Сварочная горелка является рабочим инструментом газосвар­щика и создаёт газосварочное пламя, нагревающее и расплавляю­щее металл. Современная сварочная горелка должна отвечать многим строгим требованиям: должна давать устойчивое сварочное пламя требуемой формы, иметь точную регулировку, устойчиво под­держивать установленный режим пламени, иметь достаточную прочность, не требовать частого ремонта, быть простой, удобной и безопасной в эксплоатации, иметь минимальный возможный вес и т. д. Этим требованиям в достаточной степени могут удовлетво­рять лишь хорошо сконструированные горелки, тщательно и точно изготовленные из качественных материалов. Над дальнейшим усо­вершенствованием газосварочных горелок промышленность усилен­но работает и в настоящее время.

Основным материалом для изготовления горелок служит ла­тунь, мундштук изготовляется из красной меди. Иногда для умень­шения веса в горелках применяются лёгкие алюминиевые сплавы. Сварочные горелки могут быть построены для различных горючих газов, сжигаемых в смеси с кислородом или воздухом. В дальней­шем будут рассмотрены преимущественно ацетилено-кислородные горелки, занимающие доминирующее положение в сварочной тех­нике. Эти горелки строятся различной мощности, позволяющей сва­ривать сталь толщиной от 0,2 до 30 мм, однако специальные типы горелок могут иметь и большую мощность.

По важнейшему конструктивному признаку сварочные горелки могут быть разделены на два основных типа: горелки инжектор­ные, или низкого давления, и безинжекторные, или высокого дав­ления. Принадлежность горелки к тому или другому типу опреде­ляется наличием или отсутствием в ней инжектора для подсоса го­рючего газа.

Необходимость применения инжектора обусловливается давле­нием горючего газа. Если горючий газ имеет достаточно высокое давление, не менее 0,5 атм, то он может поступать в горелку само­тёком, и горелка может не иметь инжектора. Безинжекторная го­релка может работать лишь при достаточно высоком давлении горючего газа, поэтому она называется горелкой высокого давле­ния. Если же давление горючего газа незначительно (менее 0,5 атм), то необходима, кроме того, принудительная подача или подсос горючего газа, что осуществляется специальным инжекто­ром, встраиваемым в горелку. Поэтому инжекторные горелки назы­ваются горелками низкого давления. Такая горелка может хорошо работать уже при давлении горючего газа 0,005 атм. Горелка низ­кого давления может работать и при высоком давлении горючего газа (свыше 0,5 атм), но в этом случае применимы и горелки вы­сокого давления. При давлениях менее 0,5 атм инжекторная горел­ка становится незаменимой, единственно пригодной.

Инжекторная горелка более универсальна, так как она при­годна для горючего газа как низкого, так и высокого давления. Ввиду того, что в горелке высокого давления отсутствует инжектор, по конструкции она проще горелки низкого давления.

Устройство безинжекторной горелки высокого давления схема­тически показано на фиг. 134, а. Кислород поступает в горелку по резиновому шлангу и через приёмный ниппель и регулировочный вентиль 1 проходит в смеситель 3, где поток кислорода разбивается на тонкие струйки для лучшего смешивания с горючим газом, после

чего проходит в сопло смешения 4. Совершенно аналогичный путь, проходит горючий газ, поступающий в горелку через регулировоч­ный вентиль 2. Из сопла смешения смесь горючего газа с кислоро­дом поступает в камеру смешения 5, где вследствие увеличения сечения газового потока скорость его уменьшается и заканчивается смешение кислорода с горючим газом, дающих на выходе из каме­ры смешения однородную по всему объёму горючую смесь. Из ка­меры смешения 5 готовая смесь проходит по трубке наконечника 6 и через калиброванный канал мундштука 7 выходит наружу, где - и сгорает, образуя сварочное пламя.

Кислород /' Горючий газ Фиг. 134. Схема устройства сварочных горелок: а — безинжекторной; б — инжекторной.

Для образования нормального сварочного пламени горючая га­зовая смесь должна вытекать из канала мундштука горелки с опре­делённой скоростью, отвечающей скорости горения смеси. При уве­личении скорости истечения газовой смеси сверх нормы пламя от­рывается от мундштука, всё более удаляется от его среза с уве- личейием скорости и, наконец, потухает. При уменьшении скорости истечения газовой смеси из мундштука пламя проскакивает через канал мундштука внутрь горелки, происходит воспламенение и взрыв горючей смеси внутри горелки.

Таким образом, сварочная горелка может нормально работать лишь при определённой постоянной скорости истечения газовой смеси из мундштука, могущей изменяться лишь в небольших пре­делах. Эта нормальная скорость истечения зависит от состава га­зовой смеси, диаметра выходного канала и конструкции мундштука. Для ацетилено-кислородной смеси эта скорость для различных раз­меров горелок лежит в пределах от 70 до 160 м/сек. Для создания такой скорости на выходе из мундштука и преодоления внутренних

сопротивлений горелки требуется, как показывает опыт, давление газа на входе в горелку порядка 0,5—0,7 ати. Требующееся дав­ление примерно одинаково как для кислорода, так и для ацетилена. Поэтому безинжекторные горелки иногда называются горелками равного давления.

Безинжекторные горелки могут быть построены как для ацети-, лена, так и для других горючих газов: водорода, метана.

