Действие огня на металле

Газопламенная обработка металлов — это ряд технологических процессов, связанных с обработкой металлов высокотемпературным газовым пламенем.

В число этих процессов входит и газовая сварка плавлением. При такой сварке кромки соединяемых частей деталей нагревает пламя газов, сжигаемых на выходе из горелки для газовой сварки. 

Газовое пламя чаще всего образуется в результате сгорания (окисления) горючих газов технически чистым кислородом (чистота не ниже 98,5%). В качестве горючих газов используют ацетилен, водород, метан, пропан, пропано-бутановую смесь, бензин, осветительный керосин.

Рис. 1. Распределение температуры по оси нормального газового пламени

Зоны газового сварочного пламени

Газовое сварочное ацетилено-кислородное «нормальное» пламя по форме похоже на схему с рисунка 1.

Поступающая из сопла газовая смесь подогревается до температуры воспламенения во внутренней части ядра пламени 1. В наружной оболочке ядра происходит частичный распад ацетилена. Выделяющиеся частицы углерода раскалены, ярко светятся и четко выделяют очертания оболочки ядра — температура газов в ядре невелика и не превышает 1500 °С.

Зона 2 или сварочная зона — наиболее важная часть сварочного пламени. В ней происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода, поступающего в сопло из баллона. Поэтому здесь развивается максимальная температура.

Газы в сварочной зоне обладают восстановительными свойствами по отношению к оксидам многих металлов, включая оксиды железа. Поэтому ее можно назвать восстановительной. Содержание углерода в металле шва изменяется незначительно.

В зоне 3 или факеле пламени газы догорают за счет кислорода воздуха. Содержащиеся в факеле газы и продукты их диссоциации окисляют металлы, т.е. зона является окислительной. Вид ацетилено-кислородного пламени зависит от соотношения кислорода к ацетилену в подаваемой в горелку газовой смеси. Такое соотношение называется коэффициентом β.

Рис. 2. Строение ацетилено-кислородного пламени

При β = 1,1… 1,2 пламя нормальное (см. рис. 1). При увеличении этого соотношения — т.е. относительном увеличении содержания кислорода (окислительное пламя) — форма и строение пламени изменяются (рис. 2).

Реакции окисления ускоряются, а ядро пламени бледнеет, укорачивается и приобретает коническую заостренную форму.

Тогда сварочная зона утрачивает восстановительные свойства и приобретает окислительный характер — содержание углерода в металле шва уменьшается, выжигается. 

При уменьшении коэффициента β — т.е. увеличении содержания ацетилена в газовой смеси — реакции окисления замедляются. Ядро удлиняется, и его очертания становятся размытыми.

Количество свободного углерода увеличивается, частицы его появляются в сварочной зоне. При сильном избытке ацетилена частицы углерода появляются и в факеле пламени.

В этом случае сварочная зона становится науглероживающей — содержание углерода в металле шва повышается.

Пламя заменителей ацетилена принципиально похоже на ацетилено-кислородное и имеет три зоны. В отличие от углеводородных газов водородно-кислородное пламя не имеет светящегося ядра, поскольку в нем нет светящихся частиц углерода.

Температура пламени при газовой сварке

Один из важнейших параметров, определяющих тепловые и технологические свойства пламени, — его температура. Она различна в различных его участках как по длине вдоль его оси (рис. 1), так и в поперечном сечении. Она зависит от состава газовой смеси и степени чистоты применяемых газов. 

Наивысшая температура наблюдается по оси пламени и достигает максимума в сварочной зоне на расстоянии 2… 3 мм от конца ядра. Это основная сварочная зона для расплавления металла.

С увеличением β максимальная температура возрастает и смещается к мундштуку горелки. Это происходит из-за увеличения скорости горения смеси при избытке кислорода.

При избытке ацетилена (β менее 1), наоборот, максимум температуры удаляется от мундштука и уменьшается по величине.

Горючие газы-заменители ацетилена дешевле и не дефицитны. Но их теплотворная способность ниже, чем у ацетилена. Максимальные температуры пламени также значительно ниже. 

Поэтому газы-заменители применяют в ограниченных объемах в технологических процессах, не требующих высокотемпературного пламени: сварка алюминия, магния и их сплавов, свинца; пайка, сварка тонколистовой стали; газовая резка и т.д.

Например, при использовании пропана и пропано-бутановых смесей максимальная температура в пламени 2400… 2500 0С.

Такие смеси используют при сварке стали толщиной до 6 мм; сварке чугуна, некоторых цветных металлов и сплавов; наплавке, газовой резке и т.д.

При использовании водорода максимальная температура в пламени 2100 °С. Нагрев металла пламенем обусловлен лучистым и в основном конвективным теплообменом между потоком горячих газов и соприкасающейся с ним поверхностью металла.

При вертикальном положении пламени его растекающийся поток образует на поверхности металла пятно нагрева, симметричное относительно центра. При наклоне пламени пятно нагрева вытягивается по направлению оси и сужается с боков.

