Schweißgas: Alles, was Sie wissen müssen

Schweißgas bezieht sich hauptsächlich auf das Schutzgas, das beim Schutzgasschweißen (Kohlendioxid-Schutzgasschweißen, Schutzgasschweißen) verwendet wird, sowie auf das beim Gasschweißen und -schneiden verwendete Gas, einschließlich Kohlendioxid (CO₂), Argongas (Ar), Heliumgas (He), Sauerstoffgas (O₂), brennbare Gase, Mischgase, usw.

Beim Schweißen ist das Schutzgas nicht nur ein Schutzmedium für den Schweißbereich, sondern auch ein Gasmedium zur Erzeugung eines Lichtbogens.

Beim Gasschweißen und -schneiden wird hauptsächlich die durch die Gasverbrennung erzeugte Hochtemperaturflamme genutzt, um die Wärme zu konzentrieren und den Prozess abzuschließen.

Die Eigenschaften des Gases (z. B. physikalische und chemische Eigenschaften usw.) wirken sich daher nicht nur auf die Schutzwirkung, sondern auch auf die Zündung des Lichtbogens und die Stabilität des Schweiß- und Schneidprozesses aus.

1. Klassifizierung von Schweißgas

Entsprechend der Rolle der verschiedenen Gase im Arbeitsprozess, Schweißgas wird hauptsächlich in Schutzgas und Gas zum Gasschweißen und -schneiden unterteilt.

1.1 Schutzgas

Schutzgas umfasst hauptsächlich Kohlendioxid (CO₂), Argongas (Ar), Heliumgas (He), Sauerstoffgas (O₂), und Wasserstoffgas (H2).

Das International Institute of Welding weist darauf hin, dass Schutzgase nach ihrem Oxidationspotenzial eingestuft werden, und die einfache Berechnungsformel zur Bestimmung des Klassifizierungsindex lautet: Klassifizierungsindex = O₂% + 1/2 CO₂%.

Auf der Grundlage dieser Formel können Schutzgase je nach ihrem Oxidationspotenzial in fünf Kategorien eingeteilt werden. Klasse I ist ein inertes oder reduzierendes Gas, M1 ist ein schwach oxidierendes Gas, M2 ist ein mäßig oxidierendes Gas und die Klassen M3 und C sind stark oxidierende Gase. Die Oxidationspotenzialindizes der einzelnen Schutzgasarten sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die Klassifizierung der Schutzgase für das Schweißen von Schwarzmetallen ist in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 1: Oxidationspotenzial-Indizes verschiedener Arten von Schutzgasen

Tabelle 2: Klassifizierung von Schutzgasen zum Schweißen von Schwarzmetallen

1.2 Gas zum Gasschweißen und -schneiden

Entsprechend den Eigenschaften von Gasen werden Gase zur Gasschweißen und Schneiden lassen sich in zwei Kategorien einteilen: oxidierende Gase (O₂) und brennbare Gase.

Wenn brennbare Gase mit Sauerstoff gemischt und verbrannt werden, wird eine große Wärmemenge freigesetzt, die eine Hochtemperaturflamme mit konzentrierter Hitze bildet (die höchste Temperatur in der Flamme kann im Allgemeinen 2000~3000℃ erreichen), die Metalle erhitzen und schmelzen kann.

Acetylen wird in der Regel als brennbares Gas für das Gasschweißen und -schneiden verwendet. Andere brennbare Gase, deren Verwendung derzeit gefördert wird, sind Propan, Propylen, Flüssiggas (hauptsächlich Propan), Erdgas (hauptsächlich Methan) usw.

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften einiger häufig verwendeter brennbarer Gase sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Tabelle 3 Physikalische und chemische Eigenschaften einiger häufig verwendeter brennbarer Gase.

2. Eigenschaften von Schweißgasen

Die Rolle der Gase bei den verschiedenen Schweiß- oder Schneidverfahren ist unterschiedlich, und die Auswahl der Gase hängt auch von den zu schweißenden Materialien ab.

Daher müssen Gase mit spezifischen physikalischen oder chemischen Eigenschaften ausgewählt werden, sogar eine Mischung aus mehreren Gasen in verschiedenen Situationen.

Die wichtigsten Eigenschaften und Verwendungszwecke der üblicherweise beim Schweißen und Schneiden verwendeten Gase sind in Tabelle 4 aufgeführt, und die Merkmale der verschiedenen Gase in der Schweißverfahren sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Tabelle 4: Hauptmerkmale und Verwendungszwecke der beim Schweißen häufig verwendeten Gase.

Tabelle 5: Eigenschaften der verschiedenen Gase im Schweißprozess.

2.1 Kohlendioxid-Gas (CO₂)

(1) Eigenschaften von CO₂ Gas

CO₂ Gas ist ein oxidierendes Schutzgas, das in drei Zuständen vorliegt: fest, flüssig und gasförmig. Reines CO₂ Gas ist farblos und geruchlos. Bei 0°C und 1 atm (101325 Pa) ist die Dichte von CO₂ beträgt 1,9768 g/L, was dem 1,5-fachen Wert von Luft entspricht. CO₂ ist leicht wasserlöslich und hat nach dem Auflösen einen leicht säuerlichen Geschmack.

Wenn CO₂ Gas auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, zerfällt es in CO und O, wobei -283,24 kJ Energie freigesetzt werden. Da beim Zersetzungsprozess atomarer Sauerstoff freigesetzt wird, hat die Lichtbogenatmosphäre starke Gaseigenschaften.

In der Hochtemperatur-Lichtbogenzone werden drei Gase (CO₂, CO und O2) koexistieren häufig aufgrund der Zersetzung von CO₂ Gas. Der Grad der CO₂ Die Gaszersetzung hängt mit der Lichtbogentemperatur während des Schweißvorgangs zusammen.

Je höher die Temperatur, desto intensiver die Zersetzungsreaktion. Wenn die Temperatur 5000 K übersteigt, wird fast das gesamte CO₂ Gas zersetzt. Die Beziehung zwischen dem Grad der CO₂ Gaszersetzung und Temperatur ist in Abbildung 1 dargestellt.

Flüssiges CO₂ ist eine farblose Flüssigkeit, deren Dichte sich mit der Temperatur ändert. Bei einer Temperatur unter -11℃ ist die Dichte größer als die von Wasser, während sie über -11℃ kleiner als die von Wasser ist. Die Eigenschaften von gesättigtem CO₂ Gas sind in Tabelle 6 aufgeführt.

Der Siedepunkt von CO₂ bei einer sehr niedrigen Temperatur (-78℃) von flüssig zu gasförmig wird, so dass industrielles CO₂ wird im Allgemeinen in flüssigem Zustand verwendet, der bei Raumtemperatur verdampft werden kann. Bei 0 °C und 1 atm wird 1 kg flüssiges CO₂ in 509 l CO verdampft werden.₂ Gas.

Tabelle 6 Eigenschaften von gesättigtem CO₂ Gasdruck

(2) Speicherung von CO₂ Gas

CO₂ Gas zum Schweißen liegt häufig in Form von flüssigem CO₂ in Stahlflaschen gelagert, was sowohl wirtschaftlich als auch praktisch ist. CO₂ Flaschen sind schwarz lackiert und mit gelben Buchstaben mit der Aufschrift "Liquefied Carbon Dioxide" versehen. Die Farbcodes für Flaschen, die übliche Schweißgase enthalten, sind in Tabelle 7 aufgeführt.

Tabelle 7 Farbcodes für Flaschen mit häufig verwendeten Schweißgasen

① Bei einem Arbeitsdruck von 19,6 MPa ist ein Farbband hinzuzufügen; bei einem Arbeitsdruck von 29,4 MPa sind zwei Farbbänder hinzuzufügen.

Der Standard-Stahlzylinder für CO₂ Gas hat normalerweise ein Fassungsvermögen von 40 kg und kann mit 25 kg flüssigem CO₂.

Die 25 kg flüssiges CO₂ macht etwa 80% des Volumens des Zylinders aus, und der restliche Raum von 20% ist mit gasförmigem CO₂.