Горелки высокого давления сравнительно просты по устройству, хорошо поддерживают постоянство состава газовой смеси, дают устойчивое сварочное пламя. Несмотря на эти положительные ка­чества, горелки высокого давления в нашей промышленности при­меняются очень редко потому, что они могут работать лишь на ацетилене высокого давления, а промышленность пользуется глав­ным образом ацетиленом низкого или среднего давлений, недоста­точных для питания безинжекторных горелок.

Промышленное применение находят почти исключительно инжек­торные горелки или горелки низкого давления. Схема устройства такой горелки показана на фиг. 134,6. Кислород под давлением 3—4 атм поступает в горелку через ниппель и регулировочный вентиль 1, проходит в конус инжектора 3, идёт по узкому каналу инжекторного конуса и выходит с большой скоростью в расширяю­щуюся камеру смешения 5. Вырываясь с большой скоростью из узкого канала инжекторного конуса 3, кислород создаёт значи­тельное разрежение в камере инжектора 4 и тем самым принуди­тельно засасывает или инжектирует горючий газ (обычно ацети­лен), поступающий через ниппель и вентиль 2 в камеру инжектора, из которой поступает в камеру смешения 5 и оттуда, в смеси с кислородом, с надлежащей скоростью движется по трубке нако­нечника 6 и выходит из горелки по каналу мундштука 7. Под дей­ствием инжектирующей струи кислорода давление в камере инжек­тора падает ниже атмосферного. В нормальных советских сварочных горелках разрежение в камере инжектора составляет от 1000 до 3500 мм вод. ст. для разных размеров наконечников, а давление кислорода, поступающего в горелку для нормальной работы инжек­тора, должно быть около 3—3,5 атм.

Расход кислорода в инжекторной горелке остаётся практически постоянным и мало зависит от таких факторов, как нагрев мунд­штука горелки, изменение сопротивления истечению газов из кана­ла мундштука и т. д. Напротив, расход ацетилена легко изменяется от влияния различных факторов и может значительно и быстро ме­няться, нарушая нормальный состав газовой смеси, выходящей из горелки и поступающей в сварочное пламя. Сильное влияние на расход ацетилена в инжекторной горелке и поступление его в сва­рочное пламя оказывают нагрев мундштука и наконечника горел­ки, увеличение сопротивления выходу газов из мундштука, измене­ние давления газов, поступающих в горелку.

Нагревание наконечника горелки вызывает ослабление инжек­тирующего действия кислорода и уменьшение разрежения в камере инжектора, что уменьшает поступление ацетилена в горелку. По­

скольку поступление кислорода в горелку при этом остаётся прак­тически постоянным, то содержание ацетилена в газовой смеси уменьшается против нормы и усиливается окислительное действие сварочного пламени.

Для восстановления нормального состава смеси и характера сварочного пламени сварщик должен периодически, по ftepe воз­растания нагрева наконечника горелки, усиливать поступление ацетилена в горелку, увеличивая открытие ацетиленового вентиля горелки.

Сопротивление истечению смеси из мундштука может возра­стать, например, вследствие засорения канала мундштука брызгами металла и пр. и, что особенно важно, вследствие приближения го­релки к изделию, отчего уменьшается расстояние от среза мунд­штука до поверхности изделия. Увеличение сопротивления истече­нию газовой смеси увеличивает давление в трубке наконечника и действует аналогично повышению температуры наконечника, умень­шая содержание ацетилена в смеси и усиливая окислительное дей­ствие пламени.

Повышение давления кислорода на входе в горелку увеличивает содержание кислорода в смеси, понижение — уменьшает. Изменение давления ацетилена на входе в горелку влияет на состав газовой смеси противоположным образом: повышение давления обогащает смесь ацетиленом, понижение давления уменьшает содержание аце­тилена в смеси.

Таким образом, инжекторная горелка не обеспечивает постоян­ства состава газовой смеси, так как состав меняется в процессе сварки и сварщик должен непрерывно следить за характером пла­мени и корректировать состав смеси ацетиленовым вентилем горелки.

Непостоянство состава смеси является существенным недостат­ком инжекторной горелки. Основным её преимуществом является возможность работать на любом низком давлении ацетилена, начи­ная с 50 мм вод. ст. Это преимущество является решающим, и в настоящее время наша промышленность пользуется почти исклю­чительно инжекторными горелками, поскольку производство ацети­лена высокого давления, достаточного для питания безинжекторных горелок, пока ещё очень незначительно. Однако инжекторная го­релка может работать на ацетилене не только низкого, но и высо­кого давления. Эта универсальность в отношении давления ацети­лена является ценным техническим преимуществом инжекторной горелки. Чем выше давление ацетилена, тем лучше работает инжек­торная горелка. Изменения состава газовой смеси под влиянием на­грева горелки и увеличения сопротивления истечению смеси из мундштука особенно заметны при низком давлении ацетилена. С увеличением давления изменения состава смеси уменьшаются, и при работе на ацетилене высокого давления инжекторная горелка работает почти так же устойчиво, как и безинжекторная. Инжек­торная сварочная горелка даёт сварочное пламя определённых раз­меров, изменение которых возможно лишь в незначительных пре­делах, так как значительное увеличение расхода газов вызывает отрыв пламени от мундштука и его потухание; уменьшение вызы­вает проскакивание пламени внутрь горелки и обратный удар, пре­кращающий работу горелки и требующий полного закрытия ацети­ленового^ вентиля на горелке, последующего его открытия, нового зажигания и регулирования сварочного пламени. Для изменения размеров сварочного пламени, например при переходе на сварку другой толщины металла, необходимо взять горелку другого раз­мера.