Интенсивность нагрева перед ядром выше, чем за ним.

При газовой сварке ввод тепла в изделие происходит по большей площади пятна нагрева. Источник тепла менее сконцентрирован, чем при других способах сварки плавлением. Из-за обширной площади разогрева основного металла околошовная зона — зона термического влияния — имеет большие размеры. Это приводит к образованию повышенных деформаций сварных соединений (короблению).

Воздействие газовой фазы на металл сварочной ванны

При газовой сварке на металл сварочной ванны активно воздействует газовая фаза всего пламени и особенно сварочной зоны.

Газовая фаза содержит в основном СО + Н2 и частично пары воды, а также СО2, Н2, О2 и N2 и некоторое количество свободного углерода.

Ее состав определяет соотношение кислорода к горючему газу в газовой смеси, а также температура пламени. В разных зонах фазы состав тоже различен. 

От состава зависят металлургические взаимодействия газовой фазы с металлом сварочной ванны. Основные реакции при сварке — это окисление и восстановление. Направление реакции зависит от концентрации кислорода в газовой фазе — окислительное и науглероживающее пламя, — температуры взаимодействия и свойств оксида. 

При сварке сталей газовая фаза в основном взаимодействует с железом, т.е. происходит образование его оксидов или восстановление. Элементы с большим сродством к кислороду по сравнению с железом (Al, Si, Mn, Cr и т.д.) могут интенсивно окисляться, когда реакций окисления железа не проходит.

Они легко окисляются не только в чистом виде, но и в виде легирующих добавок, причем чем выше их содержание, тем окисление интенсивнее. Окисление таких элементов, как Al, Ti, Mg, Si, полностью исключить не удается.

Для уменьшения их угара следует помимо регулирования состава газовой смеси использовать флюсы. 

Раскисление и структура металла при газовой сварке

Защитное и восстановительное действие пламени относительно невысоко. Поэтому раскисление металла в сварочной ванне при сварке сталей достигают путем ввода в нее марганца, кремния и других раскислителей через присадочную проволоку. 

Раскислители образуют жидкотекучие шлаки, способствующие самофлюсованию сварочной ванны. То есть на поверхности сварочной ванны образуются шлаки, которые защищают расплавленный металл от кислорода, водорода и азота, газовой среды пламени и подсасываемого воздуха.

Иначе не избежать негативных последствий. Например, содержащийся в пламени водород может растворяться в расплавленном металле сварочной ванны. При кристаллизации металла часть не успевшего выделиться водорода может образовать поры. Азот, попадающий в расплавленный металл из воздуха, образует в нем нитриды. 

Структурные превращения в металле шва и околошовной зоне при газовой сварке носят такой же характер, как при других способах сварки плавлением. Но из-за медленного нагрева и охлаждения металл шва имеет более крупнокристаллическую структуру с равновесными неправильной формы зернами.

При сварке сталей с содержанием 0,15… 0,3 углерода и быстром охлаждении в нем может образовываться видманштеттовая структура. Чем выше скорость охлаждения металла, тем мельче в нем зерно и тем выше механические свойства металла шва. Поэтому сварку следует производить как можно быстрее.

Зона термического влияния состоит из тех же характерных участков, что и при дуговой сварке. Но ее ширина значительно больше — до 30 мм при сварке стали больших толщин — и зависит от режима газовой сварки.

Типы соединений газовой сваркой

В процессе сварки происходит расплавление основного и присадочного металлов. Степень их расплавления определяют мощность горелки, толщина металла и его теплофизические свойства. Газовой сваркой выполняют сварные соединения различного типа.

• Металл толщиной до 2 мм соединяют встык без разделки кромок и без зазора или — в идеале — с отбортовкой кромок без присадочного металла.
• Металл толщиной 2… 5 мм с присадочным металлом сваривают встык без разделки кромок с зазором между кромками.
• При сварке металла свыше 5 мм используют V- или Х-образную разделку кромок.

Тавровые и нахлесточные соединения допустимы только для металла толщиной до 3 мм. При большой толщине неравномерный разогрев приводит к существенным деформациям, остаточным напряжениям и возможности образования трещин.

Свариваемые кромки зачищают от загрязнений на 30… 50 мм механическими способами или газовым пламенем. Детали сварного соединения закрепляют перед сваркой в сборочно-сварочном приспособлении или собирают с помощью коротких швов прихваток.

Левый и правый способы сварки

Направление движения горелки и ее наклон к поверхности металла оказывают большое влияние на эффективность нагрева металла, производительность сварки и качество шва. Различают два способа сварки: правый и левый (рис. 3). 

Внешний вид шва лучше при левом способе сварки, так как сварщик видит процесс образования шва. При толщине металла до 3 мм левый способ сварки также более производителен из-за предварительного подогрева кромок. 