Der auf dem Flaschenmanometer angezeigte Druckwert ist der Sättigungsdruck dieses Teils des Gases. Dieser Druck hängt von der Umgebungstemperatur ab. Mit steigender Temperatur steigt der Sättigungsdruck, und mit sinkender Temperatur sinkt der Sättigungsdruck.

Erst wenn das gesamte flüssige CO₂ in der Stahlflasche zu Gas verdampft ist, wird der Druck des Gases in der Flasche mit dem Verbrauch von CO₂ Gas.

Das flüssige CO₂ in einer Standardstahlflasche kann zu 12,725 l CO₂ Gas. Je nach Auswahl des CO₂ Gasdurchsatz beim Schweißen (siehe Tabelle 8), wenn der durchschnittliche CO₂ Gas beim Schweißen beträgt 10 l/min, ein flüssiges CO₂ Flasche kann etwa 24 Stunden lang ununterbrochen verwendet werden.

Tabelle 8: Auswahl der CO₂ Gasdurchsatz beim Schweißen

Der Druck eines Standard-CO₂ Stahlflasche, wenn sie voll ist, beträgt 5,0-7,0 MPa. Da der Druck im Inneren des Zylinders während des Gebrauchs abnimmt, verdampft die Wassermenge, die aus der im flüssigen CO₂ nimmt ebenfalls zu.

Die Beziehung zwischen dem Wassergehalt in CO₂ Gas und der Druck im Inneren des Zylinders sind in Abbildung 6.2 dargestellt.

Empirische Daten zeigen, dass bei einem Gasdruck im Inneren des Zylinders von weniger als 0,98 MPa (bei 20℃), die CO₂ in der Stahlflasche sollte nicht mehr verwendet werden, da das flüssige CO₂ hat sich im Grunde verflüchtigt.

Wenn es weiterhin verwendet wird, Schweißfehler wie z. B. Poren im Schweißgut entstehen, und CO2-Gas muss nachgefüllt werden.

(3) Die Reinheit von CO₂ Gas zum Schweißen

Der Massenanteil von Wasser, der in flüssigem CO gelöst werden kann₂ beträgt 0,05%, und überschüssiges Wasser setzt sich am Boden des Zylinders in freiem Zustand ab.

Diese Wassermoleküle verdampfen mit CO₂ während des Schweißvorgangs und vermischen sich mit dem CO₂ Gas, das direkt in den Schweißbereich gelangt.

Daher ist Feuchtigkeit die wichtigste schädliche Verunreinigung in CO₂ Gas. Der Wasserstoffgehalt des Schweißguts variiert in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit des CO₂ Gas, wie in Tabelle 9 dargestellt.

Die Beziehung zwischen CO₂ Taupunkt und dem Wasserstoffgehalt des Schweißguts ist in Abbildung 3 dargestellt.

Tabelle 9: Wasserstoffgehalt des Schweißguts bei verschiedenen Feuchtigkeitsgraden von CO₂ Gas.

Da der Wassergehalt im CO₂ Gas zunimmt (d. h. mit steigender Taupunkttemperatur), nimmt der Wasserstoffgehalt im Schweißgut allmählich zu, die Plastizität nimmt ab, und es können sogar Fehler wie Poren auftreten.

Daher ist die CO₂ Das zum Schweißen verwendete Gas muss einen hohen Reinheitsgrad aufweisen. Die technischen Anforderungen für flüssiges CO₂ die zum Schweißen verwendet werden, sind in Tabelle 10 aufgeführt.

In China ist die allgemeine Anforderung, dass CO₂ > 99%, O₂ < 0,1%, H₂O < 0,05%; während in einigen ausländischen Ländern die CO₂ > 99,8%, H₂O < 0,0066%, Taupunkt unter -40℃ (entspricht der Klasse I von GB) ist ebenfalls erforderlich.

Tabelle 10: Technische Anforderungen für flüssiges CO₂ zum Schweißen verwendet (GB 6052-85).

Wenn die im Handel erhältlichen CO₂ Gas, das am Produktionsstandort verwendet wird, einen hohen Wassergehalt und eine geringe Reinheit aufweist, sollte es gereinigt werden. Die üblicherweise verwendeten Reinigungsmethoden sind die folgenden:

a. Invertieren Sie das neue CO₂ Gasflasche und lassen Sie sie 1-2 Stunden lang stehen, damit sich das Wasser am Boden absetzen kann. Öffnen Sie dann das Ventil der umgedrehten Flasche und lassen Sie das Wasser 2-3 Mal im Abstand von etwa 30 Minuten ab. Nach dem Ablassen stellen Sie die Stahlflasche wieder aufrecht hin.

b. Bevor Sie die Stahlflasche nach der Entwässerungsbehandlung verwenden, lassen Sie das Gas kontinuierlich für 2-3 Minuten ab, da das Gas im oberen Teil normalerweise mehr Luft und Wasser enthält, die beim Füllen in die Flasche gemischt wurden.

c. Schalten Sie einen Hochdrucktrockner und einen Niederdrucktrockner in Reihe in den CO₂ Zuleitung. Das Trockenmittel kann Silikagel, wasserfreies Kalziumoxid oder dehydriertes Kupfersulfat sein, um den Wassergehalt im CO₂ Gas. Das verbrauchte Trockenmittel kann getrocknet und wiederverwendet werden.

d. Verwenden Sie nicht den CO₂ wenn der Gasdruck im Inneren des Zylinders auf 0,98 MPa sinkt.

Wenn CO₂ wird verwendet als Schutzgas beim Schweißen in schlecht belüfteten oder engen Räumen müssen die Belüftungsmaßnahmen verstärkt werden, um die Konzentration von CO₂ die in den nationalen Vorschriften festgelegte zulässige Konzentration (30 kg/m2) nicht zu überschreiten, da dies die Gesundheit der Schweißer beeinträchtigen würde.

2.2 Argon (Ar)

(1) Eigenschaften von Argon

Argon ist nach Stickstoff und Sauerstoff das am häufigsten vorkommende Edelgas in der Luft mit einem Volumenanteil von etwa 0,935%.

Argon ist farblos und geruchlos. Bei 0℃ und 1 atm (101325 Pa) beträgt seine Dichte 1,78 g/L, etwa das 1,25-fache von Luft. Der Siedepunkt von Argon liegt mit -186℃ zwischen den Siedepunkten von Sauerstoff (-183℃) und Stickstoff (-196℃). Argon kann gleichzeitig mit Sauerstoff durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft gewonnen werden.

Argon ist ein inertes Gas, das beim Schweißen nicht chemisch mit Metallen reagiert und sich nicht in flüssigem Metall auflöst.

Daher können der brennende Verlust von Metallelementen in der Schweißnaht und andere Schweißfehler vermieden werden, wodurch die metallurgische Reaktion beim Schweißen einfach und leicht zu steuern ist und günstige Bedingungen für die Herstellung hochwertiger Schweißnähte geschaffen werden.

Die Beziehung zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Temperatur von Ar, He, H₂und N₂ ist in Abbildung 4 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass Argon die niedrigste Wärmeleitfähigkeit hat und zu den einatomigen Gasen gehört, die bei hohen Temperaturen keine Wärme durch Zersetzung aufnehmen.

Daher ist der Wärmeverlust des in Argongas erzeugten Lichtbogens relativ gering. Argon hat eine hohe Dichte und geht während des Schutzes nicht so leicht verloren, was zu einer guten Schutzwirkung führt. Der Metalldraht kann leicht in einen stabilen axialen Strahlstrom übergehen, mit minimalen Spritzern.

(2) Lagerung von Argon

Argon kann in flüssiger Form unter -184℃ gelagert und transportiert werden, aber zum Schweißen werden in der Regel mit Argongas gefüllte Stahlflaschen verwendet. Die Argongasflasche ist silbergrau lackiert und mit grünem (Ar) gekennzeichnet.

Derzeit werden in China üblicherweise Argongasflaschen mit einem Volumen von 33 l, 40 l und 44 l verwendet. Wenn die Flasche voll ist und unter 20℃ steht, sollte der Druck im Inneren der Flasche 15 MPa betragen.

