В качестве горючих газов для газовой сварки применяют ацетилен, водород, природный газ и другие. Также применяются газовые смеси для сварки, такие как нефтяной газ, пропанобутановая газовая смесь, пиролизный газ. Кроме того, для газовой сварки используют пары горючих жидкостей — бензина и керосина.
В таблице представлены наиболее распространенные газы и газовые смеси для газовой сварки и газовой резки, указаны их основные свойства и область применения:
Газ
| Плотность при нормальных условиях, кг/м2 | Теплота сгорания при нормальных условиях, кДж/м3 | Температура пламени в смеси с кислородом, °C | Коэффициент замены ацетилена | Предел взрываемости (%) при смешивании с: | Область применения | ||
| воздухом | кислородом | ||||||
| Ацетилен | 1,09 | 529200 | 3200 | 1 | 2,2-81,0 | 2,3-93,0 | Все виды газосварки |
| Водород | 0,084 | 10080 | 2400 | 5,2 | 3,3-81,5 | 2,6-95,0 | Для сварки тонкого металла (до 2мм), сварки чугуна, алюминия, латуни |
| Коксовый | 0,4-0,55 | 14700-18480 | 2000-2300 | 3,2 | 4,5-40,0 | 40,0-75,0 | Для пайки, сварки легкоплавких металлов, кислородной резки |
| Нефтяной | 0,87-1,37 | 36540-62160 | 2000-2400 | 3,0 | 3,8-24,6 | 10,0-73,6 | То же |
| Метан | 0,67 | 33600 | 2400-2700 | 1,6 | 4,8-16,7 | 5,0-59,2 | То же |
| Пропан | 1,88 | 87360 | 2600-2800 | 0,6 | 2,0-9,5 | 2,0-48,0 | Пайка и сварка цветных металлов, газовая резка, сварка сталей толщиной до 6мм, правка, огневая зачистка |
| Бутан | 2,54 | 116760 | 2400-2500 | 0,45 | 1,5-8,5 | 2,0-45,0 | То же |
| Бензин | 0,7-0,76 | 42840 | 2400 | 1,4 | 0,7-6,0 | 2,1-28,4 | Газовая резка сталей, пайка и сварка легкоплавких металлов |
| Керосин | 0,82-0,84 | 42000 | 2300 | 1,6 | 1,4-5,5 | 2,0-28,0 | То же |
Выбор того, или иного газа для сварки зависит не только от температуры пламени, но и от количества теплоты (теплотворной способности), которое получается при его сгорании. Коэффициент замены ацетилена, указанный в таблице, это отношение расхода газа-заменителя к расходу ацетилена при одинаковой эффективной тепловой мощности. Данный коэффициент необходим, если потребуется заменить ацетилен другим горючим газом.
Ацетилен для газовой сварки
Ацетилен — один из самых распространённых газов, применяемых для газовой сварки. Наибольшее распространение ацетилен получил из-за того, что ацетиленокислородное газовое пламя имеет наибольшую температуру, по сравнению с другими горючими газами и газовыми смесями (см. таблицу выше).
Ацетилен образуется при взаимодействии карбида кальция CaC2 с водой. Карбид кальция способен поглощать влагу из атмосферы и разлагаться под её воздействием. Поэтому, его хранят в герметичных барабанах из кровельной стали. Вместимость таких барабанов составляет 100-130кг. Получают карбид кальция при сплавлении в электропечах кокса и обожжённой извести:
CaO + 3C = CaС2 + CO
Ацетилен С2Н2 представляет собой химическое соединение углерода с водородом. Для получения ацетилена используют ацетиленовые генераторы, в которые загружают карбид и воду. Химическое взаимодействие карбида кальция и воды протекает интенсивно, с большим выделением теплоты Q:
CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2 + Q
Из 1кг карбида кальция можно получить до 300л ацетилена. При нормальных условиях ацетилен бесцветен и обладает резким специфическим запахом. Ацетилен легче воздуха, его плотность составляет 1,09кг/м3.
Ацетилен взрывоопасен, если он находится в смеси с воздухом и его концентрация составляет 2,2-81% по объёму. В смеси с кислородом ацетилен взрывоопасен, при его концентрации 2,8-93% по объёму. Наиболее взрывоопасны ацетиленокислородные смеси, содержащие 7-13% ацетилена.
