Зварювальне полум’я 3
Будова і склад зварювального полум'я
Для газополум'яної обробки металів в якості горючих газів в основному застосовуються різні вуглеводні і тільки в деяких випадках водень.
Будова полум'я при горінні вуглеводнів в кисні або в повітрі характеризується наявністю трьох зон:
Форма, вид та відносні розміри цих зон залежать від співвідношення кисню (Vк) і горючого газу (Vг) в суміші, т. Е. Регулювання полум'я, що характеризується коефіцієнтом B = Vк / Vг.
Процес горіння проходить в кілька стадій.
Перша стадія - підготовка пального до згорання - характеризується розпадом вуглеводню в кінцевому вигляді на вуглець і водень. Так, наприклад, реакція розпаду ацетилену має вигляд:
Реакція прискорюється в разі присутності кисню в суміші з вуглеводнем. Реакції розпаду здійснюються всередині ядра полум'я.
Друга стадія горіння характеризується утворенням СО і Н2. Вирізняється в результаті розпаду вуглець окислюється знаходяться в суміші киснем по реакції
Продукти цієї реакції визначають склад другої зони полум'я.
При горінні елементарні частинки вуглецю розжарюються, їх світіння і показує кордон ядра полум'я. Якщо кисню в горючій суміші досить, за цією межею ядра вільного вуглецю вже немає.
При недостатній кількості в горючій суміші, що подається через пальник (первинного) кисню (B <1) часть углерода не окислится, и его частицы будут догорать в других частях пламени, уже за счет кислорода воздуха (вторичного кислорода). При взаимодействии пламени с металлом, растворяющим углерод, в этом случае будет происходить науглероживание металла.
При надлишку кисню (B> 1) вже в другій зоні полум'я починається третя стадія горіння, яка полягає в тому, що утворюються СО і Н2 частково окислюються в СО2 і Н2 О.
Друга зона знаходиться безпосередньо за ядром і має вигляд клина сіруватого кольору. При надлишку кисню ця зона зменшується в своїх розмірах, а при нестачі кисню (надлишку ацетилену) навколо ядра видно область білого кольору, де вуглець догорає за рахунок реакції з киснем повітря.
При B = 1 процеси окислення СО і Н2 здійснюються в третій зоні за рахунок кисню повітря по реакціях:
2СО + 02 -> 2С02 + 136,4 ккал / г · мовляв;
Відпрацьовані гази разом з потрапили в полум'я повітрям утворюють факел оранжево-фіолетових відтінків при B = 1, жовто-оранжевих відтінків при B <1 и фиолетовых при B> 1.
Будова і схема зміни складу ацетилено-кисневого полум'я при B = 1 показана на рис. 29, а зовнішній вигляд полум'я при різних значеннях B - на рис. 30. Однак на склад полум'я, крім того, можуть впливати відбуваються при високих температурах реакції дисоціації газових молекул (рис. 31). Так, наприклад, безпосередньо за ядром, де має місце найвища температура, відбувається частковий розпад молекулярного водню по реакції:
Н2 -> 2Н - 103,8 ккал / г · мовляв.
Тому в другій зоні полум'я зазвичай крім СО і Н2 є кисень і атомарний водень. Зразковий склад цієї зони в момент горіння при р = 1 наступний: 60% СО, 20% Н2. 20% Н і невелика кількість (
10 -3 -10 -5%) вільного кисню. Експериментальний відбір газу, крім того, показує присутність також і деякого (близько 8%) кількості азоту з повітря.
У полум'ї з надлишком кисню (B> 1,3) у другій зоні крім СО, Н2 і Н є значні кількості С02 і Н2 0 і більшу кількість вільного кисню. Ця зона полум'я гаряче (має більш високу температуру, ніж при B = 1-1,1) внаслідок додаткового теплового ефекту згорання СО в С02 і Н2 в Н2 0 і володіє більш високою окисної здатністю по відношенню до нагрівається і розплавляється металу.
При нестачі кисню (B <1) во второй зоне пламени не только появляется свободный углерод, но и уменьшается тепловой эффект горения. Так, например, при р = 0,8
Регулювання ацетилено-кисневого полум'я здійснюється за зовнішнім виглядом.
Полум'я замінників ацетилену (різних вуглеводнів, найбільш часто пропан-бутану) принципово подібно ацетилено-кисневого і має три зони. Співвідношення кількостей кисню до пального газу, що дають полум'я нормальної регулювання, залежать від складу цих горючих газів. Так, при пропано-бутанових сумішах значення B приблизно дорівнює 3,5.
Як правило, регулювання полум'я газів-замінників, що здійснюється за зовнішнім виглядом, складніше, ніж ацетилено-кисневого, так як зони полум'я менш чіткі. Найбільш важко проводити регулювання по зовнішньому вигляду воднево-кисневого полум'я, яке не має ядра. У цих випадках регулювання слід здійснювати з використанням ротаметрів.
Хімічна взаємодія полум'я з металом
Взаємодія металу з полум'ям визначається властивостями металу, температурою, тиском і складом газової фази полум'я. Склад газової фази встановлюється при зварюванні за допомогою регулювання полум'я. Теоретичні основи регулювання вперше розроблені А. Н. Шашкова.
