Кислородно-топливная сварка (обычно называемая кислородно-ацетиленовой сваркой , кислородной сваркой или газовой сваркой в Соединенных Штатах) и кислородно-топливная резка — это процессы, в которых для сварки или резки металлов используются топливные газы (или жидкое топливо, такое как бензин , дизельное топливо, биодизельное топливо, керосин и т. д.) и кислород . Французские инженеры Эдмон Фуше и Шарль Пикар стали первыми, кто разработал кислородно - ацетиленовую сварку в 1903 году. [1] Чистый кислород вместо воздуха используется для повышения температуры пламени , чтобы обеспечить локальное плавление материала заготовки (например, стали) в условиях помещения.
Обычное пламя пропана /воздуха горит при температуре около 2250 К (1980 °C; 3590 °F), [2] пламя пропана/кислорода горит при температуре около 2526 К (2253 °C; 4087 °F), [3] пламя оксиводорода горит при температуре 3073 К (2800 °C; 5072 °F), а пламя ацетилена /кислорода горит при температуре около 3773 К (3500 °C; 6332 °F). [4]
В начале 20-го века, до разработки и появления покрытых электродов для дуговой сварки в конце 1920-х годов, которые были способны выполнять прочные сварные швы на стали, кислородно-ацетиленовая сварка была единственным процессом, способным выполнять сварные швы исключительно высокого качества практически на всех металлах, которые использовались в то время в коммерческих целях. К ним относились не только углеродистая сталь, но и легированные стали, чугун , алюминий и магний . В последние десятилетия она была заменена почти во всех промышленных применениях различными методами дуговой сварки , обеспечивающими большую скорость и, в случае газовой дуговой сварки вольфрамовым электродом , возможностью сварки очень реактивных металлов, таких как титан .
Кислородно-ацетиленовая сварка по-прежнему используется для художественных работ по металлу и в небольших домашних мастерских, а также в ситуациях, когда доступ к электричеству (например, через удлинитель или переносной генератор) будет затруднен. Кислородно-ацетиленовая (и другие кислородно-топливные газовые смеси) сварочная горелка остается основным источником тепла для ручной пайки , а также для формовки металла , подготовки и локальной термообработки. Кроме того, кислородно-топливная резка по-прежнему широко используется как в тяжелой промышленности , так и в легкой промышленности и ремонтных работах.
При кислородно-топливной сварке для сварки металлов используется сварочная горелка. Сварка металла происходит, когда две детали нагреваются до температуры, которая создает общую ванну расплавленного металла. Ванна расплавленного металла обычно снабжается дополнительным металлом, называемым присадочным материалом. Выбор присадочного материала зависит от свариваемых металлов.
При кислородно-топливной резке используется горелка для нагрева металла до температуры воспламенения . Затем на металл направляется поток кислорода, который сжигает его в оксид металла, который вытекает из реза в виде окалины . [5]
Горелки, которые не смешивают топливо с кислородом (вместо этого смешивая атмосферный воздух), не считаются кислородно-топливными горелками и обычно могут быть идентифицированы по одному баку (для кислородно-топливной резки требуются два изолированных источника: топливо и кислород). Большинство металлов нельзя расплавить с помощью горелки с одним баком. Следовательно, горелки с одним баком обычно подходят для пайки и пайки мягким припоем , но не для сварки.
Кислородно-топливные резаки используются или использовались для:
Короче говоря, кислородно-топливное оборудование является достаточно универсальным не только потому, что оно предпочтительно для некоторых видов сварки железа или стали, но и потому, что оно подходит для пайки, пайко-сварки, нагрева металла (для отжига или закалки, гибки или формовки), удаления ржавчины или окалины, откручивания корродированных гаек и болтов, а также является повсеместным средством резки черных металлов.
Аппарат, используемый при газовой сварке, в основном состоит из источника кислорода и источника горючего газа (обычно в баллонах ), двух регуляторов давления и двух гибких шлангов (по одному на каждый баллон), а также горелки. Этот тип горелки также может использоваться для пайки и пайки мягким припоем . Баллоны часто перевозятся в специальной колесной тележке .
Имеются примеры кислородно-водородных режущих аппаратов с небольшими ( размером с акваланг ) газовыми баллонами, которые пользователь носит на спине в рюкзаке, для спасательных работ и т. п.
Существуют также примеры как негерметичных, так и напорных резаков на жидком топливе, обычно использующих бензин (бензин). Они используются из-за их более высокой режущей способности по сравнению с газообразными топливными системами, а также большей портативности по сравнению с системами, требующими двух баллонов высокого давления.
