5. Необходимые приборы, оборудование и материалы

5.1. Сварочные посты.

5.2. Электроды (не менее 15 шт.).

5.3. Металл для наплавки.

5.4. Зубило, молоток.

5.5. Защитные очки.

6. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

6.1. В отчете привести краткие сведения из теории. Особое внимание обратить на классификацию электродуговой сварки, обозначение электродов и виды сварных соединений.

6.2. Ознакомиться с техникой электродуговой сварки и правилами безопасности при выполнении сварочных работ при дуговой сварке.

6.3. Для заданного электрода определить величину сварочного тока и установить ее на сварочном трансформаторе.

6.4. С соблюдением правил техники безопасности под наблюдением учебного мастера или преподавателя включить сварочный трансформатор и произвести наплавку валика. В процессе наплавки постоянно следить за длиной дуги и поддерживать ее постоянной. После окончания сварки выключить рубильник.

7. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

7.1. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2009. – 511 с.

7.2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Кафпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2009. – 637 с.

Лабораторная работа № 7 газовая сварка и резка металлов

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить сущность газовой сварки и резки металлов, применяемое оборудование и материалы. Освоить технику газовой сварки и резки металлов.

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Газовая сварка является одной из разновидностей термической сварки, сущность которой заключается в расплавлении кромок свариваемых изделий и добавочно вводимого присадочного материала теплом горящей газовой смеси.

При газовой сварке заготовки 1 и присадочный материал 2 в виде прутка или проволоки расплавляют высокотемпературным пламенем 4 газовой горелки 3 (рисунок 1). Газовое пламя получают при сгорании горючих газов (чаще ацетилена) в атмосфере кислорода.

Рисунок 1 – Схема газовой сварки  Рисунок 2 – Схема ацетиленового    генератора комбинированного                                                                                            типа: 1 – отбор газа; 2 – бак с                                                                                     водой; 3 – газосборник;                                                                                   4 – зарядник

Кислород, используемый для сварочных работ, поставляют к месту потребления в стальных баллонах под давлением 15 МПа.

Кислородные баллоны окрашивают в голубой цвет с черной надписью «Кислород».

Для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержания постоянного рабочего давления применяют газовые редукторы. Кислородные редукторы понижают давление от 15 до 0,1 МПа, ацетиленовые – от 1,6 до 0,02 МПа. Редукторы, применяемые в сварочной технике, обычно имеют два манометра, один из которых измеряет давление газа до входа в редуктор, другой – на выходе из него.

В качестве горючих газов чаще всего используют ацетилен, т.к. он имеет бóльшую теплоту сгорания по сравнению с другими горючими газами и высокую температуру пламени (3200°С). Кроме ацетилена можно также применять природные газы, водород, пары бензина и керосина, нефтяные газы и др. Перечисленные горючие газы могут быть использованы главным образом для кислородной резки, не требующей высокой температуры пламени.

Ацетилен получают в специальных аппаратах – газогенераторах при взаимодействии воды с карбидом кальция:

СаС₂ + 2Н₂О ↔ Са(ОН)₂ +С₂Н₂ + Q.

Существуют следующие типы и системы генераторов. По давлению вырабатываемого ацетилена - два типа генераторов: низкого давления (до 0,02 МПа) и среднего давления (0,02 ... 0,15 МПа). По способу применения - передвижные и стационарные. По способу взаимодействия карбида кальция с водой - три типа генераторов: система генераторов KB - карбид в воду; ВК - вода на карбид, с вариантами процессов: М - "мокрого" и С - "сухого"; К - контактный с вариантами процессов: ВВ - вытеснения воды и ПК - погружения карбида.

Количественное регулирование ацетилена осуществляют периодической дозировкой либо карбида кальция при постоянном объеме воды в зоне реакции (система «карбид на воду»), либо воды при загрузке всего карбида кальция (система «вода на карбид»). Широко применяют и комбинированную систему генераторов с дозировкой обоих реагирующих веществ.