Es ist strengstens untersagt, während des Gebrauchs gegen die Argongasflasche zu stoßen oder sie anzustoßen; das Ventil darf nicht mit Feuer aufgetaut werden, wenn es gefroren ist; es dürfen keine elektromagnetischen Hebegeräte zum Transport von Argongasflaschen verwendet werden; im Sommer darf die Flasche nicht der Sonne ausgesetzt werden; das Gas in der Flasche darf nicht vollständig entleert werden; Argongasflaschen sollten generell aufrecht gehalten werden.

Anmerkung: Der Gehalt an Gasen wird als Volumenanteil, der Gehalt an Feuchtigkeit als Massenanteil angegeben.

Tabelle 12: Reinheit von Argon für das Schweißen verschiedener Materialien

Wenn der Gehalt an Verunreinigungen im Argongas während des Schweißens den vorgegebenen Standard überschreitet, beeinträchtigt dies nicht nur den Schutz des geschmolzenen Metalls, sondern führt auch leicht zu Fehlern wie Porosität und Schlackeneinschlüssen in der Schweißnaht, was die Qualität der Schweißverbindung beeinträchtigt und den Abbrandverlust der Wolframelektrode erhöht.

2.3 Helium (He)

(1) Eigenschaften von Heliumgas

Heliumgas ist ebenfalls ein farbloses und geruchloses Edelgas, das keine Verbindungen mit anderen Elementen eingeht wie Argongas. Es ist ein einatomiges Gas und kann sich nur schwer in anderen Metallen lösen. Sein Siedepunkt liegt bei -269℃.

Heliumgas hat ein hohes Ionisierungspotenzial, was das Lichtbogenschweißen erschwert. Im Vergleich zu Argongas hat Heliumgas eine höhere Wärmeleitfähigkeit, was zu einer höheren Spannung und Lichtbogentemperatur bei gleichem Schweißstrom und gleicher Lichtbogenintensität führt.

Infolgedessen ist der Wärmeeintrag des Grundmetalls höher, die Schweißgeschwindigkeit ist schneller, die Lichtbogensäule ist dünner und konzentrierter, und der Einbrand der Schweißnaht ist größer. Dies ist der Hauptvorteil der Verwendung von Heliumgas beim Lichtbogenschweißen, aber die Lichtbogenstabilität ist etwas schlechter als beim Argonschweißen.

Aufgrund seines geringen Atomgewichts und seiner geringen Dichte ist eine viel größere Durchflussmenge an Heliumgas erforderlich, um den Schweißbereich wirksam zu schützen.

Wegen seines hohen Preises wird es nur für bestimmte Spezialanwendungen eingesetzt, z. B. zum Schweißen von Schlüsselkomponenten wie Kühlstäben für Kernreaktoren und dicken Aluminiumlegierungen. Die Eigenschaften von Argon- und Heliumgas beim Schweißen werden in Tabelle 13 verglichen.

Tabelle 13 Vergleich der Eigenschaften von Argon- und Heliumgas beim Schweißen

Da der Lichtbogen aus Heliumgas instabil ist und der Kathodenreinigungseffekt nicht offensichtlich ist, wird beim Wolfram-Helium-Lichtbogenschweißen in der Regel ein Gleichstrom-Plusanschluss verwendet. Auch beim Schweißen von Aluminium , Magnesium und deren Legierungen wird keine Wechselstromquelle verwendet. Helium-Lichtbogen hat eine große und konzentrierte Wärmeerzeugung, starke Lichtbogenpenetration, und wenn der Lichtbogen kurz ist, hat DC positive Verbindung auch eine gewisse Wirkung auf die Entfernung der Oxidschicht.

Beim Gleichstrom-Helium-Lichtbogenschweißen von Aluminiumlegierungen mit positiver Verbindung wird die Einlagenschweißung Schweißdicke kann 12 mm erreichen, und das Schweißen von vorne und hinten kann 20 mm erreichen. Im Vergleich zum AC-Argon-Lichtbogenschweißen hat es eine größere Einschweißtiefe, schmalere Schweißraupegeringere Verformung, kleinere Erweichungszone und weniger Metallüberbrennen. Bei wärmebehandelten verfestigenden Aluminiumlegierungen sind die mechanischen Eigenschaften der Verbindungen bei Raumtemperatur und bei niedrigen Temperaturen besser als beim Argon-Lichtbogenschweißen.

(2) Reinheit des zum Schweißen verwendeten Heliumgases

Als Schutzgas zum Schweißen muss Heliumgas im Allgemeinen eine Reinheit von 99,9% bis 99,999% aufweisen. Darüber hinaus hängt es auch von der Art, der Zusammensetzung und der Leistung des zu schweißenden Grundmetalls sowie von den Qualitätsanforderungen an die Schweißnaht.

Im Allgemeinen wird verhindert, dass Metalle oxidieren oder nitrieren beim Schweißen von Aktivmetallen und zur Verbesserung der Qualität der Schweißverbindung sollte hochreines Heliumgas gewählt werden. Die technischen Anforderungen für die Verwendung von Heliumgas beim Schweißen sind in Tabelle 14 aufgeführt.

Tabelle 14 Technische Anforderungen bei der Verwendung von Heliumgas zum Schweißen

Anmerkung: Der Gasgehalt wird in der Tabelle als Volumenanteil und der Wassergehalt als Massenanteil angegeben.

2.4 Eigenschaften von Sauerstoffgas

(1) Eigenschaften von Sauerstoffgas:

Sauerstoffgas ist bei Raumtemperatur und -druck ein farbloses, geruchloses, geschmackloses und ungiftiges Gas. Bei 0℃ und 1 atm (101325Pa) beträgt die Dichte von Sauerstoffgas 1,43 kg/m3 und ist damit größer als die von Luft. Die Verflüssigungstemperatur von Sauerstoff beträgt -182,96℃, und flüssiger Sauerstoff ist hellblau. Bei Raumtemperatur kommt Sauerstoff in großen Mengen in Form von Verbindungen und freien Zuständen in Luft und Wasser vor.

Sauerstoffgas selbst kann nicht brennen, aber es ist ein hochaktives, die Verbrennung unterstützendes Gas, das mit vielen Elementen unter Bildung von Oxiden reagieren kann. Im Allgemeinen werden intensive Oxidationsreaktionen als Verbrennung bezeichnet. Beim Gasschweißen und -schneiden werden brennbare Gase und die bei der Sauerstoffverbrennung freigesetzte Wärme als Wärmequellen genutzt.

(2) Erzeugung von Sauerstoffgas:

Es gibt viele Methoden zur Herstellung von Sauerstoffgas, z. B. chemische Methoden, Elektrolyse von Wasser und Verflüssigung von Luft.

In der industriellen Produktion ist jedoch die Methode der Luftverflüssigung weit verbreitet. Luft wird komprimiert und auf unter -196℃ abgekühlt, um sie in eine Flüssigkeit zu verwandeln. Dann verdampft der Stickstoff in der flüssigen Luft bei steigender Temperatur zu einem Gas, wenn die Temperatur auf -196℃ ansteigt.

Wenn die Temperatur weiter auf -183℃ ansteigt, beginnt der Sauerstoff zu verdampfen. Der gasförmige Sauerstoff wird dann von einem Kompressor auf 120-150 atm komprimiert und in speziellen Sauerstoffflaschen zur Verwendung und Lagerung gelagert.

(3) Lagerung von Sauerstoffgas:

Sauerstoff wird in der Regel in speziellen Sauerstoffflaschen gelagert und transportiert, die außen himmelblau gestrichen und mit dem Wort "Sauerstoff" in schwarzer Farbe gekennzeichnet sein sollten.

Sauerstoffflaschen sollten alle 3 bis 5 Jahre in der Aufblasfabrik während des Gebrauchs inspiziert werden, wobei das Volumen und die Qualität der Flasche sowie Korrosion und Risse überprüft werden sollten. Die Abmessungen und das Fassungsvermögen der gebräuchlichen Sauerstoffflaschen sind in Tabelle 15 aufgeführt.

Die Zufuhr von Sauerstoffgas während des Betriebs wird hauptsächlich durch den Druckminderer an der Flasche geregelt. Die wichtigsten technischen Parameter des Druckminderers für Sauerstoffflaschen sind in Tabelle 16 aufgeführt, und die häufigsten Fehler und Präventionsmaßnahmen des Druckminderers sind in Tabelle 17 aufgeführt.