При растворении в жидкости взрывоопасность ацетилена существенно снижается. На практике ацетилен растворяют в ацетоне, 1л которого способен растворить до 20л ацетилена. Об этом мы говорили в статье: «Газовые баллоны для сварки. Газосварочные баллоны».
Кроме карбида кальция, источниками ацетилена являются природный газ, нефть и уголь. Полученный из природного газа, ацетилен называется пиролизным.
Характеристики
Остановимся подробнее на различных видах газообразных веществ, используемых для сварочных работ.
- Аргон
Чаще всего используется для этих целей. Есть даже отдельный метод сварки, использующий его название – аргонодуговой. Инертный, без цвета и запаха, химически не активен к металлам и другим веществам. Намного тяжелее воздуха, за счет этого создает надежно защищенную зону в области сварки.
- Гелий
По популярности идет вторым. Также является инертным, однако, в отличие от аргона, гелий легче воздуха. В связи с этим, расходуется его намного больше.
Учитывая, что его стоимость заметно выше, чем у аргона, это является существенным недостатком. Однако это не мешает его частому применению.
Водород для газовой сварки
Водород представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха. При смешивании с кислородом или воздухом образует «гремучий газ», который является взрывоопасным. Поэтому, в случае применения водорода для сварки металлов, необходимо строго придерживаться правил безопасности при его хранении, транспортировании и использовании.
Водород хранят и транспортируют в стальных газосварочных баллонах при давлении, не превышающем 15МПа. Получить его можно, разлагая воду на водород и кислород при помощи электролиза. Также водород синтезируют в специальных водородных генераторах путём химической реакции серной кислоты H2SO4 и цинка, либо железной стружки. При этом образуются сульфаты цинка или железа, а освободившийся водород скапливается внутри генератора.
Что использовать для резки?
Резка предполагает абсолютно другой принцип использования газа. Здесь нужно использовать те же газы, какие вступают в реакцию с кислородом с металлом, для того, чтобы как можно быстрее разрушать рабочую поверхность.
- Кислород. Самый дешёвый, но, в то же время, самый неэффективный газ.
- Ацетилен. Оптимальный выбор для всех типов сварки. Не подойдёт для слишком тонких поверхностей.
- Псевдо-ацетилен или его заменители. Не дешёвый вариант, особенно, если речь идёт о больших партиях. Обеспечивает премиальное качество и высокую скорость работы.
Нефтяной газ, природный газ и пропанобутановая смесь для газовой сварки
Пиролизный газ представляет собой смесь горючих газов, образующихся при распаде нефти, мазута и других нефтепродуктов при воздействии на них высоких температур. В состав пиролизного газа входят сернистые соединения, которые вызывают коррозию мундштуков в газовых сварочных горелках. Поэтому, перед применением этот газ проходит тщательную очистку.
Нефтяной газ — является побочным продуктом нефтеперерабатывающих предприятий. Он используется, в основном, для резки и сварки металлов малой толщины и для сварки цветных металлов.
Пропанобутановые смеси являются бесцветными смесями, не имеющими запаха. Состоят они из пропана С3Н8 и бутана С4Н10. Эта смесь обладает наибольшей теплотворной способностью, т.е., при её сгорании выделяется наибольшее количество теплоты.
Коксовый газ
Коксовый газ — бесцветный горючий газ с запахом сероводорода. Коксовый газ получают при выработке кокса из каменного угля, состоит он из смеси газообразных горючих продуктов водорода, метана и других непредельных углеводородов. Применяют в основном для резки сталей, сварки и пайки легкоплавких цветных металлов. Для сварки и резки применяют коксовый газ, очищенный от сернистых соединений и смолистых веществ. Для полного сгорания 1 м3 необходимо 0,9 м3 кислорода. К месту сварки и резки коксовый газ подают по трубопроводам под давлением 1,3-1,5 кПа.
