§ 2. Газопламенная сварка и наплавка
Общие сведении. К газопламенной сварке и наплавке относятся процессы нагрева и расплавления металлов пламенем, получаемым от горения различных горючих газов (ацетилена, метана, пропана и др.) в технически чистом кислороде.
Способ получения высокотемпературного газового пламени был разработан в конце XIX столетия. Уже в тот период началось промышленное производство ацетилена, кислорода, водорода и газопламенная сварка металлов была основным способом прочного соединения металлических конструкций.
В дальнейшем в связи с бурным развитием электродуговой и других видов сварки газопламенная сварка была оттеснена на второй план. Но и до настоящего времени она широко применяется при ремонте машин, а в некоторых случаях просто незаменима.
Недостатки газовой сварки — это меньшая, чем при дуговой сварке, скорость нагрева и расплавления металла, большая зона теплового воздействия и в связи с этим большая возможность коробления свариваемого изделия. При сварке крупных изделий толщиной более Ь...8 мм производительность по сравнению с дуговой сваркой значительно ниже, поэтому газовую сварку применяют преимущественно для соединения и наплавки тонких деталей. Стоимость используемых газов выше стоимости электроэнергии, вследствие этого газовая сварка дороже электродуговой. Газовая сварка труднее, чем электрическая, поддается механизации и автоматизации.
преимущества газовой сварки — сравнительно простое и waapunjc оборудование, возможность широкого маневрирования мощностью, составом и направлением пламени при сварке. Газовое гшамя применяют для сварки и восстановления изделий из тонколистовой стали (резервуары, баки из-под топлива, нефтетара, кабины и оперение автомобилей, тракторов и пр.); им заваривают трещины и наплавляют детали из чугуна, алюминия и его сплавов, меди, бронзы, латуни, свинца, выполняют пайку и другие работы.
Для газовой сварки и наплавки в большинстве случаев используют ацетилен; при сгорании в кислороде он дает температуру пламени до 3150°С, а другие газы 2000...2300°С.
Ацетилен получают при взаимодействии карбида кальция с водой в специальных, простых по устройству аппаратах, называемых генераторами. Однако применение ацетилена ограничено дороговизной (он в 15...20 раз дороже других 'горючих газов) и взрывоопасностно. Ацетилен взрывается при быстром нагревании его до температуры 400...500°С, а также при возрастании давления выше 0,15 МПа, поэтому использовать ацетилен с давлением, превышающим допускаемое, запрещено. Смеси ацетилена с воздухом при содержании ацетилена 2,2...81% (по объему) или с кислородом в пределах 2,8...93% также взрываются. Особенно опасна примесь фосфористого водорода, содержание которого более 0,7% резко повышает взрывоопасность ацетилена.
Большое распространение получает использование ацетилена из баллонов. Баллоны заполняют на специальных промышленных предприятиях, при этом учитывают свойство ацетилена растворяться в ацетоне. В таком виде ацетилен практически безопасен. Кроме того, потребление ацетилена из баллона упрощает обслуживание и повышает производительность труда сварщика.
Ацетилен и другие горючие газы смешивают с кислородом в необходимых количествах в специальных приспособлениях, называемых сварочными горелками. Как показывает практика, для полного сгорания ацетилена кислорода требуется несколько больше (по объему), примерно на 10...30%.
Рис. 29. Строение и температура
ацет иленокислородпого пламени:1 внутренняя часть (ядро): 2 - средняя часть (сварочная); 3 — наружная часть (факел)
Ацетиленокислоролное пламя имеет три ярко выраженные зоны с различной температурой и легко регулируется по внешнему виду (рис.29). Внутренняя часть пламени, называемая ядром, самая яркая, ее температура не более 1200°С. Средняя часть имеет самую высокую температуру, до 3150°С, ее иногда называют сварочной. Наружная часть образует факел пламени. В зависимости от изменения подачи кислорода преобразуется форма пламени и всех трех его частей. Изменяя соотношение ацетилена и кислорода, можно получить три основных вида пламени: нормальное, или восстановительное (кислорода 1,1. ..1,2), окислительное (с избытком кислорода, более 1,3) и науглероживающее (с избытком ацетилена, соотношение менее 1,1). Наиболее ярко выражены все три части нормального пламени. Обычно этим пламенем и ведут сварку.
Особенности технологии газовой сварки и наплавки. Основное отличие технологии газовой сварки от электродуговой — более плавный и медленный нагрев металла. Газовую сварку в основном используют для стыковых соединений и некоторых видов наплавочных работ. Угловые, тавровые и соединения внахлестку при газовой сварке используют очень редко, так как возникают значительные деформации. Особо удобное соединение для газовой сварки — стыковое с отбортовкой кромок, его выполняют без применения присадочной проволоки. Металл толщиной менее 4 мм можно сваривать без скоса кромок. При сварке металла толщиной 5... 15 мм необходим скос кромок под V-образный шов с общим углом раскрытия 70...90°, а при толщине более 15 мм — под Х-образиый шов с такими же углами раскрытия по обе стороны.