Для удешевления и упрощения инструментария сварщики обыч­но пользуются универсальными горелками с несколькими сменными наконечниками. Подобная горелка состоит из постоянной части — ствола и сменной части — наконечника, которые соединяются на­кидной гайкой. Ствол включает рукоятку, регулировочные вен­тили, присоединительные ниппели и трубки для газов. Наконечник,

включает инжектор, смесительную камеру, трубку наконечника1 и мундштук. Каждый размер наконечника обозначается но­мером.

Для примера рассмотрим советскую инжекторную универсаль­ную горелку СУ (фиг. 135), которая пригодна для сварки стали толщиной от 0,5 до 30 мм, для чего комплектная горелка при одном стволе имеет восемь сменных наконечников № 0, 1, 2, 3, 4, 5, б и 7. Кислород поступает в горелку через трубку 3 и ниппель /, на который надевается резиновый шланг. Ацетилен поступает через ниппель 2 в полую рукоятку 4. Расход газов регулируется венти­лями 5 и 6, которые расположены, примерно, в середине рукоятки; что даёт сварщику возможность регулировать горелку, не преры­вая работы, пальцами той же руки, которая держит рукоятку. Кроме того, такое расположение вентилей выгодно смещает центр тяжести горелки, улучшает баланс и уменьшает утомляемость свар­щика. Кислород через регулировочный ветиль 5 поступает в цен­тральный канал инжектора, а оттуда в камеру смешения и далее в трубку наконечника.

Существенным преимуществом горелки СУ является постоянное давление кислорода, равное 3 атм для всех восьми наконечников. Основные технические характеристики различных номеров наконеч­ников приведены в табл. 16.

Основные технические данные сварочной горелки СУ Технический показатель Номер наконечника 0 1 2 3 4 5 6 7 Примерная толщина свариваемой стали в мм................................. 0,5-1,0 1-2 2-4 4-6 6-9 9-14 14—20 20-30 Расход ацетилена в л/ час.................................. 75 150 300 500 750 1200 1700 2500 Расход кислорода в л/час. . • . . . 85 165 330 550 825 1300 1850 2750 Диаметры каналов в мм: инжектора.... 0,30 0,30 0,40 0,50 0,60 0,80 1,00 1,20 мундштука.... 0,70 0,90 1,25 1,60 1,90 2,40 2,85 3,45

При зажигании горелки открывается сначала кислородный вен­тиль, и струя кислорода создаёт разрежение в камере инжектора, производя подсос ацетилена. Затем открывается ацетиленовый вен­тиль, и зажигается пламя горелки. Пламя регулируется ацетилено­вым вентилём до получения надлежащего характера пламени и со­става газовой смеси, при этом индикатором служит внутренняя часть пламени, так называемое ядро пламени, его размеры, очерта­ния и цвет.

Тушение горелки производится в обратном порядке: сначала за­крывается ацетиленовый вентиль, а затем кислородный. Ацетилено­вый вентиль перекрывается также при обратных ударах, замечен­ных неисправностях горелки и т. п. Неисправность горелки обычно сказывается на внешнем ваде пламени, которое получает непра­вильную форму.

Сварочная горелка является достаточно сложным и точно изго­товленным инструментом и требует аккуратного и бережного обра­щения. При перерывах в работе горелка вешается на стойку или крючок у рабочего места. При значительном нагреве горелка охлаж­дается обмакиванием в ведро с водой, находящееся у рабочего места сварщика: кислородный вентиль при этом немного открыт, что устраняет возможность попадания воды внутрь горелки. Про­чистка канала мундштука может производиться лишь медными или латунными прочищалками. Пользование для этой цели стальной проволокой запрещается, так как она царапает и разрабатывает канал мундштука и быстро приводит его в негодность.

Помимо обычных стандартных широко распространённых в про­мышленности сварочных горелок, существуют многочисленные спе­циальные типы горелок, применяющиеся сравнительно редко. Можно отметить специальные формы наконечников для сварки в трудно­доступных местах, двух - и трёхпламенные горелки, горелки для по­догрева, горелки для пайки, у которых мундштук имеет боковые отверстия для подсоса воздуха, снижающего слишком высокую тем­пературу адетилено-кислородного пламени, особо мощные горелки с водяным охлаждением и т. д. Все эти специальные горелки имеют в нашей промышленности довольно ограниченное применение.

В последние годы появились специальные многопламенные сва­рочные горелки с большим количеством огней в одной горелке. Эти горелки несомненно являются новым и важным усовершенствова­нием техники газовой сварки и будут ниже рассмотрены более под­робно.

43. СВАРОЧНОЕ ПЛАМЯ

Рассмотрим лишь ацетилено-кислородное пламя, как имеющее наибольшее значение для сварочной техники. Полное сгорание аце­тилена происходит по уравнению:

С2Н3 + І 02=2С02+Н20.