Регулятор обеспечивает соответствие давления газа из баллонов требуемому давлению в шланге. Затем оператор регулирует расход с помощью игольчатых клапанов на горелке. Точное управление расходом с помощью игольчатого клапана зависит от постоянного давления на входе.
Большинство регуляторов имеют две ступени. Первая ступень — это регулятор с фиксированным давлением, который выпускает газ из баллона при постоянном промежуточном давлении, несмотря на то, что давление в баллоне падает по мере расходования газа в нем. Это похоже на первую ступень регулятора для подводного плавания . Регулируемая вторая ступень регулятора контролирует снижение давления от промежуточного давления до низкого выходного давления. Регулятор имеет два манометра, один из которых показывает давление в баллоне, а другой — давление в шланге. Регулировочная ручка регулятора иногда грубо калибруется по давлению, но для точной настройки требуется наблюдение за манометром.
Некоторые более простые или дешевые кислородно-топливные регуляторы имеют только одноступенчатый регулятор или только один манометр. Одноступенчатый регулятор будет иметь тенденцию к снижению выходного давления по мере опорожнения баллона, требуя ручной перенастройки. Для пользователей с небольшим объемом это приемлемое упрощение. Сварочные регуляторы, в отличие от более простых регуляторов нагрева LPG, сохраняют свой выходной (шланговый) манометр и не полагаются на калибровку регулировочной ручки. Более дешевые одноступенчатые регуляторы иногда могут не иметь манометра содержимого баллона или заменять точный циферблатный манометр более дешевым и менее точным манометром с «подъемной кнопкой».
Шланги предназначены для использования при сварке и резке металла. Можно использовать двухшланговую или сдвоенную конструкцию, то есть, кислородные и топливные шланги соединены. Если используются отдельные шланги, их следует скрепить вместе на расстоянии примерно 3 футов (1 м) друг от друга, хотя это не рекомендуется для резки, поскольку капли расплавленного металла, выделяющиеся в процессе, могут застрять между шлангами, где они удерживаются вместе, и прогореть, высвобождая сжатый газ внутри, который в случае топливного газа обычно воспламеняется.
Шланги имеют цветовую маркировку для визуальной идентификации. Цвет шлангов различается в зависимости от страны. В Соединенных Штатах кислородный шланг зеленый, а топливный шланг красный. [6] В Великобритании и других странах кислородный шланг синий (черные шланги все еще можно найти на старом оборудовании), а ацетиленовый (топливный) шланг красный. [7] Если используется сжиженный нефтяной газ (LPG) в качестве топлива, например , пропан , топливный шланг должен быть оранжевым, что указывает на его совместимость с LPG. LPG повредит несовместимый шланг, включая большинство ацетиленовых шлангов.
Резьбовые соединения на шлангах выполнены с разной резьбой, чтобы избежать случайного неправильного соединения: резьба на кислородном шланге правая (как обычно), а на шланге топливного газа — левая. [6] На гайках с левой резьбой также прорезана идентификационная канавка.
Герметичные соединения между гибкими шлангами и жесткими фитингами выполняются с помощью обжатых хомутов или наконечников , часто называемых «О»-хомуты, поверх зазубренных патрубков. Использование червячных хомутов или Jubilee Clips специально запрещено в Великобритании и других странах. [8]
Ацетилен не просто горюч; при определенных условиях он взрывоопасен . Хотя его верхний предел воспламеняемости на воздухе составляет 81%, [9] взрывоопасное поведение разложения ацетилена делает это несущественным. Если волна детонации попадет в резервуар с ацетиленом, резервуар будет разорван на части разложением. Обычные обратные клапаны, которые обычно предотвращают обратный поток, не могут остановить волну детонации, поскольку они не способны закрыться до того, как волна пройдет вокруг затвора. По этой причине необходим огнепреградитель . Он предназначен для срабатывания до того, как волна детонации дойдет от стороны шланга до стороны подачи.
Между регулятором и шлангом, а в идеале между шлангом и горелкой как на кислородной, так и на топливной магистрали следует установить огнепреградитель и/или обратный клапан (обратный клапан), чтобы предотвратить попадание пламени или кислородно-топливной смеси обратно в любой из цилиндров и повреждение оборудования или взрыв цилиндра.
Европейская практика заключается в установке огнепреградителей на регуляторе и обратных клапанов на горелке. Американская практика заключается в установке и того, и другого на регуляторе.
Пламегаситель предотвращает ударные волны, которые нисходят по шлангам и попадают в цилиндр, что может привести к его разрыву, поскольку внутри частей оборудования (особенно внутри смесителя и паяльной трубы/сопла) находится большое количество топливно-кислородной смеси, которая может взорваться, если оборудование будет неправильно выключено, а ацетилен разлагается при избыточном давлении или температуре. В случае, если волна давления создала утечку ниже по потоку от пламегасителя, он останется выключенным, пока кто-нибудь не сбросит его.
