Сварочный газ: Все, что нужно знать

Сварочный газ в основном относится к защитному газу, используемому при сварке в газовой среде (сварка в защитной среде углекислого газа, сварка в защитной среде инертного газа), а также к газу, используемому при газовой сварке и резке, включая углекислый газ (CO₂), аргон (Ar), гелий (He), кислород (O₂), горючие газы, смешанные газы и т.д.

Во время сварки защитный газ является не только защитной средой для зоны сварки, но и газовой средой для генерации дуги.

Газовая сварка и резка в основном опираются на высокотемпературное пламя, образующееся при сгорании газа, которое концентрирует тепло для завершения процесса.

Поэтому свойства газа (такие как физические и химические свойства и т.д.) влияют не только на защитный эффект, но и на зажигание дуги и стабильность процесса сварки и резки.

1. Классификация сварочного газа

В соответствии с ролью различных газов в рабочем процессе, сварочный газ в основном подразделяется на защитный газ и газ, используемый для газовой сварки и резки.

1.1 Защитный газ

Защитный газ в основном включает в себя углекислый газ (CO₂), аргон (Ar), гелий (He), кислород (O₂), и газообразный водород (H2).

Международный институт сварки отмечает, что защитные газы классифицируются в соответствии с их потенциалом окисления, и простая формула расчета для определения классификационного индекса такова: Классификационный индекс = O₂% + 1/2 CO₂%.

Исходя из этой формулы, защитные газы можно разделить на пять категорий в зависимости от их потенциала окисления. Класс I - инертный или восстановительный газ, M1 - слабоокисляемый газ, M2 - умеренно окисляемый газ, а классы M3 и C - сильно окисляемые газы. Показатели потенциала окисления каждого типа защитного газа приведены в таблице 1.

Классификация защитных газов для сварки черных металлов приведена в таблице 2.

Таблица 1: Показатели потенциала окисления различных типов защитных газов

Таблица 2: Классификация защитных газов для сварки черных металлов

1.2 Газ для газовой сварки и резки

В соответствии со свойствами газов, газы, используемые для газовая сварка и резки можно разделить на две категории: окисляющие газы (O₂) и горючих газов.

Когда горючие газы смешиваются с кислородом и сгорают, выделяется большое количество тепла, образуя высокотемпературное пламя с концентрированным теплом (самая высокая температура в пламени может достигать 2000~3000℃), которое может нагревать и плавить металлы.

Ацетилен обычно используется в качестве горючего газа для газовой сварки и резки. Другие горючие газы, которые в настоящее время продвигаются для использования, включают пропан, пропилен, сжиженный нефтяной газ (в основном пропан), природный газ (в основном метан) и т.д.

Физические и химические свойства некоторых широко используемых горючих газов приведены в таблице 3.

Таблица 3 Физико-химические свойства нескольких часто используемых горючих газов.

2. Характеристики газов для сварки

Роль газов в различных процессах сварки или резки неодинакова, и выбор газов также зависит от свариваемых материалов.

Поэтому в различных ситуациях необходимо выбирать газы с определенными физическими или химическими свойствами, даже смесь нескольких газов.

Основные свойства и области применения широко используемых в сварке и резке газов приведены в таблице 4, а характеристики различных газов в процесс сварки представлены в таблице 5.

Таблица 4 Основные характеристики и области применения широко используемых в сварке газов.

Таблица 5 Характеристики различных газов в процессе сварки.

2.1 Газообразный диоксид углерода (CO₂)

(1) Свойства CO₂ газ

CO₂ является окислительным защитным газом и существует в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Чистый CO₂ газ без цвета и запаха. При температуре 0°C и давлении 1 атм (101325 Па) плотность CO₂ составляет 1,9768 г/л, что в 1,5 раза больше, чем у воздуха. CO₂ легко растворяется в воде и имеет слегка кислый вкус после растворения.

Когда CO₂ При нагревании газа до высокой температуры он разлагается на CO и O с выделением -283,24 кДж энергии. Поскольку в процессе разложения выделяется атомарный кислород, атмосфера дуги обладает сильными газовыми свойствами.

В зоне высокотемпературной дуги три газа (CO₂CO и O2) часто сосуществуют из-за разложения CO₂ газ. Степень содержания CO₂ Разложение газа зависит от температуры дуги в процессе сварки.

С повышением температуры степень реакции разложения становится все более интенсивной. Когда температура превышает 5000 К, почти весь CO₂ газ разлагается. Взаимосвязь между степенью разложения CO₂ Разложение газа и температура показаны на рисунке 1.

Жидкий CO₂ это бесцветная жидкость, плотность которой меняется в зависимости от температуры. При температуре ниже -11℃ его плотность больше, чем у воды, а при температуре выше -11℃ - меньше, чем у воды. Свойства насыщенного CO₂ газа приведены в таблице 6.

Температура кипения CO₂ превращается из жидкости в газ при очень низкой температуре (-78℃), поэтому промышленный CO₂ обычно используется в жидком состоянии, которое может быть испарено при комнатной температуре. При температуре 0°C и давлении 1 атм 1 кг жидкого CO₂ может быть испарен в 509 л CO₂ газ.

Таблица 6 Свойства насыщенного CO₂ Давление газа

(2) Хранение CO₂ газ

CO₂ Газ для сварки часто бывает в виде жидкого CO₂ Хранится в стальных баллонах, что экономично и удобно. CO₂ Баллоны окрашиваются в черный цвет и маркируются желтыми буквами с надписью "Сжиженный диоксид углерода". Цветовые коды для баллонов с широко используемыми сварочными газами приведены в таблице 7.

Таблица 7 Цветовые коды для баллонов с часто используемыми сварочными газами

① Если рабочее давление составляет 19,6 МПа, добавляется одна цветная полоса; если рабочее давление составляет 29,4 МПа, добавляются две цветные полосы.

Стандартный стальной цилиндр для CO₂ обычно вмещает 40 кг газа и может быть заполнен 25 кг жидкого CO₂.

25 кг жидкого CO₂ составляет около 80% объема цилиндра, а оставшееся пространство 20% заполнено газообразным CO₂.

Значение давления, указанное на манометре баллона, является давлением насыщения этой части газа. Это давление зависит от температуры окружающей среды. При повышении температуры давление насыщения увеличивается, а при понижении температуры давление насыщения уменьшается.

