ток, приводящий к конечному распределению элемента, представленному на рис. 84 кривой 2. По такой закономерности изменяется содержание Si и Сг в разрезаемой стали, а также Мп при большом его количестве; при малой концентрации содержание Мп практически может оставаться на одном и том же исходном уровне.
Наиболее сложным является поведение углерода. Углерод как элемент с большим, чем железо, сродством к кислороду должен выгорать (рис. 84 кривая 2). Такой процесс происходит на месте непосредственного контакта струи кислорода с металлом (рис. 85). Однако позади режущей струи кислорода поверхность
металла, нагретая почти до температуры плавления, подвергается воздействию газов, содержащих углеродистые соединения (СО, СО2). В результате этого воздействия происходит поверхностное науглероживание металла и диффузионное проникновение углерода в металл, прилегающий к кромке реза. Наиболее интенсивно процесс науглероживания происходит при применении горючих, содержащих углерод (С2Н2, СН4, бензин и др.), и в меньшей степени при горючих, не дающих СО и СО2 (водород). Однако и в этом случае образуется СО в результате сжигания углерода разрезае-
Газовая фаза,содержа- ' ,щая окислы углерода
Область к \
металла Разрез
Проекция Области
кислородной науглерозкиоа-
струи ния
Расстояние от кромки реза, мм Рис. 86. Конечное распределение углерода от поверхности реза в более глубокие слои металла
Рис. 85. Схема воздействия кислорода и газов, содержащих СО и СО2 на разрезаемую сталь (вид в плане)
мого металла (см. рис. 85). Наибольшее науглероживание имеет место при применении подогревательного ацетилено-кислородного пламени с избытком ацетилена. Лучшие результаты (меньшее науглероживание) получаются при применении пламени с избытком кислорода, хотя и в этом случае науглероживание имеет место, особенно в нижней части разреза, где в результате выгорания углерода по всей толщине металла постепенно накапливаются газы, содержащие углерод.
Результат сложения процессов выгорания углерода и науглероживания (рис. 86) в зависимости от размеров слоя металла, в котором будут происходить диффузионные перемещения углерода, дает изменение концентрации С в двух вариантах (/ и 2 на рис. 86). Более обычным (во всяком случае для нижней части реза у выхода струи) является конечное распределение углерода, показанное кривой 1. Зона переменного содержания углерода обычно не превышает 0,3—0,35 мм.
Вместе с тем, в слое металла вблизи поверхности реза обнаруживается и некоторое повышение содержания кислорода. Глубина этого слоя обычно невелика (0,02—0,05 мм). Глубина зоны переменной концентрации Ni, Сг и других легирующих элементов у кромки реза составляет до 0,2 мм.
В связи с большой скоростью охлаждения кромка реза закаливается и получает высокую твердость, вследствие чего плохо
обрабатывается режущим инструментом. Закалка может быть в некоторой ступени уменьшена применением в качестве горючего водорода или подогревательного углеводородного пламени с избытком кислорода. Такое пламя в резаках с общим питанием кислородом '(см. § 52) регулируется при открытом вентиле кислорода режущей струи. В противном случае перераспределение кислорода при резке может изменить состав пламени, обогащая его горючим.
Характер изменения структуры вблизи поверхности реза зависит от состава металла и характера воздействующего на него
термического цикла.
Термический цикл при резке аналогичен термическому циклу при дуговой сварке; в связи с этим структура металла вблизи реза подобна структуре металла околошовной зоны при сварке. При резке низкоуглеродистых сталей вблизи кромки наблюдается крупное зерно, далее от кромки реза зерна имеют меньший размер (в связи с термическим воздействием типа нормализации), затем идет зона не-
Рис. 87. Влияние газовой резки на твердость поверхности металла б= 5 мм вблизи кромки реза:
О---О — для стали 35ХГСА; ----— для стали
25НЗ
полной перекристаллизации, а для холоднокатаных сталей и зона рекристаллизации. Слой вблизи поверхности реза в связи с науглероживанием может иметь структуру закаленной углеродистой
стали.
Стали, закаливающиеся при жестких режимах сварки, т. е. стали с низкой критической скоростью закалки (углеродистые с содержанием С 0,35% и более, низколегированные с содержанием С более 0,2% и др.) закаливаются и в зоне термического воздействия резки. В некоторых случаях, в связи с необходимостью предотвращения трещин вблизи поверхности реза или исключения высокой твердости и низкой пластичности в этой зоне, при резке приходится принимать соответствующие технологические меры: предварительный подогрев металла (иногда тем же резаком) или снижение скорости охлаждения посредством дополнительного источника нагрева, перемещаемого позади основного резака, выполняющего резку (например, дополнительного резака, сжигающего тонкий слой металла с уже отрезанной кромки).
Характер изменения твердости вблизи поверхности реза при резке конструкционных сталей на основании исследований Г. Б. Евсеева приведен на рис. 87.
Исследования образцов низкоуглеродистой стали на загиб с растяжением отрезанной кромки показали, что пластичность металла сохраняется в большей степени, чем у металла кромки после отрезки гильотинными ножницами. Однако при резке достаточно большой толщины (примерно более 80 мм) степень науглероживания кромок может быть столь значительной, что приводит к заметному снижению пластических свойств металла главным образом с образованием закаленных структур на гребнях бороздок. Для снижения твердости в таких случаях можно применять низкотемпературный местный отпуск при 300° С, например, специальной горелкой.
Таким образом, установлено, что существовавшее длительное время представление о недопустимом ухудшении свойств металла у кромки реза, выполненного кислородом, является неправильным. Поэтому для обеспечения необходимой точности форм, размеров и элементов точности самой кромки (см. гл. XIV) при резке как деталей машин, так и заготовок для сварных • конструкций, последующая механическая обработка (применяемая в ряде производств и для обычных сталей) является, как правило, излишней. Так, качество сварных швов при кромках после резки и тщательного удаления шлака (а иногда и местных неровностей, вызванных отклонениями от нормального выполнения резки) оказывается таким же, как и после механической обработки кромок.
В некоторых случаях для свободных кромок деталей, вырезанных газовой резкой и предназначенных для работы на знакопеременные нагрузки (а иногда и на растяжение), рекомендуется со-шлифовывание бороздок на поверхностях реза на глубину 0,5— 1,0 мм и закругление острых кромок для повышения работоспособности и ограничения возможности образования трещин в условиях эксплуатации таких деталей.
ГЛАВА XIII
АППАРАТУРА И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ
§ 52. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ РУЧНЫЕ РЕЗАКИ
Резаки отличаются от сварочных горелок наличием трубки и вентиля для подачи кислорода режущей струи, а также особым устройством головки.
Ручные резаки классифицируются по следующим признакам: по роду горючего — для ацетилена, для газов-заменителей ацетилена, для жидких горючих;
по принципу действия — на инжекторные (основная группа) и безынжекторные;
по давлению кислорода — высокого и низкого давления;
по назначению — универсальные, применяемые для разделительной резки толщин 5—300 мм, и специальные, применяемые для отдельных работ (для резки больших толщин, подводной резки и др.).
К универсальным резакам предъявляются следующие основные требования:
1) малый вес и удобство при обращении;
2) устойчивость против обратных ударов;
3) возможность резки различных толщин металла и в любом направлении;
4) образование горючей смеси требуемого состава независимо от величины давления режущего кислорода, а также возможность регулирования пламени как при закрытом, так и открытом вентиле режущего кислорода на резаке.
Универсальные резаки имею* комплект мундштуков, которые бывают двух типов: с кольцевым каналом горючей смеси или щелевые (рис. 88, в, г, д) и многосопловые или сетчатые (рис. 88, а, б, е, ж, з).
Щелевые мундштуки состоят из внутреннего и наружного мундштуков, ввертываемых на резьбе в головку резака или присоединяемых к ней накидной гайкой. По кольцевому зазору между внутренним и наружным мундштуками поступает горючая смесь для подогревательного пламени, а по центральному каналу внутреннего мундштука подается режущий кислород. Присущий ранее мундштукам этого типа недостаток — эксцентричность щели — устранен в самоцентрирующих мундштуках, применяемых в настоящее время.
Многосопловые мундштуки бывают цельные (из одного куска металла) и составные, имеющие ряд каналов (сопел) диаметром 0,7—1 мм, расположенных вокруг центрального канала режущей струи; они крепятся к головке резака накидной гайкой. Основным недостатком этих мундштуков является относительно низкая устойчивость их против хлопков и обратных ударов, что имеет место при засорении даже одного из сопел. Поэтому они применяются в основном при работе на газах-заменителях, обладающих низкими скоростями воспламенения.
Ниже кратко рассматриваются современные конструкции универсальных резаков, работающих на ацетилене, газах-заменителях и жидких горючих.
Ацетилено-кислородный резак «Пламя-62» (рис. 89) — инжекторного типа с щелевыми ввертными мундштуками, служит, как и выпускавшиеся ранее резаки РР-53, для разделительной резки стали толщиной 3—300 мм. В комплект резака входят тележка и циркуль. Тележка облегчает выполнение резки, так как отпадает
необходимость держать резак на весу. Кроме резки в направлении, перпендикулярном к поверхности разрезаемого металла, резку можно производить под углом до 35° к нормали при соответствующем закреплении тележки на головке резака. Для резки по окруж,-
Рис. 88. Конструкции мундштуков для резки:
а — неразборный многосопловой; б — составной многосопловой; в, г — составной щелевой; д — составной щелевой, ввертный; е — составной многосопловой, ввертный; ж — составной многосопловой со шлицами, ввертный; з — составной многосопловой ввертный с уменьшенным расходом меди
ности в тележку ввертывается циркуль; диаметр вырезаемых дис-ков или отверстий до 800 мм.
Техническая характеристика резака «Пламя-62» приведена в табл. 13.
ВНИИавтогенмашем разработана совершенно новая конструкция универсального ацетилено-кислородного резака РАР-1-66
185
Таблица 13
Техническая характеристика резака «Пламя-62»
Показатели Толщина разрезаемой стали в мм
3—6 6—25 50 100 200 300
Номер мундштука:
наружного 1 1 ' 1 2 2 2
внутреннего I 2 3 4 5 5
Давление кислорода в кгс/см2 3,5 4 6 8 11 14
Расход в м3/ч:
кислорода 3 5,2 8,5 18,5 33,5 42
ацетилена 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2
Примерная ширина реза в мм 2—2,5 2,5—3,5 3,5—4,5 4,5—7 7—10 10—15
Скорость резки в мм/мин 550 370 260 165 100 80
(резак ацетиленовый ручной), особенностью которого является размещение инжекционного смесительного узла в головке резака, благодаря чему улучшаются эксплуатационные свойства, в частности хлопки и обратные удары случаются весьма редко.
В качестве горючего могут быть использованы как ацетилен, так и его заменители. Для перехода с ацетилена на газы-заменители требуется замена наружного мундштука и инжектора. По сравнению с резаком «Пламя» резак РАР-1-66 имеет улучшенную техническую характеристику.
В настоящее время выпускаются также вставные резаки РГС-бОм к горелке «Москва» и РГМ-62 к горелке «Малютка», которые являются удобными при выполнении монтажных и строительных работ, когда имеются сравнительно частые переходы от сварки к резке и обратно. Присоединение вставного резака к корпусу горелки производится при помощи накидной гайки. Регулирование подогревательного пламени производится вентилями, имеющимися на корпусе, а для режущего кислорода имеется кран на вставном резаке.
Вставные резаки предназначены для резки сравнительно небольших толщин: РГС-бОм — до 50 мм и РГМ-62 — до 30 мм, для чего комплектуются соответствующими мундштуками.
Резаки для газов-заменителей (пропано-бутановых смесей, природного, городского газа и т. д.) имеют в основном такое же устройство, как и ацетиленовые резаки, но отличаются большими проходными сечениями.
Резак РЗР-62 (резак для заменителей ручной) — инжекторного типа, служит для резки стали толщиной от 3 до 300 мм и имеет такой же комплект мундштуков, что и резак «Пламя-62», т. е. два наружных и пять внутренних. Диаметр отверстия в наружных мундштуках 6 и 7 мм (у ацетиленового резака 4,5 и 5,5 мм)\ инжектор резака РЗР имеет сопло диаметром 0,95 мм (у ацетиленового 0,6 мм). Также несколько больший диаметр имеет цилиндрическая часть канала смесительной камеры—2,8 мм.
Техническая характеристика резака РЗР-62 приведена в табл. 14.
Таблица 14
Техническая характеристика резака РЗР-62 для газов-заменителей
Показатели Толщина разрезаемой стали в мм
3—15 15—50 50—100 100—200 200—300
Номер мундштука:
наружного 1 1 1 2 2
внутреннего 1 2 3 4 5
Давление кислорода 2—2,5 2,5-3 3—4 4—7 7—11
в кгс/см- Расход в мМч-
кислорода 3,9—6,4 6,7— 11,7 11,7— 16,7 17,1 — 28,1 28,5— 42,5
пропана и пропан-бу- 0,4 0,5 0,5 0,6 0,7
тановой смеси
Скорость резки в мм!мин 130—320 340—190 205—125 140—90 100—85
Резаки для жидких горючих (керосине- и бензорезы) имеют конструкцию, принципиально отличающуюся от газовых резаков, так как для получения концентрированного высокотемпературного пламени w необходимо превращение жидкости в парообразное состояние. В ручных резаках это достигается двумя способами — испарением горючего в передней части корпуса резака теплом вспомогательного пламени (пламенный подогрев) или распылением его в головке резака с последующим испарением от само-нагрева; в некоторых машинных резаках используется также электроподогрев (с помощью низковольтной электрокатушки).
Установка для резки с использованием жидкого горючего состоит из резака (с тележкой и циркулем) и бачка для горючего емкостью 5,5 л с ручным насосом или питаемого сжатым воздухом от сети.
Горючее подается в резак по шлангу из специальной резины внутренним диаметром 6,0 мм под давлением 1—3 кгс!смг,
величина которого контролируется по манометру, смонтированному на бачке.
В настоящее время на производстве применяются резаки как с испарением, так и с распылением горючего. Поскольку конструкция аппаратуры, использующей первый из указанных принципов, более сложная, ниже дается краткое описание резака с пламенным подогревом и приводится его схема (рис. 90).
Кислород и горючее через ниппели рукоятки 8 по отдельным трубкам поступает в корпус резака. Часть кислорода через вентиль 9 проходит по осевому каналу инжектора 4 в смесительную
Рис. 90. Керосинорез с пламенным подогревом
камеру головки 3, а большая его часть при открывании вентиля 6 направляется в трубку режущего кислорода 5 и центральный канал 1 мундштука 2 (режущая струя). Горючее через вентиль 7 проходит в асбестовую набивку испарителя 11, где происходит его испарение под действием пламени вспомогательного мундштука 12. Пары горючего проходят по наружным пазам инжектора и засасываются кислородом в смесительную камеру; в результате образуется горючая смесь, дающая при сгорании подогревательное пламя.
Регулирование мощности и. характера пламени помимо вентилей 7 и 9 осуществляется также маховичком 10, изменяющим зазор между инжектором и входом в смесительную камеру. Техническая характеристика керосинореза РК-62 приведена в табл. 15.
Резак может работать и на бензине при условии замены мундштука для подогрева испарителя (с меньшим диаметром канала).
Зажигание резака производится после подогрева испарителя каким-либо источником тепла: пламенем другого резака, горелки или пламенем от сжигания некоторого количества горючего в металлической банке, или непосредственно на поверхности разрезаемого листа.
При работе с керосинорезами необходимо соблюдение ряда особых правил, в частности, для предотвращения обратного удара
Таблица 15
Техническая характеристика керосинореза РК-62
Показатель Толщина разрезаемой стали в мм
3—20 20—50 50—100 100—200
Номер внутреннего мундштука Давление в кгс/см2'. 1 2 3 4
кислорода 4—5 5—7 7—9 9—11
керосина в бачке Расход материалов: 1,5—3,0 1.5-т-3,0 1,5—3,0 1,5—3,0
кислорода в м3/ч 5,4—7,6 7,6—9,8 9,8—20,2 20,2—32,6
» » л/м 134—423 423—1090 1090—3360 3360—7230
керосина в кг/ч 0,7—0,8 0,7—0,9 0,9—1,1 1,1—1,3
» » г/м 25—53 53—100 100—180 180—290
Скорость резки в мм/мин 500—300 300—150 150—100 100-75
Примечание. Данные таблицы справедливы для выполнения вертикальных прямолинейных резов при чистоте кислорода не ниже 99% и резке стали с содержанием углерода не более 0,3%.
в кислородный шланг, что может быть при проникновении горючего в кислородные каналы резака. Во избежание этого давление воздуха в бачке всегда должно быть меньше рабочего давления кислорода, а при'перерывах в работе резак должен укладываться или подвешиваться так, чтобы головка его была обращена вниз (для свободного вытекания горючего наружу при неплотности вентиля). Кроме того, необходимо применять специальный клапан ЛКО-1-56, присоединяемый к кислородному штуцеру керосинореза, что исключает проникновение пламени обратного удара в шланг.
Для резки должен применяться осветительный керосин (ГОСТ 4753—49). Перед заливкой в бачок его следует профильтровать через слой войлока и кусковой каустической соды (NaOH) Для очистки от механических примесей, смолистых веществ и влаги.
§ 53. СПЕЦИАЛЬНЫЕ РЕЗАКИ
Для особых видов кислородной резки и отдельных видов работ выпускаются специальные резаки. Аппаратура для особых видов резки будет рассмотрена в гл. XVII совместно с технологией
резки, а ниже кратко рассматриваются1 специальные резаки, предназначенные для отдельных операций разделительной резки.
Так, для срезания заклепок, резки труб изнутри, вырезки отверстий малого диаметра выпускаются вставные резаки, присоединяемые к рукоятке универсальной горелки (рис. 91).
Вставной резак РАЗ-бОм (рис. 91, а) служит для удаления головок заклепок диаметром до 40 мм (до 100 заклепок в час). Резак
Рис. 91. Специальные резаки
имеет плоский мундштук с тремя отверстиями, из которых среднее — для режущей струи.
Вставной резак РАТ-бОм (рис. 91, б) служит для резки труб диаметром не менее 45 мм и с толщиной стенки от 3 до 15 мм. Особенностью резака является малая высота головки, на которой закрепляется штифт, при резке опирающийся на внутреннюю поверхность трубы.
Вставной резак РАО-бОм (рис. 91, в) служит для вырезки отверстий (или дисков) диаметром от 25 до 70 мм в листах толщиной до 50 мм. Отличием от других резаков является соосность нако
нечника и мундштука. На головку резака одевается обойма, имеющая центр в виде изогнутой шпильки, что позволяет устанавливать требуемый радиус.
Установка для ручной резки стали большой толщины УРР-600 (установка ручной резки) работает на кислороде низкого давления (до 2 кгс/см2 на входе в резак) и позволяет производить резку стали толщиной 200—700 мм (отливки, поковки, болванки, крупный стальной лом). В качестве горючего газа применяется ацетилен, расход которого составляет от ] до 4,2 мЧч, или газы-заменители. Общий вид установки показан на рис. 92.
Рис. 92. Установка УРР-600
Установка УРР-600 состоит из кислородной рампы (на 10 баллонов) с рамповым редуктором марки РК-250, ацетиленовой рампы (три баллона) с редуктором, шлангов и резака. Питание резака ацетиленом может также осуществляться от генератора среднего давления. Для работы на природном газе инжектор резака рассверливается со стороны входа до диаметра 3 мм, а со стороны выхода — до 2 мм.
Резак РР-600 комплектуется одним мундштуком и тремя сменными вставками для режущего кислорода, устанавливаемыми внутрь мундштука, в теле которого имеются канавки для горючей смеси.
Особенностями конструкции резака РР-600 по сравнению с ранее выпускавшимися резаками для резки больших толщин являются: увеличенные проходные сечения; наличие манометра на входе кислорода в резак; вертикально расположенная трубка режущего кислорода (длиной около 300 мм), что повышает пробивную способность режущей струи; подача газов всего по двум шлангам — ацетиленовому и кислородному (у старых резаков два кислородных штуцера). Для перемещения резака по поверхности разрезаемого металла имеется тележка.
Остаточное давление в кислородных баллонах, благодаря низкому рабочему давлению (в редукторе РК-250 до 6 кгс/см2).
оказывается небольшим, что также является достоинством установки.
Конструкции других специальных резаков — для поверхностной, кислородно-флюсовой и подводной резки — рассматриваются в соответствующих главах.
§ 54. КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН
ДЛЯ КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ
И СИСТЕМЫ КОНТУРНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Согласно ГОСТу 5614—67 машины общепромышленного назначения для кислородной и плазменно-дуговой резки разделяются по следующим двум признакам:
1) по исполнению в зависимости от вида резки: К — для резки стали кислородной струей; Пл — для резки металлов плазменной дугой;
2) по назначению — четыре типа стационарных машин: Р — для раскройных работ; Т — для точной прямолинейной и фигурной резки деталей; У — универсальные для прямолинейной и фигурной резки заготовок; М.— для резки малогабаритных деталей и заготовок.
Кроме стационарных машин ГОСТ предусматривает также переносные машины нескольких типоразмеров.
Основные параметры стационарных резательных машин приведены в табл. 16, а переносных — в табл. 17.
Допускаемые отклонения по классам точности машин согласно ГОСТу 5614—67 должны соответствовать: 1-й класс ±0,5 мм, 2-й класс ±1,0 мм, 3-й класс ±1,5 мм. Указанные величины отклонений включают как механические неточности машин, так и погрешности системы контурного управления.
Наибольшая толщина листов, разрезаемых на стационарных машинах, установлена для машин типа Р в 160 мм, для машин прочих типов — 100 мм.
Машины типов Р; Т и У по требованию заказчика изготавливаются для любой длины обрабатываемого листа.
У стационарных машин основным узлом, позволяющим автоматизировать процесс резки, является система контурного управления (табл. 16). При этом используются следующие принципы копирования: механический, электромагнитный, фотоэлектронный, дистанционно-масштабный и программный.
Механическое копирование осуществляется в машинах типа Р (рис. 96). Этот принцип использован и в некоторых универсальных машинах прежних выпусков при наличии кроме магнитной также и механической головки.
Параметры стационарных машин для кислородной и плазмеино-дуговой резки металлов (ГОСТ 5614—67)
Типоразмеры Размеры обрабатываемой заготовки в мм (ширина X X длину) Количество одновременно разрезаемых листов в шт. Размер колеи рельсовых направляющих продольного хода в мм Максимальная рабочая скорость резки в мм/мин Системы контурного управления и класс точности машин Резка со скосом кромок
по стальному копиру магнитная С цифровая программная Ц фотокопировальная по чертежу Ф линейная механическая Л линейная фигурная
РК-2,5 2500Х 8000 1 3300 2 000 — — — 2 + —
РК-5,0 5000X 8000 1—2 6400 2 000 — — — 2 + —
РПл-2,5 2500X 8000 1 3300 10 000 — — — 2 + —
ТК-2,5 2500X 8000 1 3300 1 600 — 1 2 — + +
ТК-5,0 5000X 8000 1—2 6400 1 600 — 1 2 — + +
ТПл-2,5 2500X 8000 1 3300 10 000 — 1 — — — —
УК-2,0 2000X 8000 1 2800 1 600. 1 1 3 — -Т —
УК-3,2 3200Х 6500 2 2400 1 600 1 1 3 — -Т —
УПл-1,6 1600X 6500 1 2400 4 000 1 1 3 — — —
МК-1 1000Х 1000 — — 1 600 1 — — — — —
МПл-1 1000Х 1000 — — 4 000 1 — — — — —
Примечания; 1. По требованию заказчика раскройные машины типа Р могут поставляться для фигурной резкн крупногабаритных заготовок. 2. Знак «+» показывает наличие указанного эксплуатационного свойства в машинах данного типа, знак «—» — их отсутствие.
Электромагнитное копирование осуществляется по стальному копиру, закрепляемому на копировальном столе машины. Способ заключается в следующем: магнитный палец — стальной цилиндрический стержень с накаткой — получает вращение от электродвигателя (‘через редуктор) и, будучи намагниченным с помощью электрической катушки, притягивается к кромке стального копира, обкатывает его контур и заставляет резак, жестко связанный с магнитной головкой, производить вырезку детали такой же формы и размеров, что и копир.
Для применения этого способа копирования требуется изготовление копиров и организация их хранения.
Фотоэлектронное копирование по чертежу, выполненному тушью на бумаге, осуществляется в некоторых машинах,
Таблица 17
Параметры переносных машин для кислородной и плазменной резки металлов (ГОСТ 5614—67)
ф Способы контурного управления Резка кромок со скосом
ра £ ° 2 ° -W О * 0.3 по листу к к
Типоразмеры 1 Число резако Максимальна: щнна разреза листа в мм Диапазон ско резки в мм[м по разметке по циркулю по направляющим По гибкому рельсовому п По жесткому рельсовому п । односторонним двусторонним
ПК-1 1 65 250—1600 + + + + + + —
ПК-2 1—2 100 200—1600 + + + + + 4- —
пк-з 1—3 300 50—800 — — — — + +
ППл-1 (легкая) 1 100 50—4000 + + + + + + —
ППл-1 (тяжелая) 1 300 50—10 000 — — — — + + —
Примечание. Знак «+» показывает наличие указанного эксплуата-циониого свойства в машинах данного типа, знак «—» — их отсутствие.
укомплектованных механической и фотокопировальной головками. В процессе копирования фотокопировальная головка автоматически придерживается кромки или оси контурной линии чертежа, поворачивая в нужном направлении кинематически связанную с ней механическую головку, ведущий ролик которой перемещается по столу машины.
Применяемые в газорезательных машинах системы фотокопирования делятся на амплитудные и импульсные.
В амплитудных системах применяются чертежи-копиры с -изображением контура детали черной широкой линией. Копирование ведется по одной из кромок линии чертежа, причем световое пятно перемещается поступательно вдоль кромки линии — рис. 93, а.