Обратный клапан пропускает газ только в одном направлении. Обычно это камера, содержащая шарик, который прижимается к одному концу пружиной. Поток газа в одну сторону отталкивает шарик с пути, а отсутствие потока или обратный поток позволяет пружине протолкнуть шарик во входное отверстие, блокируя его. Не путать с пламегасителем, обратный клапан не предназначен для блокировки ударной волны. Ударная волна может возникнуть, когда шарик находится так далеко от входного отверстия, что волна пройдет мимо шарика, прежде чем он достигнет своего положения «выключено».
Горелка — это инструмент, который сварщик держит и использует для сварки. Она имеет соединение и клапан для топливного газа, а также соединение и клапан для кислорода, ручку для захвата сварщиком и смесительную камеру (расположенную под углом), где смешиваются топливный газ и кислород, с наконечником, где образуется пламя. Два основных типа горелок — это горелки с положительным давлением и горелки с низким давлением или инжекторного типа.
Головка сварочной горелки используется для сварки металлов. Ее можно узнать по наличию только одной или двух трубок, идущих к соплу, отсутствию триггера кислородного дутья и двум ручкам клапанов в нижней части рукоятки, позволяющим оператору регулировать подачу кислорода и топлива соответственно.
Головка резака используется для резки материалов. Она похожа на сварочную горелку, но ее можно узнать по курку или рычагу подачи кислорода.
При резке металл сначала нагревается пламенем до вишнево-красного цвета. После достижения этой температуры к нагретым частям подается кислород путем нажатия на курок кислородного дутья. Этот кислород реагирует с металлом, выделяя больше тепла и образуя оксид, который затем выдувается из реза. Именно тепло продолжает процесс резки. Резак только нагревает металл, чтобы начать процесс; дальнейшее тепло обеспечивается горящим металлом.
Температура плавления оксида железа составляет примерно половину от температуры плавления разрезаемого металла. По мере сгорания металл немедленно превращается в жидкий оксид железа и вытекает из зоны резки. Однако часть оксида железа остается на заготовке, образуя твердый «шлак», который можно удалить легким постукиванием и/или шлифованием.
Горелка-бутон розы используется для нагрева металлов при гибке, выпрямлении и т. д., когда необходимо нагреть большую площадь. Она так называется, потому что пламя на конце выглядит как бутон розы . Сварочная горелка также может использоваться для нагрева небольших участков, таких как ржавые гайки и болты.
Типичная кислородно-топливная горелка, называемая горелкой равного давления, просто смешивает два газа. В инжекторной горелке кислород высокого давления выходит из небольшого сопла внутри головки горелки, которая увлекает за собой топливный газ, используя эффект Вентури .
Кислородно-топливные процессы могут использовать различные топливные газы (или горючие жидкости), наиболее распространенным из которых является ацетилен . Другие газы, которые могут использоваться, это пропилен , сжиженный нефтяной газ (СНГ), пропан, природный газ , водород и газ MAPP . Системы резки на жидком топливе используют такие виды топлива, как бензин, дизельное топливо, керосин и, возможно, некоторые виды авиационного топлива.
Ацетилен является основным топливом для кислородно-топливной сварки и является топливом выбора для ремонтных работ и общей резки и сварки. Ацетиленовый газ поставляется в специальных баллонах, предназначенных для сохранения газа растворенным. Баллоны набиваются пористыми материалами (например, капковым волокном, диатомитом или (ранее) асбестом ), затем заполняются примерно на 50% ацетоном , поскольку ацетилен растворяется в ацетоне. Этот метод необходим, поскольку выше 207 килопаскалей (30 фунтов на квадратный дюйм ) (абсолютное давление) ацетилен нестабилен и может взорваться .
Давление в заполненном баке составляет около 1700 кПа (247 фунтов на кв. дюйм). В сочетании с кислородом ацетилин горит при температуре от 3200 до 3500 градусов по Цельсию (от 5790 до 6330 градусов по Фаренгейту ), самой высокой среди обычно используемых газообразных видов топлива. Основным недостатком ацетилена как топлива по сравнению с другими видами топлива является его высокая цена.
Поскольку ацетилен нестабилен при давлении, примерно эквивалентном 33 футам (10 м) под водой, для резки и сварки под водой используется водород, а не ацетилен.