Только когда весь жидкий CO₂ в стальном баллоне испарился в газ, будет ли давление газа в баллоне постепенно уменьшаться по мере расходования CO₂ газ.

Жидкий CO₂ содержащийся в стандартном стальном баллоне, может испариться в 12,725 л CO₂ газ. В зависимости от выбора CO₂ расход газа во время сварки (см. табл. 8), если средний расход CO₂ газа во время сварки составляет 10 л/мин, один жидкий CO₂ Баллон можно использовать непрерывно в течение 24 часов.

Таблица 8: Выбор CO₂ расход газа при сварке

Давление стандартного CO₂ стального баллона при его заполнении составляет 5,0-7,0 МПа. По мере снижения давления внутри баллона во время использования количество воды, испарившейся из влаги, растворенной в жидком CO₂ также увеличивается.

Связь между содержанием воды в CO₂ газа и давление внутри цилиндра показаны на рисунке 6.2.

Эмпирические данные показывают, что когда давление газа внутри баллона ниже 0,98 МПа (при 20℃), CO₂ в стальном цилиндре больше не следует использовать, поскольку жидкий CO₂ практически испарилась.

Если его продолжают использовать, дефекты сварки в металле шва образуются поры, и газ CO2 необходимо дозаправить.

(3) Чистота CO₂ газ для сварки

Массовая доля воды, которая может быть растворена в жидком CO₂ составляет 0,05%, а избыток воды оседает на дно цилиндра в свободном состоянии.

Эти молекулы воды испаряются вместе с CO₂ в процессе сварки и смешиваются с CO₂ газ, непосредственно попадающий в зону сварки.

Таким образом, влага является основной вредной примесью в CO₂ газ. Содержание водорода в металле шва варьируется в зависимости от влажности CO₂ газ, как показано в таблице 9.

Взаимосвязь между CO₂ Точка росы и содержание водорода в металле шва показаны на рисунке 3.

Таблица 9: Содержание водорода в металле сварного шва при различных уровнях влажности CO₂ газ.

Поскольку содержание воды в CO₂ газа (т.е. при повышении температуры точки росы), содержание водорода в металле шва постепенно увеличивается, пластичность снижается, и даже могут появиться такие дефекты, как поры.

Таким образом, CO₂ Газ, используемый для сварки, должен обладать высокой чистотой. Технические требования к жидкому CO₂ используемые для сварки, приведены в таблице 10.

В Китае общее требование заключается в том, чтобы CO₂ > 99%, O₂ < 0,1%, H₂O < 0,05%; в то время как в некоторых зарубежных странах CO₂ > 99,8%, H₂O < 0,0066%, также требуется точка росы ниже -40℃ (эквивалентно классу I GB).

Таблица 10: Технические требования для жидкого CO₂ используемых для сварки (GB 6052-85).

Если коммерчески доступный CO₂ Газ, используемый на производстве, имеет высокое содержание воды и низкую чистоту, его необходимо очищать. Обычно используются следующие методы очистки:

a. Переверните новый CO₂ газовый стальной баллон и дайте ему постоять 1-2 часа, чтобы вода осела на дно. Затем откройте вентиль перевернутого баллона и слейте воду 2-3 раза, с интервалом около 30 минут между каждым сливом. После слива воды верните стальной баллон в вертикальное положение.

b. Перед использованием стального баллона после водоотливной обработки непрерывно выпускайте газ в течение 2-3 минут, так как газ в верхней части обычно содержит больше воздуха и воды, которые были подмешаны в баллон при заполнении.

c. Последовательно подключите осушитель высокого давления и осушитель низкого давления в CO₂ трубопровод подачи. В качестве осушителя может использоваться силикагель, безводный оксид кальция или обезвоженный медный купорос для дальнейшего снижения содержания воды в CO₂ газ. Использованный влагопоглотитель можно высушить и использовать повторно.

d. Не используйте CO₂ когда давление газа в цилиндре упадет до 0,98 МПа.

Когда CO₂ используется как защитный газ при сварке в плохо проветриваемых или узких помещениях необходимо усилить вентиляционные меры, чтобы предотвратить концентрацию CO₂ не превышать допустимую концентрацию (30 кг/м2), установленную национальными нормами, что может негативно сказаться на здоровье сварщиков.

2.2 Аргон (Ar)

(1) Свойства аргона

Аргон - самый распространенный редкий газ в воздухе после азота и кислорода, его объемная доля составляет около 0,935%.

Аргон бесцветен и не имеет запаха. При температуре 0℃ и давлении 1 атм (101325 Па) его плотность составляет 1,78 г/л, что примерно в 1,25 раза больше плотности воздуха. Температура кипения аргона составляет -186℃, что находится между точками кипения кислорода (-183℃) и азота (-196℃). Аргон может быть получен одновременно с производством кислорода путем фракционной перегонки жидкого воздуха.

Аргон - это инертный газ, который не вступает в химическую реакцию с металлами во время сварки и не растворяется в жидком металле.

Поэтому он позволяет избежать потери металлических элементов при горении в шве и других дефектов сварки, делает металлургическую реакцию сварки простой и легко контролируемой, обеспечивая благоприятные условия для получения высококачественных сварных швов.

Зависимость между теплопроводностью и температурой Ar, He, H₂, и N₂ показана на рисунке 4. Видно, что аргон обладает самой низкой теплопроводностью и относится к моноатомным газам, которые не поглощают тепло из-за разложения при высоких температурах.

Поэтому тепловые потери дуги, генерируемой в аргоновом газе, относительно невелики. Аргон имеет высокую плотность и не так легко теряется во время защиты, что приводит к хорошему защитному эффекту. Металлическая проволока легко переходит в стабильный осевой поток струи с минимальным количеством брызг.

(2) Хранение аргона

Аргон можно хранить и транспортировать в жидком виде при температуре ниже -184℃, но для сварки обычно используются стальные баллоны, наполненные газом аргоном. Баллон с газом аргоном окрашен в серебристо-серый цвет и маркирован зеленым цветом (Ar).

В настоящее время в Китае широко используются газовые баллоны с аргоном объемом 33 л, 40 л и 44 л. Когда баллон заполнен и помещен под температуру 20℃, давление внутри баллона должно составлять 15 МПа.

