1.3.Теоретические основы газовой сварки и резки

Все виды газопламенной обработки характеризуются использованием местного нагрева обрабатываемого материала газовым потоком соответствующей температуры. Этот нагрев обычно осуществляется пламенем горючих газов. Наиболее универсальным источником нагрева для всех видов газопламенной обработки будет пламя, температура которого выше 2000 С. Такую температуру пламени можно получить только при сжигании углеводородов и водорода в чистом кислороде. Поэтому для выполнения газопламенной обработки материалов в основном используют горючие высококалорийные газы и пары углеводородов, а также чистый кислород.

При горении газовой смеси образуется газовое пламя, которое и является источником нагрева. Строение пламени при горении углеводородов в кислороде характеризуется наличием трех зон: ядра, восстановительной зоны и факела. Форма и размеры этих зон зависят от соотношения кислорода и горючего газа в смеси и характеризуются коэффициентом:

где: V_к – объем кислорода; V_г – объем горючего газа.

Теоретическое соотношение _max между количеством кислорода и горючего газа, требуемое для полного сгорания, определяется элементарным составом горючей смеси. Для сложных газовых смесей оно может быть определено по формуле

.

Оптимальное соотношение между количеством кислорода и горючего в смеси, 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. Рабочее соотношение между кислородом и горючим газом в смеси при сварке должно быть меньше оптимального во избежание окисления, а при резке в целях повышения производительности – близким к оптимальному отношению.

Имеет значение также скорость воспламенения горючей смеси – скорость движущегося пламени в направлении, перпендикулярном поверхности воспламенения. Большая скорость воспламенения смеси кислорода с горючим газом создает условия для наиболее высокой температуры в зоне, применяемой для расплавления металла. Процесс горения происходит в несколько стадий.

Первая стадия характеризуется распадом углеводорода на углерод и водород. Этот процесс происходит в ядре пламени и ускоряется в присутствии кислорода в смеси с углеводородом. Реакция распада ацетилена имеет вид

.

Вторая стадия горения характеризуется образованием СО и Н₂. Выделяющийся в результате распада ацетилена углерод окисляется находящимся в смеси кислородом по реакции:

.

Продукты этой реакции определяют состав восстановительной зоны пламени. Оксид углерода и водород, образующиеся в пламени, раскисляют металл, восстанавливая имеющиеся в сварочной ванне оксиды. При этом металл шва получается без газовых пор, пузырей и оксидных включений.

При недостаточном количестве подаваемого в горелку кислорода в горючей смеси часть углерода не окислится, и его частицы будут догорать в других зонах пламени, уже за счет кислорода воздуха. При взаимодействии пламени с металлом будет происходить науглероживание металла. При избытке кислорода уже в ядре начнется третья стадия горения, заключающаяся в том, что образующиеся СО и Н₂ частично окисляются в СО₂ и Н₂О за счет кислорода воздуха по реакции

.

Продукты сгорания вместе с попавшим в пламя воздухом образуют третью зону пламени – факел оранжево-фиолетовых оттенков при  = 1, желто-оранжевых – при  < 1 и фиолетовых – при  > 1.

Нормальное пламя имеет ядро, восстановительную зону и факел. У ядра четко очерченная форма, близкая к форме цилиндра с закругленным концом, и ярко светящаяся оболочка из раскаленных частиц углерода, сгорание которых происходит в наружном слое оболочки. Размеры ядра зависят от расхода горючей смеси и скорости ее истечения. С увеличением скорости истечения смеси ядро удлиняется, с уменьшением смеси – укорачивается.

Восстановительная зона имеет темный цвет, отличающий ее от ядра и остальной части пламени. Длина этой зоны достигает 20 мм от конца ядра. Она содержит оксид углерода и водород. Восстановительная зона имеет наиболее высокую температуру в точке, отстоящей на расстоянии 2-6 мм от конца ядра. Этой частью пламени нагревают и расплавляют металл в процессе сварки.