Tabelle 15: Abmessungen und Füllvolumen der gebräuchlichsten Sauerstoffflaschen

Tabelle 16: Wichtigste technische Parameter des Druckreglers für Gasflaschen

Tabelle 17: Häufige Fehler von Druckreglern und Abhilfemaßnahmen.

Im Vergleich zu gasförmigem Sauerstoff hat flüssiger Sauerstoff die Vorteile eines geringen Energieverbrauchs, einer hohen Reinheit des gelieferten Sauerstoffs (bis zu 99,9% oder mehr) und einer hohen Transporteffizienz. Daher wird industrieller Sauerstoff manchmal in flüssiger Form geliefert. Es gibt folgende Möglichkeiten, Flüssigsauerstoff an die Benutzer oder vor Ort zu liefern:

a. Stellen Sie einen Lagertank für gasförmigen Sauerstoff in der Benutzerabteilung auf und füllen Sie den Tank mit gasförmigem Sauerstoff aus dem Flüssigtransporttank, der mit einer Verdampfungs- und Kompressionsanlage ausgestattet ist.

b. Stellen Sie einen Flüssigkeitsvorratstank und eine Verdampfungsanlage in der Benutzerabteilung auf, und füllen Sie den Tank mit Flüssigsauerstoff aus dem Flüssigsauerstoff-Transporttank.

c. Installieren Sie kleine Flüssigsauerstoffbehälter und entsprechende Verdampfer auf Wagen, konfigurieren Sie sie vor Ort und bewegen Sie sie jederzeit je nach Bedarf. Diese Methode ist nur für Fabriken und Standorte mit geringem Sauerstoffverbrauch geeignet.

Es gibt zwei Arten von Flüssigsauerstoffbehältern: mobile und ortsfeste. Die Spezifikationen und wichtigsten technischen Parameter von mobilen Flüssigsauerstoffbehältern sind in Tabelle 18 aufgeführt, die von festen Flüssigsauerstoffbehältern in Tabelle 19.

Tabelle 18: Spezifikationen und wichtigste technische Parameter von mobilen Flüssigsauerstoffbehältern.

Tabelle 19: Spezifikationen und wichtigste technische Parameter von ortsfesten Flüssigsauerstoffbehältern.

Da Sauerstoff ein verbrennungsförderndes Gas mit extrem aktiven Eigenschaften ist, kann der Druck bei gefüllter Gasflasche bis zu 150 Atmosphären erreichen. Es besteht Explosionsgefahr, wenn bei der Verwendung und dem Transport von Sauerstoff nicht sorgfältig vorgegangen wird.

Daher sollte den folgenden Punkten besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden:

a) Ölbeständig. Es ist verboten, die Sauerstoffflasche und ihre Zusatzgeräte mit ölverschmutzten Handschuhen zu berühren; sie darf während des Transports niemals mit brennbaren Stoffen und Ölen zusammengebracht werden.

b) Stoßsicher. Sauerstoffflaschen müssen sicher aufgestellt werden, um Vibrationen zu vermeiden, die zu Sauerstoffexplosionen führen können. Wenn sie aufrecht stehen, sollten Eisenbügel oder Ketten zur Fixierung verwendet werden; wenn sie liegen, sollten Holzpolster verwendet werden, um ein Wegrollen zu verhindern, und zwei Gummistoßdämpfer sollten am Flaschenkörper angebracht werden. Für den Transport sollte ein spezielles Fahrzeug verwendet werden.

c) Hitzebeständig. Sauerstoffflaschen sollten bei der Lagerung oder beim Transport mindestens 10 m von einer Wärmequelle entfernt aufbewahrt werden. Im Sommer, wenn im Freien in der Sonne gearbeitet wird, muss sie mit einer Plane abgedeckt werden, um Explosionen zu verhindern.

d) Frostschutzmittel. Wenn Sie eine Sauerstoffflasche im Winter verwenden und das Ventil der Sauerstoffflasche einfriert, bedecken Sie es mit einem in heißem Wasser getränkten Tuch, um es aufzutauen. Um Explosionsunfälle zu vermeiden, darf auf keinen Fall Feuer zum Erhitzen und Auftauen verwendet werden.

e) Prüfen Sie vor dem Öffnen des Sauerstoff-Flaschenventils, ob die Druckmutter fest angezogen ist. Beim Drehen des Handrads muss es leichtgängig und ohne übermäßige Kraft sein, und die Personen sollten auf der Seite des Sauerstoffauslasses stehen. Wenn Sie Sauerstoff verwenden, verbrauchen Sie nicht den gesamten Sauerstoff in der Flasche, sondern lassen Sie mindestens 1-3 Atmosphären Sauerstoff übrig.

f) Wenn die Sauerstoffflasche nicht in Gebrauch ist, muss die Schutzabdeckung auf das Ventil gesetzt werden, um Beschädigungen zu vermeiden.

g) Bei der Reparatur des Sauerstoffflaschenventils sollte besonders auf die Sicherheit geachtet werden, um eine Explosion der Sauerstoffflasche zu verhindern.

(4) Reinheit des Schweißsauerstoffs

Da industrieller Sauerstoff in der Regel durch Verflüssigung und Luftzerlegung hergestellt wird, enthält er häufig Stickstoff. Das Vorhandensein von Stickstoff beim Schweißen und Schneiden senkt nicht nur die Flammentemperatur, was die Produktionseffizienz beeinträchtigt, sondern reagiert auch mit dem geschmolzenen Eisen zu Nitrideisen, was die Festigkeit der Schweißnaht verringert.

Daher hat die Reinheit des Sauerstoffs einen großen Einfluss auf die Effizienz und Qualität des Gasschweißens und -schneidens. Je höher der Reinheitsgrad des für das Gasschweißen und -schneiden verwendeten Sauerstoffs, insbesondere beim Schneiden, desto besser.

Sauerstoff wird auch häufig als zusätzliches Gas für das Schutzgasschweißen verwendet, um die Tropfen zu verfeinern, das Abdriften des Lichtbogenkathodenpunkts zu verhindern, die Wärmeeinbringung des Grundwerkstoffs zu erhöhen und die Schweißgeschwindigkeit zu verbessern.

Tabelle 20: Technische Anforderungen an Schweißsauerstoff in gasförmigem Zustand. Für hochwertiges Gasschweißen und Schneiden sollte hochreiner Sauerstoff der Klasse I oder II verwendet werden, um die erforderliche Wärmeleitfähigkeit zu erreichen.

2.5 Entflammbare Gase

Es gibt viele Arten von brennbaren Gasen, die zum Schweißen verwendet werden, aber die derzeit am häufigsten verwendeten Gase beim Gasschweißen und -schneiden sind Acetylengas (C₂H₂), gefolgt von Propangas.

Je nach den örtlichen Gegebenheiten oder dem zu schweißenden oder zu schneidenden Material können auch Wasserstoffgas, Erdgas oder Kohlegas als brennbare Gase verwendet werden. Bei der Auswahl eines brennbaren Gases sollten die folgenden Faktoren berücksichtigt werden:

a) Die erzeugte Wärme sollte hoch sein, d. h. die bei der vollständigen Verbrennung des brennbaren Gases pro Volumeneinheit freigesetzte Wärmemenge sollte hoch sein.

b) Die Flammentemperatur sollte hoch sein, was sich im Allgemeinen auf die höchste Temperatur der in Sauerstoff brennenden Flamme bezieht.

c) Die für die Verbrennung von brennbarem Gas erforderliche Sauerstoffmenge sollte gering sein, um die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

d) Der Bereich der Explosionsgrenzen sollte klein sein.

e) Der Transport sollte relativ bequem sein.

(1) Acetylen (C₂H₂)

1) Eigenschaften von Acetylen

Acetylen ist ein ungesättigter Kohlenwasserstoff (C₂H₂), das bei Raumtemperatur und einem Druck von 1 Atmosphäre (101325Pa) ein farbloses Gas ist. Im Allgemeinen entsteht beim Schweißen mit Acetylen ein besonderer Geruch aufgrund von Verunreinigungen wie H₂S und PH₃.