Но угол скоса кромок правым способом сварки на 10… 150 меньше, чем левым — при большой толщине металла и сварке с разделкой кромок. Угол наклона мундштука также может быть на 10… 150 меньше. В результате производительность сварки повышается. Тепловое воздействие пламени на металл зависит от угла наклона оси пламени к поверхности металла (рис. 4).

Рис. 3. Способы перемещения горелки (способы газовой сварки)

Рис. 4. Углы наклона горелки в зависимости от толщины металла

Техника газовой сварки

Во время сварки горелке сообщаются колебательные движения. Конец мундштука описывает зигзагообразный путь.

Сварщик держит горелку в правой руке, а в левой при использовании присадочного металла сжимает присадочный пруток. Присадочный пруток располагается под углом 45° к поверхности металла.

Оплавляемому концу присадочного прутка сообщают зигзагообразные колебания в направлении, противоположном движению мундштука (рис. 5). 

Газовая сварка может проходить в нижнем, вертикальном и потолочном положениях. При сварке вертикальных швов «на подъем» удобнее вести процесс левым способом, а при сварке горизонтальных и потолочных — правым способом.

Рис. 5. Движения горелки и проволоки: а) при сварке стали толщиной более 3 мм в нижнем положении; б) при сварке угловых валиковых швов; 1 — движение проволоки; 2 — движение горелки; 3 — места задержек движения

Если нужно использовать флюс, его следует наносить на свариваемые кромки или вносить в сварочную ванну оплавляемым концом присадочного прутка. Флюсы можно использовать и в газообразном виде при подаче их в зону сварки с горючим газом.

Металлоконструкции после пожара

• Последствия теплового воздействия на пожаре на металлы (сплавы) и конструкции из них можно разделить на 6 основных групп, условно расположив их (исходя из температуры наступления) в следующий ряд:
• 1) деформации;
• 2) образование окислов на поверхности металла;
• 3) структурные изменения, сопровождающиеся изменением физико-химических и механических свойств;
• 4) растворение металла в металле;
• 5) расплавление и проплавление;
• 6) горение металла (сплава).
• Результаты протекания этих процессов при осмотре места пожара можно зафиксировать визуально или с помощью инструментальных средств, а полученную таким образом информацию использовать при поисках очага пожара.

Рассмотрим последовательно перечисленные выше процессы и возможности экспертного использования полученных сведений. Основное внимание при этом уделим сталям — наиболее распространенному сплаву.

Деформации

Известно, что критическая температура, при которой металлические конструкции теряют несущую способность, составляет: у стальных конструкций — от 440-500 до 550-6000 С; у конструкций из алюминиевых сплавов — около 2500 С.

Потеря несущей способности у металлоконструкции связана, прежде всего, с тем, что она гнётся, деформируется. Эти деформации при осмотре места пожара можно увидеть и нужно оценить.

Заметные деформации у стальных конструкций происходят, как отмечают специалисты, уже при температуре 3000 С. При нагреве до 550-6000 С деформации становятся значительными по величине и в 15-20 % случаев могут привести к обрушению конструкции.

1. Оценка величины и направленности деформаций даёт определённую информацию об относительной интенсивности и направленности теплового воздействия в тех или иных зонах.
2. Отметим визуальные признаки, которые следует фиксировать и оценивать.
3. а) Направление деформации металлических сплавов.

Металлоконструкции и их отдельные элементы деформируются, как правило, в сторону наибольшего нагрева. Кстати, это свойство не только металлов, но и большинства других материалов, например, стекла.

б) Величина деформации.

Очевидно, что величина деформации и конструкции должна быть пропорциональна температуре и длительности её нагрева. Поэтому, казалось бы, на месте пожара наиболее «горячей» зоной можно смело считать ту, в которой металлоконструкции имеют наибольшую деформацию.

Однако не все так просто, и наибольшая деформация происходит не всегда там, где имело место наибольшая температура, наиболее интенсивный и продолжительный нагрев.

Она может быть и там, где конструктивный элемент несёт более высокую нагрузку или на него действует наибольший изгибающий момент.

• Тем не менее на рассредоточенных по зоне горения однотипных и относительно одинаково нагруженных конструкциях оценить величину деформации в сравнении друг с другом очень полезно.
• Чтобы количественно оценить степень деформации рассчитывают так называемую величину относительной деформации.
• в) Взаимное расположение деформированных (обрушившихся) конструкций.

При осмотре места пожара нужно обращать внимание на взаимное расположение в пространстве, деформированных либо обрушившихся конструкций. Иногда это даёт полезную для установления очага пожара информацию.

г) «Высота излома» вертикальных несущих конструкций.

Не менее полезно при осмотре ряда однотипных вертикальных несущих металлоконструкций сравнивать минимальную высоту, на которой начинается существенная деформация каждой из конструкций.

Замечено, что при нагреве в ходе пожара вертикальные несущие металлоконструкции (например, металлические стойки павильонов, ангаров и других подобных сооружений) как бы подламываются на определенной высоте. Чем ближе очаг пожара к конструкции, тем на меньшей высоте на прогревается до критической температуры восходящими конвективными потоками.