Эта формула даёт лишь состав начальных и конечных продуктов сгорания ацетилена и не отражает сложных промежуточных про­цессов, происходящих в пламени и имеющих существенное значение для процесса сварки. Схематически процесс сгорания ацетилена в смеси с кислородом можно представить следующим образом. Сна­чала под влиянием нагрева происходит распад ацетилена на эле­менты по уравнению С2Н2 + С>2 = 2С + Н2 + 02, а затем — первая ста­дия сгорания ацетилена и процесс окисления углерода по формуле 2С + Н2 + <Э2 = 2СО + И,. Во второй стадии СО окисляется в С02, а Н-2 в НгО:

2СО + Н2 — 3 02 = 2С02 С Н20.

Необходимый для первой стадии горения кислород называется первичным и в сварочное пламя вводится в технически чистом виде из баллона. Кислород, необходимый для второй, заключительной стадии горения, называется вторичным и в сварочное пламя посту­пает, главным образом, из окружающего атмосферного воздуха. Рассмотренная схема процесса горения с разделением его на две стадии является лишь грубо приближённой. Более глубокое изуче­ние процесса горения показывает, что в первой стадии лишь незна­чительная часть ацетилена распадается по реакции С2Н2 = 2С + Н2, основная же его часть превращается в 2СО + Н2 через целую цепь химических превращений.

Обе стадии сгорания ацетилена в кислороде экзотермичны. Наи­высшая температура развивается в зоне пламени, где проходит идущая за счёт первичного кислорода, подаваемого из баллона, первая стадия сгорания ацетилена по реакции: С2Н2 + 02 = 2СО+ Н2.

В соответствии с уравнением первой стадии горения кислород и ацетилен должны подаваться в горелку в равных объёмах, т. е. должно сохраняться объёмное соотношение 02 : С2Н2=1. В действи­тельности, Как показывает опыт, для полного окисления углерода

в СО в первой стадии горения приходится давать в пламя больше - кдслорода и соотношение 02 : С2Н2 = 1,1 —1,2. Это объясняется тем, что приведённое выше уравнение не отражает полностью процесса, протекающего в первой стадии горения, например, при окислении углерода в СО неизбежно сгорит и некоторая часть водорода, обра­зуя при этом пары воды.

В зависимости от хода реакций сгорания ацетилена сварочное ацетилено-кислородное пламя имеет форму, схематически показан­ную на фиг. 136.

Во внутренней части ядра пламени 1 происходит постепенный подогрев до температуры воспламенения газовой смеси, поступаю­щей из мундштука. В тонкой наружной оболочке ядра происходит частичный распад ацетилена С2Н2 = 2С + Н2 с выделением твёрдых частиц углерода. Раска­лённые твёрдые частицы углерода ярко светятся, поэтому оболочка ядра является самой яркой частью сварочного пламе­ни, несмотря на то, что её температура относительно Фиг - 136‘ Схе“4оГГаме„ИиЛОР°ДНОГО сва_ невысока и не превышает 1500°

Ядро называется также первой зоной пламени. Внешний вид ядра служит чувствительным индикатором для визуального опре­деления состава газовой смеси и исправности горелки. Зона 2 является самой важной частью сварочного пламени, так как в ней развивается наивысшая температура. В зоне проходит первая ста­дия сгорания ацетилена за счёт первичного кислорода, поступаю­щего из баллона; она называется сварочной зоной или второй зоной. В сварочной зоне проходит реакция по формуле:

С2Н2 4- 02 = 2СО 4 Н2.

Как видно из этого уравнения, в результате реакции получается смесь, состоящая на 2/з из окиси углерода СО и на */з из водо­рода Н2, обладающая восстановительными свойствами по отноше­нию к окислам многих металлов, в том числе и к окислам железа. Поэтому сварочная зона иногда называется также восстановитель­ной зоной. Факел или хвост пламени образует наружную или третью зону 3, в которой за счёт кислорода атмосферного воздуха проте­кает вторая стадия горения ацетилена:

2СО 4 н, 4- ^ о2 = 2СО, 4 н2о.

Атмосферный воздух вводит в пламя вместе с кислородом и азот, и указанная реакция приближённо протекает по формуле

2СО 4 Н2 4 J-О, 4 6N2 = 2СОа 4 НаО 4 6N2,

что точнее отображает состав газов наружной зоны. В этой зоне основными составными частями помимо азота являются двуокись

углерода С02 и пары воды, а также продукты их диссоциации. Как двуокись углерода, так и водяные пары при высоких темпера­турах окисляют железо, поэтому наружная зона или факел пламени называется также окислительной зоной.

На фиг. 136 схематически показано так называемое нормаль­ное пламя, характеризующееся ярким, резко очерченным ядром ци­линдрической формы белого цвета, в котором отношение 02: С2Н2 = = 1,1—1,2. При увеличении этого отношения, т. е. относительном увеличении содержания кислорода или уменьшении содержания ацетилена в смеси, форма и строение пламени меняются; особенно

заметны изменения ядра пламени. Увеличение со­держания кислорода в смеси ускоряет реакции окисления, ядро пламени укорачивается, умень­шается образование сво­бодного углерода, ядро бледнеет, приобретает си­неватую окраску и кониче­скую заострённую форму.