Пропан
Пропан технический — бесцветный горючий газ с резким запахом, состоящий из пропана С3Н8 или из пропана и пропилена С3Н8, суммарное содержание которых должно быть не менее 93%. Получают пропан при переработке нефтепродуктов. При нормальных условиях пропан находится в газообразном состоянии, а при понижении температуры или повышении давления переходит в жидкое состояние. Так, при температуре 293 К пропан переходит в жидкое состояние при давлении 0,85 МПа. Испарение 1 кг жидкого пропана дает 0,53 м3 паров.
Пропан-бутановая смесь — бесцветный горючий газ с резким запахом, является побочным продуктом при переработке нефти.
Смесь легко превращается в жидкое состояние, например при температуре 233 К пропан-бутановая смесь сжижается при атмосферном давлении. Сжиженные газы хранят только в закрытых емкостях, так как испарение жидкости происходит даже при 273 К.
Плотность пропан-бутана больше плотности воздуха, поэтому необходимо тщательно следить за герметичностью аппаратуры и коммуникаций во избежание образования взрывоопасной смеси газа с воздухом внизу помещения. Заполнение емкостей пропаном и пропан-бутановой смесью, транспортирование их, а также слив газа должны выполняться в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», утвержденными Госгортехнадзором.
Пропан-бутановые смеси широко применяются при резке сталей, сварке и пайке легкоплавких цветных металлов, закалке, газовой сварке пластмасс. К месту сварки смесь поставляют в стальных баллонах под давлением 1,6 МПа или по газопроводам через перепускную рампу. При испарении 1 кг пропана образуется 500 дм3 газа.
Городской газ
Городской газ является составным горючим газом. Обычно основным компонентом городского газа является природный газ, к нему добавляют коксовый и генераторный газы. Состав городского газа непостоянен, газ типа московского имеет следующий состав: метан (70-95%), водород (до 25%), тяжелые углеводороды (до 1%), азот (до 3%), оксид углерода (до 3%), двуокись углерода (до 1%), кислород (до 0,5%). К месту сварки городской газ доставляют по трубопроводам. Как заменитель ацетилена он используется для резки сталей, сварки и пайки легкоплавких цветных металлов.
Описание технологии сварки
Технология сварки газом имеет некоторые особенности. Существует несколько вариантов проведения работ.
Правая и левая
Различают правую и левую схемы сварки. Первый вариант применяется наиболее часто. Он предполагает продвижение горелки от правого края к левому. В этом случае струю пламени направляют непосредственно на проволоку, которую продвигают перед горелкой. Этим методом часто сваривают мелкие детали, тонкие слиты и материалы, которые плавятся даже при низкой температуре.
Второй вариант предполагает движение горелки от левого края к правому. В этом случае проволоку продвигают после пламени. Левая сварка обеспечивает более глубокое воздействие и лучшее схватывание.
Многослойный метод
Этот способ применяется тогда, когда необходимо сформировать высокопрочный шов. Он предполагает отжиг нижнего слоя и дальнейшую наплавку верхнего. Таким образом, прокаливаются все слои. Это положительно влияет на качество шва.
Сквозной валик
Такой метод требует постепенного оплавления верхнего края имеющегося отверстия на заготовке с последующим наложением расплавленного металла на нижний край отверстия. Для проведения работ необходимо вертикально зафиксировать металлические листы. Таким образом, шов приобретает форму валика.
Сварочные ванночки
Этот способ предполагает формирование ванночек по ходу шва. В каждое такое образование вводится присадочная проволока, которая оплавляется и заполняет пустоты. Сопло двигается на новый участок, а следующая ванночка перекрывает ранее созданную.
Окислительное пламя
Метод применяется для соединения элементов, изготовленных из малоуглеродистых сплавов из стали. Пламя в этом случае окисляет материал, что ведет к формированию окиси железа. Для раскисления используют присадочную проволоку, включающую кремний и марганец.
Необходимое оборудование для газосварки
Газосварочное оборудование применяется с целью соединения или резки металлических элементов под действием высокой температуры. Оно предполагает использование разных видов приборов и аксессуаров, в зависимости от вида проводимых работ. Для обработки металла используются несколько компонентов.
Водяной, или жидкостный затвор
Защищает части устройств от обратного удара сварочного пламени. Это может случиться тогда, когда скорость подачи газа меньше скорости возгорания, или в случае засорения каналов мундштука горелки. Таким предохранительным устройством оснащены все генераторы.