Die Flammentemperatur von Acetylen, das in reinem Sauerstoff brennt, kann etwa 3150 °C erreichen, und die Wärme ist relativ konzentriert. Es ist derzeit das am häufigsten verwendete brennbare Gas beim Gasschweißen und -schneiden.

Die Dichte von Acetylen beträgt 1,17 kg/m3. Der Siedepunkt von Acetylen liegt bei -82,4℃, und es wird bei -83,6℃ flüssig. Bei Temperaturen unter -85℃ wird es fest. Gasförmiges Acetylen kann in Wasser, Aceton und anderen Flüssigkeiten aufgelöst werden. Bei 15℃ und 1 Atmosphäre Druck kann 1 L Aceton 23 L Acetylen lösen. Wenn der Druck auf 1,42 MPa erhöht wird, kann 1 l Aceton etwa 400 l Acetylen lösen.

Acetylen ist ein explosives Gas, das folgende Explosionsmerkmale aufweist:

a) Wenn der Druck von reinem Acetylen 0,15MPa und die Temperatur 580-600℃ erreicht, explodiert es, wenn es einem Feuer ausgesetzt wird. Der Druck von Acetylen im Generator und in der Rohrleitung sollte 0,13 MPa nicht überschreiten.

b) Wenn Acetylen mit Luft oder Sauerstoff gemischt wird, wird die Explosivität stark erhöht. Wenn Acetylen mit Luft gemischt wird, berechnet nach Volumen, wenn der Acetylenanteil 2,2%-81% beträgt; wenn Acetylen mit Sauerstoff gemischt wird, berechnet nach Volumen, wenn der Acetylenanteil 2.8%-93%, entzündet sich das gemischte Gas selbsttätig (die Selbstentzündungstemperatur des Acetylen-Luft-Gemischs beträgt 305℃, die Selbstentzündungstemperatur des Acetylen-Sauerstoff-Gemischs 300℃), oder es explodiert, wenn es Funken ausgesetzt wird, selbst bei normalem Druck.

Acetylen, das mit Chlorgas, Hypochlorit und anderen Stoffen gemischt ist, explodiert, wenn es Sonnenlicht oder Hitze ausgesetzt wird. Acetylen, das mit Stickstoff, Kohlenmonoxid und Wasserdampf gemischt wird, verringert die Explosionsgefahr.

c) Acetylen kann auch explosive Stoffe wie Acetylenkupfer und Acetylensilber bilden, wenn es längere Zeit mit Kupfer, Silber usw. in Berührung kommt.

d) Das Auflösen von Acetylen in Flüssigkeit kann seine Explosionsfähigkeit stark verringern.

e. Die Explosivität von Acetylen hängt mit der Form und Größe des für die Lagerung verwendeten Behälters zusammen. Bei Behältern mit kleinerem Durchmesser ist die Explosionsgefahr geringer. Acetylen kann in Behältern aus kapillarförmigem Material gelagert werden, und selbst wenn der Druck auf 2,65 MPa ansteigt, kommt es nicht zu Explosionen.

2) Industrielles Acetylen wird hauptsächlich durch die Zersetzung von Karbid in Acetylengeneratoren hergestellt.

Es gibt viele Arten von Acetylengeneratoren, die üblicherweise für die Herstellung von Acetylen verwendet werden und die nach dem erzeugten Druck klassifiziert werden können: Mitteldruck-Acetylengeneratoren (die Acetylengas mit einem Überdruck von 0,0069-0,127 MPa erzeugen) und Niederdruck-Acetylengeneratoren (die Acetylengas mit einem Überdruck von weniger als 0,0069 MPa erzeugen).

Sie können auch nach den verschiedenen Arten des Kontakts zwischen Karbid und Wasser eingeteilt werden, wie z. B. Drainage, Karbid-in-Wasser und kombinierte Drainageverfahren. Je nach ihrer Lage lassen sie sich weiter in mobile und feste Typen einteilen. Die Typen und technischen Daten von Acetylen-Mitteldruck-Generatoren sind in Tabelle 21 aufgeführt.

Für hochwertiges Gasschweißen sollte gereinigtes und getrocknetes Acetylen verwendet werden. Industriecarbid wird durch Schmelzen von Branntkalk und Koks in einem Elektroofen hergestellt. Das Qualitätsniveau und die Leistung des für das Acetylen-Gasschweißen und -Schneiden verwendeten Hartmetalls sollten den in Tabelle 22 aufgeführten Anforderungen entsprechen.

Tabelle 21. Typen und technische Daten von Acetylen-Mitteldruck-Generatoren.

Tabelle 22: Qualitätsstufen und Leistung von Hartmetall für das Schweißen und Schneiden mit Acetylengas.

3) Lagerung von Acetylengas

Wegen der Explosionsgefahr bei Druckbeaufschlagung kann Acetylen nicht direkt unter Druck in Flaschen abgefüllt werden. In der Industrie wird die hohe Löslichkeit von Acetylen in Aceton ausgenutzt, und Acetylen wird in Behälter gefüllt, die Aceton oder eine poröse Substanz enthalten, die gemeinhin als gelöstes Acetylen oder Acetylen in Flaschen bezeichnet wird.

Die Acetylenflasche ist in der Regel weiß lackiert und trägt die Aufschrift "Acetylen" in roter Farbe. Die Flasche ist mit porösem, in Aceton getränktem Material gefüllt, wodurch Acetylen bei einem Druck von 1,5 MPa in der Flasche sicher gelagert werden kann.

Bei der Verwendung muss ein Acetylenregler verwendet werden, um den Druck vor der Verwendung auf unter 0,103 MPa zu senken. Das poröse Material ist in der Regel eine Mischung aus leichter und poröser Aktivkohle, Sägemehl, Bimsstein und Kieselgur.

Zum Schweißen ist im Allgemeinen eine Acetylenreinheit von über 98% erforderlich. Die Füllbedingungen sind geregelt: ein Fülldruck von höchstens 1,55 MPa bei 15°C. Acetylen in Flaschen ist derzeit eine weit verbreitete und angewandte Methode, da sie sicher, bequem und wirtschaftlich ist.

(2) Erdölgas

Petroleumgas ist ein Produkt oder Nebenprodukt der Erdölverarbeitung. Zu den beim Schneiden verwendeten Gasen gehören elementare Gase wie Propan und Ethylen sowie Nebenprodukte wie gemischte Mehrkomponentengase aus der Raffination, die normalerweise aus Propan, Butan, Pentan und Buten bestehen.

1) Propan (C3H8)

Propan ist ein beim Schneiden häufig verwendetes Brenngas mit einer relativen Molekülmasse von 44,094. Sein Gesamtheizwert ist höher als der von Acetylen, aber die Verbrennungswärme eines Moleküls pro Masseneinheit ist niedriger als die von Acetylen. Infolgedessen ist die Flammentemperatur niedriger und die Flammenwärme stärker verteilt. Die chemische Reaktionsformel für die vollständige Verbrennung von Propan in reinem Sauerstoff lautet: C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O (1)

Aus der obigen Gleichung geht hervor, dass der theoretische Sauerstoffverbrauch für 1 vollständig verbranntes Volumen Propan 5 Volumen beträgt. Bei der Verbrennung von Propan in Luft beträgt der tatsächliche Sauerstoffverbrauch 3,5 Volumina, wobei sich eine neutrale Flamme mit einer Temperatur von 2520 °C bildet. Die höchste Temperatur der oxidierenden Flamme liegt bei etwa 2700°C. Die Verbrennungsgeschwindigkeit der neutralen Sauerstoff-Propan-Flamme beträgt 3,9 m/s, die Gefahr des Anmachens ist gering, und der Explosionsbereich ist eng und liegt zwischen 23% und 95% in Sauerstoff. Der Sauerstoffverbrauch ist jedoch höher als der von Acetylen, der Zündpunkt ist hoch und die Flamme ist nicht leicht zu entzünden.