С уменьшением отно­шения 02: С2Н2, т е. с уменьшением содержания кислорода или увеличе-

/ —избыток кислорода; 2— нормальное пламя; НИЄМ Содержания ЗЦЄТИ - 3 — избыток ацетилена. ЛЄНЗ В ГЭЗОВОЙ СМЄСИ, ЦС-

акции окисления замед­ляются, поэтому ядро пламени удлиняется, увеличивается количество свободного углерода, частицы которого появляются и в сварочной зоне, очертания увеличенного ядра становятся размытыми и теряют чёткость.

При значительном избытке ацетилена частицы углерода появ­ляются и в наружной зоне, пламя становится коптящим, удлиняет­ся и приобретает красноватую окраску.

На фиг. 137 схематически показаны изменения очертания ядра пламени при изменениях состава газовой смеси. Изменения разме­ров, формы и цвета ядра хорошо заметны и могут служить чувстви­тельным индикатором для определения состава газовой смеси. При некотором навыке по виду ядра пламени можно достаточно точно устанавливать нормальный состав газовой смеси, не пользуясь ни­какими измерительными приборами для расхода газов.

Сварочная зона нормального пламени состоит преимущественно из смеси СО и Н2, восстанавливает окислы железа и мало влияет на содержание углерода в расплавленной стали. Нормальное пламя может быть названо восстановительным по отношению к окислам металла и нейтральным по отношению к углероду в металле. Пла­мя с некоторым избытком кислорода будет частично выжигать угле­род и по отношению к нему может быть названо окислительным
или обезуглероживающим. Пламя с избытком ацетилена будет по­вышать содержание углерода в наплавленном металле и называет­ся науглероживающим или ацетиленистым.

Температура пламени различна в различных его точках и зави­сит от состава газовой смеси и степени чистоты применяемых га­зов. Наивысшая температура наблюдается по оси пламени, причём она незначительна в первой зоне или ядре пламени, достигает ма­ксимума в сварочной зоне, на расстоянии 2—3 мм от конца ядра, и снова падает в третьей, или наружной зоне.

	і і і11
' 7
		-V
			-pw
-Щ
4-rt
1
1	і

Фиг. 139. Зависимость максимальной температуры пламени от состава газовой смеси.

Фиг. 138. Распределение температуры по оси пламени.

3500 3400 3300 1200 * g 3100 I g.3300 I 2900 2800 2700 Ог 35 45 55 65 75 85 C2«2 65 55 45 35 25 15 0г:Сг5г 0,59 0,82 122 1,85 3 5,57

Максимальная температура ацетилено-кислородного пламени определялась многими исследователями как теоретически — путём расчётов, так и экспериментально — непосредственным измере­нием. Оба метода дают удовлетворительное совпадение резуль­татов. Экспериментальные измерения температуры ацетилено-кис­лородного пламени спектральным методом производил Н. Н. Кле­банов.

На фиг. 138 показано изменение температуры по оси нормаль­ного пламени, а на фиг. 139 показана зависимость максимальной температуры пламени от состава газовой смеси. Максимальная тем­пература сосредоточена на небольшом участке пламени, который в процессе сварки должен находиться у поверхности металла. Из фиг. 139 видно, что наивысшая температура пламени, а следова­тельно, и производительность сварки наблюдается при некотором избытке кислорода в смеси по сравнению с нормальным пламенем. Максимальную температуру нормального пламени для достаточно чистых кислорода и ацетилена можно принять равной 3100—3200°.

Газовая, или газоплавильная, сварка относится к группе спосо­бов сварки плавлением и занимает важнейшее место в этой группе, уступая по практическому значению лишь дуговой электросварке. Для осуществления процесса газовой сварки возможно применение разных горючих, соответственно чему можно различать сварку во­дородно-кислородную, бензино-кислородную и т. д. Преобладаю­щее значение имеет ацетилено-кислородная сварка; другие виды го­рючих имеют ограниченное применение. Технологически газовая сварка во многих отношениях сходна с дуговой электросваркой, имеются и промежуточные переходные способы между ЭТИ­МИ двумя основными видами, например атомно-водородная сварка. Существенным технологическим отличием газовой сварки от дуго­вой электросварки является более плавный и медленный нагрев металла. Это основное отличие сварочного газового пламени от сварочной дуги является в одних случаях недостатком, в других —• преимуществом газового пламени и определяет следующие основ­ные области его применения: 1) малые толщины сталей 0,2—

5 мм; 2) легкоплавкие металлы, например цветные металлы и их сплавы; 3) металлы, требующие при сварке постепенного мягкого нагрева и замедленного охлаждения, например многие инструмен­тальные стали; 4) металлы, требующие подогрева при сварке, на­пример чугун и некоторые сорта специальных сталей; 5) твёрдая пайка; 6) некоторые виды наплавочных работ.

Благодаря универсальности и сравнительной простоте и порта­тивности необходимого оборудования газовая сварка весьма целе­сообразна для многих видов ремонтных работ. Сравнительно мед­ленный нагрев металла газовым пламенем быстро снижает произ­водительность газовой сварки с увеличением толщины металла, и при толщинах стали выше 8—10 мм газовая сварка обычно эконо­мически невыгодна, хотя технически ещё возможна сварка стали толщиной 30—40 мм. Замедленный нагрев создаёт разогревание значительного объёма основного металла, прилегающего к свароч­ной ванне, что, в свою очередь, вызывает значительные деформа­ции (коробление) свариваемых изделий. Это важное обстоятель­ство делает газовую сварку технически нецелесообразной, не говоря

6 экономической невыгодности для сварки таких, например, объектов, как строительные металлоконструкции, мосты, вагоны, корпуса судов, станины крупных машин и т. п.

