Кислородный газ для сварки

Свойства кислорода и способы его получения

При газовой сварке и резке нагрев металла осуществляется высокотемпературным газовым пламенем, получаемым при сжигании горючего газа или паров жидкости в смеси с технически чистым кислородом.

Кислород является самым распространенным элементом на земле, встречающимся в виде химических соединений с различными веществами: в земле – до 50% по массе, в соединении с водородом в воде – около 86% по массе и в воздухе – до 21% по объему и 23% по массе.

Кислород при нормальных условиях (температура 20°С, давление 0,1 МПа) – это бесцветный, негорючий газ, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, но активно поддерживающий горение. При нормальном атмосферном давлении и температуре 0°С масса 1 м 3 кислорода равна 1,43 кг, а при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении – 1,33 кг.

Кислород имеет высокую химическую активность, образуя соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов (аргона, гелия, ксенона, криптона и неона). Реакции соединения с кислородом протекают с выделением большого количества теплоты, т. е. носят экзотермический характер.

При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами, маслами, жирами, угольной пылью, горючими пластмассами может произойти их самовоспламенение в результате выделения теплоты при быстром сжатии кислорода, трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатического искрового разряда. Поэтому при использовании кислорода необходимо тщательно следить за тем, чтобы он не находился в контакте с легковоспламеняющимися и горючими веществами.

Всю кислородную аппаратуру, кислородопроводы и баллоны необходимо тщательно обезжиривать. Кислород способен образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами или парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры.

Отмеченные особенности кислорода следует всегда иметь в виду при использовании его в процессах газопламенной обработки.

Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь трех газов при следующем их объемном содержании: азота – 78,08%, кислорода – 20,95%, аргона-0,94%, остальное – углекислый газ, водород, закись азота и др. Кислород получают разделением воздуха на кислород и азот методом глубокого охлаждения (сжижения), попутно идет отделение аргона, применение которого при аргонодуговой сварке непрерывно возрастает. Азот применяют как защитный газ при сварке меди.

Кислород можно получать химическим способом или электролизом воды. Химические способы малопроизводительны и неэкономичны. При электролизе воды постоянным током кислород получают как побочный продукт при производстве чистого водорода.

В промышленности кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации. В установках для получения кислорода и азота из воздуха последний очищают от вредных примесей, сжимают в компрессоре до соответствующего давления холодильного цикла 0,6-20 МПа и охлаждают в теплообменниках до температуры сжижения, разница в температурах сжижения кислорода и азота составляет 13°С, что достаточно для их полного разделения в жидкой фазе.

Жидкий чистый кислород накапливается в воздухоразделительном аппарате, испаряется и собирается в газгольдере, откуда компрессором его накачивают в баллоны под давлением до 20 МПа.

Технический кислород транспортируют также по трубопроводу. Давление кислорода, транспортируемого по трубопроводу, должно быть согласовано между изготовителем и потребителем. К месту сварки кислород доставляется в кислородных баллонах, и в жидком виде – в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией.

Для превращения жидкого кислорода в газ используют газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С 1 дм 3 жидкого кислорода при испарении дает 860 дм 3 газообразного. Поэтому доставлять кислород к месту сварки целесообразно в жидком состоянии, так как при этом в 10 раз уменьшается масса тары, что позволяет экономить металл на изготовление баллонов, уменьшать расходы на транспортировку и хранение баллонов.

Для сварки и резки по ГОСТ 5583-78 технический кислород выпускается трех сортов:

• 1-й – чистотой не менее 99,7%
• 2-й – не менее 99,5%
• 3-й – не менее 99,2% по объему

Чистота кислорода имеет большое значение для кислородной резки. Чем меньше содержится в нем газовых примесей, тем выше скорость реза, чище кромки и меньше расход кислорода.

Газы для газовой сварки и резки металлов. Газовые смеси для сварки

В качестве горючих газов для газовой сварки применяют ацетилен, водород, природный газ и другие. Также применяются газовые смеси для сварки, такие как нефтяной газ, пропанобутановая газовая смесь, пиролизный газ. Кроме того, для газовой сварки используют пары горючих жидкостей – бензина и керосина.

В таблице представлены наиболее распространенные газы и газовые смеси для газовой сварки и газовой резки, указаны их основные свойства и область применения:

Выбор того, или иного газа для сварки зависит не только от температуры пламени, но и от количества теплоты (теплотворной способности), которое получается при его сгорании. Коэффициент замены ацетилена, указанный в таблице, это отношение расхода газа-заменителя к расходу ацетилена при одинаковой эффективной тепловой мощности. Данный коэффициент необходим, если потребуется заменить ацетилен другим горючим газом.