Остальная часть пламени за восстановительной зоной называется факелом. Факел содержит углекислый газ, пары воды и азот, которые образуются при сгорании окиси углерода и водорода восстановительной зоны за счет кислорода окружающего воздуха, в состав которого входит азот. Температура факела значительно ниже температуры восстановительной зоны.

Схемы образования пламени и распределения температур на различных газовых смесях приведены на рис. 4.

Нормальным считается пламя, в котором соотношение ацетилена и кислорода от 1:1 до 1:1,3. При большем соотношении получается окислительное пламя. Оно характеризуется укороченным, заостренным ядром с менее резкими очертаниями. Температура такого пламени выше, чем температура нормального пламени. При изменении соотношения между ацетиленом и кислородом от 1:0,95 и менее образуется науглероживающее пламя. В науглероживающем пламени ядро теряет резкие очертания, становится расплывчатым, а на конце ядра появляется зеленый венчик. Восстановительная зона светлее, почти сливается с ядром, и пламя принимает желтоватую окраску. Схемы сварочного пламени приведены на рис. 5.

При регулировании пламени следует обращать внимание на правильность установки давления кислорода и размер ядра пламени.

а) б) в)

Рис. 4. Схемы образования нормального ацетилен-кислородного пламени (а), нормального метан-кислородного пламени (б) и пропан-бутан-кислородного пламени (в): 1 – ядро; 2 – восстановительная зона; 3 – факел; 4 – свариваемый металл

С

Рис. 5. Схемы сварочного пламени:

науглероживающего (а), нормального (б) и окислительного (в)

повышением давления кислорода скорость истечения смеси из мундштука возрастает, и пламя становится «жестким», т. е. раздувает металл сварочной ванны и этим затрудняет сварку. При слишком большой скорости истечения смеси пламя может оторваться от мундштука. Если же давление кислорода недостаточно, то пламя становится короче и при приближении конца мундштука к металлу горелка начинает хлопать.

Температура является одной из важнейших характеристик пламени. Чем выше температура пламени, тем эффективнее процессы нагрева и плавления металла.

Нагрев металла пламенем обуславливается лучистым и в основном конвективным теплообменом между потоком горящих газов и соприкасающейся с ним поверхностью металла. Общее количество тепла, вводимое пламенем в единицу времени через единицу площади нагреваемой поверхности металла определяется по формуле:

где  – коэффициент теплообмена, равный сумме лучистого и конвективного теплообмена; Т_г – температура потока газов; Т_м – температура поверхности металла.

При соприкосновении с поверхностью металла газовый поток пламени растекается, образуя при перпендикулярном направлении потока симметричное относительно центра пятно нагрева. При отклонении оси пламени от перпендикуляра к поверхности изделия пятно нагрева вытягивается по направлению оси и сужается по бокам. Интенсивность нагрева впереди ядра пламени увеличивается, а за ним – уменьшается. Характер распределения удельного теплового потока в пятне может быть выражен формулой:

где r – расстояние от центра пятна нагрева; q_max – максимальный удельный тепловой поток на оси пламени; k – коэффициент сосредоточенности; e – основание натуральных логарифмов.

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 КПД с увеличением мощности пламени падает. Значение эффективного КПД определяется из выражения:

где q_эф – количество тепла, полученное металлом; q_п – полная тепловая мощность, соответствующая низшей теплотворной способности горючего.

На эффективную тепловую 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 , толщина металла, его теплофизические свойства. Зависимости эффективной тепловой мощности и КПД от расхода горючего газа приведены на рис. 6.

Полный коэффициент проплавления может быть определен из формулы:

где V_ср – средняя скорость перемещения горелки; F_пр – площадь поперечного сечения металла шва;  - удельный вес металла; S_пл – теплосодержание расплавленного металла при температуре плавления; Q_а – расход ацетилена.

Полный коэффициент полезного действия при газовой сварке сравнительно мал, потери тепла составляют до 45 %.

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.