Ацетиленовые генераторы (рисунок 2) независимо от системы имеют следующие основные элементы: зарядник, газосборник, предохранительные устройства против повышения давления в газосборнике и защиты генератора от обратных ударов пламени.

Наиболее распространенным ацетиленовым генератором является передвижной ацетиленовый генератор АСП-1,25-6 (выпускаемый в настоящее время) производительностью 1,25 м3/ч, рабочим давлением 0,01—0,07 МПа - контактного типа среднего давления прерывного действия - работает по системе ПК в сочетании с системой ВВ (рисунок 3).

Корпус 2 генератора состоит из газообразователя и промывателя, соединенных между собой переливной трубкой. В газообразователе происходит разложение карбида кальция с выделением ацетилена, в промывателе - охлаждение и отделение ацетилена от частиц извести. Вода в газообразователь заливается через горловину. При достижении переливной трубки 15 вода переливается по ней в промыватель, который заполняется до уровня контрольной пробки 13. Карбид кальция загружают в корзину 4, закрепляют поддон 10, устанавливают крышку с мембраной на горловину. Уплотнение крышки 8 с горловиной обеспечивается винтом 6 с помощью мембраны 5. Образующийся в газообразователе ацетилен по переливной трубке 15 поступает в промыватель, где, проходя через слой воды, охлаждается и промывается.

Рисунок 3 – Генератор ацетилена: а - общий вид; I - горловина;

II- газообразователь; III- вытеснитель; IV— промыватель;

б - генератор в разрезе

Из промывателя через вентиль 12 по шлангу ацетилен поступает в предохранительный затвор 1 и далее на потребление.

По мере повышения давления в газообразователе давление ацетилена на мембрану преодолевает сопротивление пружины 7, перемещая ее вверх, при этом корзина с карбидом кальция, связанная с мембраной, также перемещается вверх, уровень смоченного карбида уменьшается, выработка ацетилена ограничивается и возрастание давления прекращается. При снижении давления в газообразователе усилием пружины 7, корзина с карбидом кальция возвращается вниз и происходит замочка карбида кальция. Таким образом, процесс выработки ацетилена регулируется с помощью мембраны.

Одновременно по мере увеличения давления в газообразователе избыточное давление ацетилена перемещает воду в вытеснитель и корзина с карбидом кальция оказывается выше уровня воды, в результате чего реакция прекращается. По мере уменьшения давления вода вновь занимает прежний объем и вновь происходит замочка карбида кальция.

Давление ацетилена контролируется манометром 9. Слив ила из газообразователя и иловой воды из промывателя осуществляется соответственно через штуцеры 13 и 14. Предохранительный клапан 3 служит для сброса ацетилена при увеличении давления в генераторе выше допустимого. В месте присоединения клапана к корпусу установлена сетка для задержания частиц карбидного ила, окалины и др.

На пути следования газа от генератора к сварочной горелке устанавливают предохранительные водяные затворы, предотвращающие проникновение кислородно-ацетиленового пламени в ацетиленовый генератор при его обратном ударе. Обратный удар происходит при перегреве горелки и засорении сопла или центрального отверстия инжектора.

Ацетиленовые генераторы взрывоопасны и нуждаются в специальном обслуживании. При работе одного-двух сварочных постов и в полевых условиях целесообразно использовать баллонный ацетилен.

Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет и делают на них красной краской надпись «Ацетилен». Давление ацетилена в баллоне 1,5 МПа. В баллоне находятся пористая масса (активированный уголь) и ацетон. Растворение ацетилена в ацетоне позволяет поместить в малом объеме большое количество ацетилена. Растворенный в ацетоне ацетилен пропитывает пористую массу и становится безопасным.

Сварочные горелки используют для образования сварочного пламени. В промышленности наиболее распространена инжекторная горелка, так как она наиболее безопасна и работает на низком и среднем давлениях (рисунок 4). В инжекторной горелке кислород под давлением 0,1…0,4 МПа через регулировочный вентиль 6 подается к инжектору 5. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжекторного конуса, кислород создает значительное разряжение в камере 4 и засасывает горючий газ, поступающий через вентиль 7 в ацетиленовые каналы 8 горелки и камеру смешения 3, где образуется горючая смесь. Затем горючая смесь поступает по наконечнику 2 к мундштуку 1, на выходе из которого при сгорании образуется газосварочное пламя.