Значительные деформации металла, возникающие при газовой сварке, налагают ограничения на рациональные формы сварных соединений. Из многообразных форм сварных соединений, выпол­няемых дуговой электросваркой, при газовой сварке пользуются, как правило, лишь простейшим стыковым соединением. Угловые швы и соединения — нахлёсточное и тавровое, образуемые этими швами, при газовой сварке используются лишь в случаях необхо­димости, из-за затруднений, создаваемых значительными деформа­циями металла, свойственными газовой сварке. Применяются стыко­
вые соединения как без скоса кромок, без отбортовки и с отбортов - кой кромок (особо удобное соединение для газовой сварки), так н с одно - и двусторонним скосом кромок (фиг. 140). Мощность сварочной ацетилено-кислороднсй горелки, определяемая часовым расходом ацетилена, приблизительно может быть подобрана по эмпирической формуле

A = kS,

где А — расход ацетилена в л/час-,

S— толщина металла в ММ;

к — коэффициент, определяемый опытным путём.

Для малоуглеродистой стали, чугуна и алюминия обычно при­нимают среднее значение к=100; для красной меди к=140; для нержавеющей стали 18/8 — к=75.

Квалифицированные сварщики могут пользоваться и более мощ­ными горелками, увеличивая скорость продвижения пламени вдоль шва, что повышает производительность сварки.

S « б мм і. Формы соединений для газовой сварки.

Горелка обычно ре­гулируется для работы на нормальном пламе - ни. Тепловое воздей­ствие пламени на ме­талл зависит не только,-----

от мощности пламени, но и от угла наклона оси пламени к поверхности металла. Наиболее ин­тенсивно действует пла - мя, когда его ось нор­мальна к поверхности металла. С уменьшена - А ем угла наклона тепло - (/ вое действие пламени ослабевает и распреде - Фиг-

ляется по большей пло­щади. Таким образом, кроме подбора соответствующего размера го­релки, сварщик может плавно регулировать тепловое действие пла­мени на металл, делать пламя более мягким или жёстким, меняя угол наклона пламени к поверхности изделия. С увеличением толщины металла принято увеличивать угол наклона пламени и уменьшать его с уменьшением толщины металла.

На фиг. 141 показаны обычно применяемые углы наклона оси пламени или оси мундштука горелки в зависимости от толщины металла. В процессе сварки горелке сообщают колебательные дви­жения, и конец мундштука описывает зигзагообразный путь, анало­гичный пути, проходимому концом металлического электрода при дуговой сварке (фиг. 142). Горелку сварщик держит в правой руке; если же шов требует добавления присадочного металла, то сварщик держит присадочный пруток в левой руке. Присадочный
пруток располагается под углом 45° к поверхности металла, причём конец его должен быть погружён в ванну расплавленного металла. Концу прутка сообщают зигзагообразные колебательные движения в направлении, противоположном движениям горелки, таким об­разом, что пруток и мундштук горелки движутся всегда навстречу друг другу.

Фиг. 141. Зависимость угла наклона горелки от толщины металла.

Газовая сварка может производиться как в нижнем, так и в вер­тикальном и потолочном положениях. Существуют два способа вы­полнения газовой сварки, так называемые левый и правый способы.

При обычно применяемом левом способе сварки впереди пере­мещается присадочный пруток, за ним следует горелка. Сварной

Фиг. 142. Схема поперечных колебатель­ных движений мундштука горелки.

шов остается сзади го­релки, пламя направле­но вперёд на основной металл. Наиболее удоб­но для сварщика в этом случае перемещать го­релку вдоль шва справа налево.

При правом способе сварки впереди переме­щается горелка, за ней

следует присадочный пруток, расположенный между швом и горел­кой. Шов расположен впереди горелки, считая по направлению пламени, пламя направлено назад на сварной шов. При правом способе горелка обычно перемещается слева направо. Оба способа схематически изображены на фиг. 143, а и б.

Правый способ даёт лучший к. п. д. использования тепла пламени, а потому повышает производительность сварки и соответ­ственно снижает на 15—20% удельный расход газов. Несмотря на указанное преимущество правый способ применяется довольно редко, это объясняется тем, что преимущество этого способа за­метно проявляется лишь при сварке металла толщиной свыше 5 мм, что редко встречается при сварке газом. На малых толщинах правый способ, не давая заметных выгод, увеличивает опасность прожога металла, почему и не применяется.

Недостаточная производительность газовой сварки во многих
случаях и возрастающая конкуренция со стороны дуговой сварки послужили в последние годы стимулом для проведения ряда работ, имеющих целью повышение производительности и экономичности газовой сварки. В первую очередь нужно упомянуть применение многопламенных горелок. Для ручной сварки предлагались двух - и трёхпламенные горелки. В горелках для автоматической газовой сварки число огней доходит до десяти и более. Пламя газовой го-

а —левая сварка; 6 — правая сварка.

релки имеет в активной своей части форму, приближающуюся к ци­линдрической, не являющуюся оптимальной для многих случаев сварки. С целью повышения производительности газовой сварки целесообразно разделить пламя на несколько отдельных самостоя­тельных огней, расположенных по оси шва. Несмотря на несомнен­ное повышение производительности сварки, даваемое многопламен - ными горелками, они пока не нашли заметного распространения

в нашей промышленности из-за сложности конструкции и обслужи­вания, громоздкости и неудобства в работе по сравнению с нор­мальной однопламенной горелкой.