Категорически запрещается ударять или сталкивать баллон с аргоновым газом во время использования; не используйте огонь для оттаивания клапана при его замерзании; не используйте электромагнитные грузоподъемные машины для транспортировки баллонов с аргоновым газом; не допускайте воздействия солнечных лучей в летнее время; газ внутри баллона не должен быть полностью выработан; баллоны с аргоновым газом, как правило, следует хранить в вертикальном положении.

Примечание: Содержание газов выражается в объемной доле, содержание влаги - в массовой доле.

Таблица 12 Чистота аргона, используемого для сварки различных материалов

Если содержание примесей в газообразном аргоне во время сварки превышает установленную норму, это не только влияет на защиту расплавленного металла, но и легко вызывает такие дефекты, как пористость и шлаковые включения в сварном шве, что влияет на качество сварного соединения и увеличивает потери при сгорании вольфрамового электрода.

2.3 Гелий (He)

(1) Свойства газообразного гелия

Гелий - инертный газ без цвета и запаха, который не образует соединений с другими элементами, как аргон. Он является моноатомным газом и трудно растворяется в других металлах. Его температура кипения составляет -269℃.

Гелиевый газ обладает высоким потенциалом ионизации, что затрудняет дуговую сварку. По сравнению с аргоном, гелий обладает более высокой теплопроводностью, что приводит к повышению напряжения и температуры дуги при одинаковом сварочном токе и силе дуги.

В результате теплоемкость основного металла выше, а скорость сварки быстрее, столб дуги тоньше и концентрированнее, а провар выше. Это основное преимущество использования гелия для дуговой сварки, однако стабильность дуги в нем несколько уступает аргону.

Из-за малого атомного веса и малой плотности гелия для эффективной защиты зоны сварки требуется гораздо больший расход газа.

Из-за своей дороговизны он используется только в некоторых специальных областях, например, для сварки ключевых компонентов, таких как охлаждающие стержни для ядерных реакторов и толстые алюминиевые сплавы. Сравнение характеристик газообразного аргона и гелия во время сварки приведено в таблице 13.

Таблица 13 Сравнение характеристик газов аргона и гелия при сварке

Поскольку дуга из газообразного гелия нестабильна, а эффект очистки катода не очевиден, для гелиевой дуговой сварки вольфрамовым электродом обычно используется положительное соединение постоянного тока. Даже для сварки алюминия магния и их сплавов, источник переменного тока не используется. Гелиевая дуга имеет большое и концентрированное тепловыделение, сильное проникновение дуги, и когда дуга короткая, положительное соединение постоянного тока также оказывает некоторое влияние на удаление оксидной пленки.

При гелиевой дуговой сварке алюминиевого сплава на постоянном токе с положительным подключением однопроходная дуговая сварка толщина сварки может достигать 12 мм, а сварка спереди и сзади может достигать 20 мм. По сравнению с аргонодуговой сваркой переменным током, она имеет большую глубину проплавления, более узкий сварная шайбаменьшая деформация, меньшая зона размягчения и меньший пережог металла. Для упрочняющих алюминиевых сплавов, прошедших термообработку, механические свойства соединений при комнатной температуре и при низких температурах лучше, чем при аргонодуговой сварке переменным током.

(2) Чистота гелиевого газа, используемого для сварки

В качестве защитного газа, используемого для сварки, чистота газообразного гелия обычно составляет от 99,9% до 99,999%. Кроме того, она зависит от типа, состава и характеристик свариваемого основного металла, а также от требований к качеству сварное соединение.

В общем, чтобы предотвратить окисление металлов или азотирование при сварке активных металлов и для повышения качества сварочного соединения следует выбирать газ гелий высокой чистоты. Технические требования к использованию газообразного гелия для сварки приведены в таблице 14.

Таблица 14 Технические требования к использованию газообразного гелия для сварки

Примечание: Содержание газа в таблице выражено в объемной доле, а содержание воды - в массовой доле.

2.4 Свойства газообразного кислорода

(1) Свойства газообразного кислорода:

Кислород - это бесцветный, без запаха, без вкуса и нетоксичный газ при комнатной температуре и давлении. При температуре 0℃ и давлении 1 атм (101325 Па) плотность газообразного кислорода составляет 1,43 кг/м3, что больше, чем у воздуха. Температура сжижения кислорода составляет -182,96℃, а жидкий кислород имеет светло-голубой цвет. При комнатной температуре кислород существует в больших количествах в виде соединений и свободных состояний в воздухе и воде.

Сам по себе кислород не горит, но он является высокоактивным газом, поддерживающим горение, и может реагировать со многими элементами с образованием оксидов. В общем случае интенсивные реакции окисления называются горением. В газовой сварке и резке в качестве источников тепла используются горючие газы и тепло, выделяемое при сгорании кислорода.

(2) Производство кислородного газа:

Существует множество способов получения газообразного кислорода, например, химические методы, электролиз воды и сжижение воздуха.

Однако в промышленном производстве широко используется метод сжижения воздуха. Воздух сжимается и охлаждается до температуры ниже -196℃, чтобы превратить его в жидкость. Затем, при повышении температуры, азот в жидком воздухе испаряется в газ, когда температура поднимается до -196℃.

Когда температура продолжает расти до -183℃, кислород начинает испаряться. Затем газообразный кислород сжимается компрессором до давления 120-150 атм и хранится в специальных кислородных баллонах для использования и хранения.

(3) Хранение кислородного газа:

Кислородный газ обычно хранится и перевозится в специальных кислородных баллонах, а внешняя поверхность кислородных баллонов должна быть окрашена в небесно-голубой цвет и помечена надписью "кислород", выполненной черной краской.

Кислородные баллоны следует проверять каждые 3-5 лет на заводе-изготовителе в процессе эксплуатации, проверяя объем и качество баллона, а также на наличие коррозии и трещин. Размеры и наполняемость обычно используемых кислородных баллонов приведены в таблице 15.

Подача кислородного газа во время работы в основном регулируется редуктором давления на баллоне. Основные технические параметры редуктора давления для кислородных баллонов приведены в таблице 16, а распространенные неисправности и меры их предотвращения - в таблице 17.