Испытания [ требуется ссылка ] показали, что кислородно-бензиновый резак может резать стальную пластину толщиной до 0,5 дюйма (13 мм) с той же скоростью, что и кислородно-ацетиленовый. При толщине пластины более 0,5 дюйма (13 мм) скорость резки была лучше, чем у кислородно-ацетиленового; при 4,5 дюйма (110 мм) она была в три раза выше. [10] Кроме того, пары жидкого топлива примерно в 4 раза плотнее газообразного топлива. Высокоскоростное режущее пламя создается за счет огромного объемного расширения, когда жидкость переходит в пар, поэтому режущее пламя может резать пустоты (воздушное пространство между пластинами).
Газокислородные горелки также могут резать краску, грязь, ржавчину и другие загрязняющие поверхностные материалы, покрывающие старую сталь. Эта система обеспечивает почти 100% окисление во время резки, почти не оставляя расплавленной стали в шлаке, что предотвращает «склеивание» разрезаемого материала. Эксплуатационные расходы на бензиновую горелку обычно на 75-90% меньше, чем при использовании пропана или ацетилена.
Бензин может подаваться либо из напорного бака (давление в котором можно нагнетать вручную или из газового баллона), либо из ненапорного бака, при этом топливо всасывается в горелку с помощью эффекта Вентури, создаваемого потоком сжатого кислорода. [10] Другой недорогой подход, обычно используемый ювелирами в Азии, заключается в использовании воздуха, барботируемого через бензиновый контейнер с помощью ножного воздушного насоса, и сжигании топливно-воздушной смеси в специальной сварочной горелке.
Дизельное топливо — это новый вариант на рынке резаков на жидком топливе. Дизельные резаки имеют ряд преимуществ по сравнению с газообразным топливом и бензином. Дизельное топливо по своей природе безопаснее и мощнее бензина или газообразного топлива, такого как ацетилен и пропан, и режет сталь быстрее и дешевле, чем любой из этих газов. Кроме того, пары жидкого топлива примерно в 5 раз плотнее газообразного топлива, обеспечивая гораздо большую «силу удара». Высокоскоростное режущее пламя создается за счет огромного объемного расширения, когда жидкость переходит в пар, поэтому режущее пламя легко прорезает воздушные пустоты между пластинами. Дизельно-кислородная горелка может резать краску, грязь, ржавчину и другие поверхностные загрязнения на стали. Эта система обеспечивает почти 100% окисление во время резки, поэтому она практически не оставляет расплавленной стали в шлаке, предотвращая «слипание» разрезаемых материалов. Эксплуатационные расходы дизельной горелки обычно на 75–90% ниже, чем при использовании пропана или ацетилена. Растущее использование в отраслях сноса или переработки лома
Водород имеет чистое пламя и хорош для использования на алюминии . Его можно использовать при более высоком давлении, чем ацетилен, и поэтому он полезен для подводной сварки и резки. Это хороший тип пламени для использования при нагревании больших объемов материала. Температура пламени высокая, около 2000 °C для газообразного водорода в воздухе при атмосферном давлении [11] и до 2800 °C при предварительном смешивании в соотношении 2:1 с чистым кислородом (кислородом). Водород не используется для сварки сталей и других черных металлов, поскольку он вызывает водородную хрупкость .
Для некоторых кислородно-водородных горелок кислород и водород производятся электролизом воды в аппарате, который подключается непосредственно к горелке. Типы таких горелок:
Метилацетилен-пропадиеновый (МАПП) газ и сжиженный нефтяной газ являются схожими видами топлива, поскольку сжиженный нефтяной газ представляет собой смесь сжиженного нефтяного газа с MPS. Он имеет характеристики хранения и транспортировки сжиженного нефтяного газа и имеет теплотворную способность немного ниже, чем у ацетилена. Поскольку его можно перевозить в небольших контейнерах для продажи в розничных магазинах, его используют любители, крупные промышленные компании и верфи, поскольку он не полимеризуется при высоких давлениях — выше 15 фунтов на квадратный дюйм или около того (как ацетилен) и поэтому гораздо менее опасен, чем ацетилен.
Кроме того, больше его можно хранить в одном месте одновременно, так как повышенная сжимаемость позволяет закачивать больше газа в бак. Газ MAPP может использоваться при гораздо более высоких давлениях, чем ацетилен, иногда до 40 или 50 фунтов на квадратный дюйм в газокислородных резаках большого объема, которые могут резать сталь толщиной до 12 дюймов (300 мм). Другие сварочные газы, которые развивают сопоставимые температуры, требуют специальных процедур для безопасной транспортировки и обращения. MPS и MAPP рекомендуются, в частности, для резки, а не для сварки.
30 апреля 2008 года завод Petromont Varennes закрыл свои крекинг-установки метилацетилена/пропадиена. Поскольку это был единственный североамериканский завод, производивший газ MAPP, многие заменители были введены компаниями, которые переупаковывали продукцию Dow и Varennes - большинство этих заменителей - пропилен, см. ниже.