Рис. 6. Зависимости эффективной тепловой мощности и КПД от расхода горючего газа

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, водородом, азотом и углеродом. Так, при сварке сталей, поступающая с кромок расплавляемого металла, а также образующаяся на поверхности жидкого металла FeO растворяется в сварочной ванне и реагирует с различными элементами внутри сварочной ванны по реакциям:

Во всех случаях происходит восстановление железа из его закиси. По мере уменьшения количества раскислителей в жидком металле вероятность его соединения с кислородом уменьшается. На конечное содержание кислорода в ванне будут влиять и другие раскислители.

При сварке следует учитывать и влияние водорода. При охлаждении сварочной ванны в расплавленном металле растворяется атомарный водород, который по мере понижения температуры стремится выделиться из раствора.

Если охлаждение металла и кристаллизация происходят достаточно быстро, выделившийся водород в виде отдельных газовых пузырьков приводит к пористости или увеличивает поры, полученные от образования в ванне СО. При дальнейшем охлаждении металла водород продолжает выделяться в оставшиеся полости или пустоты у границ зерен, создавая возможность разрыва связей между зернами. Это приводит к образованию флокенов. При реакции водорода с оксидами металлов могут также образовываться нерастворимые в металле пары воды по реакции:

.

Это приводит к появлению внутренних надрывов («водородной болезни») и ухудшению механических свойств металла шва.

В пламени могут присутствовать SO₂ или P₂O₅, которые, взаимодействуя с расплавленным металлом, увеличивают содержание в нем серы и фосфора, что может привести при кристаллизации к образованию «горячих» трещин.

Процесс газовой резки основан на сгорании металла в струе кислорода и удалении этой струей образующихся оксидов. Процесс резки начинается с нагревания металла в начальной точке реза до температуры, достаточной для воспламенения данного металла в кислороде.

Сгорание железа в кислороде протекает по следующим реакциям:

Нагрев производится подогревающим пламенем, образуемым при сгорании горючего газа в кислороде. Когда температура нагрева металла достигает требуемой величины, пускается струя режущего технически чистого кислорода. Направленная на нагретый участок металла струя режущего кислорода вызывает немедленно интенсивное окисление верхних слоев металла, которые, сгорая, выделяют значительное количество теплоты и нагревают до воспламенения в кислороде слои, лежащие ниже. Образующиеся в процессе резки оксиды, будучи в расплавленном состоянии, увлекаются струей режущего кислорода и выдуваются из плоскости реза. Стекая в образуемый в металле рез, оксиды отдают металлу часть своей теплоты, производя дополнительный подогрев его и способствуя непрерывности процесса резки.

Газовой резке поддаются не все металлы, а только те из них, которые удовлетворяют следующим основным условиям.

Первое условие. Температура плавления металла должна быть выше температуры его воспламенения в кислороде.

Под температурой воспламенения металла в кислороде подразумевается температура нагрева металла, при которой он начинает интенсивно окисляться в кислородной струе направленной на его поверхность. Для сталей наиболее вероятной температурой является температура около 1350 С, поэтому низкоуглеродистая сталь, имеющая температуру плавления около 1500 С, удовлетворяет первому условию и хорошо поддается процессу кислородной резки. Существенное влияние на величину температуры воспламенения оказывает содержание углерода в железоуглеродистом сплаве. Чем выше это содержание, тем хуже сплав поддается кислородной резке, так как с увеличением содержания углерода в химическом составе стали температура плавления сплава уменьшается, а температура его воспламенения в кислороде возрастает.

Второе условие. Температура плавления оксидов металла должна быть ниже температуры плавления самого металла и температуры, которая развивается в процессе резки данного металла. В противном случае оксиды, образующиеся на поверхности нагреваемого металла при воздействии кислородной струи, будут препятствовать дальнейшему окислению металла и удалению расплавленных при нагревании фракций. Примером таких металлов могут служить высокохромистые и хромоникелевые стали, на поверхности которых образуется оксид Cr₂O₃, с температурой плавления около 2000 С; сплавы алюминия, образующие оксид Al₂O₃ с температурой плавления около 2060 С и др. Все эти сплавы обычному процессу газовой резки не поддаются.