Таким образом, зафиксировав высоту излома вертикальных конструкций, мы имеем возможность проявить своеобразный «макроконус» — признак направленности распространения горения от очага к периферии.

д) Значительные по величине локальные деформации.

Значительные по величине и чётко выраженные локальные деформации металлоконструкций, особенно балок перекрытия и тому подобных элементов — важный очаговый признак, на который обязательно следует обращать внимание.

Данные деформации образуются в начальной стадии пожара, когда в объёме помещения, справа и слева от локально нагреваемого участка ещё холодно, а под данным участком собственно и происходит горение.

В противном случае, если деформация балки происходила на стадии развившегося пожара, при относительно равномерной температуре на уровне потолка во всем помещении, то она должна была деформироваться относительно равномерно, с максимальным прогибом по центру, где на балку действует максимальный изгибающий момент.

Образование окислов на поверхности металла

Алюминий и его сплавы.

Известно, что на поверхности алюминия и его сплавов уже при обычных температурах существует микронной толщины окислый слой, который предохраняет алюминий от окисления.

Окисел этот выполняет свою функцию и при нагреве алюминиевого изделия на пожаре, вплоть до достижения температуры плавления.

Какой либо полезной экспертной информацией из исследования окисного слоя на алюминии извлечь не удается.

Медь.

На поверхности медных изделий до температуры примерно 1000 С присутствует черная пленка окисла (CuO, окись меди). При нагреве выше 1000 С и достаточной длительности образуется пленка закиси меди красного цвета (Cu2О). Это обстоятельство даёт возможность в отдельных ситуациях оценивать, превышала ли температура в зоне, где находится медное изделие, указанную величину.

Сталь.

Если поверхность стального изделия обработанная, гладкая, то первый признак теплового воздействия, который можно обнаружить визуально, — так называемые «цвета побежалости». Они появляются при нагревании стали до температуры 200-3000 С благодаря образованию на её поверхности микронной толщины пленки окисла.

Толщина слоя окисла зависит от температуры нагрева (чем больше температура, тем окисел толще), а за счёт интерференции света с изменением толщины пленки меняется и её свет.

Таким образом, получается, что цвет пленки окисла («цвет побежалости») зависит от температуры нагрева стали и может использоваться для её примерного определения при исследовании пожара.

Оценка нагрева металлических конструкций по «цветам побежалости» при поисках очага пожара используется редко. Чаще это делается при установлении причины пожара, связанного с трением, локальным перегревом в технологических установках, двигателях и т.д.

Окалина.

Высокотемпературный окисел — окалина — образуется на сталях обыкновенного качества (за время нагрева, характерное для среднего пожара) при температуре от 7000 С и выше.

Рост толщины окалины происходит по параболическому закону; чем больше температура и длительность нагрева, тем она толще. От температуры образования оскалины зависит и её состав.

Она может состоять из трех слоев различных окислов — вустита (оксида двухвалентного железа, FeO), гематита (оксида трехвалентного железа Fe2O3) и магнетита (оксида двух — трёхвалентного железа, Fe3O4).

Чем выше температура, тем больше в окалине вустита и меньше гематита. Вустит имеет черный цвет, а гематит рыжий.

Это обстоятельство позволяет по цвету окалины и её толщине примерно, ориентировочно оценивать температуру нагрева металлоконструкций.

Низко температурная окалина (700-7500 С), в которой мало вустита, обычно имеет рыжеватый оттенок и достаточно тонкая. Окалина, образовавшаяся при 900-1000 С и более, — толстая и чёрная. Если окисел на поверхности стальной конструкции рыхлый и рыжий — это, скорее всего, вообще не окалина, а обыкновенная ржавчина.

Цвет окалины и её толщина дают возможность примерной оценки температуры нагрева стальных конструкций на пожаре. При этом, однако, не исключены ошибки, поэтому лучше всё-таки проводить инструментальные исследования окалины и определять таким образом не только температуру, но и длительность нагрева конструкции.

Расплавления и проплавления металла

Расплавления и проплавления (образование сквозных отверстий) металлов и сплавов на пожарах, особенно крупных, встречаются не так уж и редко. Можно считать, что это наиболее высокая степень термических поражений конструкций и отдельных предметов.

В 70-х гг. В. Г. Выскребцов (ВНИИСЭ) предложил даже использовать так называемый «метод температур плавлений» для поисков очага пожара.

Метод заключался в фиксации мест, где расплавился тот или иной материал, и определении, таким образом, распределения температурных зон по месту пожара. Известно, например, что температура плавления составляет: меди — 10830 С; стали — 1300-14000 С.

Таким образом, если в зоне А расплавился алюминиевый провод, что температура там превышала 6000 С, а в зоне Б, где оплавились медные провода, она была, как минимум, 1080-10900 С.