2）Propylen (C3H6)

Propylen hat eine relative Molekülmasse von 42,078 und einen niedrigeren Gesamtheizwert als Propan, aber eine höhere Flammentemperatur. Die chemische Reaktionsformel für die vollständige Verbrennung von Propylen in reinem Sauerstoff lautet:

C3H6 + 4,5O₂ → 3CO₂ + 3H₂O (2)

Der theoretische Sauerstoffverbrauch für 1 vollständig verbranntes Volumen Propylen beträgt 4,5 Volumen. Bei der Verbrennung in Luft beträgt der tatsächliche Sauerstoffverbrauch 2,6 Volumina, wobei sich eine neutrale Flamme mit einer Temperatur von 2870 °C bildet. Wenn das Verhältnis von Propylen zu Sauerstoff 1:3,6 beträgt, kann sich eine oxidierende Flamme bilden, die eine höhere Flammentemperatur aufweist.

Aufgrund seines geringeren Sauerstoffverbrauchs als Propan und seiner höheren Flammentemperatur wurde Propylen in einigen Ländern als Schneidgas verwendet.

3）Butan (C4H10)

Butan hat eine relative Molekülmasse von 58,12 und einen höheren Gesamtheizwert als Propan. Die chemische Reaktionsformel für die vollständige Verbrennung von Butan in reinem Sauerstoff lautet:

C₄H₁₀ + 6.5O₂ → 4CO₂ + 5H₂O

Der theoretische Sauerstoffverbrauch für die vollständige Verbrennung eines Volumens Butan beträgt 6,5 Volumina. Bei der Verbrennung in Luft liegt der tatsächliche Sauerstoffverbrauch bei 4,5 Volumina und damit höher als der von Propan. Mit Sauerstoff oder Luft gemischtes Butan hat einen engen Explosionsbereich (Volumenanteil von 1,5% bis 8,5%) und neigt nicht zur Rückzündung. Aufgrund seiner niedrigen Flammentemperatur kann es jedoch nicht allein als Schneidbrennstoff verwendet werden.

4）Liquefied Petroleum Gas

Flüssiggas ist ein Nebenprodukt der Erdölverarbeitung und besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen wie Propan (C3H8), Butan (C4H10), Propylen (C3H6), Buten (C4H8) und geringen Mengen Acetylen (C₂H₂), Ethylen (C₂H₂), Pentan (C₅H₁₂), usw. Diese Kohlenwasserstoffe liegen bei normalen Temperaturen und atmosphärischem Druck in der Gasphase vor, können aber für Lagerung und Transport mit einem Druck von etwa 0,8-1,5 MPa verflüssigt werden.

In der Industrie wird im Allgemeinen gasförmiges Petroleumgas verwendet. Petroleumgas ist ein leicht riechendes, farbloses Gas mit einer Dichte, die bei Standardbedingungen größer ist als die von Luft, etwa 1,8-2,5 kg/m³. Die Hauptbestandteile von Flüssiggas können mit Luft oder Sauerstoff explosive Gemische bilden, aber der Explosionsbereich ist im Vergleich zu Acetylen relativ klein. Flüssiggas ist billiger und sicherer als Acetylen und birgt ein geringeres Risiko einer Rückzündung.

Es benötigt jedoch mehr Sauerstoff für eine sichere Verbrennung, hat eine niedrigere Flammentemperatur und brennt langsamer. Daher sind für Schneidbrenner, die Flüssiggas verwenden, Änderungen erforderlich, die größere Gasauslassbereiche erfordern, um die Durchflussmenge zu verringern und eine gute Verbrennung zu gewährleisten.

Bei der Verwendung von Flüssiggas zum Schneiden muss auf die Einstellung des Gasversorgungsdrucks geachtet werden, was im Allgemeinen durch die Gasversorgungsanlagen für Flüssiggas erreicht wird. Zu den Gasversorgungsanlagen für Flüssiggas gehören hauptsächlich Gasflaschen, Verdampfer und Regler.

① Gasflaschen

Das Fassungsvermögen von Gasflaschen variiert je nach Menge und Verwendungszweck des Benutzers. In der Industrie werden in der Regel Gasflaschen mit einem Fassungsvermögen von 30 kg verwendet, und wenn das Gerät eine große Menge an Flüssiggas verbraucht, können auch große Lagertanks mit einem Fassungsvermögen von 1,5 t und 3,5 t hergestellt werden.

Die Materialien für die Herstellung von Gasflaschen können aus 16Mn-Stahl, Stahl der Klasse A Q235oder hochwertiger Kohlenstoffstahl Nr. 20. Der maximale Arbeitsdruck der Gasflasche beträgt 1,6 MPa, der hydrostatische Prüfdruck 3 MPa. Die Flüssiggasflasche ist außen mit silbergrauer Farbe beschichtet und mit den Worten "Flüssiggas" gekennzeichnet.

Die Spezifikationen der üblicherweise verwendeten Flüssiggasflaschen sind in Tabelle 23 aufgeführt. Nachdem die Gasflasche getestet und geprüft wurde, sollte das auf dem Flaschenkörper angebrachte Metallschild den Hersteller, die Nummer, die Qualität, das Fassungsvermögen, das Herstellungsdatum, das Prüfdatum, den Arbeitsdruck und den Prüfdruck sowie den Stahlstempel der Prüfstelle des Herstellers tragen.

Tabelle 23: Spezifikationen von häufig verwendeten Flüssiggasflaschen

② Verdampfer

Dieser auch als Serpentube-Wärmetauscher bezeichnete Wärmetauscher ist in Abbildung 5 dargestellt. Das Flüssiggas strömt durch das innere Rohr, während das äußere Rohr mit 40-50 °C heißem Wasser gefüllt ist, das die für die Verdampfung des Flüssiggases erforderliche Wärme liefert.

Das heiße Wasser, das durch das äußere Rohr fließt, kann von einer externen Quelle geliefert oder durch Verbrennung des Flüssiggases selbst erhitzt werden. Der zur Erwärmung des Wassers verbrauchte Brennstoff macht nur etwa 2,5% der gesamten Vergasungsmenge des Erdölgases aus. Verdampfer kommen in der Regel nur dann in Frage, wenn es eine große Anzahl von Nutzern, einen hohen Butangehalt im Flüssiggas, einen niedrigen Sättigungsdampfdruck und einen Betrieb im Freien im Winter gibt.

③ Regulator

Sein Aufbau ist in Abbildung 6 dargestellt. Der Regler hat zwei Funktionen: den Druck in der Gasflasche auf den erforderlichen Arbeitsdruck zu reduzieren und den Ausgangsdruck zu stabilisieren und eine gleichmäßige Gasversorgung zu gewährleisten.

Der größte Vorteil des Reglers ist, dass der Druck des Ausgangsgases innerhalb eines bestimmten Bereichs eingestellt werden kann. Im Allgemeinen werden Haushaltsregler zum Schneiden von Stahlplatten allgemeiner Dicke verwendet, und der Ausgangsdruck beträgt 2-3 MPa. Durch Auswechseln der Feder kann der Ausgangsdruck des Haushaltsreglers auf etwa 25 MPa erhöht werden.

Bei der Umrüstung muss jedoch sichergestellt werden, dass die Feder des Sicherheitsventils keine Luft entweichen lässt. Die spezifische Methode besteht darin, die Feder des Sicherheitsventils zu spannen. Wenn der Verbrauch von Flüssiggas zu groß ist, sollte ein großer Regler verwendet werden. Wenn Flüssiggas in einer Acetylenflasche gelagert wird, kann ein Acetylenregler verwendet werden.

Zum Schneiden von Stahlblechen allgemeiner Dicke beträgt der Ausgangsdruck des Reglers etwa 2,5 MPa beim manuellen Schneiden und 10-30 MPa beim automatischen Schneiden. Das Gerät muss mit einer offenen Flamme angezündet werden, und nach dem Anzünden sollte die Sauerstoff- und Propangasdurchflussmenge erhöht werden, bis die Flamme ihre kürzeste Länge erreicht hat, blau ist und von einem zischenden Geräusch begleitet wird. Wenn die Flammentemperatur am höchsten ist, kann das Vorwärmen und Schneiden durchgeführt werden.