Пропилен используется в производственной сварке и резке. Он режет так же, как пропан. При использовании пропилена горелка редко нуждается в очистке наконечника. Часто существует существенное преимущество резки инжекторной горелкой (см. раздел о пропане) по сравнению с горелкой равного давления при использовании пропилена. Довольно много североамериканских поставщиков начали продавать пропилен под фирменными торговыми марками, такими как FG2 и Fuel-Max.
Бутан , как и пропан , является насыщенным углеводородом. Бутан и пропан не реагируют друг с другом и регулярно смешиваются. Бутан кипит при 0,6 °C. Пропан более летуч, с температурой кипения -42 °C. Испарение происходит быстро при температурах выше точек кипения. Теплотворная способность (теплотворная способность) этих двух веществ почти одинакова. Таким образом, оба смешиваются для достижения давления пара, необходимого конечному потребителю, и в зависимости от условий окружающей среды. Если температура окружающей среды очень низкая, пропан предпочтительнее для достижения более высокого давления пара при данной температуре. [ необходима цитата ]
Пропан не горит так же горячо, как ацетилен, во внутреннем конусе, поэтому его редко используют для сварки. [12] Однако пропан имеет очень высокое количество БТЕ на кубический фут во внешнем конусе, поэтому при использовании правильной горелки (инжекторного типа) он может делать более быструю и чистую резку, чем ацетилен, и гораздо более полезен для нагрева и гибки, чем ацетилен.
Максимальная температура нейтрального пламени пропана в кислороде составляет 2822 °C (5112 °F). [13]
Пропан дешевле ацетилена и его легче транспортировать. [14]
Ниже приведено сравнение эксплуатационных расходов при резке пластины толщиной 1 ⁄ 2 дюйма (13 мм). Расчет стоимости основан на средней стоимости кислорода и различных видов топлива в мае 2012 года. [ устаревший источник ] Операционные расходы при использовании бензина составили 25% от стоимости пропана и 10% от стоимости ацетилена. Цифры будут варьироваться в зависимости от источника кислорода или топлива, а также от типа резки, среды или ситуации резки. [15]
Кислород не является топливом. Это окислитель , который химически соединяется с топливом, чтобы произвести тепло для сварки. Это называется «окислением», но более конкретный и более часто используемый термин в этом контексте — « сгорание ». В случае водорода продуктом сгорания является просто вода. Для других углеводородных топлив образуются вода и углекислый газ. Тепло выделяется, потому что молекулы продуктов сгорания имеют более низкое энергетическое состояние, чем молекулы топлива и кислорода. При кислородно-топливной резке окисление разрезаемого металла (обычно железа) производит почти все тепло, необходимое для «прожигания» заготовки.
Кислород обычно производится в других местах путем перегонки сжиженного воздуха и доставляется на место сварки в сосудах высокого давления (обычно называемых «цистернами» или «цилиндрами») под давлением около 21 000 кПа (3 000 фунтов силы/дюйм² = 200 атмосфер). Он также доставляется в жидком виде в сосудах типа Дьюара (например, большой термос ) в места, где используется большое количество кислорода.
Также возможно отделить кислород от воздуха, пропуская воздух под давлением через цеолитовое сито, которое селективно адсорбирует азот и пропускает кислород (и аргон ). Это дает чистоту кислорода около 93%. Этот метод хорошо подходит для пайки, но для получения чистого, безшлакового реза при резке необходим кислород более высокой чистоты.
Сварщик может настроить кислородно-ацетиленовое пламя так, чтобы оно было науглероживающим (также известным как восстанавливающее), нейтральным или окислительным. Регулировка выполняется путем добавления большего или меньшего количества кислорода в ацетиленовое пламя. Нейтральное пламя — это пламя, которое чаще всего используется при сварке или резке. Сварщик использует нейтральное пламя в качестве отправной точки для всех других настроек пламени, поскольку его легко определить. Это пламя достигается, когда сварщики, медленно открывая кислородный клапан на корпусе горелки, сначала видят только две зоны пламени. В этот момент ацетилен полностью сгорает в сварочном кислороде и окружающем воздухе. [5] Пламя химически нейтрально.
Две части этого пламени — светло-голубой внутренний конус и более тёмно-синий или бесцветный внешний конус. Внутренний конус — это место, где соединяются ацетилен и кислород. Кончик этого внутреннего конуса — самая горячая часть пламени. Его температура составляет приблизительно 6000 °F (3320 °C), и он обеспечивает достаточно тепла, чтобы легко расплавить сталь. [5] Во внутреннем конусе ацетилен распадается и частично сгорает до водорода и оксида углерода , которые во внешнем конусе соединяются с большим количеством кислорода из окружающего воздуха и горят.