Проводились опыты повышения производительности газовой сварки за счёт изменения составов газовой смеси, подаваемой в го­релку. Температура сварочного пламени повышается и скорость сварки увеличивается с повышением содержания кислорода в смеси сверх нормы, примерно ДО величины отношения 02 : С2Н2=1,3—1,4. Окисляющее воздействие пламени на расплавленный металл ком­пенсируется применением специальной присадочной проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния. Практического применения в нашей промышленности этот способ не нашёл. Пред­лагался и способ противоположного характера с некоторым увели­чением содержания ацетилена в смеси против нормы; получаемое пламя науглероживает поверхностный слой металла кромок и оп­лавляет этот тонкий слой с большой скоростью, что повышает про­изводительность сварки. Добавка малоуглеродистого присадочного металла приводит к обычной норме содержание углерода в наплав­ленном металле. Этот способ также не нашёл практического при­менения в нашей промышленности.

Присадочные прутки для газовой сварки применяются различ­ного состава, соответственно характеру основного металла. Диаметр прутка выбирается в соответствии с толщиной основного металла. Для приблизительного подбора диаметра присадочного прутка можно пользоваться эмпирической формулой:

d = —-- 1,

2 1

где d — диаметр присадочного прутка в мм;

S — толщина основного металла в мм.

Присадочная проволока для газовой сварки сталей применяется та же, что и для электродов при дуговой электросварке, и изготов­ляется по ГОСТ 2246-51.

Для газовой сварки малоуглеродистой стали применяется про­волока марок Сві, Св1-А и СвІІ по ГОСТ 2246-51. ,

Для сварки чугуна выпускаются специальные литые чугунные стерженьки с повышенным содержанием углерода и кремния.

Для наплавки твёрдых износостойких покрытий выпускаются стерженьки литых твёрдых сплавов, например твёрдый сплав сор - майт, разработанный Сормовским заводом.

Взамен электродных обмазок, применяемых при дуговой элек­тросварке, в газовой сварке довольно широко пользуются флю­сами, применение которых является необходимым для газовой сварки чугуна, цветных металлов н некоторых специальных сталей.

Флюсы добавляются в ванну для растворения окислов и обра­зования легкоплавких шлаков, хорошо всплывающих на поверх­ность ванны. Во флюсы могут вводиться восстановители, раскислн - тели и присадки, легирующие наплавленный металл. Флюсы прн - меняются в форме порошков и паст, наносимых на основной ме­талл или на присадочный пруток. Действие флюсов на окислы мо­жет быть химическим и физическим, однако часто между ними трудно провести чёткую границу. Химическое действие флюсов за­ключается в образовании с окислами металлов легкоплавких соеди­нений, устойчивых при высоких температурах. Для химического флюсования окислов металлов основного характера, например закиси железа FeO, во флюсы вводятся окислы кислотного характера, на­пример двуокись кремния Si02 (кварцевый песок, толчёное окон­ное стекло) и борный ангидрид В2О3 (бура, борная кислота). Для флюсования окислов кислотного характера, например двуокиси кремния SiOa, применяются соединения, дающие основные окислы. С этой целью обычно применяются сода NazCO.-? и поташ К2СО3, дающие соответственно в зоне сварки основные окислы Na20 и КгО. Для флюсов-растворителей применяют главным образом галоидные соли щелочных и щёлочно-земельных металлов NaCl, КС1, LiCl, СаС12 NaF, KF, CaF2 и др., а также углекислые и фосфорнокислые соли натрия. Для усиления действия флюсов-растворителей в них часто добавляют бисульфаты натрия или калия NaHS04 и KHSCF. При расплавлении флюса бисульфаты взаимодействуют с галоид­ными солями, образуя свободные галоидоводородные кислоты по уравнению

NaF 4- NaHS04 = Na, S04 - f - HF.

Образующаяся свободная кислота переводит окислы металла в галоидные соли, усиливая их растворимость во флюсе и понижая температуру плавления образующегося шлака.

Применение газовой сварки обширно и разнообразно. В широ­ких размерах газовую сварку применяют в самолётостроении, где преобладает сварка малых толщин металла (1—3 мм), а сва­риваются преимущественно конструкционные стали повышенной ■прочности типа хромансиль и др. Широко применяется газовая свар­ка в производстве химической аппаратуры. Важное значение имеет газовая сварка в прокладке и монтаже трубопроводов самых разнообразных назначений, в особенности малых диаметров — до 100 мм.

Газовая сварка является незаменимым мощным средством при ремонте и с этой целью широко используется в ремонтных мастер­ских для всех видов транспорта, в сельском хозяйстве и т. д. Газо­вая сварка применяется для сталей, цветных металлов: меди, мед­ных сплавов, алюминия и его сплавов и т. д.; чугуна, наплавки литых твёрдых сплавов и обеспечивает получение удовлетворитель­ных механических свойств наплавленного металла и сварного соединения, отвечающих в большинстве случаев требованиям про­мышленности.