(3) Erdgas

Erdgas ist ein Produkt aus Erdöl- und Erdgaslagerstätten, und seine Zusammensetzung variiert je nach Herkunftsort. Sein Hauptbestandteil ist Methan (CH4), das ebenfalls zu den Kohlenwasserstoffen gehört. Methan ist ein farbloses Gas, das bei Raumtemperatur einen leichten Geruch hat. Seine Verflüssigungstemperatur liegt bei -162℃. Es kann auch explodieren, wenn es mit Luft oder Sauerstoff gemischt wird.

Der Explosionsbereich des Methan-Sauerstoff-Gemisches liegt zwischen 5,4% und 59,2% (Volumenanteil). Die Verbrennungsgeschwindigkeit von Methan in Sauerstoff beträgt 5,5 m/s. Wenn Methan in reinem Sauerstoff vollständig verbrennt, lautet die chemische Gleichung:

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O (4)

Aus der obigen Gleichung ist ersichtlich, dass das theoretische Sauerstoffverbrauchsverhältnis 1:2 beträgt. Das tatsächliche Sauerstoffverbrauchsverhältnis für die Bildung neutraler Flammen bei der Verbrennung in Luft beträgt 1:1,5, und die Flammentemperatur liegt bei etwa 2540℃, viel niedriger als bei Acetylen.

Daher ist zum Schneiden eine längere Vorwärmzeit erforderlich. Wird normalerweise als Schneidbrennstoff in erdgasreichen Gebieten verwendet.

(4) Wasserstoff (H₂)

Wasserstoff ist ein farbloses, geruchloses, brennbares Gas. Wasserstoff hat die kleinste relative Atommasse und ist in Wasser löslich. Wasserstoffgas hat die höchste Diffusionsrate und eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Seine Wärmeleitfähigkeit ist 7-mal so hoch wie die von Luft.

Es ist extrem leckageanfällig, hat eine geringe Zündenergie und ist eines der gefährlichsten brennbaren und explosiven Gase. Sein Selbstentzündungspunkt liegt in Luft bei 560℃ und in Sauerstoff bei 450℃. Die Temperatur der Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme kann 2660℃ erreichen (neutrale Flamme). Wasserstoffgas hat stark reduzierende Eigenschaften. Bei hohen Temperaturen kann es Metalle aus Metalloxiden reduzieren.

Zu den gängigen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffgas gehören das Cracken von Rohbenzin, das Cracken von Ammoniakwasser und die Wasserelektrolyse. Wasserstoffgas kann in einem Stahlzylinder unter Druck gesetzt werden. Der Ladedruck bei 21℃ beträgt 14 MPa (Überdruck).

Wasserstoffgas wird häufig beim Plasmaschneiden und -schweißen verwendet; manchmal wird es beim Bleischweißen eingesetzt; die Zugabe einer angemessenen Menge H₂ zu Ar beim Schmelzelektroden-Schutzgasschweißen kann die zugeführte Wärme des Grundmaterials erhöhen und die Schweißgeschwindigkeit und -effizienz verbessern. Die technischen Anforderungen für die Verwendung von Wasserstoffgas beim Gasschweißen oder Schneiden sind in Tabelle 24 aufgeführt.

Tabelle 24: Technische Anforderungen für die Verwendung von Wasserstoffgas beim Gasschweißen oder -schneiden

Anmerkung: Der Sauerstoffgehalt in ultrareinem und hochreinem Wasserstoff bezieht sich auf die Gesamtmenge an Sauerstoff und Argon; ultrareiner Wasserstoff bezieht sich auf Leitungswasserstoff, ausgenommen abgefüllter Wasserstoff.

2.6 Stickstoff (N₂)

Stickstoff macht etwa 78% des Volumens der Luft bei Raumtemperatur aus. Sein Siedepunkt liegt bei -196℃. Stickstoff hat ein niedriges Ionisierungspotenzial und eine geringere relative Atommasse als Argon. Stickstoff absorbiert bei seiner Zersetzung eine große Menge an Wärme.

Stickstoff kann als Schutzgas beim Schweißen verwendet werden. Aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität wird Stickstoff auch häufig als Arbeitsgas beim Plasmaschneiden verwendet. Es hat eine lange Lichtbogensäule und eine molekular zusammengesetzte Wärmeenergie, so dass es dickere Metallplatten schneiden kann.

Da die relative Atommasse von Stickstoff jedoch geringer ist als die von Argon, ist bei der Verwendung von Stickstoff beim Plasmaschneiden eine hohe Leerlaufspannung der Stromquelle erforderlich.

Stickstoff kann bei hohen Temperaturen mit Metallen reagieren und hat beim Plasmaschneiden eine stark erosive Wirkung auf die Elektrode, insbesondere wenn der Gasdruck hoch ist.

Daher sollte Argon oder Wasserstoff zugesetzt werden. Außerdem wird bei der Verwendung von Stickstoff als Arbeitsgas die Schnittfläche nitriert, und beim Schneiden werden mehr Stickoxide erzeugt.

Der Reinheitsgrad des zum Schweißen oder Plasmaschneiden verwendeten Stickstoffs sollte den technischen Anforderungen der Klasse I oder II des Grades 1 gemäß GB 3864-83 entsprechen, wie in Tabelle 25 dargestellt.

Tabelle 25: Technische Anforderungen für industriellen Stickstoff

3. Auswahl der Schweißgase

Es werden verschiedene Gase für die CO₂ Schutzgasschweißen, Schutzgasschweißen, Mischgasschweißen, Plasmaschweißen, Hartlöten in Schutzatmosphäre und Sauerstoff-Acetylen-Gasschweißen und -schneiden.

Die Auswahl der Schweißgase hängt in erster Linie von den Schweiß- und Schneidverfahren sowie von Faktoren wie den Eigenschaften des Grundwerkstoffs, den Qualitätsanforderungen an die geschweißte Verbindungdie Dicke und Position des Werkstücks und das Schweißverfahren.

3.1 Auswahl der Gase je nach Schweißverfahren

Das Gas, das zum Schweißen, Schneiden oder Schutzgasschweißen verwendet wird, ist je nach dem im Schweißprozess verwendeten Schweißverfahren unterschiedlich. Das Schweißverfahren und die Auswahl der Schweißgase sind in Tabelle 26 aufgeführt.

Die Auswahl der üblicherweise verwendeten Gase für das Hartlöten unter Schutzgas ist in Tabelle 27 dargestellt. Die Anwendbarkeit der verschiedenen Gase beim Plasmaschneiden ist in Tabelle 28 dargestellt.

Tabelle 26: Auswahl der Schweißgase nach Schweißverfahren

Tabelle 27 Auswahl gängiger Gase für das Hartlöten unter Schutzgasatmosphäre

Tabelle 28 Eignung verschiedener Gase beim Plasmaschneiden

3.2 Auswahl des Gases je nach Schweißmaterial

Beim Schutzgasschweißen stellt sich unabhängig vom Massivdraht oder Fülldraht immer die Frage nach der richtigen Kombination mit dem Schutzgas (Medium). Die Auswirkung dieser Kombination ist relativ klar und nicht so komplex wie die der Draht-Flussmittel-Kombination, da das Schutzgas nur in zwei Kategorien fällt: Schutzgas und Aktivgas.

Beim Schutzgasschweißen (Ar) ist die Zusammensetzung des Schweißdrahtes ähnlich wie die des abgeschiedenen Metalls, und die Legierungselemente gehen nicht wesentlich verloren. Während beim Schutzgasschweißen aufgrund der starken oxidierenden Wirkung von CO₂ Gas sinkt der Übergangskoeffizient der Fülldrahtlegierung, was zu erheblichen Unterschieden zwischen den abgeschiedenen Metallzusammensetzung und die Zusammensetzung des Schweißdrahtes.

Je größer der Anteil an CO₂ Gas in der Schutzgasatmosphäre, desto stärker ist die Oxidation und desto niedriger ist der Legierungsübergangskoeffizient.

Daher sollte bei der Verwendung von CO₂ als Schutzgas, muss der Schweißdraht eine ausreichende Menge an desoxidierendem Gas enthalten. Legierungselemente um die Anforderungen der kombinierten Desoxidation von Mn und Si zu erfüllen, einen angemessenen Sauerstoffgehalt im Schweißgut zu gewährleisten und die Struktur und die Eigenschaften der Schweißnaht zu verbessern.