В импульсных системах применяются чертежи-копиры с изображением контура детали как широкой, так и тонкой линиями. Кроме поступательного перемещения вдоль линии чертежа, световому пятну сообщается дополнительное движение по кольцевой орбите (рис. 93, б, в), причем, так как скорость движения пятна по орбите в несколько десятков раз больше скорости копирования, след пятна на чертеже будет очень мало отличаться от формы кольцевой орбиты, ввиду чего влияние скорости копирования обычно не учитывается и форма кольцевой орбиты принимается за окружность. Нейтральное состояние в импульсных
системах соответствует положению центра кольцевой орбиты на кромке широкой линии или на середине тонкой.
Схема фотокопирования, осуществляемого по импульсной системе, показана на рис. 94. Закрепленная на копировальной части машины фотоэлектронная головка имеет в своем корпусе электро-
а) Направление чопиробания
Рис. 93. Расположение световых пятен в системах фотокопирования:
а — нейтральное положение в амплитудной системе; б — нейтральное положение орбиты в импульсной системе с широкой линией чертежа; в — то же при узкой линии чертежа; 1—линия чертежа; 2 — световое пятно; 3 — кольцевая орбита
Рис. 94. Схема фотокопирования
лампочку 1, дающую пучок света. Свет, падая на неподвижное наклонное зеркало 2, собирается эксцентричной линзой 3, вращающейся от электродвигателя 4, и фокусируется в яркую точку на поверхности чертежа. Фотоэлемент 5 находится в закрытой коробке и воспринимает только лучи, отражающиеся от белого фона чертежа. В случае, когда световая точка попадает на черную
линию чертежа, фотоэлемент практически световых лучей не получает. Степень освещенности фотоэлемента лучами, отражаемыми от белой бумаги в процессе копирования, не остается постоянной, так как световая точка (световое круглое пятно) равномерно вращается по орбите, пересекая линию чертежа с частотой, соответствующей частоте переменного тока, и фотоэлемент генерирует импульсы фототока. Эти импульсы, усиленные электронным усилителем '6, подаются на сетки двух тиратронов 7, схема включения которых предусматривает работу одного тиратрона при положительном полупериоде сетки, а другого — при отрицательном.
Разностный ток обоих тиратронов управляет двигателем 8 поворота фотоголовки 9, направляя световое пятно строго по линии чертежа. Механическая головка также поворачивается и направляет движение ведущего ролика по заданному чертежом контуру.
Фотоэлектронное копирование получает в настоящее время все большее распространение, так как по сравнению с электромагнитным копированием имеется ряд преимуществ: отпадает необходимость изготовления и организации хранения громоздких металлических копиров (копир-щитов); уменьшается деформация деталей, поскольку на чертеже можно предусмотреть вырезку последовательно нескольких деталей в виде непрерывного контура резки (см. § 63).
Масштабное копирование является одной из наиболее совершенных систем копирования. Осуществляется как с помощью магнитной головки по копиру, так и фотоэлектронной приставки по чертежу. Возможными масштабами резки являются 2:1; 5 : 1; 10 : 1 по отношению к размерам копира или чертежа. Основное значение эта система имеет для вырезки крупногабаритных заготовок или деталей. Однако надо учитывать, что с увеличением масштаба точность резки снижается.
Программное управление газорезательными машинами в последние годы находит все большее применение в отечественной и зарубежной практике. Применение машин с программным управлением автоматизирует все параметры режима резки, устраняет необходимость изготовления точных чертежей, повышает точность копирования, облегчает обслуживание машины и снижает стоимость резки примерно на 40%. Особенно эффективным может быть применение машины с программным управлением в крупносерийном и массовом производстве при вырезке крупногабаритных деталей.
В машинах с программным управлением контур детали задается непосредственно в виде математических функций или через координаты его отдельных точек и вместе с данными о режимах резки записывается условным кодом в виде электрических импульсов на магнитную ленту.
Магнитная лента с записанными на ней данными попадает в считывающее устройство машины, представляющее собой магни
тофонную головку с усилителем. Отсюда сигналы направляются в запоминающее устройство, где преобразуются в напряжения, которые либо пропорциональны соответствующим координатам точек вырезаемого контура, либо характеризуют определенные параметры режима резки.
По способу дальнейшей обработки полученных напряжений программное управление газорезательных машин подразделяется на три системы: с обратной связью; с шаговыми двигателями, связанными с сельсинами; с силовыми шаговыми двигателями.
§ 55. ПЕРЕНОСНЫЕ РЕЗАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Рис. 95. Машина «Радуга»
Во многих случаях машины этого типа являются весьма удобными для раскроя листового материала, так как, в частности, не занимают рабочую площадь, перемещаясь по поверхности разрезаемых листов. Одной из новейших конструкций является машина типа ПК «Радуга», которая предназначена для резки стали толщиной 5—300 мм одним резаком и 5—100 мм двумя резаками.
МапГйна может применяться для раскроя листов, отрезки полос, вырезки фланцев и простых деталей, имеющих прямолинейные, круговые или произвольные криволинейные (с малой кривизной) контуры. Может также выполняться V-образный скос кромок под сварку.
Машина «Радуга» (рис. 95) имеет . силуминовый корпус с встроенным в него электродвигателем мощностью 26 вт (127 в) и механическим
редуктором. Вращение якоря двигателя передается через редуктор на ведущее зубчатое колесо 1, благодаря чему машина будет перемещаться по поверхности листа или специального стола. Для резки по угольнику (швеллеру) имеется направляющее колесо 2. Рукоятка 3 служит для установочных перемещений и направления движения при резке по разметке.
Регулирование скорости движения в пределах 80—1500 мм/мин производится реостатом 4, включенным в цепь обмотки якоря. Суппорт 5 для крепления резаков 6 и 7 находится на резаковой штанге 8, имеющей возможность поперечного перемещения благодаря гребенке и маховичку. Кроме того, имеется возможность перемещения одного резака маховичком суппорта. В комплект машины входит циркульное устройство 9, штанга которого при резке по окружности закрепляется на корпусе машины. Вес машины (без циркуля) 16 кг.
Машина выполняет следующие технологические операции:
1) раскрой листов на полосы шириной от 100 до 330 мм (по направляющему шаблону);
2) вырезку фланцев с минимальным внутренним диаметром 300 мм и максимальным наружным диаметром до 3000 мм при ширине обода фланца от 100 до 330 мм;
3) подготовку кромок листа под сварку с односторонней разделкой кромок от 20 до 40° к вертикали двумя резаками.
При работе машины с одним резаком могут быть выполнены следующие операции:
1) раскрой листов;
2) наклонные резы под углом до 40° к вертикали;
3) вырезка кругов диаметром от 300 до 3000 мм;
4) вырезка по разметке.
§ 56. СТАЦИОНАРНЫЕ ГАЗОРЕЗАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Непрерывный технический прогресс в сварочном производстве и, в частности, в области машинной кислородной резки прояв-
ляется в виде модернизации отдельных машин и создании новых, более совершенных. Таким образом, через каждые несколько лет
номенклатура выпускаемого оборудования существенно изме-
Рис. 96. Схема машины для раскройных работ
няется. Поэтому ниже кратко рассматриваются лишь некоторые типовые машины, наиболее широко применяемые в производстве в настоящее время.
Весьма перспектив-
ными являются газоре-
зательные машины с программным управлением, но их подробное рассмотрение не производится, поскольку исполнительная часть представляет собой обычную газорезательную машину, а система программного управления рассматривается в специальных дисциплинах.
Машины типа~.РК предназначены для прямолинейного раскроя листов на карты и полосы, а также для подготовки кромок листов под сварку. Основное преимущество этих машин заключается в быстрой укладке листов без крепления. Схема машины этого типа представлена на рис. 96. На опорах 5 уложены направляющие рельсы 4, по которым благодаря ведущему ролику продольного хода 3 перемещается портал. На поперечной балке портала имеется ходовой винт 2 для перемещения каретки поперечного хода 1 с резаком 7. Разрезаемый лист укладывается на стел
лаж 6. Перемещение портала в продольном направлении, а кареток в поперечном осуществляется раздельно от разных электродвигателей.
На рис. 96 показан один резак; в действительности же машины этого типа оснащаются несколькими трехрезаковыми блоками, что позволяет выполнять ряд операций.
Рис. 97. Машина СГУ-61
/ — опоры; 2 — рельсовый путь; 3 — направляющие поперечного хода; 4 — ведущий механизм; 5 — штанга; 6 — направляющая каретка продольного хода; 7 — ферма; 8 — винтовая стяжка; 9 — релейный блок; 10 — каретка для поддержки шлангов и кабелей; 11—двигатель подъема резаков; 12—пульт управления; 13—суппорты с резаками
Машина «Черномор» типа РК, оснащаемая двумя трехрезаковыми блоками, предназначена:
1) для прямоугольного раскроя листов толщиной 5—300 мм, без скоса кромок, двумя резаками в продольном направлении (обрезка кромок) и одним — в поперечном;
2) одновременной вырезки из листа пяти полос;
3) одно- и двустороннего скоса кромок под сварку при толщине листов 10—100 мм в продольном и поперечном направлениях.
Размеры обрабатываемых листов могут быть следуюшими: длина до 16 000 мм, ширина до 3150 мм.
ВИИИавтогенмашем разработана конструкция машины «Волга» для раскройной резки крупногабаритных листов или сварных полотнищ. Машина оснащается шестью трехрезаковыми блоками и позволяет выполнять большее количество операций, чем машина «Черномор». Размеры обрабатываемых листов составляют: длина — до 10 000 мм, ширина одного листа — до 3500 мм, двух листов — до 2200 мм (каждого).
Машина СГУ-61 (стационарная газорезательная установка) типа УК (рис. 97) предназначена для вырезки заготовок и деталей различной формы из листов размером 2000 X 6000 мм при толщине от 5 до 300 мм. Машина является достаточно универсальной и позволяет выполнять ряд операций. Комплектуется магнитной и механической головками.
С помощью магнитной головки производится резка по стальным копирам, а с помощью механической головки возможно вы
9
полнение следующих операций:
1) прямолинейная резка листов с V-образным скосом кромок с четырех сторон листа при толщине металла до 120 мм;
2) прямолинейный раскрой листов 1—4 резаками;
3) фигурная вырезка деталей с ручным копированием по чертежу;
4) вырезка окружностей диаметром от 240 до 2000 мм при помощи циркульного устройства.
Копировальный стол машины подвижный, благодаря чему отпадает необходимость перемещения разрезаемых листов по фронту машины и перестановки копиров.
Управление машиной может производиться как с главного пульта, расположенного на конце консоли, так и с дополнительных пультов, имеющихся на суппортах машины.
Машина АСШ-2 (автомат стационарный, шарнирный) типа МК (рис. 98) предназначена для вырезки деталей любой формы размером 750 X1500 или 1000 X 1000 мм при толщине листа до 100 мм.
На колонне / машины укреплены шарнирные рамы 2 и 3, вра-’щающиеся на шарикоподшипниках. На площадке наружной < рамы 3 установлен ведущий механизм, состоящий из электродвигателя 7 переменного тока 127 в, мощностью 22 вт, редуктора и магнитной головки 5. По оси головки расположен стальной палец с рифленым концом, который, получая вращение от электродвигателя и намагничиваясь при прохождении постоянного тока по катушке, будет притягиваться к кромке копира 6 и обкатывать его контур. Постоянный ток напряжением 6—12 в подается от селенового выпрямителя ВСА-10.
Копиры крепятся электромагнитами или механическим способом к трубчатым штангам 8, находящимся на хоботе 9 машины. К нижней части рамы 3 прикрепляется резак 4 типа РМЗ-Г (трехвентильный с горизонтальным расположением ниппелей). Ось резака совпадает с осью магнитного пальца, что обеспечивает высокую точность резки (±0,3 мм). Копиры закрепляются либо каждый отдельно, либо на копирном щите.
Машина «Одесса» типа УК с масштабно-дистанционным управлением (рис. 99) оснащается магнитной головкой для копирования
1 — штанга с резаками; 2 — привод поперечного хода; 3 — направляющая поперечного хода; 4 — пульт управления; 5 — задающая часть машины с копировальным устройством;
6 — пульт управления фотокопировального устройства; 7 — привод продольного хода
по стальному копиру и фотокопировальной головкой для перемещения машины по копиру-чертежу с помощью фотоэлектронного устройства. Копировальное устройство расположено на общей станине и для защиты от пыли закрыто предохранительным колпаком.
Копир-чертеж изготавливается в масштабе 1:2; 1:5 или 1 : 10 в зависимости от габаритов детали и выполняется тушью на белой бумаге. Фотоэлектрическая копировальная головка благодаря следящему устройству с фотоэлементом движется точно по линии чертежа, а резак воспроизводит его контур, вырезая деталь заданной формы.
Машина «Одесса» шестирезаковая, что позволяет выполнять разнообразные операции: одновременную вырезку по стальному копиру или чертежу до шести фигурных деталей, вырезку полос шестью резаками, прямолинейную обрезку кромок двумя резаками, подготовку под сварку прямолинейных кромок деталей
r.ru
толщиной до 120 мм с V- или Х-образными скосами. Без скоса кромок возможна резка толщин до 300 мм. Габариты обрабатываемых листов 3000 X 9000 мм.
В настоящее время применяются и другие машины этого типа, отличающиеся некоторыми конструктивными особенностями.
§ 57. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ МАШИНЫ
И УСТАНОВКИ ДЛЯ КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ
Универсальные газорезательные машины позволяют выполнять и некоторые специальные операции, например вырезку кругов и фланцев, но это требует оснащения машины дополнительными узлами. В результате конструкция машины усложняется и, в конечном итоге, недоиспользуются технологические особен
Рис. 100. Машина «Спутник»
Рис. 101. Схема установки для отрезки прибылей отливок из нержавеющей стали
ности универсальной машины. Поэтому для выполнения отдельных операций целесообразна разработка особых конструкций машин, сравнительно простых по устройству и обеспечивающих высокие показатели процесса резки. Весьма рационально применение таких машин и установок в следующих областях: резка труб, вырезка фланцев, отрезка прибылей, обрезка днищ различных емкостей, а также в металлургии при непрерывной разливке стали и газопламенной очистке стального полупроката.
Переносная машина для резки труб «Спутник» является новейшей конструкцией трубореза с электроприводом, в отличие от труборезов ТР-1 и ТР-2, имеющих ручной привод. Эта машина конструкции завода Автогенмаш (рис. 100) предназначена для бес-копирной обрезки труб диаметром 194—1100 мм при толщине стенок 4,5—50 мм как под прямым углом к оси трубы, так и со скосом кромки под сварку под углом до 35°. Тележка 1 машины крепится цепью 8 к трубе, по поверхности которой она перемещается механизмом, приводимым в действие электродвигателем 5 мощностью 55 вт, питаемым постоянным током по подводящему проводу 7.
На тележке 1 имеется штанга с суппортом 3, в котором крепится резак 2 типа РМ-3, величина вылета которого может изменяться маховичком 4. На панели управления 6 расположены: выключатель двигателя, переключатель направления хода тележки и маховичок реостата для регулирования скорости резки в пределах 230—500 mmImuh.
Для фасонной резки труб ВНИИавтогенмашем разработана конструкция установки УФВТ-2 с фотоэлектронным управлением, позволяющая производить вырезку криволинейных контуров на трубах диаметром 100—530 мм при толщине стенки 4—20 мм.
Кроме машин для резки труб создан целый ряд установок различного назначения, например: переносный фланцерез ПГФ-1-61, установка для отрезки прибылей отливок из нержавеющей стали, для обрезки кромок днищ цилиндрических сосудов под сварку и т. д. Схема установки для отрезки прибылей отливок из нержавеющей стали приведена на рис. 101.
Отливка 2 устанавливается на вращающемся столе 1. Резак 3 закреплен в державке 5, имеющей возможность вертикального перемещения по стойке 4. Газы подаются в резак из сети: ацетилен — через водяной затвор 6, кислород — через вентиль 7. Подача флюса производится сжатым воздухом, пропускаемым через силикагелевый осушитель 8 из флюсопитателя 9. На установке может производиться отрезка прибылей толщиной до 250 мм.
ГЛАВА XIV
ТЕХНОЛОГИЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ
КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ
§ 58. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К ТОЧНОСТИ РЕЗКИ
Как уже указывалось (§ 51), качество металла вблизи поверхности реза позволяет применять кислородную резку как окончательную операцию изготовления ряда деталей и заготовок для сварных конструкций. Применение в этом случае кислородной резки без дополнительной механической обработки возможно при обеспечении необходимой точности изготовления деталей и заготовок.
Общие требования к точности складываются из требований к получению надлежащих размеров и форм вырезанных деталей (заготовок) и из требований к элементам точности кромки реза, непосредственно связанным с взаимодействием металла с кислородом режущей струи и подогревательным пламенем в процессе резки.
К элементам точности кромки реза относятся:
1) величина отклонений заданного угла между поверхностью листа и кромкой реза, определяемая в основном формой и характером взаимодействия кислородной струн с сжигаемым металлом;
2) наличие местных выхватов на кромке, определяемых их относительным количеством (на единицу длины реза, на деталь) и размерами (длина выхвата по длине реза,. глубина);
3) глубина штрихов на кромках (шероховатость кромок);
4) степень оплавления верхней кромки;
5) количество и степень легкости удаления грата на нижней кромке реза.
Элементы точности кромки реза зависят от качества мундштуков (наконечников) резаков (центрированности кислородной струи, ее формы после истечения, состояния выходной части каналов), режима кислородной струи (давления кислорода на выходе в связи с формой канала — см. рис. 80, ее кинетической энергии, турбулентности), соотношения скоростей прорезания (окисления) металла и продольным перемещением струи вдоль реза (скоростью резки), режима подогрева (режима и характеристик подогревательного пламени).
Равномерность перемещения струи (резака), т. е. равномерность скорости резки является чрезвычайно важной. Ручная разделительная резка, как правило, не обеспечивает желаемой точности кромок. Машинная резка при отработанном режиме позволяет по элементам точности поверхности реза применять ее как окончательную обработку.
Как уже указывалось (§ 48), чистота кислорода для кислородной резки имеет очень большое значение, в частности и для получения кромок без грата или с малым и легко удаляемым гратом.
Влияние некоторых параметров режима машинной кислородной резки на элементы точности кромки реза (исключая выхваты, как результат случайных отклонений от нормы) и на ширину реза для низкоуглеродистой стали толщиной 26 мм при вертикальном направлении струи приведено на рис. 102.
На основании изложенного видно, что возможны два основных случая применения кислородной резки: как операции изготовления деталей в окончательный размер и как заготовительной операции, требующей последующей механической обработки.
Как операция изготовления деталей в окончательный размер ' кислородная резка применяется:
1) при вырезке деталей, контуры которых не сопрягаются со смежными деталями, например внешней окружности фланцев, оснований опорных лап и др.;
2) при вырезке деталей, сопрягаемых с другими деталями с помощью сварки внахлестку, клепки или болтового соединения;
। 3) при вырезке деталей, предназначенных для точной сборки
со смежными деталями или для сопряжения с ними при движении
(например, шестерен и звездочек тихоходных передач, кулачков механизмов грубого переключения и т. п.), а также заготовок для ручной и автоматической сварки стыковыми швами.
Допуски на габаритные размеры вырезанных деталей или заготовок под сварку в этих случаях зависят как от их назначения,
так и от самих размеров.
Высота расположения резака мм
а)
Рис. 102. Влияние параметров режима машинной кислородной резки на элементы точности кромок и ширину реза:
а—скорости резки (Ap=const; pQ2=const; РС2Н2~ cons^)’ б—Давления кислорода (hp = const; v = const; PCZH2=const); в — высоты расположения резака (Po2=const; Pc2H2=const>;------глу-
бииа штрихов;---------ширина реза;
— -----трапециевидность сечения реза
В качестве заготовительной операции кислородная резка применяется:
1) для вырезки деталей под станочную обработку режущим инструментом или абразивами. Пределы допусков здесь устанавливаются в зависимости от вида предполагаемой обработки;
2) для отрезки прибылей стального литья перед последующей обработкой. В этом случае высоких требований к точности не предъявляется.
Классификация операций резки по требованиям к точности вырезаемых деталей разработана Ленинградским политехническим институтом им. М. И. Калинина и ВИИИавтогенмашем.
Для получения высокой точности машинной кислородной резки необходимо обеспечить:
1) высокую точность задаваемого направления движения машины (т. е. точность копиров, чертежей для машин с фотокопировальным устройством, направляющих при прямолинейной резке и пр.);
2) высокую точность воспроизведения резаком машины задаваемого движения (т. е. точность воспроизведения копирующим
механизмом заданной линии перемещения и точность передачи движений от копирующего механизма на резак без значительных искажений вследствие влияния люфтов, перекосов рельсов, прогиба устройств несущих резак);
3) исключение или учет деформаций вырезаемых деталей, вызываемых резкой (§ 63);
4) правильный учет ширины разреза.
Требования к точности вырезаемых деталей (заготовок) определяют как выбор оборудования и копиров для резки, так и применение определенной технологии резки.
В настоящее время регламентированных требований к допускам на габаритные размеры вырезанных газом деталей нет. Однако на базе анализа возможностей оборудования и современной технологии кислородной резки низкоуглеродистых сталей толщиной примерно до 100 мм С. Г. Гузов предлагает ориентировочную классификацию точности вырезанных деталей, приведенную в табл. 18.
Таблица 18
Точность деталей при механизированной газокислородной резке
Класс машины Максимальная скорость копирования в м/мин Допустимые отклонения (включая местные неровности и скос реза) в мм для размеров изделия в мм
до 60 60— 160 160— 400 400— 1000 1000— 2500 2500— 6300 6300— 10 000
0,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,5 3,0
Высший 1,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 3,0 3,5
1,6 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,5 4,0
0,5 1,7 1,8 1,9 2,1 2,5 3,0 4,0
Первый 1,0 2,2 2,3 2,4 2,6 3,0 3,5 4,5
1,6 2,7 2,8 2,9 3,1 3,5 . 4,0 5,0
0,5 1,8 1,9 2,1 2,5 3,0 4,0 5,5
Второй 1,0 2,3 2,4 2,6 3,0 3,5 4,5 6,0
1,6 2,8 2,9 3,1 3,5 4,0 5,0 6,5
§ 59. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
НА РЕЗКУ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ПО ТЕХНИКЕ РЕЗКИ
На производительность, экономичность и качество резки большое влияние оказывают различные технологические параметры: чистота и давление кислорода, режим подогревательного пламени, скорость резки.
Понижение чистоты кислорода на процесс кислородной резки t оказывает влияние посредством накопления в реакционном пространстве имеющихся в нем примесей (азота, аргона), которое, как правило, не может быть полностью исключено увеличением давления и расхода кислорода режущей струи.
Необходимое давление кислорода определяется толщиной разрезаемого металла и связано с формой канала сопла режущего кислорода. При превышении некоторого оптимального давления скорость резки снижается, а качество поверхности реза ухудшается. Оптимальным давлением для резки листовой стали толщиной 12—100 мм являются 2,5—6 кгс/см2. Резку тонкого металла (3—12 мм) и толстого (более 100 мм) рационально вести кислородом низкого давления.
Основы выбора мощности подогревательного пламени рассмотрены ранее (§ 47). При резке больших толщин подогревательное пламя должно быть удлиненным, в частности регулироваться с избытком ацетилена. При резке под углом (например, при снятии фасок) мощность подогревательного пламени должна быть больше, чем при вертикальном разрезе металла этой же толщины. Весьма большое значение подогревательное пламя имеет в начале процесса резки.
Перед началом резки поверхность разрезаемого металла необходимо очистить от ржавчины, краски и грязи. Очистка обычно производится пламенем резака и стальными щетками, а иногда травлением.
В начале резки следует осуществить подогрев некоторого объема металла до температуры воспламенения, а в дальнейшем обеспечить удаление шлаков, которые будут образовываться при резке. При начале резки от края листа шлаки легко стекают по наружной поверхности вблизи начала реза, подогревая расположенные ниже слои металла. Начиная резку листового металла небольшой толщины с кромки, резак располагают перпендикулярно поверхности листа, металл нагревают до температуры, близкой к температуре плавления, затем пускают кислород режущей струи и после установления процесса горения по всей толщине металла начинают перемещать резак вдоль линии намеченного разреза. При значительной толщине разрезаемого металла для ускорения начала резки нагревают верхнюю кромку пламенем с небольшим наклоном (рис. 103, а), а при очень большой толщине рез начинают с нижней части торца и по мере прорезания резак поднимают к верхней кромке (рис. 103, б). Аналогичным образом начинают рез и круглых заготовок большого диаметра.
В случае необходимости начинать резку в средней части листа (например, для вырезки'лаза, окна и др.) предварительно делают сквозное отверстие. При толщине металла примерно до 50 мм при горизонтальном расположении обрабатываемого листа (до 75 мм при вертикальном или наклонном положении листа)
начальное отверстие может прожигаться кислородом тем же резаком. Для этого металл в месте намеченного отверстия прогревают сильнее, а затем на него направляют кислородную струю (обычно закрыв вентиль горючего). Вначале шлак выбрасывается в ту же сторону, в какой находится резак, а затем металл прожигается на всю толщину. Размер такого отверстия обычно составляет около 12—18 мм.
При пакетной резке (§ 62) и листах большой толщины, когда получение сквозного отверстия кислородной струей затруднено,
Рис. 103. Положение резака в начале резки: а—при значительной толщине разрезаемого металла; б — при очень большой толщине металла
применяют обычное сверление, а при очень большой толщине металла прожигание отверстий осуществляется кислородным копьем (§ 72). Иногда при резке болванок круглого сечения и листов большой толщины для ускорения начального нагрева в месте начала резки производят зарубки зубилом или начинают резку с помощью подведенной стальной проволоки небольшого диаметра (см. § 67).
После того как установится процесс горения металла по всей толщине, перемещение резака относительно разрезаемого металла должно быть равномерным: чем оно будет равномернее, тем более чистым получается рез и тем большая скорость резки может применяться. Скорость перемещения резака должна быть такой, чтобы она согласовывалась с распространением окисления по толщине разрезаемого металла. При малой линейной скорости резки след кислородной струи проходит перпендикулярно верхней поверхности' разрезаемого металла (при расположении струи перпендикулярно этой поверхности) через всю толщину металла. Разрез, как правило, в этом случае имеет форму струи, т. е. при цилиндрическом канале и значительном перепаде давлений кислорода — постепенно расширяющейся (рис. 104, а).