Рисунок 4 – Схема газовой горелки Рисунок 5 – Газосварочное пламя

Сварочное пламя образуется в результате сгорания ацетилена, смешивающегося в определенных пропорциях с кислородом в сварочных горелках. Ацетилено-кислородное пламя состоит из трех зон (рисунок 5): ядра пламени 1, средней зоны 2 (сварочной), факела пламени 3 (l – длина). В зоне 1 происходит постепенный нагрев до температуры воспламенения газовой смеси, поступающей из мундштука; в зоне 2 – первая стадия горения ацетилена за счет кислорода, поступающего из баллона. Эта зона имеет самую высокую температуру и обладающая восстановительными свойствами, называется сварочной, или рабочей, зоной. В зоне 3 (факеле) протекает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода. Зона 3 обладает окислительными свойствами.

В зависимости от соотношения ацетилена и кислорода различают следующие виды пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее.

Сварочное пламя называется нормальным, когда соотношение O₂/C₂H₂ ≈ 1,1. Ядро нормального пламени имеет четкое очертание и яркое свечение. Такое пламя способствует получению качественного сварного шва. Нормальным пламенем сваривают большинство сталей.

При увеличении содержания кислорода (O₂/C₂H₂ > 1,1) пламя приобретает голубоватый оттенок и имеет заостренную форму ядра. Такое пламя называется окислительным и может быть использовано только при сварке латуни.

При увеличении содержания ацетилена (O₂/C₂H₂ < 1,1) пламя становится коптящим, удлиняется и имеет красноватый оттенок. Такое пламя называют науглероживающим и применяется для сварки чугуна и цветных металлов.

Применение. Газовой сваркой можно сваривать почти все металлы, используемые в технике, причем такие металлы и сплавы, как чугун, медь, свинец, латунь, легче поддаются газовой сварке, чем дуговой.

К преимуществам газовой сварки относится и то, что она не требует сложного оборудования и источника электрической энергии. В настоящее время газовая сварка широко применяется при монтаже металлоконструкций и трубопроводов из тонкостенных труб, сантехнических работах, сварке сплавов на основе меди, ремонтной сварке изделий из чугуна.

Резка металлов заключается в разделении металлических заготовок и конструкций.

Наиболее распространена кислородная резка металлов, сущность которой заключается в сжигании металла в струе кислорода и удалении этой струей образующихся оксидов. При горении железа в кислороде образуется оксид железа и значительное количество теплоты:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ + Q.

Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь до 1000…1200°С). На рисунке 6 показан процесс кислородной резки. Металл 3 (заготовка) нагревается в начальной точке реза подогревающим пламенем 2, затем направляется струя режущего кислорода 1, и нагретый металл начинает гореть. Горение металла сопровождается выделением теплоты, которая вместе с подогревающим пламенем разогревает лежащие ниже слои на всю толщину металла. Образующиеся оксиды 5 расплавляются и выдуваются струей режущего кислорода из зоны реза 4. Конфигурация перемещения струи соответствует заданной форме вырезаемого изделия.

Рисунок 6 – Схема кислородной резки Рисунок 7 – Схема газокислородного

резака

По характеру и направленности кислородной струи различают не­сколько способов резки.

При разделительной резке режущая струя направлена нормально к поверхности металла и прорезает его на всю толщину. Разделитель­ной резкой раскраивают листовую сталь, разрезают профильный ма­териал, вырезают косынки, круги, фланцы и т. п.

При поверхностной резке режущая струя направлена под очень ма­лым углом к поверхности металла (почти параллельно ей) и обеспе­чивает грубую его строжку или обдирку. Ею удаляют поверхностные дефекты отливок.