Избыток ацетилена создает восстановительное (иногда называемое обугливанием) пламя. Это пламя характеризуется тремя зонами пламени: горячим внутренним конусом, раскаленным добела «ацетиленовым пером» и синим внешним конусом. Это тип пламени, наблюдаемый при первом добавлении кислорода к горящему ацетилену. Перо регулируется и становится все меньше путем добавления все большего количества кислорода в пламя. Сварочное перо измеряется как 2X или 3X, где X — длина внутреннего конуса пламени.
Несгоревший углерод изолирует пламя и снижает температуру примерно до 5000 °F (2760 °C). Восстановительное пламя обычно используется для операций по наплавке или сварки труб с тыльной стороны. Перо возникает из-за неполного сгорания ацетилена, что приводит к избытку углерода в пламени. Часть этого углерода растворяется расплавленным металлом, обугливая его. Обугленное пламя будет стремиться удалить кислород из оксидов железа, которые могут присутствовать, факт, который привел к тому, что пламя стало известно как «восстановительное пламя». [5]
Окислительное пламя — это третья возможная регулировка пламени. Оно происходит, когда соотношение кислорода и ацетилена, необходимое для нейтрального пламени, было изменено, чтобы дать избыток кислорода. Этот тип пламени наблюдается, когда сварщики добавляют больше кислорода в нейтральное пламя. Это пламя горячее, чем два других пламени, потому что горючим газам не придется искать так далеко, чтобы найти необходимое количество кислорода, и не нагревать так много термически инертного углерода. [5] Оно называется окислительным пламенем из-за его воздействия на металл. Такая регулировка пламени, как правило, не является предпочтительной. Окислительное пламя создает нежелательные оксиды, что наносит структурный и механический ущерб большинству металлов. В окислительном пламени внутренний конус приобретает пурпурный оттенок и становится сжатым и меньшим на конце, а звук пламени становится резким. Слабо окислительное пламя используется при пайке-сварке и бронзировании, в то время как более сильно окислительное пламя используется при сварке плавлением некоторых видов латуни и бронзы [5]
Размер пламени можно регулировать в ограниченной степени с помощью клапанов на горелке и настроек регулятора, но в основном это зависит от размера отверстия в наконечнике. Фактически, наконечник следует выбирать в первую очередь в соответствии с выполняемой работой, а затем соответствующим образом настраивать регуляторы.
Пламя прикладывается к основному металлу и удерживается до тех пор, пока не образуется небольшая лужа расплавленного металла. Лужа перемещается по пути, где требуется сварной шов. Обычно в лужу добавляется больше металла по мере ее перемещения путем погружения металла из сварочного прутка или присадочного прутка в лужу расплавленного металла. Металлическая лужа будет перемещаться в направлении того места, где металл наиболее горячий. Это достигается посредством манипуляции горелкой сварщиком.
Количество тепла, подаваемого на металл, зависит от размера сварочного наконечника, скорости перемещения и положения сварки. Размер пламени определяется размером сварочного наконечника. Правильный размер наконечника определяется толщиной металла и конструкцией соединения.
Давление сварочного газа с использованием ацетилена-кислорода устанавливается в соответствии с рекомендациями производителя. Сварщик изменяет скорость перемещения сварки для поддержания равномерной ширины шва. Равномерность является качественным признаком, указывающим на хорошее мастерство. Обученных сварщиков учат поддерживать одинаковый размер шва в начале и в конце сварки. Если шов становится слишком широким, сварщик увеличивает скорость перемещения сварки. Если шов становится слишком узким или если сварочная ванна теряется, сварщик замедляет скорость перемещения. Сварка в вертикальном или потолочном положении обычно медленнее, чем сварка в нижнем или горизонтальном положении.
Сварщик должен добавить присадочный пруток в расплавленную ванну. Сварщик также должен удерживать присадочный металл в зоне горячего внешнего пламени, когда не добавляет его в ванну, чтобы защитить присадочный металл от окисления. Не позволяйте сварочному пламени сжигать присадочный металл. Металл не впитается в основной металл и будет выглядеть как ряд холодных точек на основном металле. Холодная сварка имеет очень низкую прочность. Если присадочный металл правильно добавлен в расплавленную ванну, полученный сварной шов будет прочнее исходного основного металла.