Баллоны с газом
Специальные цилиндрические резервуары с вентилями для хранения и транспортировки химического вещества. Определить, какой в них содержится вид, можно по цвету.
Баллоны с газом для сварки
Редуктор
Снижает давление газа или держит его на определенном уровне. Устройство бывает прямого и обратного действия. Это важный элемент газобаллонного оборудования, который определяет работоспособность всей системы. Есть разные виды устройств, среди которых – кислородный редуктор. Он приспособлен к агрессивной среде и имеет голубую маркировку.
Для газовой сварки, как правило, используются простейшие однокамерные редукторы
Газовый шланг
Обеспечивает подачу горючих жидкостей. Он сделан по особой технологии. Это многослойное изделие, выдерживающее агрессивную среду, с внутренним диаметром не больше 16 мм. В зависимости от категории, шланги маркируют красным, желтым и синим цветом.
Газовые рукава
Газовая горелка
Является основной частью сварочного оборудования. Она образует пламя, необходимо для нагревания и плавления металла. По конструкции изделие бывает двух видов: инжекторного и безинжекторного. Газовая горелка работает на разных мощностях. Выбор зависит от количества газа, подаваемого в единицу времени.
Схема устройства газовой горелки
Специальный стол
Повышает удобство работы сварщика, так как выполняет несколько функций:
- фиксирует рабочие заготовки;
- хранит вспомогательный инструмент;
- является контуром заземления.
В конструкции может быть поворотная или статичная столешница.
Схема стола для сварки
Охрана труда
Специфика газовой сварки, резки и наплавки металлов и их сплавов предъявляет особые, дополнительные (повышенные) требования по технике безопасности, к безопасной организации рабочих мест, обслуживанию газовой аппаратуры и оборудования, а также к методам организации безопасного проведения работ.
Горючие газы, смешиваясь с воздухом или кислородом, образуют взрывоопасные смеси, которые способны взрываться от искры любого происхождения, ацетилен взрывоопасен даже при отсутствии кислорода или воздуха, так как с повышением температуры и давления он может распадаться на углерод и водород с выделением большого количества тепла. К тому же медью и серебром ацетилен образует взрывчатые соединения, которые взрываются от малейших ударов или нагревания. Не меньшая опасность возникает пи получении ацетилена в генераторах, а также при хранении и вскрытии барабанов с карбидом кальция.
Кислород, находящийся в баллоне под давлением, обладает высокой химической активностью, особенно при соприкосновении с минеральными маслами, а также жирами растительного и животного происхождения.
Во время газовой сварки и резки металлов и их сплавов в воздух рабочей зоны попадают вредные для здоровья газы, пары, пыль и окислы металлов. Поэтому строгое и неуклонное соблюдение всех правил техники безопасности и производственной санитарии, ясное представление о причинах, могущих вызвать ту или иную опасность, а также знание необходимых мер и способов ее предупреждения гарантирует безопасное выполнение проводимых работ и сохранение здоровья сварщиков.
Основные свойства газов, применяемых при газосварочных работах
Каждый газосварщик (газорезчик), их подручные, также лица, занятые хранением и перевозкой баллонов с газом, должны хорошо знать основные свойства газов, с которыми им приходится работать.
Кислород (О2)
– бесцветный газ, не имеющий запаха, тяжелее воздуха (вес 1 м3 кислорода при 0°С = 1,429 кг, вес 1м3 воздуха = 1,293 кг). Для газосварочных работ кислород получают из атмосферного воздуха (в атмосферном воздухе содержится около 28% кислорода) путем его глубокого охлаждения с последующим отделением азота или путем электролиза воды.
Такой способ получения кислорода из воздуха наиболее распространен, так как в этом случае можно получить практически любое количество кислорода требуемой чистоты при наименьшей затрате энергии. При температуре – 183 0С и давлении 760 мм рт. ст. кислород превращается в легко подвижную голубоватую жидкость, причем из одного литра жидкого кислорода образуется около 860 литров газообразного.
Кислород не горит, а поддерживает горение, энергично вступая в химическое соединение почти со всеми веществами. Соприкосновение кислорода, находящегося под высоким давлением, с маслами, жирами, угольной пылью, ворсинками ткани и т.д. приводит их к мгновенному окислению, воспламенению и взрыву при обычных температурах, хотя температура воспламенения этих продуктов значительно высокая (200 – 450 0С).