Конечно, фиксировать на месте пожара зоны, где расплавился тот или иной материал, весьма полезно. Но считать это самостоятельным методом установления очага пожара было бы неразумно; да и температурные зоны устанавливаются таким путём достаточно условно — если расплавился алюминий, то это не значит, что температура была 6000 С — она могла быть и 700 — 900 — 1000…0 С.

Кроме того, нужно иметь ввиду, что так называемые «проплавления» в металле могут возникнуть и при температуре, ниже температуры плавления. Возможно это, как минимум по двум причинам. 1) Локальный нагрев тонкого стального изделия (листа, проволоки и т.д.) приводит к образованию слоя окалины, соизмеримого по толщине с самим изделием.

Окалина, не обладает достаточной механической прочностью, затем может выкрошиться, и на изделии после пожара обнаружится «дырка». В качестве примера приведём исследование пожара, произошедшего на складе одного из научно-исследовательских институтов.

При осмотре места пожара там было обнаружено несколько стоящих вертикально рулонов сетки Рабица, на боку которых имелись вытянутые по вертикали каверны — проплавления сетки на глубину до нескольких сантиметров.

Наличие таких проплавлений показалось дознавателю очень подозрительным — ведь температура плавления стали, как указывалось выше, 1300-14000 С, и обеспечить такую температуру могло лишь применение каких-то таинственных спецсредств поджога. Все оказалось, однако, более прозаично.

Когда остатки сетки по периметру прожогов исследовали, то оказалось, что проволочки полностью состоят из оксидов железа (неокисленного железа там уже нет), т.е. сталь полностью превратилась в окалину. Для такого процесса не нужна температура 1300-1400, достаточно и 800-9000 С.

Однако почему разрушения имеют такой специфический, локальный характер? Оказалось, что над рулонами сетки, на деревянных антрисолях склада хранилось несколько тонн полиэтиленовой пленки. При пожаре полимер плавился, горел, а часть его стекала на расположенные ниже рулоны сетки.

Прилипающий к сетке и горящий полимер и привёл в кончном счёте к образованию столь странных «проплавлений». 2) Растворение металла в металле. Расплавленный в ходе пожара более легкоплавкий металл при попадании на металл более тугоплавкий может привести к «растворению» последнего в расплаве первого металла. При чём происходит это при температуре, значительно ниже температуры плавления «тугоплавкого металла».

Про достоинства металлочерепицы написано уже немало статей, наша будет более интересная так как мы расскажем не только про достоинства, а и укажем некоторые особенности данного кровельного материала.

Такой процесс возможен, например, при попадании расплавленного алюминия на медь и её сплавы. Происходит это за счёт образования эвтектического сплава меди с алюминием. Известно, что чистая медь имеет температуру плавления 10830 С. В тоже время эвтектический сплав «медь+алюминий» плавится при температуре 6600 С, а «медь+расплавленная латунь» при 870-9800 С.

Способностью растворяться в расплавленном алюминии обладает также сталь.

Растворение стали в алюминии происходит в три этапа: а) окалинообразование на стали, протекающее под воздействием попавшего на неё расплавленного алюминия; б) химическое взаимодействие образовавшихся оксидов железа с расплавленном алюминием по реакции: Fe2O3+2AL -> AL2O+2Fe+847,8 кДж.

Реакция эта, как видно из уравнения, сопровождается сильным тепловыделением, что приводит к дополнительному разогреву в зоне реакции и соответственно интенсификации последней; в) растворение восстановленного из окисла железа в расплавленном алюминии (например, при температуре 9000 С в алюминии может раствориться до 10% Fe).

Конечным результатом протекания указанных реакций может быть проплавление (дырка) в тонком стальном листе, в стенке стальной трубы и т.д.

Квалификационным признаком, позволяющим отличить такую дырку от проплавления, возникшего, например, под действием электрической дуги, является характерный контур проплавления (в форме лужицы, потека) и тоненькая каемка алюминия обычно сохраняющаяся по периметру дырки.

Горение металлов и сплавов

Известна способность к горению щёлочных и щёлочноземельных металлов (К, Na, Mg). Менее известно, однако, что в определённых условиях способны гореть (т. е. взаимодействовать с кислородом воздуха) металлы и сплавы, обычно не считающиеся горючими. Примером в данном случае могут быть широко распространенные в качестве конструкционных материалов алюмомагниевые сплавы.

Cтруктурные изменения, сопровождающиеся изменением физико-химических свойств

Изменения структуры металла при нагревании происходят в довольно широком интервале температур, но, как правило, незаметно для глаза. Их надо выявлять инструментальными методами, с помощью соответствующих приборов. В частности, широко используются такие методы как: металлография, магнитные исследования.

Тепловое действие сварочного пламени на наплавленный и основной металл

Подробности Подробности Опубликовано 27.05.2012 13:34 Просмотров: 10537

При нагреве изделия пламенем газовой горелки, помимо расплавления металла, происходит изменение структуры металла в зоне теплового воздействия, изменяется форма изделия, возникают так называемые внутренние напряжения.