Таблица 15 Размеры и наполняемость часто используемых кислородных баллонов

Таблица 16 Основные технические параметры регулятора давления для газового баллона

Таблица 17 Распространенные неисправности регуляторов давления и меры по их устранению.

По сравнению с газообразным кислородом, жидкий кислород обладает такими преимуществами, как низкое энергопотребление, высокая чистота поставляемого кислорода (до 99,9% и более) и высокая эффективность транспортировки. Поэтому промышленный кислород иногда поставляется в жидком виде. Способы подачи жидкого кислорода потребителям или на объект следующие:

a. Установите резервуар для хранения газообразного кислорода в отделении пользователя и заполните его газообразным кислородом из резервуара для транспортировки жидкости, оснащенного оборудованием для испарения и сжатия.

b. Установите резервуар для хранения жидкости и оборудование для испарения в отделении пользователя и заполните резервуар жидким кислородом из резервуара для транспортировки жидкого кислорода.

c. Установите небольшие емкости с жидким кислородом и соответствующие испарители на тележки, настройте их на месте и перемещайте в любое время в соответствии с потребностями использования. Этот метод подходит только для заводов и объектов с небольшим потреблением кислорода.

Существует два типа емкостей для хранения жидкого кислорода: мобильные и стационарные. Технические характеристики и основные технические параметры мобильных емкостей для жидкого кислорода приведены в таблице 18, а стационарных - в таблице 19.

Таблица 18: Технические характеристики и основные технические параметры мобильных контейнеров для жидкого кислорода.

Таблица 19: Технические характеристики и основные технические параметры стационарных контейнеров для жидкого кислорода.

Поскольку кислород является газом, поддерживающим горение и обладающим чрезвычайно активными свойствами, при заполнении газового баллона давление может достигать 150 атмосфер. При неосторожном обращении с кислородом и его транспортировке существует опасность взрыва.

Поэтому особое внимание следует уделить следующим моментам:

a) Маслостойкий. Запрещается прикасаться к кислородному баллону и его вспомогательному оборудованию в перчатках, испачканных маслом; при транспортировке запрещается помещать его вместе с легковоспламеняющимися веществами и маслами.

b) Ударопрочные. Кислородные баллоны должны быть надежно установлены, чтобы предотвратить вибрацию, которая может привести к взрыву кислорода. В вертикальном положении для фиксации следует использовать железные обручи или цепи, в лежачем положении - деревянные подкладки для предотвращения качения, а на корпусе баллона должны быть установлены два резиновых амортизатора. При транспортировке следует использовать специальный автомобиль.

c) Термостойкие. Кислородные баллоны при хранении или транспортировке должны находиться на расстоянии не менее 10 м от источника тепла. Летом, при работе на открытом воздухе под солнечными лучами, баллон должен быть накрыт брезентом для предотвращения взрыва.

г) Антифриз. При использовании кислородного баллона зимой, если вентиль кислородного баллона замерз, накройте его тканью, смоченной в горячей воде, чтобы оттаять. Ни в коем случае не используйте огонь для нагревания и размораживания, чтобы избежать несчастных случаев со взрывом.

д) Перед тем как открыть вентиль кислородного баллона, проверьте, затянута ли нажимная гайка. Вращение маховика должно быть плавным, без чрезмерных усилий, а люди должны стоять сбоку от кислородного выхода. При использовании кислорода не расходуйте весь кислород в баллоне, оставляя не менее 1-3 атмосфер кислорода.

f) Когда кислородный баллон не используется, во избежание повреждений на вентиль необходимо надевать защитную крышку.

g) Во время ремонта вентиля кислородного баллона особое внимание следует уделить безопасности, чтобы предотвратить взрыв кислородного баллона.

(4) Чистота сварочного кислорода

Поскольку промышленный кислород обычно производится путем сжижения и разделения воздуха, он часто содержит азот. Присутствие азота во время сварки и резки не только снижает температуру пламени, влияя на эффективность производства, но и вступает в реакцию с расплавленным железом, образуя нитрид железа, что снижает прочность сварного шва.

Поэтому чистота кислорода оказывает большое влияние на эффективность и качество газовой сварки и резки. Чем выше чистота кислорода, используемого для газовой сварки и резки, особенно при резке, тем лучше.

Кислород также обычно используется в качестве дополнительного газа при сварке в среде инертного газа для уточнения капель, преодоления дрейфа катодного пятна дуги, увеличения теплоотдачи основного металла и повышения скорости сварки.

Таблица 20: Технические требования к сварочному кислороду в газообразном состоянии. Для высококачественной газовой сварки и резки следует использовать высокочистый кислород класса I или II первого сорта, чтобы получить требуемую теплопроводность.

2.5 Легковоспламеняющиеся газы

Существует множество типов горючих газов, используемых для сварки, но в настоящее время наиболее широко применяемыми в газовой сварке и резке являются ацетилен (C₂H₂), за ним следует газ пропан.

Водород, природный или угольный газ также могут использоваться в качестве горючих газов в зависимости от местных условий или свариваемого или разрезаемого материала. При выборе горючего газа необходимо учитывать следующие факторы:

a) Выделяемое тепло должно быть высоким, что означает, что количество тепла, выделяемого при полном сгорании горючего газа на единицу объема, должно быть высоким.

б) Температура пламени должна быть высокой, обычно имеется в виду самая высокая температура пламени, горящего в кислороде.

в) Количество кислорода, необходимое для сжигания горючего газа, должно быть небольшим, чтобы повысить его экономичность.

d) Диапазон пределов взрываемости должен быть небольшим.

д) Транспорт должен быть относительно удобным.

(1) Ацетилен (C₂H₂)

1) Свойства ацетилена

Ацетилен - это ненасыщенный углеводород (C₂H₂), который представляет собой бесцветный газ при комнатной температуре и давлении в 1 атмосферу (101325 Па). Как правило, при сварке ацетиленом присутствует специфический запах, обусловленный такими примесями, как H₂S и PH₃.

Температура пламени при горении ацетилена в чистом кислороде может достигать примерно 3150℃, а тепло относительно концентрировано. В настоящее время это наиболее широко используемый горючий газ в газовой сварке и резке.