При увеличении линейной скорости перемещения резака след струи кислорода на торцовой поверхности реза несколько отклоняется и отстает на выходе по отношению ко входу у верхней поверхности на величину А. В поперечном сечении расширение разреза в нижней части уменьшается (рис. 104, б). При еще большем увеличении скорости отставание А увеличивается (что при резке характеризуется выбрасыванием шлака со значительным отклонением в сторону, противоположную направлению резки), а разрез в нижней части становится намного уже, чем в верхней
Рис. 104. Форма разреза и расположение штрихов (следов кислородной струи) на торцовой поверхности реза:
а—при малой линейной скорости резки; б—при нормальной скорости резки; в—при повышенной скорости
(рис. 104, в). Дальнейшее увеличение скорости резки при том же режиме кислородной струи приведет к непрорезанию металла.
Увеличение давления кислорода позволяет в некоторой степени увеличивать скорость резки, однако качество реза при этом ухудшается, и резка в этом случае может служить только как заготовительная операция с последующей обработкой вырезанных заготовок. Для чистовой резки величина отставания А должна составлять 5—10% от толщины разрезаемого металла (см. табл. 19).
По окончании резки резак следует задержать на выходе и произвести разрез нижнего участка (в связи с имеющимся отставанием).
Т а б л и ц a 19
Классификация качества поверхности реза по величине отставания
Класс качества резки Назначение вырезанных деталей (изделий) Допустимое отставание линий реза (% от толщины) Коэффициент скорости реза (приняв скорость для качества реза класса 11 за единицу)
I Чистовая вырезка фасонных деталей (без последующей механической обработки) 5 - 0,75
II Чистовая вырезка деталей с прямолинейными кромками 10 1,0 / 1
III . Резка деталей с прямолинейными кромками, не требующих высокого качества поверхности (без последующей механической обработки) 20 1,2
IV Вырезка фасонных и прямолинейных деталей с припусками на механическую обработку 25—30 1,35
При ручной резке больших толщин иногда приходится на выходе дополнительно осуществлять разрез металла в нижнем углу, спуская резак по выходной кромке.
§ 60. РЕЖИМЫ РЕЗКИ СТАЛИ СРЕДНИХ ТОЛЩИН
Наилучшие результаты по качеству резов дает кислородная резка средних толщин (примерно 12—100 мм). Кислородная резка такого металла не вызывает технологических затруднений и легко выполняется обычной газорезательной аппаратурой как ручными, так и механическими способами.
Резку стали средних толщин обычной аппаратурой следует производить при давлении кислорода в рабочей камере редуктора 2,5—6 кгс/см2 в зависимости от толщины разрезаемого металла.
Ориентировочные технические скорости машинной разделительной резки стали различных толщин при чистоте кислорода не менее 98,5—99% приведены в табл. 20.
Используя лучшую тепловую подготовку верхней кромки для уменьшения вероятности непрорезания, ВНИИавтогенмаш разработал способ скоростной прямолинейной резки «углом вперед» — <р до 50—70° (рис. 105). Скорости резки при перпендикулярном расположении резака (обычная резка) и при расположении резака «углом вперед» (скоростная резка) представлены на рис. 106. Из приведенных данных следует, что этот способ дает повышение
Таблица 20
Ориентировочные технические скорости машинной кислородной резки
Вид резки Скорость резки (в мм[мин) при различной толщине разрезаемой стали в мм
5 10 20 30 50 80 100 150 200 300
Резка в лом 730 670 570 500 400 310 270 200 160 120
Заготовительная прямолинейная резка 660 600 520 450 360 280 240 180 150 НО
Вырезка фасонных деталей с припусками на обработку 590 540 460 400 320 250 210 160 130 90
Прямолинейная чистовая резка 510 470 400 350 280 220 190 140 НО 80
Фасонная чистовая резка 440 400 340 300 240 180 160 120 100 70
производительности резки при толщинах разрезаемой стали до 30 мм.
Экономически весьма целесообразно осуществлять безграто-вую резку. В настоящее время разработаны режимы безграто-
Рис. 105. Расположение резака при прямолинейной скоростной резке
Рис. 106. Скорость обычной и скоростной кислородной резки стали различной толщины:
/ — при чистовой резке с хорошим качеством кромок; 2 — при заготовительной резке
струи режущего кислорода, при котором нет затекания шлака по резу в направлении обратном резке (т. е. при малом отставании А), максимальном уменьшении мощности подогревательного пламени и замене ацетилена другими горючими (керосин, пропан и др.).
Таблица 21
Режимы безгратовой резки
Скорость резки в мм/мин 590—640 480—520 390—420 350—380 300—320 260—280 240—260
ЧО ОС.* 00 S 1Л оо О о О О
ГО ° *‘’«3 О, S са ф И о оГ со LO СП
1енне горо-?жу-:труи : '.{см* о 1П ю
7? 7» Л) И О эХ го Я ф Ч* —- со of ш Т* ю
О.» Ь QJ <Ы о £ X О. L. я Го о Ь а ПХ 03 Jg 03 CS со со xf- xf
Толщина разрезаемой стали в мм ю О о CS о со о in О СО 100
Значение коэффициента Р в подогревательном пламени: при ацетилене 1,1; пропан-бутане — 3,5; природном газе
Режимы безгратовой резки для получения II класса качества реза по рекомендации ВНИИавтогенмаш приведены в табл. 21.
При небольших толщинах (до 12—15 мм) возможна машинная безгратовая резка и с несколько менее чистым кислородом при направлении резака углом вперед (см. рис. 105).
Резка стали средних толщин кислородом низкого давления резаками с увеличенным каналом режущего кислорода нецелесообразна.
§ 61. РЕЗКА СТАЛИ БОЛЬШИХ ТОЛЩИН
Обычная газорезательная аппаратура, как правило, рассчитана на резку стали толщиной до 300 мм, однако уже при толщинах выше 200 мм появляются некоторые затруднения при резке. Еще большие затруднения появляются при резке металла толщиной! более 300 мм. Резка стали таких толщин применяется в основном в металлургической промышленности и на некоторых предприятиях тяжелого машиностроения.
Затруднения в резке стали больших толщин вызываются трудностью прогрева нижних слоев и эффективного удаления шлака на большом расстоянии от резака, где кинетическая энергия газового потока ослабевает.
Обычная в стальных заготовках большой толщины неоднородность химического состава металла, в частности по углероду, создает дополнительные затруднения в связи с различной температурой воспламенения металла и изменением температуры плавления.
Все это может привести к непрорезанию, образованию внутренних полостей — карманов, зашлаковыванию резов.
В качестве мероприятий по облегчению тепловой подготовки металла применяются: общий предварительный подогрев разрезаемой отливки или проката до температуры 250—500° С, удлиненное подогревательное пламя (в этом случае в качестве горючего применяется водород или пламя с избытком ацетилена), а также специальные конструкции резаков, позволяющие получать «спокойную» на большой длине кислородную струю.
При применении общего подогрева резку следует начинать сразу после выдачи нагретой заготовки из печи, пока не охладилась ее поверхность, так как в противном случае при резке возможно образование карманов в более нагретых внутренних частях.
Во всех случаях очень важно сохранение достаточного запаса кинетической энергии кислородной струи для удаления шлаков. Применение повышенного давления при небольшом диаметре цилиндрического или ступенчато-цилиндрического канала выходного отверстия режущего кислорода, особенно при резке металла толщиной 5=500 мм, не дает положительных результатов. Для
таких больших толщин применяются либо расширяющиеся сопла (в резаках Р-100, разработанных Киевским политехническим институтом, в установке УБТ-1200, разработанной ВНИИавтогенма-шем), либо каналы простой формы и больших проходных сечений при использовании кислорода низкого давления 0,6—2,0 кгс1см2 (в установках УРР-600, ПМР-600, разработанных ВНИИавто-генмашем).
При начале резки очень важной является правильная установка режущей струи кислорода (перпендикулярно) и соответствующее ее расположение относительно кромки, от которой начинается рез.
Ручная резка металла больших толщин является весьма тяжелой операцией, особенно при общем подогреве разрезаемой заготовки. Значительно облегчает труд установка УБТ-1200, освобождающая резчика от основных тяжелых операций.
Все установки для резки больших толщин в связи с большим расходом газов, особенно кислорода (для УБТ-1200 до 700 м3/ч), обычно питаются от рамп. Кислородные рампы составляют из 10—32 баллонов. Ацетиленовые рампы имеют до 10 баллонов.
Ориентировочные показатели резки стали толщиной 800 и 1350 мм резаком типа Р-100 приведены в табл. 22.
Таблица 22
Показатели резки стали больших толщин резаком типа Р-100
Толщина разрезаемой стали № наконечника Расход газов режущей струи в м3/ч Время подогрева до начала Скорость резки Диаметр выхода отверстия режущего кислорода Средняя ширина реза
в мм кислорода ацетилена резки в сек в м/ч мм
800 1 100 — 50 1,95 12 16
1350 2 150 5,5 55 1,56 16 25
§ 62. резка стали малых толщин.
Пакетная резка
Резка стали малых толщин (особенно менее 5 мм) обычно сопровождается значительным перегревом металла подогревательным пламенем, что приводит к усиленному оплавлению верхних кромок и к увеличению в шлаке доли неокисленного (выплавленного) железа. Такой шлак приваривается к нижним кромкам реза и требует значительных затрат труда для его удаления.
Кроме того, при резке стали малых толщин унеличиваются коробления из плоскости разрезаемого листа, приводящие к обра-
зованию бухтин, а также к более сильному искажению форм вырезаемых деталей и заготовок.
Нормальный процесс резки с использованием обычной аппаратуры выполняется при толщине листов не менее 4 мм. При более тонких листах лучшие результаты дает резка с последовательным
Рис. 107. Схема выполнения пакетной резки стали
расположением подогревательного пламени и режущего кислорода (см. рис. 78, а), однако и в этом случае резка листов толщиной менее 3 мм затруднительна и не дает хороших результатов. Высокое качество резки листов малых толщин может быть получено при пакетной резке, особенно эффективной при серийном изготовлении одинаковых вырезаемых деталей. Пакетной резкой могут резаться листы толщиной от 1 мм.
Сущность процесса пакетной резки стали заключается в следующем. Листы складываются в пакет и разрезаются кислородной струей за один проход резака (рис. 107). В пакет набирается до 50 и более листов, в зависимости от их толщины, количества необходимых одинаковых деталей и средств для сборки пакетов. В некоторых случаях оказы
вается целесообразным собирать в пакеты листы таких толщин, которые можно резать и отдельно (8—10 мм и более).
Пакетная резка имеет некоторые особенности. При резке обычной аппаратурой весьма важна плотная сборка листов с минимальными зазорами между ними. При наличии зазоров ухудшается
прогрев нижележащего листа, и кислородная струя, не прорезая его, начинает распространяться в стороны, увлека.я с собой горячий шлак, разогревая при этом и сжигая уже прорезанные детали и нижележащие листы. Во избежание этого листы предварительно выправляются и стягиваются либо струбцинами, либо сварочными валиками, накладываемыми по торцам. При сжатии пакета тонких листов иногда применяются прессы.
В связи с тем, что мощность подогревательного пламени берется в соответствии с суммарной толщиной пакета, верхний лист сильно перегревается и при малой толщине коробится, отходя от нижележащего и создавая зазор. Вследствие этого резка может прекратиться. Поэтому часто на пакет сверху накладывается лист большей толщины (обычно 6—8 мм, даже если детали вырезаются из более тонкого металла).
В некоторой степени поврежденной оказывается и деталь нижнего листа (при толщинах до 3 мм), на которой собирается большое количество стекающего шлака, приводящего к оплавлению кромок. Сборку пакета при резке его от края полезно выполнять со смещением кромок. Пакет можно собирать и без смещения, но тогда резку следует начинать по предварительно наплавленному
на торец кромок валику. В центре пакета резку можно начинать, предварительно просверлив сквозное отверстие. После окончания резки для облегчения разъединения вырезанных деталей рекомендуется их быстрое охлаждение (иногда водой).
Резка кислородом низкого давления с большими проходными сечениями аппаратуры требует меньшей точности подгонки листов в пакете по плоскостям, допуская резку с местными зазорами. В этом случае медленное стекание шлака облегчает прогрев нижележащего листа, так как шлак, заполняя зазор, препятствует растеканию кислородной струи в стороны и способствует сохранению ее направления. Способ пакетной резки кислородом низкого давления является особо целесообразным при резке листов толщиной 8—20 мм; при этом зазоры между листами могут быть 2—4 мм. При резке пакетов кислородом низкого давления количество сжимающих пакет струбцин может быть уменьшено.
§ 63. ДЕФОРМАЦИИ ПРИ КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКЕ
В результате местного нагрева с большим градиентом температур при кислородной резке возникают деформации (см. § 23). Деформации имеют место как в плоскости разрезаемого листа, так и из плоскости листа (от неравномерности прогрева по тол-
Рис. 108. Деформирование листа при кислородной резке (одной кромки):
а — в процессе резки; б — после окончания резки ги охлаждения листа;
------путь резака;-------начальное положение противоположной кромки
щине); последние при резке металла средних и больших толщин имеют меньшее значение.
Деформации, возникающие при кислородной резке, аналогичны сварочным, однако имеют свои особенности. При отрезке полосы (кромки) от края листа, когда металл находится в нагретом состоянии (как при наплавке валика на кромку), временные деформации приводят к выгибу листа (рис. 108, а). В результате невозможности свободного теплового расширения наиболее нагретого металла у кромки после окончательного охлаждения он остается напряженным и окончательная форма листа будет иметь
вид, изображенный на рис. 108, б. Стрелка прогиба fmay (в см) обрабатываемого листа определяется формулой
а™=4^ (74>
где L — длина листа в см;
с — кривизна, зависящая от количества тепла, вводимого при резке, и от ширины Н листа, в 1/см.
При кислородной резке стали средних толщин (примерно до 40 мм) кривизна с мало зависит от толщины. Это определяется тем,
10
,10
10
2
Ц
6
г
8
-26мм
20
30
50
60
70
80 30
Н,
,см
10
Рис. 109. Номограмма для определения стрелки прогиба при отрезке одной кромки листа
«0
что основное количество тепла, вводимого в разрезаемый лист, определяется количеством сжигаемого металла, которое при постоянной ширине реза прямо пропорционально толщине металла, т. е. удельный теплоотвод на единицу толщины не зависит от толщины.
Зависимость с от ширины листа, рассчитанная по теории проф. Н. О. Окерблома и проверенная экспериментально опытами ЛПИ и ЛИИВТ, приведена на рис. 109 в правом квадранте.
L2
В левом верхнем квадранте с координатными осями с и гео-
L2
метрическими местами точек гипербол с-$~ = const определяются значения /тах. Пример определения /п,ах для случая отрезки кромки от листа длиной L = 7,5 м и шириной Н — 65 см
показан на номограмме штриховыми линиями (fmax = 0,3 см, или 3 мм).
Если произвести отрезку и второй (противоположной) кромки, то в результате обратного воздействия произойдет уменьшение стрелки прогиба. Степень этого уменьшения зависит как от ширины вырезаемой детали (полосы), так и от ширины листа, из
которого она вырезается.
При вырезке ряда полос относительно небольшой ширины из длинных листов с целью уменьшения деформаций можно исполь-
зовать разработанный ЛПИ им.
Г» ; /
!z ! |з
1 1 :з 4(5)
\5(6)
15 \б(4)
'>2
Рис. НО. Вырезка полос из листа большой длины (номера слева показывают последовательность резки при переходе от одной кромки к другой, а справа при методе третьего реза)
М. И. Калинина метод третьего реза (рис. ПО), который в значительной степени снижает их искривление в плоскости по сравнению с последовательной отрезкой полос от одного края листа к другому. Так, при вырезке десяти полос шириной по 10 см из листа длиной 5 м максимальные стрелки прогиба при резке от одной кромки к другой у полос № 7—10 составляют 10—20 мм, а при резке по методу третьего реза максимальный прогиб не превышает 4,5 мм.
При необходимости получения одной прямолинейной кромки (например, для стыкования под автоматическую сварку, когда величина зазора строго ограничивается) возможно использование резки (по наметке или по копиру) с обратным выгибом. Копир для этого изготавливается с выгибом направляющей кромки в обратную сторону. При этом величина стрелки выгиба должна быть равна /тах и может быть определена из номограммы. Обратный выгиб может быть применен и при отрезке обеих парал
лельных кромок широкого листа, однако при установлении размеров цвыгиба в этом случае должны учитываться деформации каждой из кромок, которая будет получена в результате их взаимного воздействия.
Следует отметить, что резка по наметке (как ручная, так и с применением переносных машин, перемещающихся по разрезаемому листу при ручном наведении резака на линию наметки) для ряда крупногабаритных деталей позволяет получить большую точность размеров и форм, чем резка машинами, перемещающимися по рельсам, не связанным с разрезаемым листом. Это определяется тем, что при резке на стационарной машине направление движения резака является заранее заданным и к деформациям выполняемого реза прибавляются искажения, связанные с уже произошедшими искажениями формы разрезаемой заготовки.
Сопоставление конечных форм трех полос (/—3), вырезаемых по прямолинейной наметке и прямолинейному копиру, не связанному с разрезаемым листом, для ^простейшего случая (исключая возможные общие перемещения листа на стеллаже) представлено на рис. 111. Аналогичные искажения могут иметь место и при вырезке фигур замкнутого контура при резке по копиру.
При резке на стеллажах без закрепления разрезаемого листа возникающие деформации как самого листа, так и обрези, могут приводить к перемещениям листа по стеллажу. Естественно, что такие перемещения в процессе резки могут вызывать значительные
Рис. 111. Влияние метода резки иа общее искажение формы вырезанных полос:
а — при резке по наметке; б — при резке по линейному копиру
искажения формы вырезаемой детали. Мерой борьбы с такими искажениями является закрепление листа на стеллаже (раскроечном столе). При этом резку необходимо выполнять в направлении к закреплению. Резка от закрепления будет только увеличивать общее искажение формы.
При вырезке малых деталей иногда важно закрепление обрези от свободного деформирования или оставление перемычек, перерезаемых после полного остывания разрезаемого листа. Так, на рис. 112, а показан ввод резака от кромки замком, который исключает общий отход обрези и не искажает формы еще не отрезанной части листа, а на рис. 112, б — пример вырезки с перемычками.
Для простейших фигур (например, полос) значительное искажение их формы может быть исключено применением резки сразу двумя параллельно идущими резаками, расставленными на необходимую ширину полосы или заготовки. Эта технология нашла
Рис. 112. Методы уменьшения деформаций от резки
широкое применение в мостостроении, котло- и судостроении. При этом нельзя допускать отставания одного резака от другого.
В ряде случаев (при вырезке широких деталей) для уменьшения деформаций применяется усиленное охлаждение (повышение скорости ре.зки, искусственное охлаждение разрезаемого металла водой непосредственно за резаком), которое эквивалентно уменьшению погонной энергии qn при резке (рис. 113).
Из зависимостей, приведенных на рис. 113, следует, что применение дополнительного охлаждения кромок узких вырезаемых полос может привести к увеличению конечных деформаций и поэтому нерационально.
Требования точности, предъявляемые производством к деталям, вырезаемым кислородом,
заставляют в ряде случаев учитывать их деформирование при резке. В настоящее время невозможно получить необходимую точность размеров и форм для крупногабаритных деталей и заготовок без тщательно разработанного технологического процесса, включающего выбор оборудования и приспособлений (в частно
сти, копиров и раскроечных столов), а также расположение деталей в листе и последовательность выполнения резки.
Общими рекомендациями по снижению деформаций при кислородной вырезке заготовок и деталей являются следующие:
1) отверстия в деталях вырезаются раньше, чем режется основной внешний контур;
2) резка каждой детали начинается с кромки, имеющей наибольшую длину и расположенную у края листа; заканчивается резка на короткой кромке или кромке с припуском на
Рис. 113. Зависимость кривизны (с) деталей различной ширины (Н) от мощности источника тепла и влияние искусственного охлаждения на деформации деталей (у — узкие; с — средние; ш — широкие детали)
последующую обработку. Мелкие детали и детали, требующие меньшей точности, вырезаются из листа после вырезки крупных точных деталей;
3) вырезку мелких деталей, требующих высокой точности
изготовления, следует осуществлять не из листа, а из заранее вырезанных карточек, сопоставимых по размеру с вырезаемой деталью; при этом отходы металла увеличиваются;
4) при вырезке круглых деталей (фланцы, диски и др.) желательно при резке закреплять их, например, электромагнитным прижимом;
5) применять специальные раскроечные столы с закреплениями, ограничивающими перемещения разрезаемого листа и его провисание при резке;
6) применять метол третьего реза, перемычки, уменьшение нагрева, рассосредоточение нагрева листа и пр.
§ 64. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МАШИННОЙ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ РЕЗКЕ
Основные технологические рекомендации по машинной резке определяются:
1) характером выполняемой работы (разделительная резка без особых требований к точности вырезаемых деталей, резка при повышенных требованиях точности, снятие фасок под сварку и пр.);
2) типом применяемого оборудования (переносные машины; машины, режущие по копирам, и т. п.);
3) степенью массовости производства однотипных деталей (индивидуальное, серийное, массовое).
При начале машинной резки во избежание местного оплавления и выхватов части кромок деталей главным образом небольших размеров или деталей, имеющих фигурный замкнутый контур, необходимы некоторые дополнительные приемы. Эти приемы сводятся к тому, что рез начинают вне контура детали — либо от свободной кромки (кромки листа, ближайшего участка реза уже вырезанной из листа детали), либо от прожженного отверстия вне внутренней линии реза. В этих случаях после начала резки резак должен быть выведен на линию реза, определяемую копиром.
Вывод на копир осуществляется ручным перемещением до совмещения копирующего устройства с копиром или с помощью вспомогательного шаблона (для копирных устройств с магнитным роликом), причем когда ролик переходит со вспомогательного шаблона на основную поверхность копира, шаблон убирают.
Особенно эффективным является применение вспомогательных шаблонов при одновременной вырезке нескольких деталей на многорезаковых машинах.
Прямолинейную резку переносными машинами, перемещающимися по разрезаемому листу (например, кромок под сварку), начинают от края листа, допуская некоторое искажение кромки в начале реза. При этом резка осуществляется по направляющим, уложенным на разрезаемый лист, без наметки или с наметкой на листе, причем резчик, наблюдая за резаком и наметкой,
периодически ручным перемещением резака суппортом наводит резак на намеченную линию реза. Вырезка ^окружностей приборами осуществляется по циркулю. При резке переносными машинами заготовок более сложных контуров применяются достаточно сложные и все же грубые копиры либо ручная наводка на линию реза. В практике детали сложных контуров чаще вырезаются стационарными машинами.
При массовой или серийной резке при использовании обычных машин всегда рационально изготовление копиров. Для вырезки индивидуальных деталей возможна резка по чертежу (с использо-
АА
Рис. 114. Размеры копира и детали при вырезке внешнего контура детали по внешнему контуру копира:
1 — контур копира; 2 — контур детали; 3 — магнитный палец машины; 4— накоиечиик резака; 5 — разрезаемый лист
ванием механического копирного устройства, направляемого рукой по линии чертежа) либо по наборному копиру, стоимость которого невелика.
Для машин с магнитным копирным устройством применяются сплошные и наборные копиры, размеры которых определяются исходя из следующих вариантов:
вариант 1а — вырезка внешнего контура деталей с обкатыванием магнитного ролика по внешнему контуру копира;
вариант 16 — вырезка внешнего контура деталей, но с обкатыванием магнитного ролика по внутреннему контуру копира;
вариант 2а — вырезка внутреннего контура детали (окна, лаза и пр.) при обкатывании магнитного ролика по внешнему контуру копира;
вариант 26 — вырезка внутреннего контура детали при обкатывании магнитного ролика по внутреннему контуру копира.
Принцип проектирования размеров копиров по заданным размерам вырезанной детали на примере, соответствующем варианту 1а, показан на рис. 114. Штриховой линией показан размер копира (определяемый для произвольно взятого размера буквой В),
штрих-пунктирной линией — геометрические места точек перемещения центра магнитного ролика (что на разрезаемом листе при масштабе копирования 1 : 1 даст линию перемещения центра кислородной струи), а сплошными линиями (по обе стороны от штрих-пунктирной) — кромки реза при его ширине а (в мм). В этом случае размер копира В (в мм) определяется в соответствии с заданным размером детали А по формуле
В = А — (d — а), (75)
где d — диаметр магнитного ролика в мм.
При этом минимальный радиус (в мм) закругления кромок вырезаемых деталей составит
п — d~a mln 2 *
Соответствующие значения размеров копиров для вариантов 16; 2а; 26 и размеры минимальных радиусов закруглений даны в следующих формулах:
вариант 16 В = А (da); = 0; (76)
вариант 2а R Л /Я п\- р d a (77)
D — 71 \а 1 ah •''mln — 2 ’
вариант 26 B = A + (d — a); Rmln = 0. (78)
Сплошные копиры обычно изготовляются фрезерованием из листовой стали толщиной 5—8 мм, причем точность их изготовления может быть весьма высокой.
Наборные копиры набираются из планок мягкой стали с поперечным сечением от 6x6 до 8x8 мм на основаниях — фанерных или даже стальных листах. На основание копира наносится чертеж детали, которую надо вырезать, и, отмеряя от этой линии d — а или d + а, в зависимости от типа копира, наносится линия рабочей кромки копира, по котЬрой и закрепляют планки, придавая им, если требуется, соответствующие выгибы (в том числе и учитывающие деформацию). Планки на фанерном основании закрепляются шурупами или гвоздями, ’ а на стальном основании — винтами.
Опыт ряда заводов показывает, что для крупногабаритных деталей (например, для сварных корпусов судов) получаемая точность изготовления наборных копиров может быть достаточно высокой, а количество прирубочных работ при сборке является минимальным.
В некоторых случаях оказывается возможным применение раскроя материала с совмещенными резами, т. е. когда один,
обычно прямолинейный, рез создает одновременно кромки для двух деталей (если не требуется высокой точности размеров вырезаемых деталей).