Сварка свинца или « сжигание свинца » было гораздо более распространено в 19 веке для создания некоторых соединений труб и резервуаров. Требуется большое мастерство, но ему можно быстро научиться. [16] В строительстве сегодня некоторые свинцовые накладки свариваются, но паяные медные накладки гораздо более распространены в Америке. В автомобильной промышленности по ремонту кузовов до 1980-х годов сварка кислородно-ацетиленовой газовой горелкой редко использовалась для сварки листового металла, поскольку коробление было побочным продуктом, а также избыточным теплом. Методы ремонта автомобильных кузовов в то время были грубыми и давали неточности, пока сварка MIG не стала отраслевым стандартом. С 1970-х годов, когда высокопрочная сталь стала стандартом для автомобильного производства, электросварка стала предпочтительным методом. После 1980-х годов кислородно-ацетиленовые горелки вышли из употребления для сварки листового металла в индустриальном мире.
Для резки настройка немного отличается. Резак имеет головку, наклоненную под углом 60 или 90 градусов, с отверстиями, расположенными вокруг центральной струи. Внешние струи предназначены для предварительного нагрева пламени кислорода и ацетилена. Центральная струя переносит только кислород для резки. Использование нескольких пламен предварительного нагрева вместо одного пламени позволяет изменять направление реза по желанию, не меняя положения сопла или угла, который горелка образует с направлением реза, а также обеспечивает лучший баланс предварительного нагрева. [5] Производители разработали специальные наконечники для газов Mapp, пропана и пропилена, чтобы оптимизировать пламя этих альтернативных топливных газов.
Пламя предназначено не для расплавления металла, а для доведения его до температуры возгорания .
Триггер горелки выдувает дополнительный кислород под более высоким давлением через третью трубку горелки из центральной струи в заготовку, заставляя металл гореть и выдувая образовавшийся расплавленный оксид на другую сторону. Идеальный разрез представляет собой узкую щель с острым краем с каждой стороны заготовки; перегрев заготовки и, следовательно, ее расплавление приводит к образованию закругленного края.
Резка начинается с нагрева края или передней поверхности (как при резке таких форм, как круглый пруток) стали до температуры воспламенения (приблизительно ярко-вишнево-красного каления) с использованием только форсунок предварительного нагрева, а затем с использованием отдельного клапана режущего кислорода для выпуска кислорода из центральной струи. [5] Кислород химически соединяется с железом в железном материале, быстро окисляя железо в расплавленный оксид железа , производя резку. Инициирование резки в середине заготовки известно как прокалывание.
Здесь стоит отметить несколько вещей:
Для базовой установки с кислородно-ацетиленовым резом скорость резки легких стальных секций обычно почти в два раза выше, чем у отрезной шлифовальной машины с бензиновым двигателем. Преимущества при резке больших секций очевидны: кислородно-топливная горелка легкая, маленькая и тихая и требует очень мало усилий для использования, тогда как угловая шлифовальная машина тяжелая и шумная и требует значительных усилий оператора и может сильно вибрировать, что приводит к жесткости рук и возможной длительной вибрации «белые пальцы» . Кислородно-ацетиленовые горелки могут легко резать черные металлы толщиной более 200 мм (7,9 дюйма). Кислородные копья используются при операциях по утилизации и разрезанию секций толщиной более 200 мм. Отрезные шлифовальные машины бесполезны для такого рода применений.
Роботизированные кислородно-топливные резаки иногда используют высокоскоростное расходящееся сопло. Оно использует кислородную струю, которая слегка открывается вдоль своего прохода. Это позволяет сжатому кислороду расширяться на выходе, образуя высокоскоростную струю, которая распространяется меньше, чем сопло с параллельным отверстием, что позволяет выполнять более чистый рез. Они не используются для резки вручную, поскольку требуют очень точного позиционирования над работой. Их способность производить практически любую форму из больших стальных пластин обеспечивает им надежное будущее в судостроении и во многих других отраслях.
Кислородно-пропановые горелки обычно используются для резки лома, чтобы сэкономить деньги, так как LPG намного дешевле джоуля за джоуль, чем ацетилен, хотя пропан не дает очень аккуратный профиль реза ацетилена. Пропан также находит применение в производстве, для резки очень больших секций.
Кислородно-ацетиленовая резка может резать только низко- и среднеуглеродистые стали и кованое железо . Высокоуглеродистые стали трудно резать, потому что температура плавления шлака ближе к температуре плавления основного металла, так что шлак от резки не выбрасывается в виде искр, а смешивается с чистым расплавом вблизи реза. Это не позволяет кислороду достичь чистого металла и сжечь его. В случае чугуна графит между зернами и форма самих зерен мешают режущему действию горелки. Нержавеющие стали также нельзя резать, потому что материал не горит легко. [17]
Сварка/резка ацетиленом обычно не считается сложной процедурой, но есть ряд тонких моментов безопасности, которые следует усвоить, например:
Надлежащая защита, такая как сварочные очки, должна быть надета все время, в том числе для защиты глаз от бликов и летящих искр. Необходимо использовать специальные защитные очки — как для защиты сварщика, так и для обеспечения четкого обзора сквозь желто-оранжевый отблеск, испускаемый раскаленным флюсом. В 1940-х годах очки плавильщиков кобальта были заимствованы у сталелитейных заводов и оставались доступными до 1980-х годов.