Плотность ацетилена составляет 1,17 кг/м3. Температура кипения ацетилена составляет -82,4℃, а в жидкое состояние он переходит при -83,6℃. При температуре ниже -85℃ он становится твердым. Газообразный ацетилен может быть растворен в воде, ацетоне и других жидкостях. При температуре 15℃ и давлении в 1 атмосферу в 1 л ацетона можно растворить 23 л ацетилена. При увеличении давления до 1,42 МПа 1 л ацетона может растворить около 400 л ацетилена.

Ацетилен является взрывоопасным газом, и его характеристики взрывоопасности следующие:

a) Когда давление чистого ацетилена достигает 0,15 МПа, а температура - 580-600℃, он взрывается при воздействии огня. Давление ацетилена в генераторе и трубопроводе не должно превышать 0,13 МПа.

б) При смешивании ацетилена с воздухом или кислородом взрывоопасность значительно возрастает. При смешивании ацетилена с воздухом, рассчитанным по объему, когда на ацетилен приходится 2,2%-81%; при смешивании ацетилена с кислородом, рассчитанным по объему, когда на ацетилен приходится 2.8%-93%, смешанный газ будет самопроизвольно воспламеняться (температура самовозгорания ацетилено-воздушной смеси составляет 305℃, а температура самовозгорания ацетилено-кислородной смеси составляет 300℃) или взрываться при воздействии искры, даже при нормальном давлении.

Ацетилен, смешанный с газообразным хлором, гипохлоритом и другими веществами, взрывается при воздействии солнечного света или тепла. Ацетилен, смешанный с азотом, монооксидом углерода и водяным паром, снижает риск взрыва.

в) При длительном контакте с медью, серебром и т.д. ацетилен может образовывать взрывоопасные вещества, такие как ацетилен меди и ацетилен серебра.

г) Растворение ацетилена в жидкости может значительно снизить его взрывоопасность.

e. Взрывоопасность ацетилена зависит от формы и размера контейнера, используемого для хранения. Контейнеры с меньшим диаметром менее склонны к взрыву. Ацетилен можно хранить в контейнерах капиллярной формы, и даже при повышении давления до 2,65 МПа взрыва не произойдет.

2) Промышленный ацетилен в основном производится путем разложения карбида в ацетиленовых генераторах.

Существует множество типов ацетиленовых генераторов, используемых для производства ацетилена, которые можно классифицировать по производимому давлению: ацетиленовые генераторы среднего давления (производят газ ацетилен при манометрическом давлении 0,0069-0,127 МПа) и ацетиленовые генераторы низкого давления (производят газ ацетилен при манометрическом давлении ниже 0,0069 МПа).

Они также могут быть классифицированы по различным способам контакта карбида с водой, таким как дренаж, карбид в воде и комбинированные методы дренажа. По форме расположения они также могут быть разделены на передвижные и стационарные. Типы и технические характеристики ацетиленовых генераторов среднего давления приведены в табл. 21.

Для высококачественной газовой сварки следует использовать очищенный и высушенный ацетилен. Промышленный карбид изготавливается путем плавления негашеной извести и кокса в электрической печи. Уровень качества и характеристики карбида, используемого для ацетиленовой газовой сварки и резки, должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 22.

Таблица 21. Типы и технические характеристики ацетиленовых генераторов среднего давления.

Таблица 22: Сорта и характеристики твердого сплава для ацетиленовой газовой сварки и резки.

3) Хранение ацетиленового газа

Из-за опасности взрыва при нагнетании давления прямое бутилирование под давлением не может использоваться для хранения ацетилена. В промышленности используется его высокая растворимость в ацетоне, и ацетилен разливается в емкости, содержащие ацетон или пористое вещество, обычно называемые растворенным ацетиленом или бутилированным ацетиленом.

Ацетиленовый баллон обычно окрашен в белый цвет с надписью "ацетилен" красной краской. Баллон заполнен пористым материалом, пропитанным ацетоном, что позволяет безопасно хранить ацетилен под давлением 1,5 МПа внутри баллона.

При использовании необходимо использовать ацетиленовый регулятор, чтобы снизить давление до 0,103 МПа перед применением. Пористый материал обычно представляет собой смесь легкого и пористого активированного угля, опилок, пемзы и кизельгура.

Для сварки, как правило, требуется ацетилен чистотой более 98%. Условия заправки регламентированы: давление заправки не более 1,55 МПа при температуре 15°C. В настоящее время баллонный ацетилен получил широкое распространение и применение благодаря своей безопасности, удобству и экономичности.

(2) Нефтяной газ

Нефтяной газ - это продукт или побочный продукт переработки нефти. Газы, используемые для резки, включают элементарные газы, такие как пропан и этилен, а также побочные продукты, такие как смешанные многокомпонентные газы, образующиеся при переработке нефти, обычно состоящие из пропана, бутана, пентана и бутена.

1) Пропан (C3H8)

Пропан - широко используемый для резки топливный газ с относительной молекулярной массой 44,094. Его общая теплотворная способность выше, чем у ацетилена, но теплота сгорания единицы массы молекулы ниже, чем у ацетилена. В результате температура пламени ниже, а теплота сгорания более рассеяна. Формула химической реакции полного сгорания пропана в чистом кислороде выглядит так: C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O (1)

Из приведенного выше уравнения видно, что теоретическое потребление кислорода при полном сгорании 1 объема пропана составляет 5 объемов. При сгорании пропана в воздухе фактическое потребление кислорода составляет 3,5 объема, образуя нейтральное пламя с температурой 2520°C. Самая высокая температура окислительного пламени составляет около 2700°C. Скорость горения кислородно-пропанового нейтрального пламени составляет 3,9 м/с, опасность закалки мала, а диапазон взрыва узкий - от 23% до 95% в кислороде. Однако потребление кислорода у него выше, чем у ацетилена, он имеет высокую температуру воспламенения и нелегко воспламеняется.

2） Пропилен (C3H6)

Относительная молекулярная масса пропилена составляет 42,078, общая теплотворная способность ниже, чем у пропана, но температура пламени выше. Формула химической реакции для полного сгорания пропилена в чистом кислороде такова:

C3H6 + 4,5O₂ → 3CO₂ + 3H₂O (2)

Теоретическое потребление кислорода при полном сгорании 1 объема пропилена составляет 4,5 объема. При сжигании в воздухе фактическое потребление кислорода составляет 2,6 объема, образуя нейтральное пламя с температурой 2870°C. При соотношении пропилена и кислорода 1:3,6 может образовываться окислительное пламя, которое имеет более высокую температуру пламени.