При массовом и серийном производстве набора определенных деталей различных размеров и форм из листов постоянных начальных размеров рационально подготавливать соответствующий листу
Рис. 115. Схема примерного раскроя листа (цифры справа указывают последовательность резки с учетом борьбы с деформациями):
А — кромки под автоматическую сварку; Р — под ручную сварку
копирный ЩИТ.
В целях максимального использования металла и получения деталей необходимой точности составляются карты раскроя, в которых необходимо учитывать и желаемую последовательность резки. Пример такого раскроя приведен на рис. 115. Здесь на листе
расположено семь вырезаемых деталей для сварных конструкций с учетом применения автоматической и ручной сварки.
Вначале следует вырезать детали, кромки которых должны обеспечивать большую точность, определяемую требованиями автосварки (детали / и II}, когда лист имеет еще достаточную ши
Рис. 116. Схема снятия односторонней фаски под сварку машинной резкой двумя резаками (показаны цифрами):
а — первый вариант; б — второй вариант
рину для сопротивления деформациям. Детали V, VI и VII, так как к ним предъявляются меньшие требования точности размеров и формы, вырезаются в последнюю очередь, когда от листа остается только средняя часть.
Одной из широко применяемых операций, выполняемых кислородной резкой, является снятие фасок под сварку. Для снятия фасок на прямолинейных кромках наибольшее применение полу
чили переносные машины. Варианты выполнения снятия фасок с односторонним скосом показаны на рис. 116. Расстояние А зависит от толщины разрезаемого металла и должно быть таким, чтобы не было приваривания шлака на нижней кромке. Расстояние В определяется углом скоса, толщиной металла и притуплением (с учетом ширины реза). По второму варианту (рис. 116, б) лучше резать металл толщиной до 40 мм, а по первому (рис. 116, а) — при больших толщинах.
Схема одновременного снятия двусторонних фасок представлена на рис. 117. Принципиальным отличием этой схемы
от предыдущей является родных струй первого и второго резаков в одной точке с отводом струи второго резака только его наклоном.
При резке со снятием односторонней фаски скорость резки при 6 = 20мм составляет около 395 мм/мин, при 6=60мм—230 мм/мин, а при снятии двусторонней фаски соответственно 370 и 215 мм/мин.
Качество кромок при отработанном режиме является хорошим, и перед сваркой обычно требуется
почти полное совмещение кисло-
Рис. 117. Схема одновременного снятия двусторонних фасок под сварку тремя резаками (показаны цифрами)
только удаление шлака.
Основным направлением повышения производительности резки
является применение многорезаковых машин, одновременно вырезающих из листа несколько деталей или выполняющих одновременно несколько прямолинейных резов. Использование многорезаковых машин особенно эффективно при массовой вырезке однотипных деталей.
Весьма эффективной является также работа на спаренных раскроечных столах, позволяющая свести потери рабочего времени машины к минимуму. В этом случае в то время, когда производится резка листа на одном раскроечном столе, со второго убирают вырезанные детали, укладывают новый лист и новый копир. По окончании работы на первом столе машина перегоняется по продоль
ным рельсам ко второму, где продолжает резку следующего листа и т. д.
В некоторых случаях при серийной вырезке деталей малых размеров повышение производительности достигается использованием поворотного стола с двумя или более позициями при одном и том же копире.
r.ru
Весьма перспективными являются машины с фотокопировальным устройством и дистанционным управлением.
Как при машинной, так и при ручной резке аппаратуру необходимо содержать в надлежащем состоянии и применять наиболее эффективные режимы резки.
ГЛАВА XV
ПОВЕРХНОСТНАЯ КИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА
§ 65. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА
ПОВЕРХНОСТНОЙ КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ
И ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Поверхностной кислородной резкой называется процесс снятия слоя металла с поверхности обрабатываемой детали, выполняемый посредством кислородной струи.
В отличие от разделительной резки, при которой кислородная струя направляется перпендикулярно поверхности обрабатываемого металла или углом вперед с углом атаки <р = 45° и более (см. рис. 105), при поверхностной резке угол атаки меньше и составляет обычно 10—30°. В результате наклонного направления струи и малой скорости ее истечения в связи с применением относительно небольших давлений кислорода (редко выше 4— 5 кгс!см2) и больших сечений выходных каналов для кислорода, струя, врезаясь в подготовленный в тепловом отношении металл, деформируется и выбрасывается в сторону той же поверхности, с которой она и была введена. На эту же поверхность выбрасывается и сожженный металл в виде расплавленного шлака. Если резак перемещать вперед с определенной для конкретных условий скоростью, то кислородная струя будет сжигать следующие объемы уже подогретого металла. При этом шлак в значительной степени Облегчает тепловую подготовку металла, подлежащего резке кислородной струей, позволяя применять значительную линейную скорость резки и сжигать в единицу времени большее количество металла поверхностного слоя.
Шлак, получающийся при поверхностной кислородной резке, отличается от шлака при разделительной резке большим количеством несожженного железа, а его влияние на тепловую подготовку металла при установившемся процессе резки значительно сильнее, чем при разделительной. Общий вид процесса поверхностной кислородной резки представлен на рис. 118. Примеры применения поверхностной кислородной резки приведены на рис. 119.
Как правило, в результате поверхностной кислородной резки, в зависимости от ее режима, на поверхности металла образуются
канавки, имеющие полукруглую, параболическую или почти прямоугольную форму в поперечном сечении.
При линейном (ручном или механическом) перемещении резака
по отношению к обрабатываемой поверхности получается обработка, подобная строжке, которая может выполняться в виде
выборки отдельных канавок (рис. 119, а, в, г, д) или снятия слоя
со всей поверхности (рис. 119, б). Такая обработка носит название п о-верхностной кислородной строжки. Эта операция может выполняться в несколько проходов одной кислородной струей либо в один проход рядом струй, расположенных определенным образом.
При обработке тел вращения резак перемещается подобно резцу на токарном станке, а обрабатываемая деталь вращается в станке. Снятие поверхностного слоя кислородной струей называется поверхностной кислородной обточкой. Применяется
Рис. 118. Общий вид процесса поверхностной кислородной резки
она для грубой обработки поверхно-
стного слоя или, реже, в качестве подготовительной операции при нарезке ленточной резьбы (рис. 119, е, ж).
Еще реже применяется выборка конусных углублений — кислородное сверление (рис. 119, з). Кислородное свер
Рис. 119. Примеры применения поверхностной кислородной резки: а, б, в, г, д—кислородная строжка; et ж— кислородная обточка; з — кислородное сверление; и — строжка и разделительная резка
ление выполняется подачей резака в направлении действия кисло-родной струи с применением колебательных движений.
Иногда является эффективным комбинированное применение строжки канавкой и разделительной резки (рис. 119, и), например, для получения разделок под сварку металла больших толщин.
Механизация поверхностной кислородной резки позволяет с успехом применять этот процесс в качестве замены черновой станочной обработки,
Поверхностная кислородная резка наибольшее распространение получила в металлургической промышленности, а как вспомогательный процесс применяется при ремонте литья и изготовления сварных конструкций. В металлургической промышленности она применяется для механизированной зачистки горячего и холодного металла перед прокаткой. Ручная поверхностная резка применяется для удаления поверхностных пороков литья перед их заваркой, а также для строжки корня шва перед наложением подварочных валиков. При этом хорошо выявляются внутренние пороки швов, которые легко могут быть удалены. Реже поверхностная резка применяется для создания разделки под сварку, иногда совместно с разделительной.
§ 66. АППАРАТУРА
ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ
Процесс кислородной поверхностной резки характеризуется большим расходом режущего кислорода — до 80 м3/ч на один резак. В связи с этим при резке для питания кислородом применяется следующая аппаратура: постовые вентили (при питании от трубопровода) с увеличенными проходными каналами; редукторы большой пропускной способности (обычно рамповые, в частности ДКР-250); шланги диаметром не менее 9,0 мм.
Резаки для поверхностной резки, как ручной, так и механизированной, имеют большие проходные сечения и диаметры выходных отверстий кислородной струи (в ручных резаках — круглое сечение диаметром 2,5—9,5 мм). Машинные резаки для строжки поверхностей иногда имеют отверстия щелевого типа. Подогревательное пламя применяется концентрированное, сфокусированное соответствующим сверлением отверстий для горючей смеси. В резаках для поверхностной резки используются как ацетилен (с расходом примерно 1—2 м'А!ч), так и его заменители (с соответственно большим расходом).
Резаки для ручной поверхностной резки имеют, как правило, большую длину (800—1200 мм) и снабжены щитками для защиты руки резчика. В ряде случаев резаки устанавливаются на тележку, облегчающую поддержание необходимого угла атаки струи.
Целесообразным является клапанное включение и перекрытие кислородной струи (например, в резаках РП-51) вместо вентильного. Приспособления для подачи прутка в начале процесса (§ 67) себя не оправдали ни при механизированном устройстве, ни при подаче вручную, так как это увеличивает вес резаков.
В резаках для механизированной резки наиболее сильно нагревающиеся части обычно охлаждаются проточной водой, а у ручных резаков медные мундштуки бронируются жаропрочной сталью в месте их контакта с разрезаемым металлом.
Таблица 23
Технические характеристики резаков для ручной поверхностной кислородной резки
л/кг та 6Е О «.-я О сс 7 04 СО 1 1 1 1
д £ = о СП ю
СО i£ и 04
О
та к
ч 0 ф ч S о. хГ г- § о со
X f~ 1 | 1 1 1 1
ф Я ю СО о ю со
& < СП —
К о О с~> Q °
о LQ С О СО С4* !
ч а> о ч о СО О 04 1 о 0—3 Ю со 1 1 о о 0—2
:s: 00 о со О СП to
££ 04 со —
. «s ю 1О ю
3* X g та 1 1 1 1 1 1
О t-Ф
ffl
м W о о о <о <о о
о 4 1 -1 ___□ оГ о оГ
т та g 1 1 1 1 1
е—, Ф СП СП СП ю ю LQ
о X < о о о — »—<
о та (2ц . « Ф О о 8 to ) 00 1 ю -7 -30, _
а о, 1 1 1 1
00 S 30 *О <7; со
В S Ф • ЧНЫЙ УДЯ-мого алл а !ИНУ' я кг -2,0 -3.5 ! —4,5 1 1 1
К та и и b 2 » «s >. О о
С я» 4 S « ь >—1 О)
£ « U S B О a •8,0 о о о о •ч о - о -6,0
о кэ та о. Скор реэ в м/ ю »—В А 1 to 1,0- 1,0- 1,0-
2
S к Q) ъ* Я я. -□И -а о 00 1 о 00
О 1 As 1 1 1
та ф о. и со СО со ХГ 04 со
<2 04 о о 04 СО Ю о
та я 1 1
к v та ч к £“'0 1 04 1 04 1 04 04 04 1 04
з е та О Ю О 04 О
ВОК в: а о. СО 1 СО | Ю 1 —1 04 ci —< 7
та X to 00 00
а со
та
«а
к >. 04 СО — 04 04
г а
та * OS 1Л -50
та та с С С
О. а Си 0-
Технические характеристики резаков ВНИИавтогенмаша для (ручной поверхностной кислородной резки приведены в табл. 23.
§ 67. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕХНОЛОГИИ И МЕХАНИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕЗКИ
этого времени является
Рис. 120. Относительное расположение мундштука и обрабатываемой поверхности при поверхностной кислородной резке
Процесс поверхностной резки, так же как и разделительной, требует начальной тепловой подготовки металла до температуры его воспламенения в кислороде.
При больших скоростях поверхностной резки (до 10 м!мин) сокращение длительности предварительного подогрева является! весьма важным. Наиболее эффективным методом сокращения-1ача к начальной точке реза стального прутка диаметром 4—6 мм,. который, быстрее нагреваясь и воспламеняясь, дает дополнительное тепло для начала резки. Так как устройства для подачи такого прутка утяжеляют резак, эта операция часто осуществляется подсобным рабочим, выполняющим и ряд других вспомогательных операций (очистку от шлака, подготовку деталей и пр.). В ряде случаев подача присадки заменяется созданием начальных зарубок зубилом, особенно в случае, если начало резки не совпадает с кромкой детали. При начальном подогреве резак уста
навливают почти вертикально, а в момент включения режущего кислорода поворачивают в соответствующее положение (с углом атаки 10—30°).
При меньшем угле атаки канавки получаются шире и мельче, а при большем угле — глубже и уже.
При поперечно-колебательных движениях резака; выполняемых одновременно с линейным его перемещением, канавки имеют периодические выступы (в плане имеют вид, получивший название елочки). Этот способ резки (хотя он и производительней снятия металла гладкими канавками) может скрыть пороки в месте зачистки и поэтому имеет ограниченное применение.
Весьма важным для производительности резки является сокращение расстояния от оси канала резака до поверхности металла (fljHa рис. 120). Так, например, при диаметре канала кислорода 5 мм, расходе кислорода 20 м?!ч, скорости резки 6 м!мин и угле атаки <р = 20° увеличение расстояния аг с 7 до 20 мм уменьшает размеры канавки по глубине с 9 до 7 мм, а по ширине с 21 до 16 мм.
При прямолинейной и равномерной подаче режущего кислорода поверхность канавки может получаться либо ровной, либо волнистой, что определяется скоростью резки и режимом кислородной струи (рис. 121).
Весьма важной при поверхностной резке является чистота кислорода, причем снижение чистоты от 99 до 98% уменьшает
производительность и повышает удельный расход кислорода примерно на 15%. Резка' кислородом чистотой ниже 95% вообще невозможна.
В результате напряженного состояния и структурных изменений металла, вызываемых тепловым воздействием поверхностной резки, при некоторых составах сталей вблизи реза образуются трещины, в связи с чем в ряде случаев резка применяется с предва-
рительным подогревом.
Не требуют подогрева при резке углеродистые стали с содержанием С до 0,5% и
15я75еХМ?Йхм!20Х2Н4А Рис’ ,22в ?°№лько”одоВ СТР°ЖКИ и др. Предварительный подо-
грев до 120° С требуется только при резке в зимнее время для сталей 25ХН4, ЗОН, ЗОХМА, 35Х и др. Всегда требуют предварительного подогрева до 120—300° С стали углеродистые с содержанием С более 0,6%, а также низколегированные 30Г2, ЗОХГСА, 35ХМА, 38ХМЮА, 50ХГ и др. Еще больший нагрев (300—450° С) требуется для сталей марок от У9 до У13, 55С2, ШХ6, ШХ15, 9ХВГ и др.
Глубокая выборка металла может осуществляться путем удаления металла в несколько проходов. Последовательность выполнения такой резки показана на рис. 122.
Для повышения производительности при необходимости последовательного снятия канавок ручную резку выполняют без
переходов, т. е. резчик, заканчивая канавку, поворачивает резак и продолжает резку в противоположном направлении по уже подогретому металлу.
Принцип предварительного подогрева посредством специального подогревательного пламени, располагаемого параллельно резаку, используется и в станке для кислородной строжки СКС-54 конструкции ВНИИавтогенмаша. Этот станок автоматически обеспечивает заданный продольный ход, холостой переход в исходное положение (с большей скоростью и с выключенным кислородом) и поперечное перемещение на заданный шаг. Пульт управления позволяет легко регулировать станок на заданные режимы. Производительность станка СКС-54 (с учетом только машинного времени) 8—12 м2!ч при глубине снимаемого за каждый проход слоя металла 2—5 мм.
Весьма сложными являются специализированные машины для снятия загрязненного слоя с поверхностей слябов и блюмов. Такие машины устанавливаются в рабочей линии стана. Машина для очистки обжимает блюм со всех сторон газорежущими головками и при их относительном перемещении снимает одновременно со всех сторон слои металла, глубина которых задается пультом управления.
Поверхностная кислородная резка может дать значительный производственный эффект при ее правильном применении, в частности взамен пневматической рубки.
ГЛАВА XVI
КИСЛОРОДНО-ФЛЮСОВАЯ РЕЗКА
§ 68. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА
КИСЛОРОДНО-ФЛЮСОВОЙ РЕЗКИ
Как указывалось ранее (§ 46), некоторые металлы и сплавы не поддаются обычному процессу кислородной резки в связи с образованием тугоплавких окислов, а также вследствие недостаточного теплового эффекта сгорания металла.
Удаление тугоплавких окислов возможно либо путем их перевода в более легкоплавкие соединения (с температурой плавления ТПл_ок ниже Тпл_м или близкой к ней), либо путем создания вблизи поверхности большого градиента температур. В последнем случае в очень тонком слое у поверхности разрезаемого металла создавались бы температуры, способные расплавить окисел с Тпл. ок >> Тпл_м, не приводя к заметному объему расплавления разрезаемого металла. Для создания такого градиента температур необходимо концентрированное введение дополнительного тепла.
Увеличение мощности подогревательного пламени в связи с малой концентрацией ввода тепла не может создавать необходимого градиента температур. Это и приводит к получению грубых разрезов с большой долей выплавленного несожженного металла. Подобным же образом может действовать и подогрев кислородной струи.
Большего эффекта можно достигнуть концентрированным вводом дополнительного тепла непосредственно в реакционное пространство, т. е. вместе со струей режущего кислорода. На этом принципе основан разработанный в 1950 г. способ кислороднофлюсовой резки, применяемый для резки высоколегированных хромом сталей, а также для резки чугуна, меди и сплавов на ее основе.
При кислородно-флюсовой резке в кислородную режущую струю дополнительно вводятся порошкообразные флюсы, частицы которых, сгорая, дают значительный тепловой эффект, способствуя плавлению тугоплавких окислов на поверхности контакта кислорода с обрабатываемым металлом без значительного расплавления кромок металла под этим поверхностным слоем. Основой таких порошкообразных флюсов является железный пороцюк.
В процессе горения флюса образуются высоконагретые частицы FeO, которые способствуют образованию комплексных более легкоплавких соединений (FeO-SiO2; FeO-Cr2O3 и др.) и облегчают доступ кислорода к неокисленным частям металла вследствие удаления тугоплавких окислов. Для меди и сплавов на медной основе подобное действие могут оказывать фосфорные окислы и в некоторой степени алюминиевые. Введение А1 при этом способствует и повышению термического эффекта горения порошкообразного флюса.
В некоторых случаях удалению тугоплавких окислов способствует абразивное действие частиц, увлекаемых потоком кислорода режущей струи. Применение для этой цели кварцевого песка позволяет удалять окислы хрома с поверхности реза при обработке высокохромистых сталей. Одновременно возможно и некоторое флюсование окислов с образованием силикатов (SiO2-Cr2O3 и др.).
Как показало применение кислородно-флюсовой резки для различных металлов и сплавов, в качестве флюсов успешно могут использоваться смеси железного порошка, кварцевого песка, железной окалины, феррофосфора и алюминия с размером частиц 0,1—0,25 мм. Составы флюсов, применяемых в СССР для резки различных металлов и сплавов, приведены в табл. 24.
Таким образом, в дополнение к процессам окисления металла и выдувания расплавленных шлаков при обычной резке, при кислородно-флюсовой резке имеет место интенсификация температуры в реакционном пространстве в результате сжигания порошка флюса (железа, феррофосфора, алюминия), сопровождаемая
chipmaker.ru
2 a
К
OJ
s
s
3
2 e
о tt
0 s:
Область применения Для разделительной чистовой резки и поверх- ностиои резки хромистых сталей ельной стали Для резделительной 1 резки чугуна толщиной до 300 мм о к л <и к ‘д 0) с* со та, К 3 уна толщиной Для разделительной резки меди, латуни, бронзы Для разделительной резки никелевых сплавов типа «Нимоник» Для поверхностной X 1 3 1 CQ GJ 1 0) ГС 1 ГС I ГС 1 ° S 1 ° X S QJ I и 4 S g 1
Й С с с; с* & Гт с резки хромистой
резки чуг до 200 ММ
Силико-кальций 1 1 1 1 70—75
Порошок Al, Mg 1 1 1 1 1 1 25—30
Окалина 20—30 1 1 1 1
Феррофосфор — 1Г 1 1 а с о- 91—01 1
Порошок i Al 1 1 1 LO О 1 20—30 5—10 с сч д 1 1 1
1 Песок кварцевый о о 20—30 1 1 20—25 1 1 15—20 1 1
Железный порошок 100 О QO о GO 1 о 65—70 70—75 70—75 70—80 О СО 1 о 80—90 1
3 е 1 2 « i g О о 5 5 £ Силикатный /«xcrficonuiu-силикат-ный ФХ-5 Железистый ФХ-7 Железисто-фосфористый ФЦ-3 Железисто-алюмииие- ВОСИЛИКЯТПМЙ гЬТТ_/1 Железисто-алюминиевофосфористый ФЦ-5 Железисто-алюмииие-вый ФЦ-6 Железисто-алюмииие-ВОСИЛИкятиый Железисто-алюмииие-выи Алюмиииево-магниево-силикатиый
флюсованием тугоплавких окислов и абразивным их удалением (окалиной, кварцевым песком, глиноземом). Кислородно-флюсовая резка применяется как разделительная и как поверхностная. Для ее выполнения требуется специальная аппаратура.
§ 69. АППАРАТУРА
ДЛЯ КИСЛОРОДНО-ФЛЮСОВОЙ РЕЗКИ
Каждая установка для кислородно-флюсовой резки состоит из двух основных узлов: емкости для флюса (флюсопитателя) и ручного или машинного резака. Всефлюсопитатели в зависимости от способа подачи флюса в резак делятся на инжекционные, вибрационные и с механической подачей флюса.
S)
Смесь срлюса н'б с режущим 1 ^кислородом
Режущий f кислород
^~\Кислоредю'
флюсовая смесь
Флюсопитатель инжекционного типа имеет инжекторно-ре-гулирующее устройство, в которое поступает сжатый газ (кислород, воздух, азот), увлекающий флюс в резак. Флюсопитатель вибрационного типа снабжен вибрационным устройством, в которое из бачка поступает флюс, захватываемый затем струей сжатого газа и подаваемый в резак. Флюсопитатель с механической подачей флюса имеет шнековое устройство, благодаря которому флюс из бачка непрерывно подается в резак.
Практическое применение нашли следующие схемы подачи флюса (рис. 123).
Схема с двойной инжекцией флюса (рис. 123, а). По этой схеме, например, выполнена установка УРХС-3.
Принцип работы схемы заключается в том, что флюс поступает из бачка в инжекторно-регулирующее устройство, к которому поступает кислород низкого давления, увлекающий флюс в резак. В головке резака также имеется инжектор, благодаря которому флюс засасывается режущим кислородом и, смешиваясь с ним, образует режущую струю.
Схема подачи флюса под высоким давлением (рис. 123, б). По этой схеме выполнена установка УФР-2 конструкции МВТУ им. Баумана. Отличие ее от первой схемы заключается в том, что флюс инжектируется из бачка непосредственно струей режущего кислорода, и дополнительный инжектор в головке резака не требуется.
Схема с механической подачей флюса (рис. 123, в) используется в установках, созданных на некоторых заводах для подачи флюса, состоящего из алюминиево-магниевого порошка, обладающего легкой воспламеняемостью. По этой причине подача такого флюса кислородом недопустима.
Схема с внешней подачей флюса (рис. 123, г). По этой схеме выполнены установки УРХС-4 и УРХС-5 конструкции ВНИИ-автогенмаша. Принцип работы схемы состоит в том, что флюс из бачка инжектируется воздухом, азотом или кислородом низкого давления и поступает не в резак, а в порошковую головку, каналы которой расположены снаружи мундштука обычного универсального резака марки РР-53 или «Пламя». Газофлюсовая смесь, выходящая из отверстий (трубок) порошковой головки, инжектируется через пламя струей режущего кислорода и поступает в зону реакции горения металла.
На основании опыта эксплуатации различных установок в промышленности, можно сделать вывод, что наиболее экономичными, производительными и устойчивыми в работе являются установки с внешней подачей флюса.
Установка УРХС-4 с внешней подачей флюса предназначена для разделительной резки хромистых и хромоникелевых сталей, чугуна, меди и сплавов на медной основе. Схема этой установки показана на рис. 124.
Ацетилен через водяной затвор 14 и кислород из баллона 15 (возможна подача обоих газов как из баллонов, так и сети) через редуктор 16 поступают по шлангам в резак 1. Часть кислорода через тройник 11 направляется в дополнительный редуктор 12, откуда через вентиль 13 поступает в корпус флюсопитателя 10 и штуцер циклонной камеры 6, в которую по каналу 8 поступает также порошкообразный флюс из флюсопитателя 10. Струя кислорода, пройдя канал 7, засасывает флюс и подает его по шлангу 5 в резак, где флюс поступает через вентиль 2 и трубку 4 в сопла 3 головки резака и затем засасывается в струю режущего кислорода. По шлангу 9 подается кислород, который в резаке разделяется на режущий и подогревающий.
Техническая характеристика
Давление кислорода в кгс/см? . . .... 5—10
» ацетилена в мм вод. ст. . . Не ниже 300
» флюсонесущего кислорода в кгс/см~ . . . 0,35—0,45
Расход кислорода в м3/ч ........................ 8—25
» флюса в кг/ч .............................. 6—9
» ацетилена в м3/ч .......................... 0,8—1,1
Емкость флюсопитателя в кг . ........ 20
Установка УРХС-5 выполнена по той же схеме, что и УРХС-4, но отличается от нее в основном измененной конструкцией флюсо-
подающего устройства, допускающего подачу флюса одновременно к двум резакам при выполнении соответствующих операций машинной резки.
Для машинной резки, как и'для ручной, применяются типовые машинные резаки с дополнительной приставкой для подачи флюса.
Кроме описанных установок для кислородно-флюсовой резки применяются также и другие, например, ПМР-1000 для машинной резки высоколегированной стали толщиной 300—1000 мм (в основном для обрезки прибылей) кислородом низкого давления.
§ 70. КИСЛОРОДНО-ФЛЮСОВАЯ РЕЗКА ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ
Кислородно-флюсовую резку хромистых сталей следует применять при содержании в них Сг более 5%.
Хромистые мартенситные и полумартенситные стали (СХ8, СХ12 и др.), обработанные в листах на высокую твердость, перед резкой, особенно при сложных контурах вырезаемых деталей, для исключения образования трещин целесообразно отпускать при температуре 300° С. Аустенитные хромоникелевые стали при высоких степенях наклепа в исходном состоянии (обычно после холодной прокатки) иногда подвергают смягчающей термической обработке.