Если сварной шов разрезать поперек, отшлифовать и обработать специальным реактивом, то на таком образце, называемом макрошлифом, можно заметить невооруженным глазом, что наплавленный            металл шва отличается от основного металла. Это отличие объясняется тем, что свариваемые детали большей частью, изготавливаются из прокатного металла.

При прокатке металла в горячем состоянии его механические свойства улучшаются. Литой металл шва, не подвергающийся подобной обработке, имеет крупнозернистую структуру и худшие по сравнению с прокатным механические свойства.

Основной металл, расположенный рядом с наплавленным металлом, нагревается в процессе сварки до различных температур (но ниже температуры плавления), а затем вновь охлаждается до температуры окружающей среды.

Часть основного металла, подвергнутая такому нагреву при сварке, называется зоной термического (теплового) влияния, или около шовной зоной. Зона термического влияния состоит из нескольких участков, имеющих неоднородную структуру металла.

Размер этих участков и структуру можно увидеть, рассматривая микрошлиф под микроскопом (микрошлиф — образец, отполированный, а затем протравленный раствором азотной кислоты в спирте). Размер зоны термического влияния зависит от степени нагрева металла в процессе сварки и скорости охлаждения.

Скорость охлаждения зависит от толщины свариваемого металла,, а степень нагрева—от способа и режима газовой сварки. Так, например, при сварке стали правым способом ширина зоны термического влияния меньше, чем при сварке левым способом.

Режим сварки в основном определяется мощностью применяемой горелки и скоростью перемещения пламени. При нормально установленных мощности пламени и скорости сварки зона термического влияния имеет меньшую ширину, чем при чрезмерно большой мощности и малой скорости сварки.

Зона термического влияния подразделяется на участок перегретого металла 2, участок нормализации «3 и участок неполной нормализации 4.

Участок перегретого металла имеет более низкие механические свойства, чем основной, так как здесь получается крупное зерно и часто появляется структура перегрева, придающая стали пониженные пластические свойства.

Участок нормализации имеет мелкозернистую структуру (мельче, чем у основного металла вне зоны термического влияния).

Механические качества металла этого участка могут быть выше механических свойств основного металла, не затронутого действием тепла при сварке.

Участок неполной нормализации имеет структуру, среднюю между структурой зоны нормализации и структурой основного металла. Механические качества этой зоны удовлетворительные.

Лучшим способом устранения зоны термического влияния является полная термическая обработка детали.

Неравномерное нагревание металла при сварке вызывает соответственно неравномерное его расширение, вследствие чего деталь изменяет свою первоначальную форму и начинает коробиться (деформироваться). Это можно наблюдать при нагревании средины листа пламенем горелки.

По мере нагрева металл под пламенем горелки будет стремиться расшириться, но этому препятствуют более холодные части листа, окружающие место нагрева. В результате нагреваемый участок начнет выпучиваться (деформироваться) вверх.

Величина расширения металла и связанная с этим величина деформации зависят от температуры нагрева металла и его коэффициента линейного расширения.

Величина деформации будет тем выше, чем выше коэффициент линейного расширения и температура нагрева металла. Так как при сварке детали подвергаются нагреву до высокой температуры, то и деформация имеет значительную величину.

Другой причиной, вызывающей деформацию сварного соединения, является усадка металла шва. Усадкой называется уменьшение объема металла при его остывании.

При остывании металла шва после сварки объем уменьшается, что приводит к продольной и поперечной усадке шва. Если взять два листа, положить их параллельно и сваривать в направлении, а стрелкой, то свободные кромки листов будут набегать друг на друга.

Получается это в результате продольной усадки металла шва. Поперечная усадка шва приводит к деформации листов.

Если деформированию что-либо препятствует, то в шве и детали появляются так называемые внутренние напряжения. Эти напряжения в зависимости от степени нагрева, размеров и формы детали и количества наплавленного металла могут достичь настолько большой величины, что вызовут появление трещин в шве или в основном металле и даже разрушение сварного соединения.

Напряжения и деформации можно уменьшить, применяя определенный порядок наложения швов или другие мероприятия, описанные ниже.

Обратноступенчатый порядок наложения швов. В этом случае весь шов делят на несколько участков длиной 100—250 мм и сварку ведут участками в порядке, указанном на фиг. 45, а, б и в цифрами. При таком способе обеспечивается более равномерное распределение тепла вдоль шва, чем при непрерывной сварке, а поэтому деформации уменьшаются.

Способ обратных деформаций. Этот способ заключается в придании деталям такой формы или расположения перед сваркой, чтобы после сварки они приняли требуемое взаимное расположение. Для этого, например, листы укладывают перед сваркой не параллельно, а под некоторым углом, при сварке заплаты в средину листа ее делают выпуклой.

Уравновешивание деформаций путем определенного порядка наложения швов. В этом случае сварка ведется так, чтобы накладываемый шов вызывал деформации (коробление), обратные ранее полученным.