Благодаря меньшему, чем у пропана, потреблению кислорода и более высокой температуре пламени пропилен в некоторых странах использовался в качестве газа для резки.

3） Бутан (C4H10)

Относительная молекулярная масса бутана составляет 58,12, а общая теплотворная способность выше, чем у пропана. Формула химической реакции для полного сгорания бутана в чистом кислороде выглядит следующим образом:

C₄H₁₀ + 6.5O₂ → 4CO₂ + 5H₂O

Теоретическое потребление кислорода при полном сгорании 1 объема бутана составляет 6,5 объема. При сгорании в воздухе фактическое потребление кислорода составляет 4,5 объема, что выше, чем у пропана. Бутан, смешанный с кислородом или воздухом, имеет узкий диапазон взрывоопасности (объемная доля от 1,5% до 8,5%) и не склонен к обратному воспламенению. Однако из-за низкой температуры пламени его нельзя использовать в качестве топлива для резки.

4） Сжиженный нефтяной газ

Сжиженный нефтяной газ - побочный продукт переработки нефти, состоящий в основном из углеводородов, таких как пропан (C3H8), бутан (C4H10), пропилен (C3H6), бутен (C4H8), а также небольшого количества ацетилена (C₂H₂), этилен (C₂H₂), пентан (C₅H₁₂) и т.д. Эти углеводороды существуют в газовой фазе при обычных температурах и атмосферном давлении, но для хранения и транспортировки их можно сжижать при давлении около 0,8-1,5 МПа.

В промышленности обычно используется газообразный нефтяной газ. Нефтяной газ представляет собой слабо пахнущий бесцветный газ, плотность которого при стандартных условиях больше, чем у воздуха, примерно 1,8-2,5 кг/м³. Основные компоненты сжиженного нефтяного газа могут образовывать взрывоопасные смеси с воздухом или кислородом, но диапазон взрывоопасности относительно невелик по сравнению с ацетиленом. Сжиженный нефтяной газ дешевле и безопаснее, чем ацетилен, с меньшим риском обратного воспламенения.

Однако для безопасного сгорания требуется больше кислорода, температура пламени ниже, и горит он медленнее. Поэтому для резаков, использующих сжиженный нефтяной газ, необходимы модификации, требующие увеличения площади газоотвода для снижения скорости потока и обеспечения хорошего горения.

При использовании сжиженного углеводородного газа для резки необходимо уделять внимание регулировке давления подачи газа, которая обычно осуществляется с помощью оборудования для подачи сжиженного углеводородного газа. Оборудование для подачи сжиженного газа в основном включает в себя газовые баллоны, испарители и регуляторы.

① Газовые баллоны

Емкость газовых баллонов зависит от их количества и назначения. В промышленности обычно используются газовые баллоны емкостью 30 кг, а если в установке используется большое количество сжиженного газа, то могут быть изготовлены и большие резервуары емкостью 1,5 т и 3,5 т.

В качестве материала изготовления газовых баллонов может использоваться сталь 16Mn, сталь класса A Q235или высококачественная углеродистая сталь №20. Максимальное рабочее давление газового баллона составляет 1,6 МПа, а давление гидростатического испытания - 3 МПа. Снаружи баллон для сжиженного углеводородного газа покрыт серебристо-серым цветом и маркирован надписью "сжиженный углеводородный газ".

Технические характеристики широко используемых баллонов для сжиженного углеводородного газа приведены в таблице 23. После испытания и проверки газового баллона на металлической табличке, закрепленной на корпусе баллона, должны быть указаны изготовитель, номер, качество, вместимость, дата изготовления, дата проверки, рабочее давление, испытательное давление, а также проставлено стальное клеймо инспекционного отдела изготовителя.

Таблица 23: Технические характеристики широко используемых баллонов для сжиженного углеводородного газа

② Вапорайзер

Его конструкция, также известная как змеевидный теплообменник, показана на рисунке 5. Сжиженный нефтяной газ проходит по внутренней трубе, а внешняя труба заполнена горячей водой с температурой 40-50°C, которая обеспечивает тепло, необходимое для испарения сжиженного нефтяного газа.

Горячая вода, протекающая по внешней трубе, может подаваться из внешнего источника или нагреваться за счет сжигания самого сжиженного нефтяного газа. На топливо, расходуемое на нагрев воды, приходится всего около 2,5% от всего объема газификации нефтяного газа. Вапорайзеры обычно рассматриваются для использования только при большом количестве потребителей, высоком содержании бутана в сжиженном нефтяном газе, низком давлении насыщенных паров и работе на открытом воздухе в зимнее время.

③ Регулятор

Его структура показана на рисунке 6. Регулятор выполняет две функции: снижает давление в газовом баллоне до необходимого рабочего давления, а также стабилизирует выходное давление и обеспечивает равномерную подачу газа.

Самое большое преимущество регулятора заключается в том, что давление газа на выходе можно регулировать в определенном диапазоне. Как правило, бытовые регуляторы используются для резки стальных листов общей толщины, а выходное давление составляет 2-3 МПа. Заменив пружину, можно увеличить выходное давление бытового регулятора примерно до 25 МПа.

Однако при модификации необходимо убедиться, что пружина предохранительного клапана не пропускает воздух. Специальный метод заключается в затягивании пружины предохранительного клапана. Если расход сжиженного нефтяного газа слишком велик, следует использовать большой регулятор. Если сжиженный нефтяной газ хранится в ацетиленовом баллоне, можно использовать ацетиленовый регулятор.

Для резки стальных листов общей толщины выходное давление регулятора составляет около 2,5 МПа для ручной резки и 10-30 МПа для автоматической. Регулятор необходимо зажечь открытым пламенем, а после зажигания увеличить расход кислорода и пропана до тех пор, пока пламя не станет минимальной длины, синего цвета и сопровождаться шипящим звуком. Когда температура пламени станет максимальной, можно приступать к предварительному нагреву и резке.