Перед резкой листы выправляются и тщательно очищаются. Флюсы перед засыпкой во флюсопитатель должны просеиваться для отделения пыли (частиц меньше 0,1 мм) и от слишком крупных частиц (более 0,4 мм). Нельзя применять влажные флюсы и флюсы, длительное время находившиеся во флюсопитателе.
Резку следует начинать от края листа или от предварительно сделанного отверстия в необходимом месте листа. При толщине до 30 мм возможно прожигание отверстия тем же резаком. До начала резки осуществляют местный предварительный нагрев металла подогревательным пламенем до температуры воспламенения, причем в ряде случаев при подогреве используется кисло-родно-флюсовая струя, что сокращает время нагрева, но приводит к повышенному расходу флюса. Время предварительного нагрева при кислородно-флюсовой резке примерно такое же, как при обычной резке.
Режимы кислородно-флюсовой резки высокохромистых сталей отличаются от режимов резки углеродистой стали. Мощность подогревательного пламени должна быть большей, чтобы обеспечить подогрев частичек флюса до их воспламенения на небольшом расстоянии от мундштука. При недостаточной мощности подогревательного пламени частицы железного порошка загораются только на большом расстоянии от мундштука и сгорают неполностью, делая процесс резки неустойчивым. Обычно мощность подогревательного пламени берется на 15—25% больше, чем при резке низкоуглеродистых сталей.
Расстояние от режущего сопла до металла берется большим, чем при обычной резке, составляя 15—60 мм (в зависимости от толщины разрезаемого металла и применяемой аппаратуры), для того чтобы частицы флюса успели нагреться до температуры воспламенения. Этим одновременно уменьшается вероятность хлопков пламени, получающихся в результате отскакивания частиц флюса от обрабатываемого металла и засорения ими выходных отверстий подогревательного пламени и мешающих устойчивому процессу резки.
При разделительной резке резак устанавливается либо перпендикулярно поверхности металла, либо углом вперед, что дает хорошую поверхность реза, но применимо только при прямолинейных резах.
Давление кислорода при кислородно-флюсовой резке принимается примерно таким же, как и при обычной резке. Скорость кислородно-флюсовой резки высокохромистых сталей несколько ниже, чем при резке обычных сталей, и зависит от состава применяемого флюса. Наибольшую скорость получают при флюсах с большим количеством железного порошка.
Примерные режимы резки высокохромистых сталей на установке УРХС-4 приведены в табл. 25.
Таблица 25
Режимы резки высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей на установках УРХС-4
Толщина листа в мм Скорость резки в мм)мин Расход кислорода в м^/м Расход ацетилена в л/м Расход флюса в кг/м
прямолинейной фигурной
10 760 475 0,20—0,30 20—30 0,15—0,25
20 , 560 350 0,35—0,50 25—40 0,20—0,35
40 400 250 0,5—1,05 40—65 0,30—0,50
60 330 210 0,95—1,5 50—75 0,40—0,60
100 270 170 1,5—2,35 65—105 0,45—0,75
Влияние резки на свойства металла вблизи поверхности реза зависит от состава разрезаемой стали. Так, например, хромистые стали обычно вблизи поверхности реза приобретают структуру закалки; в этом случае рекомендуется местный или общий предварительный подогрев. Стали типа Х18Н9Т у поверхности реза имеют крупное зерно. Склонность к межкристаллитной коррозии металла у ,кромок цеза по сравнению с основным металлом несколько повышается и обнаруживается (по исследованиям МВТУ им. Баумана) только в единичных случаях; при этом глубина распространения межкристаллитной коррозии ограничивается 0,3 мм.
Сварные швы, выполненные по кромкам после кислороднофлюсовой резки, имеют те же свойства, что и при сварке кромок после механической обработки.
Разделительная резка высокохромистых сталей может выполняться и по способу пакетной резки, причем в этом случае применение флюса позволяет снижать требования по подгонке листов по плоскостям и допускает большие зазоры.
Примеры деталей, вырезанных машинной разделительной резкой, приведены на рис. 125.
На некоторых предприятиях применяется кислородная резка высокохромистых сталей с дополнительным присадочным прут-
Рис. 125. Детали, вырезанные машинной кислороднофлюсовой резкой:
а — фасонные детали из стали Х18Н9Т; б — пакет листов стали Х18Н9Т
ком из низкоуглеродистой стали, подаваемым подсобным рабочим в реакционное пространство. Этот метод позволяет осуществить только грубую разделку металла с большими припусками на последующую механическую обработку.
§ 71. РЕЗКА ЧУГУНА, ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ
До разработки кислородно-флюсовой резки чугун резали специальными резаками с подогревом кислорода, вводя в режущую струю некоторое количество ацетилена, либо обычными резаками, выполняя рез через накладываемую сверху стальную полосу или наплавленный низкоуглеродистым электродом валик. При резке через стальную пластину или наплавленный валик сущность процесса резки приближалась к кислородно-флюсовой. Однако и в этом случае образующиеся при горении чугуна тугоплавкие окислы SiO2 и особенно газы СО и СО2, снижающие чистоту кислорода, мешали нормальному процессу резки. Так, при резке чугуна толщиной 50 мм и при ширине реза 8—10 мм количество образующегося газа СО на 1 см длины реза таково, что чистота кислорода к нижней части реза остается не более 92—93%. При такой низкой концентрации кислорода в газе, реагирующем с металлом, температура воспламенения повышается, и металл не горит, а плавится и выдувается кислородной струей. Кислороднофлюсовая резка чугуна позволяет получать лучшее качество реза при флюсах, содержащих феррофосфор. Но и в этом случае рез получается хуже, чем при резке высокохромистых сталей, скорость резки уменьшается в два—четыре раза, а расход кислорода и флюса увеличивается соответственно в два—пять и два-четыре раза.
Газовая резка меди и сплавов на ее основе до разработки кислородно-флюсовой резки не применялась. В отдельных случаях для относительно тонких листов (до 12 мм) латунь удавалось разделять на части, комбинируя местное расплавление и выдувание расплавленного металла кислородной струей. Это была трудоемкая и дорогая операция. Поэтому для тонкого листового металла резку меди и сплавов на ее основе производили ножницами, а при больших толщинах — на станках или высверливанием и вырубанием перемычек.
При кислородно-флюсовой резке вводится большое количество дополнительного тепла за счет сжигания флюса, что компенсирует низкий тепловой эффект горения меди и сплавов на ее основе >и усиленный теплоотвод в разрезаемый металл, имеющий место в связи с их высокой теплопроводностью. Однако и здесь необходим предварительный подогрев разрезаемого металла до 200— 400° С.
По сравнению с хромистыми сталями резка выполняется при еще более высоком расположении мундштука резака от поверхности разрезаемого металла (30—50 мм) с меньшими скоростями резки и с большим расходом материалов. Так, при резке меди и сплавов на ее основе скорость резки получается примерно такой же, как при резке чугуна (т. е. в два—четыре раза меньше скорости резки высокохромистых сталей), а расход флюса при резке латуни в четыре—восемь раз, а при резке меди в 8—12 раз больше, чем при резке высокохромистых сталей.
Качество поверхности реза сплавов на медной основе значительно хуже, чем при резке хромистых сталей, и поэтому после кислородно-флюсовой резки этих сплавов, как правило, необходима механическая обработка.
Алюминий и его сплавы кислородно-флюсовой резкой могут быть разрезаны только очень грубо.
ГЛАВА XVII
ОСОБЫЕ ВИДЫ КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ
§ 72. РЕЗКА КИСЛОРОДНЫМ КОПЬЕМ
Резка кислородным копьем заключается в прожигании (сверлении) в металле отверстий струей кислорода, подаваемого по стальной трубке, конец которой, примыкающий к прорезаемому металлу, нагрет до температуры воспламенения в кислороде. Другим концом трубка присоединяется к рукоятке с вентилем для кислорода.
До начала резки конец трубки нагревают до температуры воспламенения. Это осуществляется сварочной горелкой, электри
ческой дугой с угольным электродом или пропусканием тока от сварочной установки через трубку и угольную пластинку, положенную на изделие, подлежащее сверлению. Разогретая угольная пластинка воспламеняется при подаче в трубку кислорода под давлением 1—2 кгс!см2 и обеспечивает подогрев конца трубки до ее воспламенения. Затем давление кислорода повышают до 5— 6 кгс/см2 и конец трубки прижимают к прожигаемому изделию. Далее горение трубки и обрабатываемого металла осуществляется без какого-либо дополнительного источника тепла; по мере сгорания трубки и прожигания отверстия трубка подается вперед. Сгоревшая трубка заменяется новой.
Рис. 126. Схема процесса резки кислородным копьем
|
Наибольшие трудности при сверлении кислородным копьем представляет удаление шлака из отверстия. Наиболее легко шлак удаляется при резке снизу вверх, когда шлак стекает под действием силы тяжести в просвет (зазор) между трубкой и стенками отверстия, которое имеет при этом больший диаметр, чем трубка. Хуже стекает шлак при наклонном расположении прожигаемого отверстия (снизу вверх), однако такое расположение при резке копьем является более удобным. Возможно выполнение резки и при горизонтальном расположении прожигаемого отверстия (рис. 126).
Для получения отверстий круглой формы копье в процессе резки поворачивают попеременно на пол-оборота в обе стороны.
Материалом копья являются трубки из низкоуглеродистой стали, лучше толстостенные, например 17/8, 19/6. Для уменьшения расхода трубок и получения надлежащего проходного сечения для кислорода внутрь Трубок закладываются сплошные проволоки диаметром около 5 мм.
Ориентировочные режимы резки кислородным копьем по данным МВТУ им. Баумана приведены в табл. 26.
Возможна флюсо-кислородная резка копьем. В этом случае внутрь стальной трубки вместе с кислородом подается порошкообразный флюс. При резке трубка диаметром 1/8—112" не опирается на прожигаемый металл, а поддерживается на некотором расстоянии (50—100 мм) от изделия.
Таблица 26
Режимы резки кислородным копьем'
Тип копья Количество проволок в трубке Диаметр проволоки в мм Направление резки Диаметр образуемого отверстия в мм Средние нормы на прожигание отверстия длиной 1 м
Время резки в мин Расход кислорода в м3 Расход трубки в -и
Трубка цельнотянутая 17 мм Трубка газовая 1"/12 ММ 1 3 1 1 5 5 5 5 Горизонтальное 40— 50 60— 70 40— 50 20— 25 8,9 21,3 3,0 7,9 10,0 5,4 2,8 5,1 12,7 4,6 2,7
Трубка цельнотянутая 19/в мм Наклонное (под углом 10° снизу вверх) Вертикальное (снизу вверх)
При резке копьем закаливающихся сталей для предотвращения образования трещин рекомендуется общий предварительный подогрев заготовки до 300° С. При резке углеродистых сталей с содержанием С менее 0,4% подогрев не нужен.
Резка копьем применяется для вырезки козлов в металлургическом производстве, удаления прибылей стального литья, образования осевых отверстий в поковках, глубоких отверстий при подрывных работах, отверстий в заготовках большой толщины для последующей разделительной кислородной резки и в других случаях. Находит применение и резка копьем изделий из железобетона.
§ 73. ПОДВОДНАЯ КИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА
При выполнении судоремонтных, судоподъемных, аварийно-спасательных, восстановительных и строительных работ в ряде случаев применяется подводная кислородная резка.
Нагрев металла при резке под водой обеспечивается путем создания газового пузыря, оттесняющего воду как от пламени, так и от нагреваемого участка металла. В качестве газов для создания такого пузыря могут использоваться неконденсирующиеся в воде газы: азот, кислород, воздух, окись углерода и углекислый газ.
Газовый пузырь образуется под специальным колпаком, смонтированным на рабочем конце резака, в результате создания
I
давления газов, превосходящего по величине гидростатическое давление на данной глубине. Необходимость применения высоких давлений (например, при глубине 15 м более 1,5 кгс/см2) ограничивает применение ацетилена, поэтому в качестве горючих в этом случае используют водород или бензин.
Применение водородно-кислородного подогревательного пламени обеспечивает наилучшее качество резки под водой. Однако в связи с тем, что вода обусловливает весьма интенсивный теплоотвод, мощность подогревательного пламени под водой должна быть в 5—10 раз больше, чем при резке на воздухе, с соответ-
Рис. 127. Конструкция бензореза для подводной резки
ственным увеличением расхода горючего. Поэтому более удобным является использование в качестве горючего бензина.
Бензино-кислородные горючие смеси для резки под водой создаются без применения испарителей, которые себя в этих условиях не оправдали. Рациональным оказалось применение распылителей бензина (кислородом — по принципу моторного топлива), дающих устойчивое пламя. На рис. 127 представлена конструкция бензореза для резки под водой.
Для зажигания пламени под водой используются специальные электрические запалы, при помощи которых резчик путем замыкания запала на наконечник вызывает искры и воспламенение смеси. Для подводной резки применяется установка БУПР. Рампа кислородных баллонов, бачок с бензином, баллоны с азотом и пульт управления установки располагаются над водой. Техническая характеристика БУПР приведена в табл. 27.
Избыточный бензин, всплывая на поверхность воды, может воспламеняться, поэтому бензокислородная резка неприменима в мелких водоемах и замкнутых пространствах.
Кислородная резка с подогревательным пламенем может использоваться под водой для разделения сплошного металла и пакетов. При суммарной толщине металла до 30 мм можно применять электродуговую резку плавящимся электродом, хотя качество реза при этом значительно хуже. Пакеты также можно прорезать и способом подводной электрокислородной резки, получившим значительное развитие и применение в последнее время.
Таблица 27
Техническая характеристика установки для подводной резки БУПР
Толщина разрезаемой стали в мм Рабочие давления в кгс/см2 Расход материалов Скорость резки (машинное время) в м/ч
бензина (азота) распылительного кислорода кислорода режущей струи бензина в г/ч распылительного кислорода В М8/Ч кислорода режущей струи в м*/ч
10 7 7 7 3400 12,6 9,5 До 22,0
20 7 7 7 4000 14.0 10,1 » 16,0
50 7 8 9 6800 17,7 12,1 » 12,0
100 8 9 12 7800 18,8 17.5 » 6,5
Примечание. Давления даиы для глубины погружения до 10 м. На каждые следующие 10 м давление необходимо увеличивать на 1 кгс/см*.
§ 74. ЭЛЕКТРОКИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА
Принцип электрокислородной резки заключается в использовании подогревающего действия электрической дуги, горящей между полым стержневым электродом и разрезаемым изделием, и сжигании нагретого металла кислородом, поступающим под необходимым давлением по осевому каналу электрода. Держатель, который применяется в этом случае, обеспечивает электрический контакт с электродом и подачу кислорода.
Для электрокислородной подводной резки применяются как плавящиеся, так и неплавящиеся электроды.
Плавящиеся электроды изготовляются из трубок с наружным диаметром 8 мм, толщиной стенок 2—2,5 мм и длиной около 400 мм. На поверхность такой трубки наносится водоупорное покрытие, которое при плавлении электрода образует чехол, позволяющий опирать электрод на разрезаемое изделие в процессе резки.
Процесс является удобным для работы под водой, в связи с тем, что у водолаза при этом занята только одна рука, но требует большого расхода электродов (~1 шт/мин) и значительного вспомогательного времени на их смену (около 1 мин/шт). В настоящее время имеются специальные установки для подводной резки, обеспечивающие автоматическое снятие напряжения с держателя при гашении дуги, выключение и включение кислорода в зависимости от горения или перерыва в горении дуги.
Для электрокислородной подводной резки разработаны карборундовые электроды, которые могут проработать без замены до 40 мин. Однако электрокислородная резка карборундовыми электродами позволяет резать металл толщиной только до 15 мм.
Электрокислородная резка в некоторых случаях применяется не только под водой, но и в обычных условиях. Так, например,
при резке на воздухе в качестве неплавящегося электрода могут применяться угольные, а лучше графитовые электроды. Кисло-। род, проходящий по осевому каналу такого электрода, приводит к воспламенению углерода вблизи нагретого дугой конца, что, в свою очередь, подогревает струю кислорода. Поэтому оказывается возможным выполнять резку даже при прерывистом горении дуги, причем в период отсутствия дуги металл толщиной около 10—12 мм можно прорезать непосредственно кислородной струей на длине реза около 150 мм.
Электрокислородная резка не обеспечивает такого высокого качества кромок, как- газокислородная, и поэтому применяется только там, где не требуется чистоты реза и где имеются затруднения с горючим для газовой резки. В последнее время находит применение способ электровоздушной резки, когда расплавляемый дугой металл выдувается струей воздуха, подаваемого под соответствующим давлением. В настоящее время для резки, особенно цветных металлов, широкое применение находит механизированная (реже ручная) плазменная резка выплавлением. Этот способ резки рассматривается в''курсе «Технология электрической сварки плавлением».
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
ГАЗОПЛАМЕННАЯ МЕСТНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ПРАВКА, ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА, МЕТАЛЛИЗАЦИЯ И НАПЫЛЕНИЕ
ГЛАВА XVIII
ГАЗОПЛАМЕННАЯ ПРАВКА МЕТАЛЛА
И МЕСТНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
§ 75. ГАЗОПЛАМЕННАЯ ПРАВКА МЕТАЛЛОВ
Правка — это технологическая операция, в процессе которой местными пластическими деформациями видоизменяется начальная форма листа, заготовки или изделия. Так, поставляемая металлургической промышленностью горячекатаная листовая сталь может иметь (ГОСТ 5681—57) волнистость (кривизну листов в продольном направлении) и коробоватость до 12 мм на 1 м. Допускаются искажения формы и поставляемого профильного проката. Изготовление сварных конструкций неизбежно приводит к их деформациям, короблениям (см. § 23).
Для вырезки точных заготовок механическим способом, кислородной или плазменной резкой необходимо иметь листы, из которых они вырезаются, максимально правильной плоской формы. Поэтому перед резкой наиболее деформированные листы необходимо править. Для листов ограниченной толщины это осуществляется правкой в многовалковых вальцах или прессах «в холодную» или при нагреве выправляемого металла. В этом случае правка изгибом осуществляется безударно (в валках, струбцинами), либо ударно (бойками, молотами, кувалдами). Однако механизированные методы правки ограничиваются в применении толщиной плоских элементов до 100 мм.
Применительно к конструкциям сложной формы эти методы вообще неприменимы и для них используется правка местным нагревом, в частности газопламенная, получившая значительное развитие в последние годы.
Физическая сущность газопламенной правки заключается в изменении линейных размеров и формы в результате возникновения локализованных пластических деформаций, вызываемых местным нагревом металла, свободные деформации которого ограничены окружающими, достаточно жесткими областями холодного металла (см. § 23). Так, например, если в центральной части листа (см. рис. 128, а) имеется местная бухтина с центром в зоне А, то для выравнивания листа надо либо растянуть все периферийные зоны (что вручную может быть выполнено только для тонкого
Рис. 128. Схемы правки газопламенным нагревом:
а — правка бухтины листа; б — неравномерность нагрева по толщине 'металла; в — правка угольника; г — схемы некоторых типов линейных перемещений горелки при правке
металла слесарной рихтовкой — созданием пластических деформаций металла у кромок ударами молотка), либо стянуть, сократить линейные размеры металла в районе бухтины. Это достигается местным нагревом бухтины, например пламенем, так, чтобы окружающий холодный металл вызвал бы в нагретом напряжения сжатия выше предела текучести. Тогда после охлаждения появятся деформации сокращения размеров (—А/// на рис. 43), и бухтина сократится или совсем исчезнет, выравнявшись с остальной поверхностью листа. Естественно, что со стороны действия пламени зона нагрева будет больше (рис. 128, б), а следовательно, большими будут и конечные сокращения. Поэтому нагрев необходимо вести со стороны выпуклости бухтины.
Так как абсолютная величина деформации зависит [см. формулу (45)] как от температуры нагрева Т2, так и от зоны нагрева /, эти величины должны подбираться (примерно расчетом, предварительными экспериментами и накопленным опытом)
для осуществления различных случаев правки. При этом, естественно, при пламенном нагреве важной характеристикой является и интенсивность нагрева. В некоторых случаях, когда жесткость ненагреваемой части листа (конструкции) мала (например, велика зона нагрева по отношению ко всему листу) и не может вызвать необходимых пластических деформаций сжатия нагретой зоны в процессе ее нагрева, применяют искусственное увеличение жесткости исправляемого элемента: например, в случае рис. 128, а — прихватку по контуру (вдоль отдельных кромок) жестких угольников, тавров или швеллеров. После окончания правки эти временные жесткости удаляются (срезаются или срубаются прихватки, снимаются струбцины).
Местным нагревом можно выправить и элементы иной формы. Так, например, для выправления угольника (рис. 128, в) его необходимо нагреть в зоне А пятном нагрева схематично, в виде треугольника, трапеции (заштриховано на рис. 128, в). ‘При достаточной жесткости нагреваемой системы большие пластические деформации сжатия (сокращения линейных размеров) широко нагретой кромки (на рис. 128, в нижней) приведут к ее большему укорочению и соответственно выправлению изгиба. Поэтому необходимо правильно выбирать не только температуру и величину зоны нагрева, но и ее форму, а иногда, при правке нескольких мест, и последовательность нагрева и охлаждения различных участков листа, конструкции.
Нагрев для правки может осуществляться не только пятнами, но и при линейном или волнообразном перемещении источника нагрева по исправляемому изделию, вызывающему соответствующие вытянутые прямолинейные или извилистые зоны нагрева (рис. 128, г). При перемещении зоны нагрева линейные сокращения поперек и вдоль такой зоны неодинаковы. Поперечные сокращения, как правило, больше, чем продольные. Так, если относительно тонкий лист стали (размерами 1 м X 1 м) нагреть полосой шириной примерно 80 мм на всю толщину, то поперечное сокращение составит около 0,7—0,75 мм, а продольное только ~0,15 мм. Величина продольных и поперечных деформаций зависит и от соотношения габаритных размеров листа L/B (рис. 128, г). Чем больше отношение LIB, т. е., чем уже нагреваемый лист, тем относительно большей является продольная деформация. Поэтому для правки плоских длинных элементов целесообразнее больше использовать поперечные деформации, а для изделий типа валов, брусьев — продольные.
Расположение полосы нагрева не по оси симметрии приводит не только к сокращению размеров, но и к общему изгибу выправляемого элемента, величина которого также зависит от жесткости обрабатываемого изделия (детали).
При правке толстых листов и толстостенных элементов в ряде случаев необходимо учитывать возможность изменения размеров
не только в основной плоскости, но и появление деформаций из плоскости, вызываемых неравномерностью прогрева их по толщине, в соответствии с рис. 128, б.
Газопламенная правка может применяться не только для сталей, но и для листов и изделий из цветных металлов.
При газопламенной правке может применяться как ацетиленокислородное пламя, так и пламя различных заменителей ацетилена. Однако при этом в ряде случаев приходится учитывать возможную степень уменьшения интенсивности нагрева, приводящую к увеличению пятна (зоны) нагрева, а следовательно, к изменению соотношений зоны нагрева и жесткости окружающего холодного металла.
Всякий дополнительный ввод тепла в изделие и наличие дополнительных местных пластических деформаций приводит к, увеличению зон высоких внутренних напряжений, в частности растяжений, достигающих предела текучести (см. § 23), т. е. к общему увеличению напряженности конструкции. В определенных условиях и особенно при малом запасе пластичности металла конструкций это может привести к появлению в них трещин еще в процессе изготовления или при эксплуатационных условиях, вызывающих иногда небольшую, но дополнительную деформацию. Для исключения таких разрушений или снижения эксплуатационных характеристик конструкции, имеющих большую общую напряженность (от сварки, дополнительной правки), их необходимо подвергать общей термической обработке для снятия внутренних напряжений.
В связи с изложенным, технологический процесс изготовления сварных конструкций надо строить так, чтобы они получались максимально приближенными к необходимой форме и размерам, для ограничения последующей их правки.
I
§ 76. МЕСТНАЯ ГАЗОПЛАМЕННАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Во многих случаях при изготовлении сварных конструкций и при обработке металла целесообразно применять местную термическую обработку с использованием местного нагрева высокоэффективными источниками тепла. Местный газопламенный нагрев применяется в следующих технологических видах обработки:
1) поверхностная закалка деталей (см. гл. XIX);
2) местный отжиг, нормализация, отпуск для улучшения структуры и свойств металла (в частности, сварных соединений) и возможности последующей механической обработки;
3) местный отпуск, нагрев для снятия и перераспределения внутренних напряжений, в частности в сварных конструкциях;
4) поверхностная очистка листов и конструкций, собранных под сварку.
Поверхностная закалка газовым пламенем, как имеющая наибольшее промышленное применение и требующая особого оборудования и аппаратуры, будет рассмотрена более подробно в гл. XIX.
Местный отжиг (нормализация) или отпуск для улучшения структуры и свойств применяется главным образом для сварных соединений легированных сталей и цветных металлов. Тай как в этих случаях улучшения требует только металл шва и околошовных участков зоны термического влияния (см. § 28, 29, 31, 32), можно применять"не общую термическую обработку всего изделия, а только местную, в районе сварных соединений. Режим улучшающей термической обработки (температура, длительность выдержки, скорость охлаждения) для различных металлов (а также целей обработки) является различным.
Хотя местная термическая обработка (даже с применением индукционного, в частности, высокочастотного нагрева) является менее совершенной, чем общая, она для некоторых случаев обеспечивает возможность получения желательных результатов с минимальными капитальными затратами и с применением простой аппаратуры.
При газопламенной местной термической обработке нагрев до назначаемой температуры в заданной зоне осуществляется пламенем обычных горелок (а иногда и резаков) при использовании ацетилена или его заменителей. Разогрев обычно осуществляется рассосредоточенным пламенем, которое достигается выбором мощности и большим удалением мундштука от нагреваемой поверхности, чтобы избежать ее перегрева и тем более оплавления. Температура нагрева оценивается при этом термопарами, при меньших ее значениях термокарандашами, а при достаточно широком диапазоне температур термической обработки (например, для малочувствительных к температуре обработки низкоуглеродистых сталей) по цвету каления, оцениваемого визуально.