Пористые органические вещества (уголь, торф, сажа, шерсть, ткани), пропитанные жидким кислородом, могут взрываться от искры, пламени и других источников тепловых импульсов. Поэтому при пользовании сжатым или сжиженным кислородом необходимо внимательно следить за тем, чтобы он не соприкасался с легковоспламеняющимися и горючими веществами, в том числе маслами и жирами минерального, растительного или животного происхождения.
Кислород хранят и транспортируют в специальных стальных баллонах или цистернах со специальной тепловой изоляцией.
При газовой сварке, наплавке и резке металлов и их сплавов в качестве горючего применяют различные горючие газы: ацетилен, водород, естественные и нефтяные газы, пары жидких нефтепродуктов (бензин, керосин) и другие. Сгорая в кислороде, эти газы развивают достаточно высокую температуру пламени (ацетилен до 3200, водород до 2100, пропан до 2000, бутан до 2100, пары бензина до 2400 и пары керосина до 2100 0С). Наиболее высокая температура пламени наблюдается при сгорании в кислороде ацетилена. Пламя ацетилена способно практически расплавить все существующие тугоплавкие металлы и их сплавы. Другие же газы с более низкой температурой пламени применяют как заменители ацетилена.
Ацетилен (С2Н2)
является химическим соединением углерода и водорода, представляет собой бесцветный газ, легче воздуха, со слабым эфирным запахом. Технический ацетилен, применяемый для газовой сварки и резки металлов, из-за присутствующих в нем некоторых примесей отличается резким неприятным запахом. При сгорании ацетилена в кислороде температура пламени достигает 32000. Ацетилен взрывоопасен в смеси с воздухом, если в ней содержится от 2,8 до 80% ацетилена по объему и в смеси с кислородом, если ацетилен содержится от 2,8 до 93% по объему.
Указанные смеси могут взрываться от искры открытого пламени или сильного нагрева.
При нагревании до 450 – 5000 и одновременном повышении давления до 1,5 – 2 атм ацетилен взрывается, образуя взрывную волну, имеющую давление в 10 – 11 раз больше первоначального абсолютного давления ацетилена.
Взрывчатость ацетилена сильно понижается при размещении его в тонких (капилярных) сосудах. Это свойство ацетилена используется при наполнении ацетиленом баллонов под давлением. Ацетилен легче кислорода и воздуха. Плотность ацетилена по отношению к воздуху составляет 0,9, а по отношению к кислороду – 0,8. При длительном соприкосновении ацетилена с красной медью и серебром образуется ацетиленовая медь или ацетиленистое серебро, которые при нагревании до 110 – 1200 и при сильном ударе взрываются. Поэтому для изготовления ацетиленовой аппаратуры эти металлы не применяются.
При нагревании ацетилена до 300 0С может происходить его полимеризация, которая заключается в том, что молекулы ацетилена уплотняются и он превращается в бензол и другие продукты. Полимеризация, протекающая при недостаточном отводе тепла, может привести к взрыву ацетилена и разрушению ацетиленовых генераторов. Чтобы предотвратить возможность полимеризации и взрывчатого распада, ацетилена, температура в ацетиленовых генераторах не должна превышать 100 0С.
Очень важное свойство ацетилена – его способность растворяться во многих жидкостях: ацетоне, бензоле, бензине и др. Лучшим растворителем ацетилена является ацетон: при температуре +10 0С в одном литре ацетона растворяется 26 л ацетилена. Степень растворимости ацетилена в ацетоне в значительной мере зависит от температуры окружающей среды. С повышением температуры окружающей среды растворимость ацетилена в ацетоне уменьшается.
К природным газам
относятся все горючие газы, которые добываются из недр земли или сопутствуют нефти при добыче ее из нефтяных месторождений. Последние называются попутными.
Природный газ в основном состоит из метана (СН4), содержание которого составляет от 85 до 98%. Остальные 15 – 20% составляют азот, этан, пропан, сероводород и т.д. Природный газ легкий (удельный вес по воздуху 0,55 – 0,73), бесцветный, не имеет запаха (и тем он опасен), не ядовит, но является удушающим газом. Для придания газу характерного резкого неприятного запаха к нему добавляется одорант (на 1000 м3 газа 16 г).