(3) Природный газ

Природный газ - это продукт нефтяных и газовых месторождений, состав которого зависит от места происхождения. Основной его компонент - метан (CH4), который также относится к углеводородам. Метан - бесцветный газ с легким запахом при комнатной температуре. Температура его сжижения составляет -162℃. Он также может взорваться при смешивании с воздухом или кислородом.

Диапазон взрываемости метано-кислородной смеси составляет от 5,4% до 59,2% (объемная доля). Скорость горения метана в кислороде составляет 5,5 м/с. При полном сгорании метана в чистом кислороде химическое уравнение имеет вид:

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O (4)

Из приведенного выше уравнения видно, что теоретическое соотношение потребления кислорода составляет 1:2. Фактическое соотношение потребления кислорода для образования нейтрального пламени при горении в воздухе составляет 1:1,5, а температура пламени - около 2540℃, что гораздо ниже, чем у ацетилена.

Поэтому для резки требуется более длительное время предварительного нагрева. Обычно используется в качестве топлива для резки в районах с высоким содержанием природного газа.

(4) Водород (H₂)

Водород - бесцветный горючий газ без запаха. Водород имеет наименьшую относительную атомную массу и растворим в воде. Водород обладает самой высокой скоростью диффузии и высокой теплопроводностью. Его теплопроводность в 7 раз выше, чем у воздуха.

Он чрезвычайно склонен к утечкам, обладает низкой энергией воспламенения и является одним из самых опасных легковоспламеняющихся и взрывоопасных газов. Температура его самовозгорания в воздухе составляет 560℃, а в кислороде - 450℃. Температура водородно-кислородного пламени может достигать 2660℃ (нейтральное пламя). Водород обладает сильными восстановительными свойствами. При высоких температурах он может восстанавливать металлы из оксидов металлов.

К распространенным методам получения газообразного водорода относятся крекинг сырого бензина, крекинг аммиачной воды и электролиз воды. Водородный газ можно нагнетать в стальной баллон под давлением. Зарядное давление при температуре 21℃ составляет 14 МПа (манометрическое давление).

Газообразный водород широко используется при плазменной дуговой резке и сварке; иногда применяется при сварке свинца; добавление соответствующего количества H₂ к Ar во время сварки плавящимся электродом в защитной оболочке может увеличить теплоту нагрева основного материала, повысить скорость и эффективность сварки. Технические требования к использованию газообразного водорода при газовой сварке или резке приведены в таблице 24.

Таблица 24: Технические требования к использованию газообразного водорода при газовой сварке или резке

Примечание: Содержание кислорода в сверхчистом водороде и высокочистом водороде относится к общему количеству кислорода и аргона; сверхчистый водород относится к трубопроводному водороду, исключая бутилированный водород.

2,6 Азот (N₂)

Азот составляет около 78% объема воздуха при комнатной температуре. Его температура кипения составляет -196℃. Азот имеет низкий потенциал ионизации и меньшую относительную атомную массу, чем аргон. При разложении азот поглощает большое количество тепла.

Азот может использоваться в качестве защитного газа при сварке. Благодаря хорошей теплопроводности и теплоемкости азот также широко используется в качестве рабочего газа при плазменно-дуговой резке. Он имеет длинный столб дуги и тепловую энергию молекулярного композита, поэтому может резать более толстые металлические листы.

Однако, поскольку относительная атомная масса азота меньше, чем у аргона, при его использовании в плазменно-дуговой резке требуется высокое напряжение холостого хода источника питания.

Азот может вступать в реакцию с металлами при высоких температурах и оказывает сильное эрозионное воздействие на электрод во время плазменно-дуговой резки, особенно при высоком давлении газа.

Поэтому необходимо добавлять аргон или водород. Кроме того, если в качестве рабочего газа используется азот, поверхность реза будет азотирована, и в процессе резки будет образовываться больше оксидов азота.

Чистота азота, используемого для сварки или плазменно-дуговой резки, должна соответствовать техническим требованиям класса I или класса II класса 1, указанным в GB 3864-83, как показано в таблице 25.

Таблица 25: Технические требования к промышленному азоту

3. Выбор сварочных газов

Для производства CO используются различные газы₂ сварка в среде защитного газа, сварка в среде инертного газа, сварка в среде смешанного газа, плазменно-дуговая сварка, пайка в защитной атмосфере, а также кислородно-ацетиленовая газовая сварка и резка.

Выбор сварочных газов в основном зависит от методов сварки и резки, а также от таких факторов, как свойства основного металла, требования к качеству сварное соединениетолщина и положение заготовки, а также процесс сварки.

3.1 Выбор газов в соответствии с методами сварки

Газ, используемый для сварки, резки или сварки в газовой защите, различается в зависимости от метода сварки, используемого в процессе сварки. Метод сварки и выбор сварочных газов приведены в таблице 26.

Выбор широко используемых газов для пайки в защитной атмосфере приведен в таблице 27. Применимость различных газов при плазменно-дуговой резке показана в табл. 28.

Таблица 26: Выбор сварочных газов в соответствии с методы сварки

Таблица 27 Выбор распространенных газов, используемых при пайке в защитной атмосфере

Таблица 28 Пригодность различных газов для плазменно-дуговой резки

3.2 Выбор газа в зависимости от сварочного материала

При сварке в газовой среде, независимо от того, используется сплошная проволока или проволока с флюсом, всегда возникает вопрос о правильном сочетании с защитным газом (средой). Влияние этого сочетания относительно ясно и не так сложно, как сочетание проволоки с флюсом, поскольку защитный газ делится только на две категории: инертный и активный.

При защитной сварке в инертном газе (Ar) состав присадочной проволоки аналогичен составу наплавленного металла, и легирующие элементы теряются незначительно. В то время как при защитной сварке в активном газе из-за сильного окислительного действия CO₂ газа, коэффициент перехода сплава присадочной проволоки уменьшается, что приводит к значительным различиям между осажденными состав металла и состав присадочной проволоки.

Чем больше доля CO₂ газ в защитной атмосфере, тем сильнее окисление и тем ниже коэффициент перехода сплава.

Поэтому при использовании CO₂ в качестве защитного газа, присадочная проволока должна содержать достаточное количество раскислителя элементы сплава для удовлетворения требований совместного раскисления Mn и Si, защиты соответствующего содержания кислорода в металле шва и улучшения структуры и свойств сварного шва.