Длительность выдержки и регулирование скорости охлаждения при этом ограничены целесообразной степенью загрузки свЭрщика. В некоторых случаях замедление скорости охлаждения достигается дополнительными простейшими устройствами, ограничивающими потери тепла в окружающее пространство (применение асбестовых одеял, помещение мелких деталей в устройства с сухим, иногда подогретым песком и др.).
Местная газопламенная термическая обработка в целях облегчения последующей механической обработки применяется для отпуска закалившихся при кислородной резке кромок заготовок и реже для местной механической обработки (например, сверления, фрезерования) закаленных деталей. Как правило, требования к режиму нагрева в этих случаях менее строгие, чем в предыдущем р легко осваиваются квалифицированным оператором.
Местный отпуск для снятия внутренних напряжений эффективен только для относительно простых сварных соединений, например типа стыка трубопроводов, приварки патрубков и пр. Режим такой термической обработки для стальных конструкций обычно задается температурой (как правило, в пределах 600— 680° С), длительностью выдержки и шириной зоны нагрева. Методы выполнения такой обработки и регулирования ее режима в этом случае подобны выполнению обработки на улучшение структуры, но максимальная температура нагрева, как правило, меньше, а длительность выдержки достигается средствами, задерживающими охлаждение.
Перераспределение внутренних остаточных напряжений в сварных конструкциях, в основном при стыковых швах, может быть достигнуто и так называемой термопластической обработкой. При этом для перераспределения напряжений обеспечивается прогрев полос шириной около 80 мм примерно до 250° С специальными многопламенными горелками с линейным расположением сопел для пламени одновременно с двух сторон от шва на расстоянии от него 100—150 мм. По мере перемещения горелок нагретые полосы заливаются водой для быстрого охлаждения и нераспространения нагрева на большую ширину. Вода подается через специальные каналы в горелке, позади сопел для пламени. При таком режиме в нагревавшихся зонах металла появляются остаточные пластические деформации, растягивающие шов и снимающие при этом имеющиеся остаточные напряжения растяжения в металле шва и околошовной зоны. Однако одновременно в основном металле, в зоне нагрева и охлаждения параллельно швам возникают остаточные напряжения, равные, как правило, пределу текучести и распространенные в большей зоне, чем после сварки. В связи с тем, что такое перераспределение остаточных напряжений, снижая их в шве, создает по величине примерно такие же в двух зонах основного металла, оно целесообразно только в том случае, когда механические свойства металла шва и околошовной зоны ниже, чем свойства свариваемого металла. При современном состоянии сварки, когда в большинстве случаев обеспечивается необходимая прочность и надежность швов, мало отличающаяся от металла конструкции, метод термопластического перераспределения напряжений в настоящее время почти не применяется.
Для очистки поверхностей (в меньшей степени и зазоров в собранных под сварку конструкциях) от окислов и ржавчины также применяется газопламенный нагрев. При этом вследствие достаточно концентрированного ввода тепла в поверхностный слой нагретые окислы откалываются (отскакивают) от более холодного металла и сдуваются механическим воздействием пламени. В некоторой степени при пламени нормальной регулировки происходит и восстановление окислов. Для такой очистки металла применяются либо обычные горелки (очистка зазоров, участков приле-252
гающих к месту, где будет накладываться шов), либо огневые «швабры» — многопламенные горелки с длинными рукоятками и роликами, обеспечивающими необходимое расстояние от пламени до очищаемой поверхности листа.
ГЛАВА XIX
ПОВЕРХНОСТНАЯ ГАЗОПЛАМЕННАЯ ЗАКАЛКА
§ 77. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА
ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ
Очень часто к поверхностному слою детали предъявляются иные требования, чем для всей детали в целом. Поверхностное упрочнение детали, повышение твердости, износостойкости может быть получено не только методами наплавки, но и посредством поверхностной термической обработки — закалки.
Поверхностной закалкой улучшаются, как правило, стальные изделия. Принцип поверхностной закалки заключается в нагреве некоторого поверхностного слоя до температуры выше критической АСа с последующим охлаждением этого слоя со скоростью большей, чем критическая скорость охлаждения металла обрабатываемой детали. Для достижения необходимой глубины закаленного слоя требуется его прогрев до температуры 820—900° С, в зависимости от состава стали, с последующим быстрым охлаждением струей воды или воздуха. Такой нагрев осуществляется либо индукционным нагревом токами высокой частоты (высокочастотная поверхностная закалка), либо пламенем (газопламенная поверхностная закалка). При газопламенной закалке для получения необходимой температуры закалки на некоторой глубине (обычно 3—5 мм) сама поверхность должна быть нагрета примерно до 1000—1150° С.
Высокочастотная закалка требует применения специального оборудования и является целесообразной в основном при массовом производстве. Для газопламенной поверхностной закалки «пользуются простейшие приспособления и аппаратура. Такая закалка является широко применяемым производственным процессом.
В качестве источника нагрева при газопламенной закалке используется в основном ацетилено-кислородное пламя, хотя могут применяться и заменители ацетилена. Степень нагрева поверхностного слоя регулируется мощностью пламени и длительностью его воздействия. Необходимое распределение температур к моменту начала охлаждения показано на рис. 129. Охлаждение
производится водой при ее различной начальной температуре или различными водными растворами.
Газопламенной закалкой могут обрабатываться все углеродистые, низколегированные стали, подвергаемые обычной закалке, и, кроме того, стали с малым содержанием углерода и чугуны. Твердость поверхностного закаленного слоя при газопламенной закалке, как правило, выше твердости, получаемой при общей закалке, примерно на НВ 50 вследствие большей скорости охлаждения (сердцевина детали, будучи холодной, увеличивает скорость охлаждения). Так, например, при поверхностной закалке
Рис. 129. Схема процесса поверхностной закалки:
а — прогрев и охлаждение металла (h — глубина закаленного слоя); б — распределение температуры от поверхности в глубь детали; в—характер измеиеиия твердости: 1 — при правильном режиме иагрева; 2—при неправильном режиме
углеродистой стали с 0,15% С твердость достигает НВ 250; при 0,3% С — НВ до 400; с 0,4—0,45% С — НВ 550 и с 0,65% С — НВ до 650—700. В связи с характером нагрева и охлаждения твердость закаленного слоя по направлению от поверхности к внутренним частям детали обычно изменяется в достаточной степени плавно (рис. 129, в). Однако в случае закалки легированных сталей, особенно при значительном перегреве поверхности (рис. 129, б, кривая 2), большая скорость охлаждения может привести к снижению твердости на поверхности в связи с сохранением остаточного аустенита (рис. 129, в, кривая 2). Это следует рассматривать как брак, вызываемый неправильным режимом закалки.
При поверхностной закалке деформации и напряжения меньше, чем при общей закалке. Так, при общей закалке изделия длиной 1600 мм и сечением 370X190 мм величина деформации составляет 1—1,3 мм, а при поверхностной закалке она снижается до 0,08—0,25 мм. В связи с этим удается получить поверхностную закалку чугуна без трещин, которые всегда имеют место при общей закалке.
Газопламенная закалка является средством повышения качества и срока службы таких изделий, как зубчатые колеса, шестерни, прокатные валки, шпиндели, муфты, направляющие станков, шкивы и др.
§ 78. СПОСОБЫ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ЗАКАЛКИ
В зависимости от воздействия пламенного нагрева и охлаждения существуют четыре способа газопламенной закалки (рис. 130), характеризуемые циклическими и непрерывными процессами.
Циклические процессы заключаются в нагреве сначала всего объема металла, подлежащего закалке, и последующем охлаждении при выключенном или отведенном в сторону пламени. При циклическом процессе применяются два способа: стационарный — для закалки концов рельсов, зубьев цепных колес, кла-
Циклические процессы
1. Стационарный способ. 2. Вращательный способ
Нагреб
Нагреб Охлаждение
Непрерывные процессы
д. Комбинированный способ
Рис.- 130. Схемы основных способов газопламенной закалки
панов и подобных им деталей и быстрого вращения — для тел вращения с небольшой шириной закаливаемой части и при небольшом диаметре (цапфы валов, осей и пр.).
Циклические процессы дают равномерно закаленный слой с одинаковой твердостью, особенно при применении способа быстрого вращения, когда изделие, вращаясь со скоростью 75— 150 об!мин, перед охлаждением равномерно прогревается по всей поверхности, проходящей в области воздействия пламени.
Непрерывные процессы характеризуются единовременным воздействием источника нагрева и охлаждающей струи, причем охлаждение осуществляется с некоторым запаздыванием по сравнению с нагревом.
Непрерывные процессы закалки используются в виде непрерывно-последовательного и комбинированного способов.
Непрерывно-последовательный- способ характеризуется перемещением пламени и охлаждающего устрой
ства относительно обрабатываемого изделия. При этом происходит закалка полосы по ширине примерно равной ширине закалочной горелки и зоны воздействия охлаждающих струй. Закалку широкой поверхности изделия в один проход обеспечить довольно трудно (горелка должна быть слишком широкой и большой мощности; изделие при одновременном нагреве всей поверхности получит значительные коробления). Поэтому закалку выполняют последовательными проходами по ряду полос. Однако при этом нужно учитывать, что между этими закаленными полосами будут полоски отпуска в результате вторичного нагрева при прохождении пламени по соседней зоне.
Таким же образом можно закаливать поверхность тел вращения большого диаметра (например, шкивов и пр.) при их относительно медленном вращении, неподвижном пламени и охлаждающем устройстве. Однако и в этом случае получается смягченная отпуском полоска в месте замыкания начала и конца закаливаемой поверхности.
Несмотря на некоторые недостатки закаленного слоя, закалка непрерывно-последовательным способом применяется достаточно широко в различных видоизменениях.
Комбинированный способ совмещает линейное перемещение закалочного устройства (пламени и охлаждающих струй) и вращение закаливаемой детали. Этот способ получил наибольшее применение для деталей большой длины, причем детали малого диаметра закаливают обычно в горизонтальном положении, а детали большего диаметра — в вертикальном.
При использовании в комбинированном способе быстрого вращения твердость закаленного слоя получается достаточно равномерной.
§ 79. ЗАКАЛОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Закалочное оборудование включает закалочные горелки, охлаждающие устройства и станки, позволяющие механизировать перемещения горелки и охлаждающего устройства относительно закаливаемой детали.
Закалочные горелки, так же как и сварочные, представляют собой инжекторные горелки обычно со сменными наконечникями, позволяющими регулировать мощность пламени в достаточно широких пределах. Сменные наконечники присоединяюся к ру коятке (стволу) горелки с помощью накидной гайки.
Форма мундштуков закалочных горелок должна соответствовать профилю закаливаемой детали. На рис. 131 показаны горелки со сменными наконечниками для закалки плоских поверхностей и тел вращения, а также для закалки шестерен с различным модулем.
Мундштуки закалочных горелок могут быть многосопловыми или щелевого типа. Последние являются менее устойчивыми в работе. При многосопловых горелках для обеспечения достаточной равномерности прогрева поверхности закаливаемого изделия шаг сопел 1С в зависимости от диаметра сопла dc должен быть равен 2,5dc.
Рис. 131. Типы горелок для поверхностной закалки:
а — горелка для закалки плоских поверхностей и тел вращения с различными номерами наконечников; б — горелка для закалки зубьев шестерен с разным модулем
Общая мощность пламени закалочного наконечника при непрерывно-последовательном способе может быть определена по формуле
Va = vbqk, (79)
где Vo — расход ацетилена в м3/ч;
v — скорость относительного перемещения детали и горелки в см!мин\
b — ширина закаливаемой за один проход поверхности в см\
q — удельный расход горючего газа в л/см2 (для ацетилена 0,4—0,9);
/г = 6-10’2 — коэффициент перевода размерности л/мин в м31ч.
Общее количество ацетилено-кислородной смеси Vc, учитывая обычное при поверхностной закалке соотношение |3 = VK/VU =
= 1,24-1,3, составляет примерно 2,5VO, а суммарная площадь выходных отверстий наконечника (в см2):
F —
тш ’
где о — скорость истечения смеси в м/сек-,
т — коэффициент истечения равный 0,9—0,95.
Диаметры отверстий, расход газов и скорости истечения, обычно применяемые в закалочных горелках, представлены
Таблица 28
Диаметры отверстий, расход газа и скорости истечения, примениемые в закалочных горелках
Диаметр отверстия в мм Расход в л[ч Скорость истечения газовой смеси в м[сек
ацетилена кислорода
0,6 30 35 70
0,7 45 55 80
0,9 90 110 95
1,2 210 250 115
в табл. 28.
Устройства для охлаждения обычно многоструйные и называются разбрызгивателями. Они изготовляются либо отдельно от горелки, либо конструктивно представляют одно целое с мундштуком. В последнем случае закалочная жидкость одновременно служит и для охлаждения мундштука горелки. При обычных режимах закалки расход воды через разбрызгиватели составляет примерно0,65—0,9л/см2.
Станки для относительного перемещения закалочного устрой-
ства и закаливаемой детали должны поддерживать установленный
режим.
Станки для закалки могут быть универсальными и специализированными. Универсальные станки рационально использовать при индивидуальном и мелкосерийном изготовлении различных деталей, проходящих поверхностную закалку, а также при выполнении ремонтных работ. Специализированные станки являются наиболее рациональными при большом объеме выполнения однотипных работ в массовом и крупносерийном производстве.
В ряде случаев предприятия сами изготовляют такие станки,
используя для этого станины и другие узлы различных металлообрабатывающих станков, в частности токарных.
§ 80. ТЕХНИКА ГАЗОПЛАМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ
Техника выполнения газопламенной поверхностной закалки определяется выбором способа закалки, оборудования и режима закалки, зависящего от состава закаливаемой стали, формы и размеров обрабатываемого изделия.
Выбор режима закалки, в свою очередь, включает:
1) выбор мощности пламени;
2) выбор расстояния между мундштуком горелки и закаливае-
мой поверхностью;
3) выбор скорости относительного перемещения горелки и закаливаемой детали (или продолжительности нагрева при циклических процессах закалки);
4) выбор расстояния между средней зоной пламени и охлаждающей струей (или времени между прекращением нагрева и пуском охлаждающей струи при циклических процессах); подбор
необходимой температуры и состава охлаждающей среды.
Глубина закаленного слоя, мм
Рис. 133. Зависимость глубины закаленного слоя от расхода ацетилена и скорости закалки
Расстояние от поверхности, мм
Рис. 132. Твердость и глубина закаленного слоя при различных линейных скоростях вращения закаливаемого вала
Выбор мощности пламени описан в § 79. Расстояние от сопел горелки до закаливаемой поверхности устанавливается так, чтобы ядро пламени отстояло от нагреваемой поверхности примерно на 2—3 мм.
Весьма важной характеристикой режима является выбор скорости относительного перемещения горелки и закаливаемой поверхности. На рис. 132 показано изменение глубины и твердости закаленного слоя при поверхностной закалке валков из стали с содержанием углерода около 0,5% при различной линейной скорости вращения поверхности валка. Из рисунка следует, что при скорости 157 mmImuh закаленный слой получается глубиной меньше 1 мм, а местами повышения твердости вообще не получается (штриховая линия). Меньшие скорости дали в этом случае более устойчивые результаты. В зависимости от технических требований к величине слоя закалки в приведенном примере могут быть приняты линейные скорости вращения от 45 до 25 мм/мин.
Зависимость удельного расхода ацетилена — мощности пламени (сплошные кривые) и скорости относительного перемещения горелки и изделия (штриховая кривая) от необходимой глубины закаленного слоя представлена на рис. 133.
Влияние состава закаливаемой детали на основные показатели режима закалки непрерывно-последовательным способом представлено в табл. 29.
Таблица 29
Влияние состава закаливаемой детали на основные показатели режима закалки
Необходимая глубина слоя закалки в мм Сталь с содержанием С = 0,35 4-0,6% Сталь с содержанием С ~ 0,6% и чугун
Скорость перемещения в мм [мин Удельная мощность пламени в л!смг Скорость перемещения в мм [мин Удельная мощность пламени В AfCMz
2 180 0,46 210 0,40
3 160 0,52 180 0,46
4 130 0,64 150 0,55
6 90 0,92 95 0,87
8 45 1,80 60 1,30
Расстояние от средней зоны пламени до струи охлаждающей жидкости берется в зависимости от состава закаливаемого материала и составляет обычно 12—25 мм.
При циклических процессах закалки время между концом нагрева и началом охлаждения жидкостью обычно составляет 5—10 сек. Степень необходимого нагрева устанавливается экспериментально, и уточненный режим поддерживается либо визуально, либо по времени нагрева.
Выбор охлаждающей жидкости и ее удельного расхода зависит от химического состава закаливаемого материала. В большинстве случаев для этих целей применяется вода при температуре 18—35° С и удельном расходе до 1 л!см2.
Для высокого качества закаливаемых деталей перед закалкой необходима тщательная очистка поверхности щетками, пескоструйным или химическим способом. При этом на деталях не допускаются поверхностные дефекты, наличие окислов и краски. Острые углы на деталях во избежание подплавления или образования трещин должны предварительно заваливаться в виде фасок. Контроль качества закалки сводится к наружному осмотру закаленной поверхности, выявлению трещин и определению ее твердости. При подборе режимов также проверяется и глубина закаленного слоя.
При правильном выполнении поверхностной закалки эксплуатационная стойкость деталей значительно повышается. Например, по данным сопоставления закаленных и незакаленных узлов и деталей металлургического оборудования стойкость закаленных повышается в два—пять раз.
ГЛАВА XX
ГАЗОПЛАМЕННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
И НАПЫЛЕНИЕ НЕМЕТАЛЛОВ
§ 81. ЗНАЧЕНИЕ ПРОЦЕССА МЕТАЛЛИЗАЦИИ
И СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ
Сущность процесса металлизации распылением, в частности газопламенной, заключается в том, что расплавленный металл под воздействием струи сжатого газа (обычно воздуха) распыляется на мелкие частицы, которые, ударяясь о покрываемую поверхность, расплющиваются и сцепляются с ней и между собой, образуя покрытие слоистого строения толщиной от 0,02 мм. Для нанесения покрытий обычно используется проволока диаметром 1—3 мм.
При помощи металлизации можно наносить покрытие из различных металлов на металлические, керамические, пластмассовые, деревянные и другие изделия. Основными областями применения металлизации являются:
1) восстановление размеров изношенных деталей машин и механизмов, работающих на истирание (коленчатые и распределительные валы, кулачки, цапфы и т. п.);
2) исправление дефектов черного и цветного литья (трещины, раковины, поры);
3) защита изделий от коррозии путем нанесения покрытий из цинка и алюминия;
4) повышение жаростойкости изделий нанесением покрытия из алюминия (алитирование);
5) нанесение декоративных покрытий;
6) нанесение специальных покрытий, например токопроводящих, на диэлектрики с целью последующей пайки и др.
В газовых металлизационных аппаратах проволока подается по оси факела пламени, которое концентрически окружено потоком сжатого воздуха. В наиболее горячей части факела, так называемой зоне плавления, проволока расплавляется, а воздушная струя подхватывает и распыляет капли расплавленного металла. Скорость воздушного потока на выходе из сопла аппарата составляет 300—400 м/сек, благодаря чему образующиеся в результате распыления капель мельчайшие частицы металла летят со скоростью до 200 м/сек. Эти частицы, находящиеся в расплавленном или пластичном состоянии, имеют форму шариков диаметром от 0,5 до 30 мк и более. При ударе о напыляемую поверхность частицы расплющиваются, образуя чешуйчатое покрытие с поперечным размером чешуек 10—150 мк при толщине около 2 мк.
Образование сцепления между металлом детали и покрытием объясняется в большинстве случаев действием механических сил, но в определенных условиях возможна и приварка частиц
наносимого металла к основному. В частности, такая приварка имеет место при нанесении покрытия из молибдена, обладающего высокой температурой плавления (2625° С). Кроме того, в отличие от других металлов и сплавов, окислы молибдена не будут в виде жидкой окисной пленки покрывать летящие частицы металла; при температуре 700—800° С они возгоняются и создают газовую оболочку вокруг частиц. Поэтому при ударе частиц молибдена о поверхность, например стальной детали, они благодаря высокой температуре подплавляют поверхностный слой и привариваются к нему; газовая же оболочка частиц предохраняет их от окисления кислородом воздуха. Эта особенность молибденовых покрытий позволяет наносить их без пескоструйной подготовки поверхности, которая обычно применяется в целях очистки и придания поверхности некоторой шероховатости для улучшения условий сцепления.
Химический состав покрытия будет несколько отличаться от химического состава применяемой проволоки, так как распыляемый металл подвергается действию высокотемпературного газового потока пламени и потока воздуха. Вполне закономерным является выгорание и уменьшение содержания элементов, имеющих большое сродство к кислороду (например, С, Мп, Si, Сг) при металлизации стальной проволокой, причем при газовой металлизации выгорание значительно меньше, чем при электрической. Для получения покрытий без окислов перспективной является замена сжатого воздуха азотом или аргоном.
Физика-механические свойства покрытия довольно резко отличаются от свойств исходного материала, особенно временное сопротивление при растяжении, сжатии и кручении, а также твердость и модуль упругости. Это объясняется неоднородностью слоя покрытия, наличием в нем окислов и пор. Поэтому металл покрытия нельзя использовать как конструкционный материал для деталей, подверженных воздействию растягивающих и изгибающих условий. Вместе же с основным металлом покрытие работает вполне удовлетворительно, что объясняется тем, что покрытие наряду с низким пределом прочности обладает и малым модулем упругости. Так, например, модуль упругости стального покрытия при растяжении равен 7000 кгс!мм2, т. е. почти в три раза меньше модуля упругости прокатной стали.
Напыленный слой снимает часть общей нагрузки с основного металла. Поэтому при одной и той же деформации основания и покрытия напряжения в покрытии будут в Е/Ег раз меньше, чем в основном металле (Е, Еу — модуль упругости металла основания и напыленного слоя).
Следовательно, для напыленного металла с малым модулем упругости создаются как бы облегченные условия работы.
Прочность сцепления напыленных частиц с основным материалом при надлежащих условиях выполнения метал-262
лизации является вполне достаточной. Важное значение имеет чистота металлизируемой поверхности и ее шероховатость. Кроме способа подготовки поверхности (§ 82) на прочность сцепления влияют: температура поверхности в момент нанесения покрытия, давление сжатого воздуха и расстояние от зоны плавления проволоки до металлизируемой поверхности.
Предварительный нагрев подготовленной поверхности до 150— 200° С увеличивает прочность сцепления, так как частицы более продолжительное время находятся в пластическом состоянии, что способствует более плотному и прочному прилеганию их к металлу.
Давление сжатого воздуха, при котором достигается наилучшая сцепляемость, составляет 4,5—6 кгс/см2.
Расстояние от зоны плавления проволоки до металлизируемой поверхности при нанесении стального покрытия газовым металлизатором должно составлять около 100 мм, а при нанесении антикоррозионных и декоративных покрытий — около 50 мм.
Твердость покрытий обычно ниже твердости исходного металла, что объясняется окисными прослойками между частицами покрытия и неоднородностью самого металла покрытия. Для получения стального покрытия заданной твердости используется соответствующая проволока, например низкоуглеродистая для относительно мягких покрытий, среднеуглеродистая — для более твердых.
Пористость покрытий является характерным свойством, обусловливающим проницаемость напыленного слоя, что может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Например, в антикоррозионных покрытиях пористость вредна, а в покрытиях, работающих на износ в условиях жидкостного и полужидкостного трения, поры играют положительную роль. При недостаточном или временном прекращении подачи смазки заедание металлизированных деталей наступает значительно позже, чем у неметаллизированных, вследствие наличия смазки в порах. Вес поглощаемого масла составляет в среднем от 1 до 1,25% от веса напыленного металла или 8—10% от его объема.
§ 82. АППАРАТУРА ДЛЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ
И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА
В настоящее время основное значение в металлизации распылением имеет проволочная металлизация.
Схема оборудования газометаллизационного поста показана на рис. 134.
Основными узлами проволочных аппаратов являются устройства для подачи проволоки (приводной механизм), для нагрева и плавления проволоки, а также для распыления расплавленного металла сжатым воздухом.
Типовыми газовыми металлизационными аппаратами являются МГИ-2-65 (металлизатор газовый, инжекторный) и МГИ-3-65. Эти аппараты снабжены распылительной головкой, работающей по принципу внутрисоплового смешения, а также механизмом подачи проволоки, приводимым в движение воздушной турбиной. Оба аппарата могут работать как на ацетилене, так и на его заменителях.
По своему назначению аппарат МГИ-2-65 является универсальным и предназначен для нанесения покрытий как из туго-I
Рис. 134. Схема оборудования металлизационного поста:
/ — газовый металлизатор; 2 — бухта проволоки; 3 — регулятор давления воздуха; 4 — масловлагоотделитель; 5 — кислородный редуктор; 6 — баллон с кислородом; 7 — трубопровод подачи горючего газа
плавких, так и легкоплавких металлов; аппарат МГИ-3-65 в основном рассчитан для нанесения антикоррозионных покрытий из легкоплавких металлов — цинка и алюминия. Оба металлизатора могут использоваться как для ручных работ, так и для нанесения покрытий на станках.
Техническая характеристика
МГИ-2-65 МГИ-3-65
Диаметр применяемой проволоки в мм 1,5—2,5 3—4
Максимальная скорость подачи проволоки в м!мин ....................... 8 4
Рабочее давление в кгс/см1:
сжатого воздуха........................ 4—5 4—5
кислорода.......................... 2—5 3—5
ацетилена.......................... 0,35—1,2 0,8—1,2
пропан-бутана ................0,8 и выше
Расход сжатого воздуха в мЧмин . . . 0,8
Максимальный расход в л/ч: кислорода.............................. 3600
ацетилена .......................... 1100
пропан-бутана ......................... 800
0,8—1,2 0,8
4000
1300 900
Максимальная производительность аппарата при распылении в кг/ч:
цинка ............................. 12 19
алюминия .............................3,2 5,5
стали ................................. . . 2,2 —
Вес аппарата без шлангов в кг .............. 2 2
Технология металлизации распылением состоит из следующих основных операций: подготовка проволоки, подготовка поверхности изделия, нанесение слоя покрытия и его обработка после металлизации.