Одним з найбільш поширених процесів, що відбуваються під дією полум'я на метал, є окислення. Типовий реакцією окислення при зварюванні є
2Ме + О2 = 2МеО + Q
Напрямок реакції, т. Е. Окислення (зліва направо) або відновлення оксиду (справа наліво) залежить від концентрації (парціального тиску) кисню в газовій фазі, що контактує з металом, температури взаємодії і властивостей оксиду (спорідненості металу до кисню, що визначає стійкість оксиду, його стійкість проти розкладання, дисоціації). При певних умовах такі оборотні реакції досягають рівноваги, т. Е. Швидкості реакції як зліва направо, так і справа наліво стають рівними. Для конкретних реакцій (наприклад, для окислення - дисоціації оксидів певного металу) досягнення рівноваги визначається температурою і складом газової фази. Наприклад, рівновага різних газових сумішей з залізом і його оксидами представлено на рис. 32. З рис. 32, а слід, що при загальному тиску 1 кгс / см 2 окислення заліза при температурах зварювальної ванни (заштрихована область) при його взаємодії з сумішшю водню і парів води не буде відбуватися тільки в разі вмісту водню в суміші більше 45% (т. Е . парів води менше 55%). Таке воднево-кисневе полум'я може бути отримано при В = Vк / V в = 1/4 по реакції:
Полум'я при горінні вуглеводнів має більше складових, і тому необхідно враховувати парціальні тиску не тільки Н2 і Н2 О, а й СО і СО2. Як показано вище, в ацетилено-кисневому полум'ї з B <1 имеется свободный углерод, в связи с чем может происходить науглероживание металла.
При B> 1 у другій зоні полум'я з'являється СО2 і Н2 О, допустима кількість яких (коли при зварюванні залоза не утворюється FeO) дозволяє визначити максимальне значення B.
Так, якщо знехтувати впливом парціальних тисків, користуючись рис. 32, можна підрахувати В, при якому полум'я буде перебувати в рівновазі з FeO:
Якщо врахувати вплив парціальних тисків і кисню повітря, що потрапляє в полум'я, максимальне значення В буде не 1,435, а приблизно 1,3. Таким чином, стосовно залозу полум'я при В <1 является науглероживающим, а при р> 1,3 - окислювальним. Полум'я зі значеннями В = 1 - 1,3 для розплавленого заліза є частково відновних і носить назву полум'я нормальної регулювання.
Полум'я з В> 1,3 може застосовуватися лише для нагріву твердого заліза або сталей з малою кількістю інших елементів (наприклад, при поверхневому загартуванню).
Елементи, які мають більшу спорідненість до кисню, ніж залізо (Al, Si, Мп, Сг і т. Д.), Можуть інтенсивно окислюватися тоді, коли реакції освіти FeO не відбувається. Вони легко окислюються не тільки в чистому вигляді, але і знаходячись у вигляді домішок чи легуючих добавок в залізних сплавах, причому чим більше їх в сплаві, тим їх окислення буде інтенсивніше. Тому при зварюванні легованих, особливо середньо- і високолегованих сталей, в ряді випадків необхідно застосовувати регулювання полум'я з іншими значеннями В, ніж при зварюванні нелегованих сталей. Окислення деяких елементів, наприклад Al, Тi, Si і ін. Взагалі не вдається виключити ні при якій регулюванню полум'я. Тому, наприклад, алюміній, магній та їх сплави необхідно зварювати газовим зварюванням із застосуванням додаткових засобів захисту зварювальної ванни від оксидів за допомогою застосування флюсів.
Деякі елементи (Ni, Сі та ін.) Окислюються слабкіше, ніж залізо, і менше окислюються, перебуваючи в сталях у вигляді легуючих добавок.
Однак при зварюванні умови рівноваги металу і газової фази не досягаються, і в результаті взаємодії полум'я з металом можливе утворення таких оксидів, які в рівноважних умовах не утворюються.
Внаслідок розчинності в розплавлених елементах їх оксидів (наприклад, NiO в нікелі) утворився в якийсь період окисел, розчиняючись у ванні, не взаємодіє більше з відновлюють газами, приводячи в кінцевому рахунку до окислення зварювальної ванни. Ступінь цієї окисленности тим менше, чим менше B. Але при зменшенні B, як показано вище, в полум'я з'являється підвищена кількість вільного водню, що може негативно позначитися на зварюванні деяких металів.
Тому при газовому зварюванні різних металів і сплавів підбирають таке співвідношення кисню і пального газу, яке дозволяє отримувати найбільш сприятливий характер взаємодії полум'я з зварюваних металом.
Температура ацетилено-кисневого полум'я і нагрів металу полум'ям
Температура є однією з найважливіших характеристик полум'я. Чим вище температура полум'я, тим ефективніше процеси нагрівання і плавлення металу.
Експериментальні дослідження Н. Н. Клебанова з визначення температури ацетилено-кисневого полум'я нормальної регулювання потужністю 500 л / ч дали наступні значення:
Аналогічно, але з іншим характером перепаду (градієнтом), змінюється температура і в поперечному перерізі полум'я, зменшуючись від осі полум'я до периферії.