Защитный газ следует выбирать с учетом таких факторов, как свойства свариваемого материала, требования к качеству соединения и методы сварочного процесса. Для низкоуглеродистой стали, низколегированной стали высокопрочная стальнержавеющая и жаропрочная сталь, активные газы (такие как CO₂, Ar+CO₂, или Ar+O₂) рекомендуются для защиты с целью уточнения капель перехода, преодоления дрейфа катодного пятна дуги и дефектов откусывания кромок. В некоторых случаях можно также использовать инертные газы.

Однако для защитных газов с сильными окислительными свойствами следует выбирать сварочные проволоки с высоким содержанием марганца и кремния, а для смешанных газов с высоким содержанием Ar - сварочные проволоки с низким содержанием кремния.

Защитный газ должен соответствовать присадочной проволоке. Когда CO₂ При использовании сварочной проволоки с более высоким содержанием Mn и Si в условиях насыщенного аргона содержание сплава в наплавленном металле повышается, а прочность увеличивается.

И наоборот, когда проволока, используемая в условиях насыщенного аргона, защищена CO₂ газ, из-за окисления и выгорания элементов сплава, коэффициент перехода сплава низкий, и производительность сварки снижается.

Для металлов, которые легко окисляются или имеют плохие свойства плавления, таких как алюминий и его сплавы, титан и его сплавы, медь и ее сплавы, никель и его сплавы, а также высокотемпературные сплавы, в качестве защитных газов следует использовать инертные газы (например, Ar или смесь Ar+He) для получения высококачественного металла шва.

Потенциал ионизации (т.е. потенциал ионизации) защитного газа оказывает незначительное влияние на напряженность электрического поля дуги и тепловыделение основного металла. К защитным свойствам относятся теплопроводность, удельная теплоемкость и термическое разложение.

При использовании плавления сварка на полярностиЧем больше охлаждающее действие защитного газа на дугу, тем больше тепловыделение основного металла. Диапазон применения защитных газов при сварке различных материалов приведен в таблице 29.

Применяемые защитные газы для различных свариваемых материалов при сварке на плавящейся полярности в защитном инертном газе приведены в таблице 30. Выбор защитного газа для больших токов плазменно-дуговая сварка приведены в таблице 31, а выбор для плазменно-дуговой сварки на малых токах - в таблице 32.

Таблица 29 Диапазон применимости защитного газа для различных материалов при сварке

Таблица 30 Применяемый защитный газ для различных свариваемых материалов при сварке на плавящейся полярности в защитном инертном газе

Таблица 31 Выбор защитного газа для плазменно-дуговой сварки на большом токе

Таблица 32 Выбор защитного газа для плазменно-дуговой сварки на малых токах

3.3 Свойства и выбор смешанных газов

При добавлении определенной доли некоторых газов к основному газу образуются смешанные газы, которые имеют ряд преимуществ в процессах сварки и резки, таких как изменение формы дуги, увеличение энергии дуги, улучшение формирования шва и механических свойств, а также повышение производительности сварки.

(1) Свойства смешанных газов

При использовании чистого CO₂ в качестве защитного газа для сварки, стабильность дуги плохая, капли не имеют осевого перехода, брызги большие, а формирование шва плохое. При сварке низколегированной стали с использованием чистого Ar наблюдается большой дрейф катодных пятен, что также может привести к нестабильности дуги.

Добавление небольшого количества окисляющих газов, таких как O₂ и CO₂ к Ar может значительно улучшить стабильность дуги, очистить капли, повысить эффективность перехода, а также улучшить формирование сварного шва и устойчивость к пористости.

Обычно используемые компоненты и характеристики смешанных газов для сварки в газовой среде приведены в таблице 33. Некоторые физические и химические свойства горючих смесей приведены в таблице 34.

Таблица 33 Компоненты и характеристики широко используемых смешанных газов для сварки в газовой среде

Таблица 34 Некоторые физико-химические свойства легковоспламеняющихся смесей

(2) Выбор смешанных газов

Выбор смешиваемых газов обычно основывается на методе сварки, свариваемом материале и влиянии соотношения смешивания на процесс сварки.

Например, при сварке низколегированной высокопрочной стали в качестве защитного газа предпочтительно использовать чистый Ar, чтобы уменьшить количество оксидных включений и содержание кислорода в сварном шве. Однако с точки зрения обеспечения стабильной дуги и формирования сварного шва к Ar добавляют окислительные газы.

Поэтому подходит слабоокисляющий газ. Для перехода струи аргонодуговой сварки в инертный газ используется смесь Ar+(1%-2%)O₂ рекомендуется, в то время как смесь 20%CO₂+80%Ar лучше всего подходит для сварки в активной газовой защите с переходом через короткое замыкание.

С точки зрения эффективности производства, добавление He, N₂, H₂, CO₂, или O₂ к Ar может увеличить теплоотдачу основного металла и повысить скорость сварки вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG).

Например, при сварке толстых алюминиевые пластиныРекомендуется использовать смесь газов Ar+He; при сварке низкоуглеродистой или низколегированной стали следует добавить некоторое количество O₂ до CO₂ газ или добавление определенного количества CO₂ или O₂ к газу Ar может привести к значительным последствиям.

Кроме того, использование смешанных газов для защиты позволяет увеличить глубину проплавления, устранить такие дефекты, как непроплавление, трещины и пористость. В таблице 35 приведен диапазон применения смешанных газов для различных материалов при сварке.

Таблица 35 Диапазон применимости смешанных газов для сварки различных материалов

В последние годы также получил распространение и применение грубый смешанный газ Ar. Его состав: Ar = 96%, O₂ ≤ 4%, H₂O ≤ 0,0057%, N2 ≤ 0,1%. Смешанный газ Ar грубой очистки не только улучшает формирование шва, уменьшает разбрызгивание и повышает эффективность сварки, но и при использовании для сварки низколегированной высокопрочной стали с пределом прочности 500-800 МПа механические свойства металла шва эквивалентны свойствам при использовании высокочистого Ar. Смешанный газ грубой очистки Ar является недорогим и имеет хорошие экономические преимущества.