При резке кислородным копьем копье образуется тонкостенной стальной трубкой, присоединенной к рукоятке и свободным кон­цом прижатой к прожигаемому металлу. Резка начинается с подог­рева конца трубки сварочной дугой или горелкой. При пропускании кислорода через трубку (копье) ее конец быстро загорается и даль­нейший подогрев не нужен. Копье прижимают к металлу и углубля­ют в него. Таким образом, выжигают отверстия круглого сечения. Кислородным копьем отрезают прибыли крупных отливок, прожи­гают летки в металлургических печах, отверстия в бетоне и т. п.

Газокислородная резка может быть ручной и машинной. Для руч­ной резки применяют универсальный резак типа УР со сменными мундшту­ками (рисунок 7). В резаке конструктивно объединены подогревающая и режущая части. Подогревающая часть аналогична таковой у свароч­ных горелок. Режущая часть состоит из дополнительной трубки 4 для подачи режущего кислорода. В мундштуке находятся два концентри­чески расположенных отверстия для выхода подогревающего пламе­ни 1 и режущей струи 2. Мундштук резака 3 образует прямой угол со стволом. При замене ацетилена другими горючими газами в резаке увеличивают сечения каналов инжектора и смесительной камеры.

Обычной кислородной резкой разрезают металлы, толщина кото­рых 5...300 мм. При резке металла толщиной более 300 мм применяют специальные резаки.

Кроме рассмотренной выше кислородной резки существуют и другие способы резки металлов: кислородно-флюсовая, воздушно-дуговая, плазменно-дуговая и др.

3. ТЕХНИКА ГАЗОВОЙ СВАРКИ И РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ

Техника газовой сварки.

Пост для газовой сварки (рисунок 8) состоит из переносного ацетиленового генератора с предохранительным затвором или баллона с горючим газом, баллона с кислородом, газовых редукторов, руковов и сварочной горелки со сменными наконечниками. Также применяются стационарные ацетиленовые генераторы, от которых ацетилен подается по ацетиленопроводу к сварочному посту.

Рисунок 8 – Оборудование поста для Рисунок 9 – Способы газовой сварки: 1 – сварочная горелка; сварки: а – правый; б - левый

2 – кислородный редуктор; 3 – баллон

с кислородом; 4 – предохранительный

затвор; 5 - рукова

В практике применяют два способа сварки - правый и левый (рисунок 9) При правом способе (рисунок 9, а) сварку ведут слева на право, сварочное пламя направляют на сваренный участок шва, а присадочную проволоку перемещают вслед за горелкой. Т.к. при правом способе пламя направлено на сваренный шов, то обеспечивается лучшая защита сварочной ванны от кислорода и азота воздуха, большая глубина плавления, замедленное охлаждение металла шва в процессе кристаллизации. Теплота пламени рассеивается меньше, чем при левом способе, поэтому угол разделки кромок делается не 90 °, а 60-70°, что уменьшает количество наплавленного металла и коробление. Правый способ целесообразно применять при сварке металла толщиной более 5 мм и металлов с большой теплопроводностью.

При левом способе (рисунок 9, б) сварку ведут справа налево, сварочное пламя направляют на ещё не сваренные кромки металла, а присадочную проволоку перемещают впереди пламени. При левом способе сварщик хорошо видит свариваемый металл, поэтому внешний вид шва лучше, чем при правом способе; предварительный подогрев кромок свариваемого металла обеспечивает хорошее перемешивание сварочной ванны. Благодаря этим свойствам левый способ наиболее распространён и применяется для сварки тонколистовых материалов и легкоплавких металлов.

Мощность сварочной горелки при правом способе выбирают из расчёта 120-150 дм³/ч ацетилена, а при левом - 100-130 дм³/ч на 1 мм толщины свариваемого металла.

Диаметр присадочной проволоки выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла и способа сварки. При правом способе сварки диаметр присадочной проволоки d = S/2 мм., но не более 6 мм, при левом d = S/2+1 мм, где S- толщина свариваемого металла, мм.

Скорость нагрева регулируют изменением угла наклона мундштука к поверхности свариваемого металла. Чем толще металл и больше его теплопроводность, тем больше угол наклона мундштука к поверхности свариваемого металла.