Примером может служить порядок наплавки валиков на стержень. Попеременное накладывание валиков с противоположных сторон стержня в порядке, указанном цифрами, позволяет избежать заметной деформации.

При многослойной сварке применяется порядок наложения швов, снижающий поперечный изгиб листов.

Жесткое закрепление свариваемых деталей. Детали укрепляют так, чтобы они в процессе сварки не могли деформироваться. Деталь освобождается после охлаждения швов.

Этот способ хотя и уменьшает деформации, но вызывает появление внутренних напряжений, остающихся после сварки.

Поэтому при пользовании им следует применять какие-либо другие способы уменьшения напряжений, например подвергать деталь последующей термообработке.

Охлаждение детали. Применяемое в процессе сварки охлаждение детали уменьшает объем нагреваемого металла, а следовательно, и деформацию изделия. Для охлаждения изделие частично погружают в воду, оставляя не погруженным только место сварки, или кладут под шов и рядом с ним прокладку из меди, хорошо отводящую тепло, или же обкладывают деталь около шва мокрым асбестом.

Предварительный подогрев детали.

Если деталь предварительно нагреть, то разница между температурой места сварки и температурой всей детали уменьшается и, следовательно, будут уменьшаться деформации от местного нагрева.

Этот способ часто применяется при ремонте с помощью сварки отливок, изготовленных из металла имеющего большой коэффициент линейного расширения (чугун, бронза, алюминий).

Проковка. Проковка в горячем состоянии производится слесарным молотком путем легких ударов так, чтобы на поверхности шва оставались небольшие вмятины.

После проковки, благодаря уплотнению, наплавленный металл приближается по свойствам к основному металлу свариваемых деталей. Кроме того, проковка уменьшает оставшиеся в шве напряжения.

Подробнее о проковке будет сказано далее при описании техники сварки различных металлов.

Виды сварочного пламени

Сварочное пламя образуется при сгорании горючего газа или паров горючей жидкости в кислороде. Пламя нагревает и расплавляет основной и присадочный металл в месте сварки.

Наибольшее применение при газовой сварке нашло кислородно-ацетиленовое пламя, так как оно имеет высокую температуру (3150°С) и обеспечивает концентрированный нагрев.

Однако в связи с дефицитностью ацетилена в настоящее время получили широкое распространение (особенно при резке металлов) газы-заменители ацетилена — пропан-бутан, метан, природный и городской газы.

От состава горючей смеси, т. е. от соотношения кислорода и горючего газа, зависят внешний вид, температура и влияние сварочного пламени на расплавленный металл. Изменяя состав горючей смеси, сварщик тем самым изменяет основные параметры сварочного пламени.

Для получения нормального пламени отношение кислорода к горючему газу должно быть для ацетилена — 1,1-1,2, природного газа — 1,5-1,6, пропана — 3,5.

Все горючие газы, содержащие углеводороды, образуют сварочное пламя, которое имеет три ярко различимые зоны:

• ядро
• восстановительная зона
• факел

Водородное пламя ярко различимых зон не имеет, что затрудняет его регулировку по внешнему виду.

При зажигании газовой струи, вытекающей из сопла, пламя перемещается по направлению движения струи газовой смеси.

Скорость истечения для каждого газа подбирается такой, чтобы пламя не проникало внутрь сопла горелки и не отрывалось от него.

Газ в струе должен прогреваться до температуры воспламенения, ацетилен воспламеняется при температуре 450-500°С, а газы-заменители — 550-650°С. Поэтому ядро пламени при сгорании газов-заменителей длиннее, чем при сгорании ацетилена.

а — окислительное, б — нормальное, в — науглероживающее; 1 — ядро, 2 — восстановительная зона, 3 — факел

Рисунок 1 — Виды сварочного пламени

Процесс сгорания ацетилена в кислороде можно условно разделить на две стадии. Сначала под влиянием нагрева происходит распад ацетилена на элементы: С2Н2=2С+Н2.

Затем происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода смеси по реакции 2С+Н2+O2=2СО+Н2. Вторая стадия горения протекает за счет кислорода воздуха: 2СО+Н2+1,5O2=2СO2+Н2O.

Процесс горения горючего газа в кислороде экзотермичен, т.е. идет с выделением теплоты.

Ядро имеет резко очерченную форму (близкую к форме цилиндра), плавно закругляющуюся в конце, с ярко светящейся оболочкой.

Оболочка состоит из раскаленных частиц углерода, которые сгорают в наружном слое оболочки. Размеры ядра зависят от состава горючей смеси, ее расхода и скорости истечения.

Диаметр канала мундштука горелки определяет диаметр ядра пламени, а скорость истечения газовой смеси — его длину.

Площадь поперечного сечения канала мундштука горелки прямо пропорциональна толщине свариваемого металла. Сварочное пламя не должно быть слишком «мягким» или «жестким».

Мягкое пламя склонно к обратным ударам и хлопкам, жесткое — способно выдувать расплавленный металл из сварочной ванны.