Качество сварных соединений, выполняемых газовой сваркой, выше, чем при дуговой сварке электродами с тонкой ионизирующей обмазкой, но несколько уступает дуговой сварке, выполненной ка­чественными электродами. Основная причина некоторого снижения прочности сварных соединений состоит в том, что при газовой свар­ке не производится легирования наплавленного металла, в то время как при дуговой сварке качественные электроды, содержащие в обмазке ферросплавы, производят довольно значительное легиро­вание. Таким образом, газовая защита, обеспечиваемая восстанови­тельной зоной сварочного пламени, для получения качественного сварного соединения менее эффективна, чем действие качественных электродных обмазок при дуговой электросварке.

Производительность газовой сварки, значительная при малых толщинах основного металла, быстро снижается с увеличением егсс толщины. При малых толщинах 0,5—1,5 мм газовая сварка по про­изводительности может превосходить дуговую, так как при послед­ней приходится уменьшать скорость сварки очень тонкого материала во избежание прожогов. С увеличением толщины металла до'

2— 3 мм скорости газовой и дуговой сварки сравниваются, а затем разница в скоростях быстро возрастает с увеличением толщины металла в пользу дуговой сварки. При малых толщинах абсолют­ный расход газов на 1 м сварного шва невелик; основным слагае­мым стоимости сварки является заработная плата сварщика, и общая стоимость 1 м сварного шва может быть меньше, чем при других способах сварки. С увеличением толщины основного металла быстро растёт стоимость газов и расход времени на сварку 1 м шва, и газовая сварка становится дороже дуговой; разница в стои­мости быстро увеличивается с возрастанием толщины основного металла. Таким образом, экономически газовая сварка наиболее приемлема для сварки малых толщин металла.

Для многих работ существенным техническим недостатком газо­вой сварки является прогрев значительного объёма основного ме­талла, прилегающего к сварному шву, что вызывает значительные деформации изделий. В некоторых случаях мягкость и постепен­ность нагрева газового пламени и значительный объём зоны влия­ния являются не недостатком, а, наоборот, преимуществом газовой1 сварки. К таким работам, например, относятся сварка чугуна, особо хрупких легко закаливающихся сталей, наплавка литых твёрдых сплавов, твёрдая пайка и т. д. К особенностям газовой сварки сле­дует также отнести почти исключительное выполнение сварных швов за один проход. Выполнение швов за несколько проходов, т. е. в несколько слоёв, широко практикуемое в дуговой сварке, почти не находит применения при газовой сварке, где довольно1 часто применяется проковка шва в горячем состоянии, дающая в ряде случаев хорошие результаты: повышение плотности наплав­ленного металла и прочности шва. Газовое пламя менее ярко, чем сварочная дуга, излучения пламени не обжигают кожи лица, по­этому достаточна защита глаз сварщика очками с окрашенными стёклами, лицо же остаётся открытым.

В табл. 17 приведены средние данные производительности и расхода газов для ручной газовой сварки стали нормальными одно­пламенными горелками.

Таблица 17 Примерные режимы ручной ацетилено-кислородной сварки стыковых швов Толщина металла в мм Форма соединения Диаметр присадоч­ной прово­лочки d в мм Расход в л/час Произво­дитель­ность свар­ки в м/час ацетилена кислорода 1 иет 75 85 10 2 С. 'II “1 2 150 165 7 3 D D 2,5 300 330 6 4 □а 3 500 550 5 6 асз 4 750 820 3 10 глп 6 1200 1300 2 16 глп 8 1700 1900 1,5

53. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ГАЗОВАЯ СВАРКА

В настоящее время в промышленности применяется главным образом ручная газовая сварка. Механизация и автоматизация это­го важного технологического процесса находятся ещё в начальной стадии развития. Такое положение отчасти объясняется тем, что га­зовая сварка обычно применяется для относительно мелких нестан­дартных работ с небольшой длиной сварных швов, где автоматиза­ция процесса не даёт особенно больших выгод.

В производствах массовых и серийных изделий с достаточно длинными сварными швами автоматическая газовая сварка заслу­живает серьёзного внимания, значительно большего, чем ей уделя­лось до сих пор в нашей промышленности. Так, например, в про­изводстве тонкостенных стальных труб на заварке продольного шва без присадочного металла достигнута скорость сварки на газовых автоматах 60 мімин (3600 м/час), что, пожалуй, является рекорд­ной цифрой для современной сварочной техники.

В газовых сварочных автоматах применяются мощные много­пламенные горелки с водяным охлаждением. В зависимости от ха­рактера изделия применяются как перемещения горелки при непо­движном изделии, так и перемещения изделия относительно непо­движной горелки (например, автоматы для заварки продольного шва труб).

Для заварки продольного шва трубных заготовок применяются многопламенные горелки с расположением огней в один ряд вдоль оси шва. Число огней в горелке берётся от 20 до 40 при среднем расстоянии между огнями около 10 мм, причём это расстояние не остаётся постоянным, а меняется по длине наконечника горелки в соответствии с тепловым эффектом, который необходимо получить на отдельных участках зоны, обогреваемой горелкой. Производитель­ность сварки в среднем 30 м/мин (1800 м/час) при полном проваре сечения. Газовая смесь берётся с избытком кислорода, что обеспе­чивает максимальную температуру пламени. Особенно эффективна автоматическая сварка стыковых и угловых швов с отбортовкой кромок, не требующих присадочного металла.