Проволока используется как обычных сортов, так и изготовленная специально для этой цели. В частности, для нанесения стального покрытия может использоваться углеродистая проволока общего назначения, а также сварочная по ГОСТу 2246—60. Проволока должна быть чистой, без вмятин и больших неровностей. Жировые загрязнения удаляются промывкой проволоки в бензине, а ржавчина и окалина — пескоструйной обдувкой. Как правило, проволока подается в металлизатор из бухты, уложенной на вертушку. Стальная высокоуглеродистая проволока для устранения жесткости должна подвергаться предварительному отжигу с последующей пескоструйной очисткой от окалины.
Подготовка поверхности изделия заключается в очистке от загрязнений соответствующими способами и придании ей некоторой шероховатости для обеспечения достаточной прочности сцепления слоя покрытия с основным металлом. Применяется несколько способов подготовки поверхности после произведенной очистки: пескоструйный (металлическим песком), механический при помощи режущих инструментов, дробеструйный и электрический (электроискровая и электродуговая обработки). Наиболее распространенными являются первые два способа.
Пескоструйная подготовка мелких деталей производится в вытяжных шкафах, а деталей средних и больших размеров — в герметически закрывающихся камерах, работа в которых производится в скафандрах, с принудительной подачей в них воздуха для дыхания.
Механическая подготовка применяется при нанесении покрытий большой толщины, причем для подготовки плоских деталей применяются строгальные, а для тел вращения — токарные станки. Для тел вращения (оси, валы и др.) обычно применяется нарезание «рваной резьбы» с вибрацией резца, что и дает шероховатость. Иногда производится прикатка вершин такой резьбы с помощью накатки, что еще более увеличивает сцепление покрытия с основным металлом. На телах вращения могут делаться кольцевые выточки. На поверхности плоских деталей прорезаются канавки на строгальных станках глубиной до 0,5—0,6 мм с шагом
1—1,5 мм, причем острые грани должны закругляться. В отдельных случаях применяется насечка участков металлизации зубилом.
Дробеструйная подготовка применяется при сравнительно простой форме изделий и большой площади покрываемой поверхности.
Электроподготовка используется в случаях, когда другие способы не дают положительных результатов, а именно: для закаленных и цементированных деталей, а также деталей сложной формы и др. К этому способу относятся электродуговая подготовка (возбуждение на короткое время электрических дуг пучком электродов) и электроискровая, или анодномеханическая (снятие слоя металла с поверхности детали искровыми разрядами в среде электролита).
Некоторое применение имеет также способ подготовки поверхности с нанесением подслоя молибдена. Этот способ применяется: для закаленных и цементированных деталей (без их отпуска и отжига), трудно-демонтируемых изделий, деталей с небольшим износом (посадочные места под шариковые и роликовые подшипники, внутренние поверхности цилиндров гидравлических прессов и др.). Толщина наносимого слоя молибдена составляет всего 0,05—0,1 мм. Приваривающиеся частицы молибдена обеспечивают хорошую прочность сцепления переходного слоя покрытия, последующие слои которого выполняются другим металлом.
Во избежание окисления и загрязнения подготовка поверхности независимо от применяемого способа должна производиться непосредственно перед металлизацией.
Техника нанесения покрытия зависит от вида выполняемых работ, формы изделия и способа подготовки поверхности. В качестве примера ниже кратко описывается технология нанесения покрытия при восстановлении изношенных поверхностей.
Восстановление металлизацией изношенных поверхностей допускается, как правило, для деталей, не имеющих дефектов механической обработки, а при наличии дефектов — только в случаях, когда деталь не потеряла допустимой прочности.
На изношенные детали и детали с дефектами механической обработки, имеющие форму тел вращения, покрытия наносятся на токарных станках, причем металлизатор закрепляется в суппорте станка так, чтобы ось его распылительной головки была перпендикулярна обрабатываемой поверхности. Скорость вращения шпинделя станка и продольная подача суппорта устанавливаются с таким расчетом, чтобы в процессе металлизации деталь не нагревалась выше 60—70° С. Если же происходит нагрев детали выше допустимой температуры, то через каждые 1—2 прохода металлизатора процесс необходимо прерывать для охлаждения поверхности до температуры 20—25° С.
Величина припуска на механическую обработку покрытия зависит от диаметра детали и намечаемого вида обработки, например при D < 25 мм припуск на токарную обработку составляет 1 мм на сторону, а на шлифование — 0,3 мм\ при D = 100 -г-175 мм припуск соответственно равен 1,6 и 0,5 мм.
Детали, работающие на износ в условиях жидкостного и полужидкостного трения, целесообразно металлизировать высокоуглеродистой стальной проволокой.
Контроль качества покрытий должен производиться по основным технологическим операциям: при подготовке поверхности, в процессе нанесения покрытия и после механической обработки нанесенного слоя. В производственных условиях качество металли-зационного покрытия обычно контролируется по наружному виду в процессе нанесения с выявлением брака до механической обработки.
§ 83. ГАЗОПЛАМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Процесс напыления неметаллов имеет большое сходство с процессом металлизации. Нанесение неметаллических покрытий может производиться в следующих целях:
1) для защиты от коррозии различного технологического оборудования и строительных конструкций;
2) создания электроизоляционных слоев;
3) выравнивания поверхности деталей;
4) нанесения декоративных покрытий;
5) изготовления различных изделий из стеклопластиков.
Напыляемый материал в виде порошка вдувается в пламя специальной горелки; при этом его частицы нагреваются до весьма пластичного или расплавленного состояния. Попадая иа подготовленную поверхность, эти частицы сцепляются с ней, образуя плотную пленку. Таким способом возможно нанесение покрытий из полиэтилена, полистирола, полиамидов и различных композиций из них, эпоксидных смол, природных полимерных материалов (асфальты и битумы), стеклоэмалей различных составов, металлокерамических и других материалов.
Для порошкового напыления применяются аппараты нескольких конструкций, разработанных ВНИИавтогенмашем. В настоящее время выпускаются установки: УПН-5-60 — для напыления тугоплавких покрытий, УПН-6-63 — для напыления легкоплавких покрытий и УПН-7-65 — для последовательного нанесения двухслойных покрытий. Ниже кратко рассматриваются установки УПН-6-63 и УПН-7-65.
Установка УПН-6-63 (установка порошкового напыления) состоит из питательного бачка и горелки, соединенных шлангом. В отличие от выпускавшихся ранее установок УПН-1 и УПН-4Л
у новой установки отсутствует щит с приборами контроля и управления. Управление установкой осуществляется вентилями горелки. Горелка аналогична горелке ГЛН-4 и отличается от нее лишь наличием одного штуцера для подвода сжатого воздуха вместо двух. Схема работы установки УПН-6-63 показаны на рис. 135.
Установка УПН-7-65 представляет собой комбинацию двух питательных бачков установки УПН-6-63 и одной горелки, которая с помощью трехходового крана может подключаться пооче-
редно к каждому бачку. Установка позволяет наносить двухслойные покрытия из легкоплавких металлов (цинка, свинца, олова) и полимеров либо из двух полимерных материалов. Чередование работы бачков позволяет вести процесс напыления непрерывно. Производительность установок УПН-6-63 и УПН-7-65 (по количеству напыленного полимера) составляет 3—5 кг/ч.
Подготовка поверхности заключается в тщательной очистке ее от различных загрязнений, что обеспечивает надежную сцепляе-мость первого слоя покрытия. Как и при металлизации производится обезжиривание и пескоструйная очистка металлическим песком. На острых углах и ребрах должны быть сняты фаски с закруглением до 7? = 34-5 мм. При нанесении покрытий на сварные швы последние должны быть зачищены; поры и литейные раковины должны быть предварительно заделаны.
Применяемые порошки должны быть определенной грануляции; лучшие результаты получаются при размере частиц 0,15— 0,25 мм. При необходимости производится просеивание порошка. Сыпучесть порошка должна быть достаточно высокой, а именно: он должен свободно проходить воронку с трубкой D = 54-10 мм без слипаний и образования сводов.
Нанесение покрытия производится по следующей технологической схеме:
1) нагрев участка покрываемой поверхности до температуры растекания наносимого материала пламенем самой распылитель
ной горелки (без подачи порошка) либо сварочной горелкой, а в некоторых случаях специальными мощными горелками для подогрева и в печах;
2) нанесение покрытия путем открывания вентиля подачи порошка, который, размягчаясь в пламени горелки, попадает на нагретую поверхность и образует плотную пленку нужной толщины;
3) при образовании в нанесенном слое неровностей подача порошка прекращается, и пламенем горелки, с некоторым ее удалением от поверхности, производится вторичный нагрев до уничтожения неровностей; это должно выполняться достаточно осторожно во избежание перегрева и разложения нанесенного слоя;
4) напыление больших поверхностей, прогрев которых одновременно невозможен, производится отдельными участками.
В тех случаях, когда предварительный подогрев изделия почему-либо исключается, па покрываемую поверхность наносится теплоизоляционный грунт с использованием некоторых специальных лаков. Лаковая пленка имеет низкую теплопроводность, и тепло при нанесении покрытия не успевает пройти в металл; в результате этого на поверхности грунта легко достигается температура растекания материала и отпадает необходимость в нагреве всего изделия.
При нанесении покрытия основным фактором, влияющим на его качество, является тепловой режим процесса. Мощность пламени, подачу порошка, расстояние горелки от поверхности (обычно 150—200 мм) и скорость перемещения горелки следует подбирать так, чтобы наносимые на поверхность частицы порошка плавились и, сливаясь вместе, образовывали бы сплошной слой покрытия. Если частицы на поверхности оплавились неполностью, необходимо этот участок слегка подогреть пламенем горелки без подачи порошка для полного оплавления слоя. Для получения сплошных беспористых покрытий необходимо наносить слой толщиной 0,4—0,5 мм.
Контроль качества покрытия производится несколькими способами: наружным осмотром, электролитными и электроискровыми дефектоскопами (проверка сплошности покрытия), магнитными и электромагнитными толщиномерами (измерение толщины слоя на стальных деталях).
ЧАСТЬ ПЯТАЯ ------------
ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ ПО ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ
И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ГЛАВА XXI
ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ
ПО ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ
§ 84. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ПО ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТ
При всем разнообразии применяемых в настоящее время способов газопламенной обработки металлов и неметаллов имеется ряд общих принципиальных условий правильной организации работ, к которым относятся следующие:
1) обоснованный выбор горючих для отдельных процессов и рациональная система газопитания;
2) наличие необходимого основного и вспомогательного оборудования, аппаратуры и потребных материалов;
3) рациональная организация рабочего места;
4) надлежащая подготовка материалов, деталей и изделий, а также присадочного металла и флюсов;
5) наличие разработанного технологического процесса с учетом применения передовых методов работы;
6) контроль качества продукции.
Выбор горючего производится в зависимости от ряда факторов (см. § 12).
Выбор системы газопитания определяется в основном количеством и расположением рабочих постов. При наличии 10 и более постов в одном помещении обязательно оборудуется система централизованного питания газами: кислородом — от рамп или газификаторов; ацетиленом — от рамп или стационарных генераторов; пропан-бутаном — от рамп; природным и городским газом — от магистральных трубопроводов среднего давления и т. д.
На рис. 136 приведены основные схемы оборудования сварочных постов (а также и для других видов газопламенной обработки). Могут быть и другие схемы, например один из газов может подаваться из баллона, а другой — из сети или же кислород — из баллона, а ацетилен из передвижного генератора и т. д.
Кроме основного оборудования должно также предусматриваться необходимое вспомогательное оборудование. Так, на сва-
Рис. 136. Схемы оборудования сварочных постов:
а — при подаче газов из баллонов: / — кислородный баллон; 2 — кислородный редуктор; 3 — баллон с горючим газом; 4 — шланги; 5 — горелка; 6 — редуктор горючего газа; б — при системе централизованного питания: 1 — кислородный трубопровод; 2 — трубопровод горючего газа; 3 — предохранительный затвор; 4 — кислородный постовой вентиль; 5 — кислородный редуктор; 6 — шланги; 7 — горелка
рочных участках часто требуется наличие устройств для подогрева изделий и деталей, а также устройств для охлаждения. На участках кислородной резки должно быть предусмотрено достаточное количество подъемно-транспортных средств — кранов, тельферов, роликовых столов и т. д.
Аппаратура (редукторы, горелки, резаки и т. д.) должна быть комплектной и находиться в исправном состоянии. В целях лучшей сохранности аппаратура должна закрепляться за рабочими.
Обеспечение любого процесса газопламенной обработки необходимыми материалами: проволокой, флюсами, газами и дру
гими — имеет первостепенное значение. Все материалы должны соответствовать сертификатам и другим предъявляемым требованиям. Не должна допускаться произвольная замена материалов.
От рациональной организации рабочего места в значительной степени зависит производительность труда, качество продукции и безопасность работы.
Для отдельных процессов газопламенной обработки ввиду известной их специфики в организации рабочих мест имеются свои особенности. Поэтому ниже приводятся основные положения по организации рабочих мест газосварщиков и газорезчиков, т. е. рабочих основных профессий.
Рационально организованное рабочее место газосварщика при работе в стационарных условиях должно быть оборудовано сварочным столом, стулом с поворотным устройством, сборочно-сварочными приспособлениями, шкафом для хранения инструмента, сварочных материалов и технической документации, стеллажами или ящиками для деталей. В случае сварки тяжелых изделий (ремонтная сварка чугуна, заварка литейного брака) необходимо наличие подъемных и поворотных приспособлений. При сварке малогабаритных узлов и изделий целесообразно наличие поворотной площадки над столом. Сварочный стол должен быть оборудован чугунной плитой или иметь покрытие из огнеупорного кирпича. Для охлаждения горелки на рабочем месте должен быть сосуд с водой.
Кроме сварочной аппаратуры газосварщик должен иметь исправный инструмент: гаечный и торцовый ключи, молоток, зубило, плоскогубцы, клещи, стальную щетку, мерительный инструмент, набор медных игл для прочистки мундштуков. Должны быть также запасные ниппели с гайками, уплотнительные кольца, мундштуки, хомутики для шлангов, фибровые и кожаные прокладки, шнуровой асбест, мягкая стальная проволока.
Расположение деталей, присадочного металла и инструмента на столе должно быть удобным и не требовать от работающего | лишних движений.
В большинстве случаев при сварке рабочее место оборудуется местным вентиляционным отсосом. Для защиты глаз от лучистой энергии пламени сварщик должен иметь защитные очки со специальными светофильтрами, а для защиты от механических повреждений — защитные очки с прозрачными стеклами.
Рациональная организация рабочего места газорезчика включает ряд положений, общих с организацией рабочего места сварщика, но имеются и специфичные, связанные с особенностями процесса резки. Так, при ручной резке для сокращения потерь рабочего времени на уборку вырезанных заготовок и отходов необходимо на каждом рабочем месте иметь два-три отдельных стеллажа (стола) или один стеллаж достаточных размеров для укладки двух-трех листов, имея также в виду, что перед
резкой обычно производится разметка. Поскольку работа связана с перемещением резчика, важную роль играет удобный доступ к источникам газопитания.
На участках машинной резки организация рабочих мест и труда играет особо важную роль. Как правило, такие участки в настоящее время обслуживаются комплексными бригадами, причем одним из важных условий повышения производительности труда является совмещение профессий членами бригады. Машины закрепляются за отдельными газорезчиками, которые и являются ответственными за их состояние.
Стеллажи должны иметь конструкцию, допускающую быструю и правильную укладку и закрепление разрезанных листов, а также удобную уборку отходов. Резку отходов целесообразно производить на тех же стеллажах ручными резаками с последующей уборкой отходов в бункер.
Для уплотнения рабочего времени газорезчика, работающего на машине, и повышения производительности труда, у каждой машины целесообразно оборудовать специальный столик или шкафчик с инструментом и материалами, необходимыми для чистки резаков и быстрого устранения возникающих при работе неполадок.
Подготовка металла и изделий, присадочного металла, флюсов неразрывно связана с технологией того или иного процесса газопламенной обработки и поэтому необходимые сведения приведены выше в соответствующих главах.
Технологический процесс по любому из видов газопламенной обработки должен разрабатываться с учетом новейших достижений в данной области. Для этого инженерно-технические работники, а также и рабочие должны знать современную специальную литературу; следить за информационными материалами; участвовать в обмене опытом с работниками других предприятий и творчески применять у себя на предприятии новые методы и приемы, обеспечивающие дальнейшее повышение производительности труда, снижение себестоимости и улучшение качества продукции.
Технологический процесс на сварку, резку, пайку и т. д. должен быть доведен до рабочего в виде технологических карт, карт раскроя, технологических инструкций или в иной форме, включая устный инструктаж.
Внедрению передовых методов работы, например сварки и резки на газах-заменителях ацетилена, резке кислородом низкого давления и т. д., должно уделяться постоянное внимание. При освоении передовых методов необходимо глубокое их изучение ИТР, проведение теоретических и практических занятий с рабочими (кружки техминимума и повышения квалификации, школы передового опыта и т. д.), причем для проведения занятий должны привлекаться передовики и новаторы производства в целях передачи и распространения их опыта работы.
Контроль качества продукции при газопламенной обработке, как и в других областях сварочного производства, имеет важнейшее значение. Обеспечение высокого качества продукции возможно лишь при надлежащей организации контроля качества во всех стадиях производства, начиная с контроля исходных материалов и кончая применением тех или иных методов контроля готовых деталей, узлов или изделий в целом.
Организационная форма контроля включает пооперационный и приемно-сдаточный контроль.
На каждом предприятии имеется отдел технического контроля (ОТК), подчиняющийся директору предприятия и вышестоящим организациям, который ведет наблюдение за правильностью технологического процесса, проверяет исходные материалы, принимает готовую продукцию от цехов и отделов и сдает ее Инспекции Госгортехнадзора (если продукция подведомственна ему) и представителю заказчика.
ОТК несет полную ответственность за качество продукции, выпускаемой предприятием, и имеет право приостанавливать процесс производства, если замечены отступления от утвержденной технологии.
Подробно вопросы контроля и технических его средств рассматриваются в специальном предмете «Контроль качества сварных соединений».
§ 85. ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЙ ОСМОТР И РЕМОНТ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
Исправность аппаратуры для газопламенной обработки является важным условием достижения высоких показателей производительности труда и обеспечения безопасности. Содержание аппаратуры в исправном состоянии обеспечивается своевременным осмотром и ремонтом.
Проверка, ремонт и испытание аппаратуры для газопламенной обработки должны производиться при соблюдении определенных мер безопасности, которые предусматривают «Правила техники безопасности и производственной санитарии при производстве ацетилена, кислорода и газопламенной обработке металлов» (издание 1967 г.).
Ремонт генераторов, предохранительных затворов, трубопроводов и редукторов может производиться под наблюдением мастера или инженера только квалифицированными работниками, прошедшими специальное теоретическое и практическое обучение, сдавшими экзамены и имеющими соответствующее удостоверение.
Разборку и сборку горелок и резаков, находящихся в эксплуатации, допускается производить сварщикам и резчикам, имеющим необходимую квалификацию.
Ремонт газовых баллонов (исправление конической резьбы на горловине баллона и перенасадка башмака), а также ремонт вентилей баллонов может производиться только в мастерской при наполнительной станции; на месте выполнения газопламенных работ разборка и ремонт ацетиленовых и кислородных вентилей сварщиками и резчиками запрещается.
Изготовление новых деталей или узлов взамен изношенных необходимо производить только по чертежам, причем не допускается произвольная замена материала.
Хранение аппаратуры для газопламенной обработки и запасных частей должно быть организовано в отдельных кладовых или на отдельных стеллажах цеховых кладовых. Выдача неисправных редукторов горелок, резаков и шлангов из цеховых кладовых запрещается.
Поступающая на предприятия новая аппаратура (редукторы, горелки, резаки и т. д.) перед выдачей в эксплуатацию должна быть проверена на исправность с регистрацией в журнале.
Профилактические осмотры и ремонт газовой аппаратуры проводятся в следующие сроки.
Ацетиленовые генераторы должны подвергаться общему осмотру один раз в три месяца. При этом производится внешний осмотр генератора, проверяется целость корпуса, сварных швов, наличие внешней сильной коррозии. Арматура генератора также тщательно проверяется с устранением неплотностей в соединениях, а также пропускания газа в вентилях и кранах. Поверхность ходовых резьб смазывается техническим вазелином.
Водяные затворы среднего давления подлежат осмотру и промывке два раза в месяц, в том числе один раз с полной разборкой, чисткой, промывкой и проверкой надежности уплотнения обратного клапана.
Проверка уплотнения обратного клапана производится после заполнения его водой до уровня контрольного крана при атмосферном давлении и затем при максимальном рабочем давлении для данного генератора. В обоих случаях необходимо производить проверку не менее трех раз с обязательным отрывом клапана от седла. Во время испытания допускается просачивание из-под клапана воды не более 15 капель в минуту. Дефектный клапан подлежит замене.
Водяные затворы низкого давления следует осматривать и промывать один раз в месяц. При осмотре необходимо обращать внимание на состояние шайбы-рассекателя; при наличии деформации должна быть приварена новая шайба.
Редукторы подвергаются профилактическому осмотру один раз в месяц, причем проверяется герметичность всех соединений, исправность манометров, правильность работы предохранительного клапана, исправность накидной гайки или хомута для крепления к баллону. При негерметичности клапана производится его
шлифовка на мелкой наждачной бумаге, уложенной на ровной плите. Перед сборкой кислородного редуктора все детали следует тщательно обезжирить.
Горелки и резаки должны подвергаться осмотру и проверке на газонепроницаемость не реже одного раза в месяц и во всех случаях подозрения на неисправность. При этом производится проверка плотности всех соединений, набивка сальников, промывка инжекторов, замена при необходимости уплотнительных колец на наконечниках, очистка и калибровка мундштуков. После этого горелки и резаки должны быть испытаны в работе. Результаты проверки должны быть зарегистрированы в специальном журнале.
Шланги должны осматриваться и подвергаться проверке на газонепроницаемость не реже одного раза в месяц. При этом дается пробное давление воздухом или азотом с опусканием шланга в воду. Величина пробного давления принимается в соответствии с типом шлангов.
Стационарные и передвижные ацетиленовые генераторы подвергаются текущему ремонту при возникновении необходимости. Для генераторов, работающих в стационарных условиях, капитальный ремонт должен предусматриваться не реже одного раза в год. Капитальный ремонт рекомендуется производить вне помещения.
При выполнении всех видов ремонта, связанных с искро-образованием, нагревом и применением открытого огня необходимо полное удаление из генератора ацетилена, остатков карбида кальция и ила, а также выполнение промывки и продувки аппарата. Предварительно внутренние стенки генератора промываются струей воды, подаваемой из шланга под напором. Затем генератор трехкратно заполняется водой (желательно горячей) с полным опорожнением через 10—15 мин после каждого заполнения. После промывки должна быть сделана продувка аппарата инертным газом или воздухом. Если после промывки на стенках генератора остался ил, его следует удалить с помощью латунного или алюминиевого скребка, после чего генератор необходимо еще раз промыть до полного удаления остатков ила.
После промывки и продувки генератор необходимо вновь заполнить водой до наивысшего возможного уровня, а выше этого места все люки, пробки и заглушки должны быть открыты.
Очистка, разборка и ремонт генератора должны производиться под наблюдением ответственного лица.
При необходимости выполнения ремонта стационарного генератора непосредственно в помещении ацетиленовой станции должны соблюдаться специальные дополнительные правила безопасности.
Рамповые редукторы должны подвергаться капитальному ремонту один раз в два года, а баллонные—один раз в год. Отдельные части редукторов подлежат восстановительному ремонту или замене в более короткие сроки, например: восстановительный ремонт
клапанов должен производиться через 4—6 мес., замена мембраны в баллонных редукторах через 6 мес., в рамповых — через 12 мес. и т. д.
Ацетилено- и кислородопроводы ремонтируются, когда в этом возникает необходимость, и, кроме того, подлежат освидетельствованию в определенные сроки. Все виды ремонтных работ по трубопроводам могут производиться только после предварительного снижения давления до атмосферного и продувки азотом.
Освидетельствование ацетиленопроводов низкого и среднего давления и кислородопроводов низкого давления с проведением пневматического испытания (без снятия изоляции и без откапывания из грунта) должно производиться: для ацетиленопроводов — один раз в пять лет; для кислородопроводов — один раз в три года.
ГЛАВА XXI!
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
И ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
ПРИ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ
§ 86. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
Газопламенная обработка металлов и неметаллов связана с рядом вредных воздействий и опасностей:
1) возможность взрыва газов и газовых смесей;
2) вредное действие на организм человека выделяющихся газов, паров и пыли;
3) возможность ожогов и теплового воздействия пламени на организм;
4) вредное действие лучистой энергии на зрение;
5) возможность механических травм;
6) возможность поражения электрическим током при обслуживании установок с электроприводом;
7) повышенная опасность пожаров.
Ниже приводятся лишь основные требования, подлежащие выполнению в любых случаях. К обслуживанию ацетиленовых и кислородных установок, складов карбида кальция, складов баллонов и к выполнению газопламенных работ могут допускаться только рабочие не моложе 18 лет, прошедшие специальное теоретическое и практическое обучение, сдавшие техэкзамен и имеющие соответствующее удостоверение.
Не реже одного раза в квартал администрация цеха должна проверять знание рабочими правил по эксплуатации оборудова
ния, технике безопасности и пожарной безопасности и проводить инструктаж. Результаты проверки и инструктажа должны оформляться в специальном журнале.
Применительно к местным условиям должны быть составлены и доведены до работающих конкретные инструкции по технике безопасности, утвержденные главным инженером предприятия.
В особых случаях работ: внутри закрытых сосудов и в колодцах, на монтаже, при заварке и резке сосудов из-под горючих и легковоспламеняющихся жидкостей и т. д. должны соблюдаться специальные требования безопасности.
Помещения, в которых постоянно производятся газопламенные работы, кроме соответствия условиям производственного процесса должны в первую очередь удовлетворять требованиям техники безопасности, промышленной санитарии и пожарной безопасности.
На каждое рабочее место должна отводиться площадь не менее 4 ju2, кроме площади, занимаемой оборудованием и проходами между рабочими местами (ширина прохода не менее 1 м). Свободная высота помещения от уровня пола до низа выступающих конструктивных элементов непосредственно над рабочими местами должна быть не менее 3,25 м.