Сварка и наплавка сталей большинства марок осуществляются нормальным пламенем. Наплавленный шов проковывают в горячем состоянии при температуре 850...900°С (светло-красное каление) и затем нормализуют, то есть нагревают до 900°С и охлаждают на воздухе. В качестве присадочного материала используют проволоку, близкую по химическому составу к свариваемой стали.
Малоуглеродистые стали сваривают проволокой Св-08А и Св-08ГА. Для сварки высокоуглеродистых и легированных сталей, а также для получения шва наплавки повышенной твердости применяют проволоки Св- 08Г2С, Св-12ГС, Св-18ХГСА и флюсы. В качестве флюсов используют прокаленную буру, кремниевую и борную кислоты и другие вещества. Перед сваркой детали подогревают до температуры 250.,.300°С.
Сварка чугуна. Применение ацетиленокислородного пламени — один из наиболее надежных способов получения высокого качества сварки чугуна. При газовой сварке медленнее и равномернее, чем при дуговой, нагревается и охлаждается деталь. В результате этого в наплавленном металле и на его границах создаются лучшие условия для графитизации углерода, уменьшается вероятность отбеливания чугуна, возникновения внутренних напряжений и появления трещин. Обычно газовую сварку сопровождают общим и местным подогревом детали. Небольшие детали подогревают пламенем горелки непосредственно перед сваркой, крупные детали — в специальных печах или устройствах. В качестве присадочного материала используют чугунные стержни диаметром 4, 6, 8, 10 и 12 мм
Для сварки мелких деталей применяют чугунные стержни марки ъ, а для крупных — стержни марки А. Сваривают чугун нормальным или науглероживающим пламенем при расходе ацетилена, на 1 мм толщины металла Ю0...120 дм5/ч.
Для удаления из сварочной ванны оксидов кремния, железа и марганца используют флюс из смеси: буры 56%, соды и поташа по 22% или прокаленной буры 23%, углекислого натрия 27% и азотнокислого натрия 50%. Флюс подсыпают в сварочную ванну, а пруток в процессе сварки чаще погружают в флюс.
Хорошие результаты дает сварка чугуна газовым пламенем с применением прутка из латуни Л62, флюса из буры или смеси буры (50%) и борной кислоты (50%).
Сварка меди и ее сплавов. Медь и бронзу сваривают только нормальным пламенем. При сварке меди толщиной до 10 мм расход ацетилена на I мм толщины должен быть 150 дм3/ч, а свыше 10 мм — 200 дм /ч или надо брать две горелки одновременно: одну для подогрева металла, другую для расплавления и сварки металла.
В качестве присадочного материала при сварке меди используют проволоку из чистой меди или меди, содержащей До 0,2% фосфора и до 0,3% кремния, а при сварке бронзы — проволоку, близкую по составу к свариваемой бронзе.
Для раскисления оксидов применяют флюсы, содержащие чистую буру или смесь буры (50%) и борной кислоты (50%). Чтобы улучшить структуру наплавленного шва, его проковывают при температуре 200...300°С, затем отжигают при температуре 500... 550°С и быстро охлаждают водой.
Латунь сваривают пламенем с избытком кислорода до 30...40%. В этом случае на поверхности расплавленного металла образуется пленка оксида цинка, которая защищает зону сварки от дальнейшего испарения цинка. Для удаления оксидов меди и цинка используют флюсы следующих составов: борная кислота 35%, фосфорнокислый натрий 15%, остальное — плавленая бура, или борная кислота 80% и плавленая бура 20%, или специальные жидкие флюсы БМ-1 и БМ-2. Последние через специальный сосуд — флюсопитатель — подают в горелку вместе с ацетиленом. Пары флюсов ядовиты, поэтому сварщик должен работать в респираторе, а место сварки следует оборудовать местной вытяжной вентиляцией. В качестве присадочного материала используют проволоку, близкую по составу к свариваемой латуни, или специальные присадочные проволоки J3K62-G5. Л060-1 и ЛСЖ59-1-03, содержащие в своем составе раскислители — олово и кремний.
Сварка алюминия и его сплавов. Алюминий и его сплавы хорошо свариваются газовой сваркой только нормальным пламенем. Присадочную проволоку применяют такого же состава, как свариваемый металл. Для удаления пленки оксида алюминия используют флюсы АФ-4А, АН-4А, АН-А201, содержащие хлористые и фтористые соли лития, натрия, калия и бария. После сварки остатки флюса удаляют горячей водой. Оксидную пленку можно удалять так же, как при дуговой сварке, специальным скребком. В этом случае сварщик должен иметь большой навык, так как в шов могут попадать остатки оксидной пленки и вызывать не плавление металла.