При увеличении давления кислорода скорость истечения горючей смеси увеличивается и ядро сварочного пламени удлиняется, при уменьшении скорости истечения ядро укорачивается. С увеличением номера мундштука размеры ядра увеличиваются. Температура ядра достигает 1000°С.

Восстановительная (средняя) зона располагается за ядром и по своему более темному цвету заметно отличается от него. Длина ее зависит от номера мундштука и достигает 20 мм. Зона состоит из продуктов неполного сгорания ацетилена — оксид углерода и водорода.

Она называется восстановительной, так как оксид углерода и водорода раскисляют расплавленный металл, отнимая кислород от его оксидов. Если в процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны находится в средней зоне, то сварочный шов получается без пор газовых и шлаковых включений. Этой зоной пламени выполняю сварку и поэтому ее называют рабочей.

Восстановительная зона имеет наиболее высокую температуру (3140°С) в точке, отстоящей на 3-6 мм от конца ядра.

Зона полного сгорания (факел) располагается за восстановительной зоной. Она состоит из углекислого газа, паров воды и газа, которые образуются в пламени при сгорании оксида углерода и водорода восстановительной зоны за счет кислорода окружающего воздуха. Температура этой зоны значительно ниже, чем температура восстановительной, и колеблется от 1200 до 2520°С.

В зависимости от соотношения между кислородом и ацетиленом получают три основных вида сварочного пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее. Нормальное пламя теоретически получают тогда, когда в горелку на один объем кислорода подают несколько больше от 1,1 до 1,3 объема ацетилена.

Нормальное пламя характеризуется отсутствием свободного кислорода и углерода в его восстановительной зоне. Кислорода в горелку подается немного больше из-за небольшой его загрязненности и расхода на сгорание водорода. В нормальном пламени ярко выражены все три зоны.

Окислительное пламя получается при избытке кислорода, при подаче в горелку на один объем ацетилена более 1,3 объема кислорода.

При этом ядро приобретает конусообразную форму, значительно сокращается по длине, становится с менее резкими очертаниями и приобретает более бледную окраску. Сокращаются по длине также восстановительная зона и факел. Все пламя приобретает синевато-фиолетовую окраску.

Пламя горит с шумом, уровень которого зависит от давления кислорода. Температура окислительного пламени выше нормального, однако сваривать стали таким пламенем нельзя из-за наличия в пламени избытка кислорода.

Избыток кислорода приводит к окислению металла шва, шов получается пористым и хрупким. Окислительное пламя можно применять при газовой сварке латуни и пайке твердыми припоями.

Науглероживающее пламя получается при избытке ацетилена, когда в горелку на один объем ацетилена подается 0,95 и менее объема кислорода. Ядро такого пламени теряет резкость своего очертания, на конце его появляется зеленый венчик, по которому судят об избытке ацетилена.

Восстановительная зона значительно светлее и почти сливается с ядром, а факел приобретает желтоватую окраску. При большом избытке ацетилена пламя начинает коптить, так как в нем ощущается недостаток кислорода, необходимого для полного сгорания ацетилена.

Находящийся в пламени избыточный углерод легко поглощается расплавленным металлом и ухудшает качество металла шва. Температура науглероживающего пламени ниже, чем нормального и окислительного.

Уменьшая подачу ацетилена в горелку до полного исчезновения зеленого венчика на конце ядра, ацетиленовое пламя превращается в нормальное. Слегка науглероживающее пламя применяют для сварки чугуна и при наплавке твердыми сплавами.

Характер сварочного пламени сварщик определяет на глаз по форме и окраске пламени. При регулировании пламени необходимо обращать внимание на правильность подбора расхода горючего газа и кислорода.

Вытекающая из мундштука горючая смесь оказывает механическое воздействие на расплавленный металл сварочной ванны и формирует валик шва. Жидкий металл отжимается к краям ванны. Характер формообразования металла зависит от угла наклона мундштука горелки к поверхности свариваемого металла.

а — вертикальном, б — наклонном, в — схема перемещения жидкого металла в ванне

Рисунок 2 — Схема механического воздействия пламени на жидкий металл сварочный ванны при различных положениях мундштука

Давление газов оказывает влияние на жидкий металл, перемещая его к задней стенке сварочной ванны, образуя чешуйки шва. При большом давлении кислорода горючая смесь вытекает из мундштука с большой скоростью, пламя становится «жестким» и выдувает расплавленный металл из сварочной ванны, затрудняя тем самым сварку.

Качество наплавленного металла и прочность сварного шва зависят от состава пламени, поэтому во время газовой сварки сварщик должен следить за его характером, регулировать его состав в течение всего процесса сварки.

Характер пламени подбирают в зависимости от свариваемого металла и его свойства.

Для газовой сварки сталей требуется нормальное пламя, для сварки чугуна, наплавки твердых сплавов — науглероживающее, для сварки латуни — окислительное пламя.