Отопление, естественное и искусственное освещение должны удовлетворять действующим нормам.
Для удаления выделяющихся вредных газов, паров и пыли в помещениях газопламенной обработки должна быть оборудована вентиляция.
§ 87. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ОБРАЩЕНИИ С ОБОРУДОВАНИЕМ
И АППАРАТУРОЙ
Ацетиленовые генераторы опасны в отношении взрыва по следующим причинам:
1) перегрев карбида кальция и ацетилена в зоне реакции;
2) обратные удары пламени при неисправности водяного предохранительного затвора, отсутствии или недостаточном количестве воды в нем;
3) преждевременное открывание реторт при наличии сильно нагретых кусков карбида;
4) наличие огня и курение около генератора, возникновение в нем искр по любым причинам, например при очистке газоотводящих трубок и реторт стальными предметами;
5) наличие частей из меди, а также попадание кусков этого металла в генератор.
При эксплуатации генераторов необходимо применять карбид кальция только тех грануляций, которые указаны в паспорте
генератора. Величина единовременной загрузки не должна превышать паспортной. Особенно опасно применение в обычных генераторах карбидной мелочи и пыли, так как вследствие быстрого разложения резко повышается давление в газообразователе, а также температура нагрева карбида кальция и выделяющегося ацетилена.
В начальный момент работы генератора необходима продувка газообразователя для удаления оставшегося в нем воздуха. Перед разгрузкой реторты следует убедиться (открыванием продувочного крана), что она полностью залита водой и, следовательно, карбид кальция разложен.
Отбор ацетилена из генератора может производиться только через водяной затвор соответствующего типа. Уровень воды в затворе должен проверяться не менее трех раз в смену. Не допускается работа от одного затвора двух и более сварщиков или резчиков. Работа без затвора запрещается.
Эксплуатация переносных генераторов требует особо внимательного отношения, так как они используются в самых различных условиях. Пользоваться переносным генератором, конструкция которого не одобрена ВНИЙавтогенмашем, запрещается. На каждый генератор должен быть паспорт и инструкция по его эксплуатации и технике безопасности. Йереносные генераторы, как правило, используются на открытом воздухе или под навесом. Допускается их установка для выполнения временных газопламенных работ в следующих местах:
1) на территории предприятий, строек, во дворах жилых домов;
2) в рабочих и жилых помещениях при объеме их не менее 300 м3 на каждый аппарат при возможности проветривания помещения или 100 м3, если генератор установлен в одном помещении, а работы производятся в другом;
3) в горячих цехах и котельных на расстоянии не менее 10 м от открытого огня или нагретых предметов с соблюдением некоторых дополнительных условий;
4) выше уровня земли при условии письменного указания технического руководителя предприятия (стройки) и разрешения пожарного надзора на подъем генератора.
Запрещается даже временная установка переносных генераторов около мест засасывания воздуха вентиляторами и компрессорами; в помещениях, где возможно выделение веществ, образующих с ацетиленом самовзрывающиеся смеси (например, хлора), или выделение легковоспламеняющихся веществ (серы, фосфора и др.); на строящихся и ремонтируемых судах, на стапелях, набережных и в доках.
Не разрешается работать от переносного генератора, установленного на одной тележке с кислородным баллоном. Переносной генератор не должен оставляться без надзора как во время
работы, так и по окончании ее, так как при доступе посторонних лиц и особенно детей не исключены происшествия с тяжелыми последствиями.
Замерзшие ацетиленовые генераторы допускается отогревать только горячей водой или паром. Вода в генераторе и водяном затворе при работе в зимнее время должна предохраняться от замерзания путем утепления генератора; в затвор также может заливаться морозоустойчивый раствор.
Карбид кальция при правильном обращении с ним опасности не представляет, но даже малейшее нарушение установленных правил может привести к тяжелым последствиям — несчастным случаям, пожарам и взрывам. Непосредственными причинами их является способность карбида кальция разлагаться не только водой, но и влагой воздуха с последующим образованием ацетилено-воздушной взрывчатой смеси, а также экзотермический характер реакции разложения.
Транспортировка и хранение карбида кальция производится в герметически закупоренных барабанах. При погрузке и разгрузке барабанов запрещается сбрасывать их и наносить удары по барабанам, а также не допускается курение. При сдаче поврежденных барабанов на склад (при перевозке такие барабаны должны быть закрыты брезентом) кладовщик должен быть предупрежден об имеющихся повреждениях.
Хранение карбида кальция должно производиться в сухих, хорошо проветриваемых несгораемых складах, с легкой кровлей. В промежуточных складах допускается хранение суточного запаса карбида кальция, но не более 300 кг. Электроосвещение складов — наружное, посредством отражателей. Склады должны быть обеспечены противопожарными средствами — углекислотными огнетушителями и ящиками с сухим песком. Вскрытые или поврежденные барабаны хранить на складах не разрешается; в случае невозможности немедленного использования карбид кальция должен быть пересыпан в специальные, герметически закрываемые бидоны и расходоваться в первую очередь. Не допускается скапливание на складе карбидной пыли.
Пустые барабаны ввиду некоторого остатка пыли и выделения ацетилена являются опасными в отношении взрыва и должны храниться на специально отведенных площадках.
Раскупорка барабанов в помещении склада не допускается, она может производиться в раскупорочной или на открытом воздухе без применения огня и стального инструмента, который может дать искру. Разрешается применение инструмента из латуни.
Транспортировка газовых баллонов разрешается только на рессорном транспорте, а также на специальных ручных тележках.
Транспортировка на автомашинах может производиться в специальных контейнерах при вертикальном положении баллонов и без контейнеров с укладкой баллонов поперек кузова на дере
вянные или металлические подкладки с гнездами, покрытыми мягким материалом. При бесконтейверной транспортировке на баллонах должны быть предохранительные колпаки. Между рядами баллонов (в пределах высоты бортов) должны быть прокладки для предотвращения ударов баллонов друг о друга; вместо прокладок разрешается применять пеньковый канат диаметром не менее 25 мм и резиновые кольца такой же толщины. В летнее время баллоны должны быть защищены от солнечных лучей брезентом или другими покрытиями.
Совместная транспортировка кислородных баллонов и баллонов с горючими газами на всех видах транспорта, как правило, запрещается, за исключением транспортировки двух баллонов на специальной тележке к рабочему месту.
Перемещение баллонов на небольшое расстояние (в пределах рабочего места) разрешается производить путем кантовки в слегка наклонном положении. Перемещение же из одного помещения в другое должно производиться на тележках или носилках. Переноска баллонов на руках без носилок и на плечах запрещается.
Хранение баллонов должно производиться в складах, удаленных от других зданий не менее 10 м, с закреплением баллонов в специальных стеллажах (клетках) по 20—25 шт. или каждого баллона отдельно. Не допускается хранение в одном помещении баллонов с кислородом и горючими газами, а также полных и пустых баллонов вместе.
На рабочих местах баллоны должны устанавливаться в вертикальном положении в специальных стойках и закрепляться хомутами или цепочками. На стойках должны быть навесы для предохранения баллонов от попадания на них масла. Баллоны должны находиться на расстоянии не менее 1 м от приборов отопления и 5 м от нагревательных печей и других сильных источников тепла.
На участке газопламенной обработки допускается иметь на каждом посту по одному запасному баллону, но не более десяти кислородных и шести ацетиленовых запасных баллонов на весь участок.
В баллонах необходимо оставлять остаточное давление: кислорода не менее 0,5—1 кгс/см2, ацетилена — в зависимости от температуры, например не менее 0,5 кгс/см2 при температуре ниже 0' С, до 1 кгс/см2 при 0—15° С и т. д.
Редукторы, как и другая аппаратура, должны быть в исправном состоянии. Манометры должны ежегодно проверяться в специальной мастерской и иметь соответствующее клеймо.
Перед присоединением кислородного редуктора к баллону необходимо осмотреть его и вентиль баллона, чтобы убедиться в отсутствии жировых загрязнений, а затем сделать продувку вентиля для удаления механических частиц, которые могут в нем находиться. При продувке следует находиться в стороне от струи газа.
Впуск кислорода в редуктор должен производиться постепенно путем медленного открывания вентиля баллона при полностью ослабленной главной пружине редуктора.
Необходимо следить за тем, чтобы не было пропусков газа в редукторе и его соединениях с вентилем баллона и шлангом; замеченные неплотности должны быть немедленно устранены. Пользоваться редукторами с неисправной резьбой в накидной гайке и другими недостатками, а также с неисправными манометрами или просроченным клеймом на них запрещается.
Горелки и резаки необходимо предохранять от повреждений и загрязнений, следить за плотностью всех соединений и отсутствием пропускания газа, немедленно устраняя замеченные дефекты. Закрепление шлангов на ниппелях горелок и резаков должно быть надежным — хомутиками или мягкой проволокой, причем плотность в местах присоединения шлангов должна проверяться перед началом работы водой.
При подготовке горелки или резака инжекторного типа к работе необходимо убедиться в наличии разрежения в канале горючего. Зажигание пламени нужно производить в следующем порядке: сначала немного открыть вентиль кислорода, а затем вентиль горючего; при гашении пламени или обратном ударе первым быстро закрывается вентиль горючего, а затем кислорода.
Не допускается перемещение с зажженной горелкой или резаком за пределами рабочего места, а также подъем по трапам, лесам и т. п. При перерывах в работе пламя горелки (резака) должно быть погашено, а вентили плотно закрыты.
В случае перегрева аппаратуры пламя должно быть погашено, а горелка или резак охлаждены в сосуде с холодной водой.
Необходимо следить также за чистотой каналов мундштуков во избежание хлопков и обратных ударов; для прочистки должны быть иглы из медной или латунной проволоки.
Производить ремонт горелок и резаков на рабочих местах запрещается. Неисправная аппаратура должна быть сдана для, ремонта.
§ 88. ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
Вопросы пожарной безопасности тесно связаны с техникой безопасности, так как пожары часто сопровождаются несчастными случаями, а, с другой стороны, возможно возникновение пожаров в результате нарушений правил техники безопасности, например, при взрывах ацетиленовых генераторов.
Мастерские и участки газопламенной обработки, как правило, должны находиться на первом этаже зданий, не рекомендуется их размещение на более высоких этажах, а в подвальных помещениях вообще не допускается. Помещения по степени пожаро-
взрывоопасности должны соответствовать категории производств группы Г и иметь II степень огнестойкости при десяти и более рабочих постах и IV степень огнестойкости при меньшем количестве постов. Полы должны быть несгораемые, малотеплопроводные и легкоочищаемые.
Деревянные стены, переборки и двери, расположенные ближе 5 м от сварочных и газорезательных постов, должны быть оштукатурены или обиты листовым асбестом либо листовой сталью в замок по войлоку, смоченному в глинистом растворе.
В помещениях газопламенной обработки запрещается хранение легковоспламеняющихся и горючих материалов (бензин, керосин, пакля и т. п.), а также загрязнение мест производства работ обрезками дерева, бумагой, промасленными тряпками и пр.
Воспрещается прокладка вместе со шлангами или трубопроводами токоведущих сварочных проводов.
В рабочих помещениях должны быть средства пожаротушения: пожарные гидранты со шлангами и стволами, огнетушители, ящики с песком. Загорания и возникновение пожаров чаще всего имеют место при проведении временных работ по сварке и резке, так как в этих случаях противопожарным мероприятиям уделяется меньше внимания.
При выполнении временных газопламенных работ на расстоянии менее 5 м от деревянных стен последние должны быть защищены от попадания на них искр и действия пламени экранами из трудносгораемых или несгораемых материалов. Если пол в помещении, где производятся временные работы по сварке или резке, сделан из сгораемых материалов, необходимо защитить его от искр, капель расплавленного металла и шлака непосредственно у места работ листами асбеста или железа, уложенными на кирпичи. Допускается также защита пола толстым слоем песка, насыпаемого после обильного смачивания пола водой.
При выполнении работ ниже или выше первого этажа желательно осуществлять подводку газов при помощи прокладки специальных трубопроводов, выполненных с соблюдением всех правил техники безопасности. При производстве временных работ и длине коммуникаций не более 40 м для подвода газов могут быть использованы резино-тканевые шланги.
В случае проведения временных работ на высоте более 10 м над уровнем земли и невозможности устройства подводящих трубопроводов подъем на высоту баллонов или ацетиленового генератора может быть осуществлен лишь при наличии письменного указания технического руководителя предприятия (стройки) и разрешения пожарной инспекции.
Перед выполнением местных нагревов, газовой сварки или резки должно быть проверено отсутствие на месте работ и обрабатываемых поверхностях (внутри и снаружи) воспламеняющихся газов, веществ и материалов.
На выполнение временных газопламенных работ выдается разрешение по специальной форме, подписанное ответственным руководителем и согласованное с местной пожарной охраной.
В тех случаях, когда работа представляет особую пожаро-или взрывоопасность и требует проведения специальных подготовительных работ и мер безопасности, выдается особый наряд по установленной форме, который помимо регистрации пожарной охраной, должен быть обязательно занесен в журнал, хранящийся у лица, отвечающего за технику безопасности на предприятии.
На местах выполнения временных газопламенных работ должны быть средства пожаротушения.
Особое внимание вопросам предотвращения пожаров и взрывов должно уделяться на ацетиленовых станциях, складах карбида кальция и газовых баллонов.
Ацетиленовые станции по степени пожаровзрывоопасности относятся к наиболее опасным производствам — категории А и поэтому должны располагаться на территории предприятий в отдалении от производственных и других зданий, например расстояние от горячих цехов и цехов производства хлора должно быть не менее 50 м. Станции производительностью до 25 м31ч ацетилена, а также распределительные ацетиленовые рампы с количеством одновременно подключаемых баллонов не более 20 шт., допускается размещать в пристройках к производственным зданиям при условии отделения их глухими несгораемыми стенками от остальной части здания.
К строительной части станций предъявляется ряд требований: 'i 1) здание должно быть одноэтажным с легким несгораемым перекрытием;
2) материал наружных стен и перегородок — несгораемый (кирпич, бетон, шлакоблоки);
' 3) полы — асфальтовые или бетонные; уровень пола в раску-
поренной и промежуточном складе должен быть не менее чем на i 15 см выше, чем в генераторной;
4) внутри здания станции не должно быть электрооборудова-' ния и электропроводки; освещение — естественное и искусственное наружное через стекла окон посредством отражателей;
। 5) вентиляция должна быть естественной (дефлекторы);
6) отопление — центральное (паровое или водяное), обеспечивающее в зимнее время температуру в помещении не ниже +5° С.
Вблизи от здания станции на расстоянии до 10 м не допускается выполнения работ с огнем. В помещении станции воспрещается курение, зажигание огня, а также работа с инструментом, который может дать искру. На случай пожара должны быть углекислотные огнетушители и сухой песок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аси новска я Г. А., Зелико века я Н. М., Коровин А. И. и др. Газопламенная обработка металлов. М., Профтехиздат, 1962.
2. Артюшов В. IЬ Опыт автоматической газовой резки в судостроении. Л., изд-во «Судостроение», 1955.
3. Б р о дс к и й А. И. Применение пропана и бутана при резке и сварке металлов. М., Изд-во Министерства ком. хоз. РСФСР, 1963.
4. Б р ю н н Э. Кислородная и электродуговая резка. М., Машгиз, 1957.
5. Б ы к о в В. В. Аппаратура для газовой сварки и резки. М., изд-во «Машиностроение», 1964. (Библиотечка автогенщика. Вып. 11—12.)
6. Вощанов К. П-, Кириллов И. И. Машины и аппаратура для газопламенной обработки металлов. Альбом. М., Профтехиздат, 1963.
7. Г а в р и л о в П. И. Сварка и резка металлов с применением газов — заменителей ацетилена. М., изд-во «Машиностроение», 1968.
8. Глизманенко Д. Л. Сварка и резка металлов. М., изд-во «Высшая школа», 1968.
9. Глизманенко Д. Л. Получение кислорода, М., изд-во «Химия», 1965.
10. Глизманенко Д. Л., Евсеев Г. Б. Газовая сварка и резка металлов. М., Машгиз, 1961.
11. Гузов С. Г, Стрижевский И. И. Техника безопасности при газопламенной обработке металлов. М., Машгиз, 1962.
12. Информационные листки ВНИИавтогенмаш.
13. Клебанов Н. Н. Технология газовой сварки и резки. М., Машгиз, 1947.
14. Ковальский В. А., О ф и ц е р о в Д. М. Руководство по переносным ацетиленовым генераторам. М., Машгиз, 1963. (Библиотечка автогенщика. Вып. 10.)
15. Окерблом Н. О. Сварочные деформации и напряжения. М.—Л., Машгиз, 1948.
16. П е т р о в Г. Л. Газовая сварка и резка, конспект курса, ЛПИ, 1952 и 1954.
17. П е т р о в Г. Л., Буров Н. Г. Оборудование и технология газовой сварки и резки. М., Машгиз, 1959.
18. Правила техники безопасности и производственной санитарии при производстве ацетилена, кислорода и газопламенной обработке металлов. М., изд-во «Машиностроение», 1967.
19. Р ы к а л и н Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М., Машгиз, 1951.
20. Справочник. Кислород. Т. I. и 11. Под ред. Д. Л. Глизманенко. М., изд-во «Металлургия», 1967.
21. Справочник по сварке. Т. I и 11. Под ред. Е. В. Соколова. М., Машгиз, 1960.
22. Т е с м е н и ц к и й Д. И., Офицеров Д. М. Модернизированный ацетиленовый генератор ГРК-10. — «Сварочное производство», 1965, № 12.
23. Ш е б е к о Л. П.. А м и г у д Д. 3. Лабораторные работы по технологии и оборудованию газопламенной обработки металлов. М., изд-во «Машиностроение», 1968.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие................................................................................ 3
Введение....................................................................................... 4
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ГАЗЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И АППАРАТУРА ДЛЯ
ИХ ПРОИЗВОДСТВА И ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И
Глава I. Кислород.............................................................................. —
§ 1. Свойства кислорода и способы его получения . . —
§ 2. Получение кислорода из воздуха.............. . 13
§ 3. Аппараты для жидкого кислорода................................................... 18
§ 4. Кислородные баллоны и перепускные рампы . . 22
Глава II. Горючие для газопламенной обработки ................................................ 26
§ 5. Основные свойства горючих . . . —
§ 6. Ацетилен.................... . 31
§ 7. Ацетиленовые генераторы............ .36
§ 8. Предохранительные затворы ... 46
§ 9. Растворенный ацетилен............................................................. 50
§ 10. Ацетиленовые станции ..... 53
§ 11. Заменители ацетилена.............................................................. 54
§ 12. Технико-экономическое обоснование выбора горючих ... 56
Глава III. Газовые коммуникации и оборудование рабочих постов ... 58
§ 13. Редукторы для сжатых газов ............................. —
§ 14. Технологическая аппаратура для газопламенной обработки 66
§ 15. Трубопроводы для кислорода и горючих газов...... 72
§ 16. Вспомогательное оборудование и оснастка рабочих мест 75
ЧАСТЬ ВТОРАЯ- ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОВОЙ СВАРКИ....................................................... 77
Глава IV. Сварочное пламя....................
§ 17. Строение и состав сварочного пламени............................................... —
§ 18. Химическое взаимодействие пламени с металлом....... 80
§ 19. Температура ацетилено-кислородного пламени и нагрев металла пламенем.............................................. 83
Глава V. Металлургические и тепловые процессы при газовой сварке ... 87
§ 20. Реакции в расплавленном металле при сварке......................................... —
§ 21. Флюсы............................................................................. 90
§ 22. Кристаллизация и перекристаллизация металла шва и околошовной зоны................................................. 92
§ 23. Напряжения и деформации при местном нагреве металла 96
Глава VI. Общая технология газовой сварки плавлением......................................... 100
§ 24. Типы сварных соединений и подготовка металла под сварку —
§ 25. Режим и техника выполнения газовой сварки ...................................... 102
§ 26. Пороки сварки, связанные с техникой ее выполнения . . 106
§ 27. Пути повышения производительности газовой сварки . . . 108
Глава VII- Сварка сплавов на железной основе . ......... . . 109
§ 28. Сварка углеродистых сталей ........................................................ —
§ 29. Сварка легированных сталей ...................................................... 113
§ 30. Сварка чугуна . . 117
Глава VIII • Сварка цветных металлов и сплавов .............................................. 126
§ 31. Сварка меди ....................................................................... —
§ 32. Сварка сплавов на медной основе ... . . 129
§ 33. Сварка никеля.................................................................... 132
§ 34. Сварка алюминия и его сплавов.................................................... 133
§ 35. Сварка магниевых сплавов ............................... 138
§ 36. Сварка цинка ...................................... - - 139
§ 37. Сварка свинца . . . . . . 140
Глава IX. Газопламенная пайка и наплдзха .......... 141
§ 38. Газопламенная пайка. Мягкие и твердые припои ... —
§ 39. Наплавка поверхностей инородными сплавами . . . . . 147
Глава X. Газопрессовая сварка.................................. - 150
§ 40. Сущность газопрессовой сварки и ее особенност . . —
§ 41. Оборудование для газопрессовой сварки............ . . 153
§ 42. Технология газопрессовой сварки ........................ 155
Глава XI. Сварка неметаллов.................................. . 157
§ 43. Сварка кварцевого стекла.................................. —
§ 44. Сварка винипласта .... 159
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ- КИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ............................ 163
Глава XII. Физико-химические основы кислородной резки ............... —
§ 45. Классификация и области применения кислородной резки —
§ 46. Сущность процесса и основные условия кислородной резки 165
§ 47. Подогревательное пламя ................................. 168
§ 48. Кислород режущей струи.................................. 170
§ 49. Материальный и тепловой баланс ацетилено-кислородной резки ........................................................ 174
§ 50. Температурное поле при кислородной резке ............... 176
§ 51. Влияние резки на состав, структуру и свойства металла вблизи поверхности реза....................................... 178
Глава XIII. Аппаратура и оборудование для кислородной ргза.1 .... 182
§ 52. Универсальные ручные резаки ............................. —
§ 53. Специальные резаки ..................................... 180
§ 54. Классификация машин для кислородной резки и системы контурного управления ...................................... 192
§ 55. Переносные резательные машины .......................... 197
§ 56. Стационарные газорезательные машины общего назначения 198
§ 57. Специализированные машины и установки для кислородной
резки ................................................... 202
Глава XIV- Технология разделительной кислородной рез.ш . . . . 203
§ 58. Основные требования к точности резки...................... —
§ 59. Влияние технологических параметров на резку и основные положения по технике резки.................................... 206
§ 60. Режимы резки стали средних толщин ... 210
§ 61. Резка стали больших толщин.................... . . . 213
§ 62. Резка стали малых толщин. Пакетная резка . . . 214
§ 63. Деформации при кислородной резке........................ 216
§ 64. Основные технологические рекомендации по машинной разделительной резке .............................................. 221
Глава XV. Поверхностная кислородная резка . . ... 226
§ 65. Сущность процесса поверхностной кислородной резки и области ее применения . .......................................... —
§ 66. Аппаратура для поверхностной кислородной резки . 228
§ 67. Основные сведения по технологии и механизации поверхност-
ной резки................................................ 230
Глава XVI. Кислородно-флюсовая резка................................ 232
§ 68. Сущность процесса кислородно-флюсовой резки .............. —
§ 69. Аппаратура для кислородно-флюсовой резки................ 235
§ 70. Кислородно-флюсовая резка высокохромистых сталей .... 238
§ 71. Резка чугуна, цветных металлов и сплавов ............... 240
Глава XVII. Особые виды кислородной резки ........................ 241
§ 72. Резка кислородным копьем............................... —
§ 73. Подводная кислородная резка .... . 243
§ 74. Электрокислородная резка ............................ 245
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ. ГАЗОПЛАМЕННАЯ МЕСТНАЯ ТЕРМИЧЕ-
СКАЯ ОБРАБОТКА, ПРАВКА, ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА, МЕТАЛЛИЗАЦИЯ И НАПЫЛЕНИЕ........................................ 247
Глава XVIII. Газопламенная правка металла и местная термическая обработка ........................................................... —
§ 75. Газопламенная правка металлов..................... . —
§ 76. Местная газопламенная термическая обработка 250
Глава XIX. Поверхностная газопламенная закалка . ............ 253
§ 77. Сущность процесса поверхностной закалки................. —
§ 78. Способы газопламенной закалки......................... 255
§ 79. Закалочное оборудование ........................ ... 256
§ 80. Техника газопламенной поверхностной закалки . . . . 258
Глава XX. Газопламенная металлизация и напыление неметаллов . . . 261
§ 31. Значение процесса металлизации и свойства покрытий . . —
§ 82. Аппаратура для металлизации и технология процесса . . 263
§ 83. Газопламенное напыление полимерных материалов......... 267
ЧАСТЬ ПЯТАЯ. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ ПО ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ 270
Глава XXI. Организация работ по газопламенной обработке ..... —
§ 84. Основные положения по организации работ................. —
§ 85. Профилактический осмотр и ремонт аппаратуры для газопламенной обработки...................................... 274
Глава XXII. Техника безопасности и противопожарные мероприятия при газопламенной обработке'........................................ 277
§ 86. Общие положения по технике безопасности ................ —
§ 87. Техника безопасности при обращении с оборудованием и аппаратурой ............................................. . 278
§ 88. Противопожарные мероприятия .... . . . . 282
Литература ..................................................... 285
Георгий Львович ПЕТРОВ,д Николай Григорьевич БУРОВ
Технология и оборудование газопламенной обработки металлов
Редактор издательства Р. И- Михеева
Технический редактор В. Ф. Павлова
Переплет художника П. П. Викторова
Корректор 3. П. Смоленцева
Сдано в производство 15/IX 1969г. Подписано к печати 31/111 1970 г. М-16432 Формат бумаги 60X90V16 Печ. л. 18,0 Уч.-изд. л. 19,0 Тираж 32 000 экз. Зак. 333 Цена 78 коп.
Ленинградское отделение издательства «МАШИНОСТРОЕНИЕ» Ленинград, Д-65, ул. Дзержинского, Ю
Ленинградская типография № 6 Главполнграфпрома Комитета по печати прн Совете Министров СССР Ленинград, С-144, ул. Моисеенко, 10