Третье условие. Количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть достаточно для поддержания непрерывного процесса резки. Например, при резке малоуглеродистой стали до 70 % количества теплоты получается при сгорании железа и его примесей, а количество теплоты, которое вводится в металл подогревающим пламенем, составляет всего лишь около 30 % общего количества теплоты, выделяемой в процессе резки.

Четвертое условие. Теплопроводность металла не должна быть слишком высокой. В противном случае теплота, сообщаемая подогревающим пламенем и выделяемая в процессе резки, настолько интенсивно будет отводиться металлом от места резки, что процесс резки или не начнется, или будет прерываться. Примером могут служить медь, алюминий и их сплавы.

Пятое условие. Образующиеся оксиды должны быть жидкотекучими. В противном случае шлак при резке будет плохо выдуваться кислородной струей и тем самым будет тормозить процесс резки. Примером значительной вязкости шлака может служить чугун, в котором благодаря высокому содержанию кремния образуется в большом количестве оксид кремния SiO₂, обладающий значительной тугоплавкостью и большим температурным интервалом изменения вязкости.

Шестое условие. В металле, подвергаемом газовой резке, должно быть ограниченное содержание примесей, препятствующих процессу резки (C, Cr, Si и др.) и повышающих закаливаемость (Mo, W и пр.).

Из рассмотрения приведенных выше условий резки следует, что наилучшим образом всем этим условиям удовлетворяют чистое железо и низкоуглеродистые стали. С повышением в стали содержания углерода свыше 0,7 % процесс газовой резки протекает с трудом, требует предварительного подогрева до температуры 300‑600 С и делается совершенно невозможным при содержании углерода более 1‑1,2 %.

Чугун нормальному процессу газовой резки не поддается. Причиной этого служит, с одной стороны, относительно высокая температура воспламенения чугуна в кислороде (1370 С) – более высокая, чем температура плавления чугуна, составляющая для серого чугуна около 1200 С, с другой стороны, высокая температура плавления оксида кремния, препятствующая расплавлению оксида в процессе резки и делающая шлак недостаточно жидкотекучим, плохо удаляемым кислородной струей из зоны резки. Кроме того, препятствие процессу резки возникает из-за значительного образования СО и СО₂, загрязняющих режущий кислород и снижающих эффективность процесса окисления.

Высокохромистые и хромоникелевые стали также не поддаются нормальному процессу газовой резки. В этом случае резке препятствует высокая температура плавления оксида хрома, образующегося на поверхности нагреваемой стали и препятствующего процессу окисления нижележащих слоев металла.

Цветные металлы, в частности медь, алюминий и их сплавы, газовой резке не поддаются из-за высокой температуры плавления их окислов, значительной теплопроводности, препятствующей концентрации теплоты в зоне резки, и относительно низкого теплового эффекта окисления (последнее замечание относится к меди и ее сплавам). Исключение составляют сплавы титана, которые удовлетворяют всем условиям газовой резки.

Приход теплоты при газовой резке обуславливается действием подогревающего пламени и процессом сгорания металла и примесей в кислороде.

Теплота, выделяемая подогревающим пламенем, равна низшей теплотворности горючего по реакции полного сгорания его в кислороде. Расход теплоты при разделительной резке слагается:

- из теплоты, расходуемой на нагрев металла;

- из теплоты, расходуемой на нагрев шлака;

- из потерь теплоты (на подогрев неиспользуемого кислорода режущей струи, с отходящими газами подогревающего пламени, на излучение в окружающую среду).

Теплота, расходуемая на нагрев металла Q_н.м., определяется как разность теплосодержания разрезаемого листа до и после процесса резки из выражения

где S – теплосодержание листа после резки; S₀ – теплосодержание листа до резки.

Теплосодержание листа до резки определяется его температурой, равной обычно температуре окружающей среды, и определяется по формуле

,

где G – вес 1 м. погонной длины листа; c₀ – весовая теплоемкость при температуре T₀; Т₀ – температура окружающей среды.