В процессе сварки газосварщик концом мундштука горелки совершает одновременно два движения: поперечное (перпендикулярно оси шва) и продольное (вдоль оси шва). Основным является продольное движение. Поперечное движение служит для равномерного прогрева кромок основного металла и получения шва необходимой ширины.

Газовой сваркой можно выполнять нижние, горизонтальные (на вертикальной плоскости), вертикальные и потолочные швы. Горизонтальные и потолочные швы обычно выполняют правым способом сварки, вертикальные снизу вверх – левым способом.

Техника кислородной резки.

В начале резки поверхность разрезаемого листа следует очистить от окалины, краски, масла, ржавчины и грязи. Особое внимание уделяется очистке поверхности листа от окалины, поскольку она препятствует контакту металла с пламенем и струей режущего кислорода. Для этого требуется незначительный прогрев поверхности стали подогревающим пламенем резака, в результате которого окалина отскакивает от поверхности. Прогрев следует выполнять узкой полосой по линии предполагаемого реза, перемещая пламя со скоростью, приблизительно соответствующей скорости резки.

Перед кислородной резкой металл нагревается с поверхности в начальной точке реза до температуры его воспламенения в кислороде. После пуска струи режущего кислорода и начала процесса окисления металла по толщине листа резак перемещают по линии реза.

Как правило, прямолинейная кислородная резка стальных листов толщиной до 50 мм выполняется вначале с установкой режущего сопла мундштука в вертикальное положение, а затем с  наклоном в сторону, противоположную направлению резки (обычно на 20–30º). Наклон режущего сопла мундштука в сторону ускоряет процесс окисления металла и увеличивает скорость кислородной резки, а, следовательно, и ее производительность. При большей толщине стального листа резак в начале резки наклоняют на 5º в сторону, обратную движению резки.

4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ГАЗОВОЙ             СВАРКИ И РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ

4.1. К выполнению газосварочных работ допускаются только рабочие, сдавшие техминимум по правилам техники безопасности.

4.2. При выполнении работ газосварщик должен пользоваться спецодеждой: хлопчатобумажным костюмом с огнестойкой пропиткой, рукавицами брезентовыми, кожаными ботинками, а также защитными очками закрытого типа.

4.3. В помещении, где производится газопламенная обработка металла, должна быть обеспечена вентиляция для удаления вредных газов.

4.4. Запрещается производить газосварочные работы в непосредственной близости от огнеопасных и легковоспламеняющихся материалов (бензина, керосина, пакли, стружки и пр.).

4.5. Перемещать баллоны с кислородом в пределах рабочего места (на небольшие расстояния) можно кантовкой в слегка наклонном положении.

4.6. Категорически запрещается работа с кислородным баллоном, давление кислорода в котором ниже предела рабочего давления, установленного редуктором данного баллона.

4.7. Ацетиленовые баллоны, после сброса остаточного давления, могут являться источником выделения ацетилена в окружающую среду при повышении наружной температуры в случае, если их вентиль оставить открытым. Поэтому хранить и транспортировать порожние ацетиленовые баллоны следует только с плотно закрытыми вентилями.

4.8. При сварке и резке можно применять только редукторы с исправными манометрами. Кислород в редуктор следует впускать постепенно, медленно открывая вентиль баллона и полностью ослабляя регулирующий винт редуктора. При впуске газа нельзя становиться перед редуктором. Необходимо следить за герметичностью редуктора и его соединений с вентилем баллонов и шлангами.

4.9. Пламя горелки (резака) должно быть направлено в сторону, противоположную источнику газопитания. Если это требование выполнить нельзя, то источник газопитания следует оградить металлическим щитом.

4.10. Во время работы газопроводящие рукава должны быть сбоку от рабочего. Запрещается держать рукава подмышкой, на плечах или зажимать их ногами. Не разрешается перемещение рабочего с зажженной горелкой или резаком за пределами рабочего места. При обнаружении утечки горючих газов и кислорода работы с открытым огнем должны быть приостановлены, утечка устранена, а помещение проветрено.