Природный газ также опасен и тем, что при неполном сгорании выделяет окись углерода (СО) – угарный газ – бесцветный и очень ядовитый.
При содержании в воздухе 0,5% угарного газа через 20 – 30 мин у человека наступает смерть, 1% газа после нескольких вздохов приводит к потере сознания, а через 1 – 2 мин – к смерти.
За последние годы в практике газопламенной обработки металлов, в частности для газовой резки металлов, широкое применение получил природный газ.
Пределы взрываемости смеси природного газа с воздухом значительно ниже пределов взрываемости ацетилено-воздушных смесей. Эти пределы составляют от 3,8 до 17% объемных.
Сжиженные газы, пропан-бутановые смеси
получаются в процессе сжижения их для удобства хранения и транспортировки. Сжиженными газами принято называть смеси углеводородов – пропана (С3Н8), бутана (С4Н10) в количестве от 5 до 30%. Их также называют техническим пропаном (ГОСТ 10196-62), а иногда сжиженными нефтяными газами. При обычных условиях эта смесь представляет газ, а при температурах ниже +20 0С или давлениях выше атмосферного смесь газов конденсируется, переходя в жидкое состояние.
В последнее время, особенно для газовой резки металлов и их сплавов, широкое применение получили сжиженные газы – пропан и бутан, а также их смеси. При обычной температуре и небольшом давлении пропан-бутановые смеси легко переходят из газообразного состояния в жидкое.
Сжиженные газы тяжелее воздуха (удельный вес пропана по воздуху 1,253, бутана – 2,007), они могут скапливаться в низких местах – траншеях, колодцах, ямах и других углублениях, образуя с воздухом пропан-бутановые взрывоопасные смеси, которые могут взрываться от любого источника теплового импульса – искры открытого пламени и т.д. Поэтому перед началом огневых работ необходимо убедиться в отсутствии взрывоопасных смесей.
Положительные свойства пропан-бутановых смесей – небольшие пределы взрываемости. Так, например, пределы взрываемости пропана в смеси с воздухом составляют от 2 до 305% объемных частей пропана. Это в несколько раз ниже пределов взрываемости ацетилена с воздухом. Пропан, бутан и их смеси хранят и транспортируют к месту потребления в специальных баллонах или цистернах под давлением 16 кгс/см2. при таком давлении пропан-бутановые смеси находятся в жидком состоянии. Емкости обычно заполняют не более чем на половину их объема, так как при расширении сжиженного газа при нагревании баллона в нем может резко повыситься давление и вызвать взрыв баллона или цистерны. Поэтому заполненные пропан — бутановой смесью баллоны и цистерны предохраняют от нагревания и ударов.
Пары бензина и керосина
применяются при газовой сварке, наплавке и резке металлов в качестве горючего.
Бензин – это прозрачная легкоподвижная жидкость со специфическим запахом, состоящая из углеводородов, выкипающих из нефти при температуре от 35 до 250 о. бензин очень летуч, испаряется при любой температуре, однако с повышением температуры скорость испарения возрастает. Пары бензина, смешиваясь с воздухом, образуют паро-воздушные взрывчатые смеси.
Взрываемость паро-воздушных смесей бензина ниже взрываемости ацетилено-воздушных (в пределах 0,65 до 8,5% объемных паров бензина). Кроме того, пары бензина, попадая в организм человека, могут вызвать острые хронические отравления. Бензин (керосин) транспортируют к месту потребления в металлической закрытой таре.
Керосин
Керосин также является продуктом переработки нефти и представляет собой бесцветную желтоватую легко испаряющуюся жидкость. Керосин, применяемый для сварки и резки металлов, должен удовлетворять требованиям ТУ 38.71-58-10-90. Керосин применяют также для сварки и пайки легкоплавких цветных металлов.
Итак, мы узнали, что ацетилен является основным горючим газом для газовой сварки, но для газовой резки применяют другие, менее дорогие газы, которые позволяют осуществлять процесс резки без существенной потери производительности и качества.