Нагрівання металу полум'ям обумовлюється променистим (5-10%) і в основному конвективним теплообміном між потоком палаючих газів і дотичної з ним поверхнею металу.
Загальна кількість тепла q (в ккал / см 2. сек), що вводиться полум'ям в одиницю часу через одиницю площі поверхні, що нагрівається металу, так само
де а - коефіцієнт теплообміну, який дорівнює сумі коефіцієнтів конвективного (ак) і променистого (ал) теплообміну, в ккал / см 2 · сек · ° С;
Тг - температура потоку газів в ° С;
Тм - температура поверхні металу в ° С.
Теоретичні розрахунки поширення тепла при нагріванні металу газовим полум'ям розроблені акад. АН СРСР Н. Н. Рикалін, а експериментальні дослідження проведені М. X. Шоршорова і А. К. Нінбург.
При зіткненні з поверхнею металу газовий потік полум'я розтікається, утворюючи при перпендикулярному напрямку потоку симетричне щодо центра пляма нагріву (рис. 34, а).
Характер розподілу питомої теплового потоку по плямі нагріву схематично надано нижньою частиною рис. 34, а і приблизно може бути виражений математичною формулою:
де qr - питомий тепловий потік в будь-якій точці А плями нагріву на відстані r від центру в кал / см 2 • сек;
qmax - максимальна питома тепловий потік на осі полум'я в кал / см 2. сек;
е - основа натуральних логарифмів;
R - коефіцієнт зосередженості в 1 / см 2.
При відхиленні осі полум'я від перпендикуляра до поверхні виробу на кут 90 ° - ф пляма нагріву витягується в напрямі осі і звужується з боків (рис. 34, б). Інтенсивність нагріву попереду ядра полум'я збільшується, а за ним - зменшується.
Розподіл теплового потоку по плямі нагріву пальником з різними наконечниками при перпендикулярному напрямку полум'я представлено на рис. 35.
При переміщенні полум'я щодо поверхні металу нагріті гази стикаються з більш холодним металом, в зв'язку з чим зростає введення тепла в одиницю часу. Ефективна потужність полум'я зі збільшенням витрати газу також збільшується, але в меншій мірі, ніж витрата пального. Внаслідок цього ефективний к. П. Д. Ηu зі збільшенням потужності полум'я падає. Значення ηu визначається за формулою:
де qеф - кількість тепла, отримане металом, в кал / сек;
qn - повна теплова потужність полум'я, відповідна нижчої теплотворної здатності пального (для ацетилену 12 600 кал / л).
де Va - витрата ацетилену в л / год.
Результати експериментальних досліджень qеф і ηu для зварювальних пальників з різними наконечниками представлені на рис. 36.
На ефективну потужність полум'я в найбільшою мірою впливає витрата пального. Однак деяку роль відіграють і інші параметри режиму нагріву: кут нахилу полум'я до поверхні металу, швидкість переміщення полум'я, швидкість витікання газів, значення коефіцієнта В, товщина металу, його тепло-фізичні властивості та ін.
У результаті меншою концентрації тепла при впливі на метал полум'ям в порівнянні з електричною дугою характер розподілу температур в металі при нагріванні полум'ям є більш плавним, з меншим градієнтом, а відносна частка тепла, використовувана на проплавление металу при зварюванні, зменшується.
Повний коефіцієнт проплавления може бути визначений з формули
де υ - середня швидкість переміщення пальника в см / сек;
Fnp - площа поперечного перерізу металу шва в см 2;
у - питома вага металу в г / см 3;
Va - витрата ацетилену в л / год.
Зміна повного к. П. Д. В залежності від товщини металу з використанням різних пальників і горючих газів при ручного газового зварювання представлено на рис. 37.
Як випливає з малюнка, повний к. П. Д. При газовому зварюванні малий, і інше тепло спалюваного пального становить різні втрати. Наприклад, при ацетіленокіслородной зварюванні сталі товщиною 3 мм витрати тепла на нагрівання зварюваного металу навколо розплавляється зони (ванни, шва) складають близько 45%. При збільшенні товщини зварюваного металу або його теплопровідності складова витрат на його нагрів поза розплавляється зони збільшується.
Важливе значення для проплавлення металу і управління зварювальної ванній має і механічна дія полум'я, що досягає по осі полум'я максимальної величини. При зварювальних пальниках великої потужності питомий тиск газів полум'я досягає 0,1 кгс / см 2.
Газове зварювання з огляду на її меншої продуктивності і теплової ефективності в порівнянні з дугового застосовується в основному для зварювання стали малої товщини, чавуну і деяких кольорових металів. При великих товщинах газове зварювання стали застосовується тільки в тих випадках, коли з яких-небудь причин ускладнене застосування електрозварювання.
Основними шляхами підвищення продуктивності газового зварювання є раціональне використання теплової потужності полум'я, зокрема підбором потужності та регулювання, що дозволяє отримувати хорошу якість зварювання при збільшенні її швидкості, а також використанням в окремих випадках тепла відхідних газів.