Das Schutzgas sollte auf der Grundlage von Faktoren wie den Eigenschaften des geschweißten Materials, den Anforderungen an die Verbindungsqualität und den Schweißverfahren ausgewählt werden. Für kohlenstoffarmen Stahl, niedrig legierte hochfester Stahl, Edelstahl und hitzebeständiger Stahl, aktive Gase (wie CO₂, Ar+CO₂oder Ar+O₂) werden zum Schutz empfohlen, um die Übergangströpfchen zu verfeinern, die Drift des Lichtbogenkathodenpunkts zu überwinden und Defekte an den Kanten zu vermeiden. In einigen Fällen können auch Inertgase verwendet werden.

Für Schutzgase mit stark oxidierenden Eigenschaften sollten jedoch Schweißdrähte mit hohem Mangan- und Siliziumgehalt verwendet werden, während für Ar-reiche Mischgase Schweißdrähte mit niedrigem Siliziumgehalt verwendet werden sollten.

Das Schutzgas muss auf den Fülldraht abgestimmt sein. Wenn CO₂ Schweißdraht mit einem höheren Mn- und Si-Gehalt unter Argon-Bedingungen verwendet wird, ist der Legierungsgehalt im abgeschiedenen Metall hoch und die Festigkeit steigt.

Umgekehrt wird der Draht, der unter den Bedingungen des reichen Argons verwendet wird, durch CO₂ Gas ist der Legierungsübergangskoeffizient aufgrund der Oxidation und des Verbrennens der Legierungselemente niedrig, und die Schweißleistung nimmt ab.

Bei Metallen, die leicht oxidieren oder schlechte Schmelzeigenschaften aufweisen, wie Aluminium und seine Legierungen, Titan und seine Legierungen, Kupfer und seine Legierungen, Nickel und seine Legierungen sowie Hochtemperaturlegierungen, sollten Schutzgase (wie Ar oder Ar+He-Mischgas) verwendet werden, um ein hochwertiges Schweißgut zu erhalten.

Das Ionisierungspotenzial des Schutzgases hat einen geringen Einfluss auf die elektrische Feldstärke der Lichtbogensäule und den Wärmeeintrag des Grundmetalls. Zu den Schutzeigenschaften gehören Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und thermische Zersetzung.

Bei Verwendung von Schmelzen PolaritätsschweißenJe stärker die Kühlwirkung des Schutzgases auf den Lichtbogen ist, desto größer ist die Wärmeeinbringung des Grundwerkstoffs. Der Anwendungsbereich von Schutzgasen für verschiedene Werkstoffe beim Schweißen ist in Tabelle 29 angegeben.

Die anwendbaren Schutzgase für verschiedene geschweißte Werkstoffe beim Schutzgasschweißen mit schmelzender Polarität sind in Tabelle 30 aufgeführt. Die Auswahl des Schutzgases für große Stromstärken Plasmaschweißen ist in Tabelle 31 aufgeführt, während die Auswahl für das Plasmaschweißen mit kleinen Strömen in Tabelle 32 dargestellt ist.

Tabelle 29: Anwendbarer Schutzgasbereich für verschiedene Materialien beim Schweißen

Tabelle 30 Anwendbares Schutzgas für verschiedene geschweißte Werkstoffe beim Schmelzpolaritäts-Schutzgasschweißen

Tabelle 31 Auswahl des Schutzgases für das Plasmaschweißen mit großen Strömen

Tabelle 32 Auswahl des Schutzgases für das Plasmaschweißen mit kleinen Strömen

3.3 Eigenschaften und Auswahl von Mischgasen

Durch die Zugabe eines bestimmten Anteils einiger Gase zum Grundgas entstehen Mischgase, die beim Schweißen und Schneiden mehrere Vorteile haben, z. B. die Veränderung der Lichtbogenform, die Erhöhung der Lichtbogenenergie, die Verbesserung der Schweißnahtbildung und der mechanischen Eigenschaften sowie die Steigerung der Schweißproduktivität.

(1) Eigenschaften von Mischgasen

Bei der Verwendung von reinem CO₂ als Schweißschutzgas ist die Lichtbogenstabilität schlecht, die Tröpfchen sind nicht axial übergangsfähig, die Spritzer sind groß und die Schweißnahtbildung ist schlecht. Beim Schweißen von niedrig legiertem Stahl mit reinem Ar kommt es zu einer großen Drift von Kathodenpunkten, die ebenfalls eine Lichtbogeninstabilität verursachen kann.

Die Zugabe einer geringen Menge an oxidierenden Gasen wie O₂ und CO₂ zu Ar kann die Stabilität des Lichtbogens deutlich verbessern, die Tröpfchen verfeinern, den Wirkungsgrad des Übergangs erhöhen und die Schweißnahtbildung sowie die Beständigkeit gegen Porosität verbessern.

Die üblicherweise verwendeten Bestandteile und Eigenschaften von Gasgemischen für das Schutzgasschweißen sind in Tabelle 33 aufgeführt. Einige physikalische und chemische Eigenschaften von brennbaren Gemischen sind in Tabelle 34 aufgeführt.

Tabelle 33 Bestandteile und Eigenschaften häufig verwendeter Mischgase für das Schutzgasschweißen

Tabelle 34 Einige physikalische und chemische Eigenschaften brennbarer Gemische

(2) Auswahl der Mischgase

Die Auswahl der Mischgase richtet sich im Allgemeinen nach dem Schweißverfahren, dem zu schweißenden Material und dem Einfluss des Mischungsverhältnisses auf den Schweißprozess.

Beim Schweißen von niedrig legiertem, hochfestem Stahl beispielsweise wird reines Ar als Schutzgas bevorzugt, um Oxideinschlüsse und den Sauerstoffgehalt in der Schweißnaht zu reduzieren. Unter dem Gesichtspunkt eines stabilen Lichtbogens und der Schweißnahtbildung werden dem Ar jedoch oxidierende Gase hinzugefügt.

Daher ist ein schwach oxidierendes Gas geeignet. Für den Übergang des Argon-Schutzgas-Lichtbogenschweißstrahls wird ein Gemisch aus Ar+(1%-2%)O₂ wird empfohlen, während eine Mischung aus 20%CO₂Die +80%Ar eignet sich am besten für das aktive Schutzgasschweißen mit Kurzschlussübergang.

Unter dem Gesichtspunkt der Produktionseffizienz ist die Zugabe von He, N₂, H₂, CO₂oder O₂ zu Ar kann die Wärmezufuhr des Grundmetalls erhöhen und die Schweißgeschwindigkeit beim Wolfram-Inertgas (WIG)-Schweißen verbessern.

Zum Beispiel beim Schweißen dicker AluminiumplattenBeim Schweißen von Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt oder niedrig legiertem Stahl wird die Zugabe einer bestimmten Menge an O₂ zu CO₂ Gas oder die Zugabe einer bestimmten Menge an CO₂ oder O₂ zu Ar-Gas kann erhebliche Auswirkungen haben.

Darüber hinaus kann die Verwendung von Mischgasen zum Schutz auch die Eindringtiefe erhöhen und Defekte wie fehlende Verschmelzung, Risse und Porosität beseitigen. Tabelle 35 zeigt den Anwendungsbereich von Mischgasen für verschiedene Werkstoffe beim Schweißen.

Tabelle 35 Anwendbarer Bereich von Mischgasen zum Schweißen verschiedener Werkstoffe

In den letzten Jahren wurde auch ein grobes Ar-Mischgas gefördert und eingesetzt. Seine Zusammensetzung ist Ar = 96%, O₂ ≤ 4%, H₂O ≤ 0,0057%, N2 ≤ 0,1%. Das grobe Ar-Mischgas kann nicht nur die Schweißnahtbildung verbessern, Spritzer reduzieren und die Schweißeffizienz erhöhen, sondern auch beim Schweißen von niedrig legiertem hochfestem Stahl mit einer Zugfestigkeit von 500-800 MPa sind die mechanischen Eigenschaften des Schweißguts denen von hochreinem Ar gleichwertig. Das grobe Ar-Mischgas ist kostengünstig und hat gute wirtschaftliche Vorteile.