Теплосодержание листа после резки проще всего определить методом калориметрирования разрезанных частей. Количество теплоты, определяемое этим методом, всегда несколько завышено, так как на разрезанных кромках всегда остается некоторое количество шлака, не удаленного кислородной струей в процессе резки (грата). Количество теплоты шлака , расходуемого на нагрев металла, принимаем равным 10 % от количества теплоты, расходуемой на нагрев шлака.

Теплота, поглощаемая металлом в процессе резки, слагается из части теплоты, выделяемой подогревающим пламенем, части теплоты, выделяемой в резе при сгорании металла.

Нагрев металла подогревающим пламенем обусловлен конвективным и лучистым теплообменом газов пламени с поверхностью разрезаемых кромок и прилегающих к ним зон металла. Введенная пламенем в металл теплота распространяется по разрезаемому листу за счет его теплопроводности.

Нагрев металла теплотой, выделяемой при сгорании железа, обусловлен в основном теплопроводностью в результате непосредственного контакта разрезаемых кромок с продуктами горения железа и частью затекающего на кромки шлака. В значительно меньшей степени этот нагрев обусловливается лучистым теплообменом между продуктами горения железа и поверхностью разрезаемого металла. Введенная в металл теплота сгорания железа также распространяется в разрезаемом металле за счет его теплопроводности.

Истечение режущей струи кислорода внутри факела подогревающего пламени изменяет состав пламени в сторону некоторого избытка в нем кислорода и повышает его эффективную тепловую мощность. Кроме того, избыток кислорода в пламени уменьшает размеры ядра, восстановительной зоны и факела, что приводит к увеличению концентрации теплоты вблизи ядра пламени и повышению эффективности нагрева металла. В то же время какая-то часть теплоты подогревающего пламени затрачивается на нагрев струи режущего кислорода и, таким образом, уменьшает тепловую мощность пламени.

Теплоту, вводимую подогревающим пламенем в металл в процессе получения 1 м реза можно определить как отношение

где q – величина эффективной тепловой мощности пламени; V_р – скорость резки.

Часть теплоты, выделенная при сгорании металла и израсходованная на его нагрев, определяется из выражения:

.

Таким образом, общее количество теплоты, расходуемое на нагрев металла, составляет

.

Теплота, расходуемая на нагрев шлака, определяется как разность теплосодержания, образованного резкой шлака при температуре шлака и металла при температуре листа до резки:

где G – вес металла в объеме образуемого реза длиной 1 м; S_ш – теплосодержание шлака; S_м – теплосодержание металла.

Шлак при газовой резке состоит в основном из оксидов металла и небольшого количества несгоревшего металла. Теплосодержание шлака рассматриваем как сумму теплосодержаний его составляющих:

где S¹_МеО; S¹_Ме – теплосодержание оксидов и теплосодержание несгоревшего металла в шлаке соответственно при температуре шлака Т¹ = 1600 С; g_Мео; g_Ме – весовые части оксидов и несгоревшего металла в шлаке.

В большинстве случаев температура металла перед резкой близка к комнатной, при которой величиной теплосодержания S_м можно пренебречь. Вес металла определяется из выражения

где  - удельный вес металла; b – ширина реза;  - толщина разрезаемого металла.

Потери теплоты определяются как разность прихода теплоты и расхода ее на нагрев металла и шлака:

где Q_г.п. – теплота, выделяемая при сгорании примесей, не превышает 3,5 % от теплоты Q_г.м.; Q_п.п. – теплота, выделяемая подогревающим пламенем, равная отношению 3,5-часового расхода горючего газа к скорости резки.

Таким образом, в общем виде уравнение теплового баланса разделительной резки будет иметь вид

.

С изменением толщины разрезаемого металла и режимов резки значения отдельных параметров теплового баланса меняются. Характерным для теплового баланса является то, что с уменьшением толщины разрезаемого металла определяющим фактором является теплота, сообщаемая подогревающим пламенем, а не теплота образования оксидов металла, как это имеет место при резке металла больших толщин (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость сообщаемой металлу теплоты подогревающего пламени

и теплоты горения металла от толщины разрезаемого металла