Однако отсутствие защиты от ударов, ультрафиолетового, инфракрасного и синего света вызывало сильное напряжение глаз и их повреждение. Очки из дидима , разработанные для стеклодувов в 1960-х годах, также были заимствованы — до тех пор, пока многие не стали жаловаться на проблемы с глазами от чрезмерного инфракрасного, синего света и недостаточного затенения. Сегодня можно найти очень хорошую защиту для глаз, разработанную специально для газовой сварки алюминия, которая полностью отсекает оранжевый натриевый блик и обеспечивает необходимую защиту от ультрафиолетового, инфракрасного, синего света и ударов, согласно стандартам безопасности ANSI Z87-1989 для линз специального назначения. [18]
Топливные и кислородные баки должны быть надежно закреплены вертикально на стене, столбе или переносной тележке. Кислородный баллон особенно опасен, поскольку газ хранится под давлением 21 МПа (3000 фунтов на квадратный дюйм ; 210 атм ) в заполненном состоянии. Если баллон упадет и повредит клапан, его может выбросить сжатый кислород, выходящий из баллона на высокой скорости. Баллоны в таком состоянии способны пробить кирпичную стену. [19] По этой причине кислородный баллон никогда не следует перемещать без завинченной крышки клапана.
В системе кислородно-ацетиленовой горелки есть три типа клапанов : клапан резервуара, регулирующий клапан и клапан горелки. Каждый газ в системе будет иметь каждый из этих трех клапанов. Регулятор преобразует газ высокого давления внутри резервуаров в поток низкого давления, подходящий для сварки. Баллоны с ацетиленом должны поддерживаться в вертикальном положении, чтобы предотвратить разделение внутреннего ацетона и ацетилена в присадочном материале. [20]
Менее очевидная опасность сварки — воздействие вредных химикатов. Воздействие некоторых металлов, оксидов металлов или оксида углерода часто может привести к серьезным медицинским состояниям. Вредные химикаты могут выделяться из топлива, из заготовки или из защитного покрытия на заготовке. За счет увеличения вентиляции вокруг сварочной среды воздействие вредных химикатов из любого источника значительно снижается.
Наиболее распространенным топливом, используемым при сварке, является ацетилен, реакция которого протекает в два этапа. Первичная химическая реакция включает диссоциацию ацетилена в присутствии кислорода с образованием тепла, оксида углерода и водорода: C 2 H 2 + O 2 → 2CO + H 2 . Далее следует вторичная реакция, в которой оксид углерода и водород соединяются с большим количеством кислорода с образованием диоксида углерода и водяного пара. Когда вторичная реакция не сжигает все реагенты из первичной реакции, процесс сварки часто может производить большое количество оксида углерода. Окись углерода также является побочным продуктом многих других неполных топливных реакций.
Почти каждый кусок металла представляет собой сплав того или иного типа. Медь , алюминий и другие неблагородные металлы иногда сплавляются с бериллием , который является высокотоксичным металлом . Когда такой металл сваривается или режется, выделяются высокие концентрации токсичных паров бериллия. Длительное воздействие бериллия может привести к одышке, хроническому кашлю и значительной потере веса, сопровождающейся усталостью и общей слабостью. Другие легирующие элементы, такие как мышьяк , марганец , серебро и алюминий, могут вызывать болезни у тех, кто подвергается воздействию.
Более распространенными являются антикоррозионные покрытия на многих изготовленных металлических компонентах. Цинк , кадмий и фториды часто используются для защиты железа и стали от окисления . Оцинкованные металлы имеют очень толстое цинковое покрытие. Воздействие паров оксида цинка может привести к болезни, называемой « лихорадкой металлического дыма ». Это состояние редко длится дольше 24 часов, но тяжелые случаи могут быть смертельными. [21] Подобно обычному гриппу , лихорадка, озноб, тошнота, кашель и усталость являются распространенными последствиями высокого воздействия оксида цинка.
Обратный проскок — это состояние распространения пламени по шлангам системы кислородной сварки и резки. Для предотвращения такой ситуации обычно используется пламегаситель . [22] Пламя горит обратно в шланг, вызывая хлопок или визг. Это может привести к взрыву в шланге с потенциальным нанесением травм или гибели оператора. Использование более низкого давления, чем рекомендовано, может вызвать обратный проскок.