Ацетилен для газовой сварки

Ацетилен – один из самых распространённых газов, применяемых для газовой сварки. Наибольшее распространение ацетилен получил из-за того, что ацетиленокислородное газовое пламя имеет наибольшую температуру, по сравнению с другими горючими газами и газовыми смесями (см. таблицу выше).

Ацетилен образуется при взаимодействии карбида кальция CaC₂ с водой. Карбид кальция способен поглощать влагу из атмосферы и разлагаться под её воздействием. Поэтому, его хранят в герметичных барабанах из кровельной стали. Вместимость таких барабанов составляет 100-130кг. Получают карбид кальция при сплавлении в электропечах кокса и обожжённой извести:

CaO + 3C = CaС₂ + CO

Ацетилен С₂Н₂ представляет собой химическое соединение углерода с водородом. Для получения ацетилена используют ацетиленовые генераторы, в которые загружают карбид и воду. Химическое взаимодействие карбида кальция и воды протекает интенсивно, с большим выделением теплоты Q:

Из 1кг карбида кальция можно получить до 300л ацетилена. При нормальных условиях ацетилен бесцветен и обладает резким специфическим запахом. Ацетилен легче воздуха, его плотность составляет 1,09кг/м3.

Ацетилен взрывоопасен, если он находится в смеси с воздухом и его концентрация составляет 2,2-81% по объёму. В смеси с кислородом ацетилен взрывоопасен, при его концентрации 2,8-93% по объёму. Наиболее взрывоопасны ацетиленокислородные смеси, содержащие 7-13% ацетилена.

При растворении в жидкости взрывоопасность ацетилена существенно снижается. На практике ацетилен растворяют в ацетоне, 1л которого способен растворить до 20л ацетилена. Об этом мы говорили в статье: “Газовые баллоны для сварки. Газосварочные баллоны”.

Кроме карбида кальция, источниками ацетилена являются природный газ, нефть и уголь. Полученный из природного газа, ацетилен называется пиролизным.

Водород для газовой сварки

Водород представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха. При смешивании с кислородом или воздухом образует “гремучий газ”, который является взрывоопасным. Поэтому, в случае применения водорода для сварки металлов, необходимо строго придерживаться правил безопасности при его хранении, транспортировании и использовании.

Водород хранят и транспортируют в стальных газосварочных баллонах при давлении, не превышающем 15МПа. Получить его можно, разлагая воду на водород и кислород при помощи электролиза. Также водород синтезируют в специальных водородных генераторах путём химической реакции серной кислоты H2SO4 и цинка, либо железной стружки. При этом образуются сульфаты цинка или железа, а освободившийся водород скапливается внутри генератора.

Коксовый газ для сварки

Коксовый газ представляет собой бесцветную смесь горючих газов с резким запахом сероводорода. Получают коксовый газ в процессе выработки кокса из каменного угля. В состав коксового газа входят водород, метан и другие углеводороды. Транспортировка этого газа происходит по трубопроводам.

Городской газ и природный газ для сварки

Городской газ состоит из нескольких газов: метан 70-95%, водорода, объёмная доля которого может достигать 25%, тяжёлых углеводородов с их объёмной долей до 1%, азота 3% и углекислого газа до 1%. Транспортирование городского газа происходит по трубопроводам под давлением 0,3МПа.

Природный газ добывается из газовых месторождений. Его основой является метан СН₄, содержание которого в природном газа составляет 93-99%.

Нефтяной газ, природный газ и пропанобутановая смесь для газовой сварки

Пиролизный газ представляет собой смесь горючих газов, образующихся при распаде нефти, мазута и других нефтепродуктов при воздействии на них высоких температур. В состав пиролизного газа входят сернистые соединения, которые вызывают коррозию мундштуков в газовых сварочных горелках. Поэтому, перед применением этот газ проходит тщательную очистку.

Нефтяной газ – является побочным продуктом нефтеперерабатывающих предприятий. Он используется, в основном, для резки и сварки металлов малой толщины и для сварки цветных металлов.

Пропанобутановые смеси являются бесцветными смесями, не имеющими запаха. Состоят они из пропана С₃Н₈ и бутана С₄Н₁₀. Эта смесь обладает наибольшей теплотворной способностью, т.е., при её сгорании выделяется наибольшее количество теплоты.

Бензин и керосин для газовой сварки

Бензин и керосин являются продуктами переработки нефти. Они представляют собой бесцветные жидкости со специфическим запахом и легко испаряются. Применяют их при газопламенной обработке, подавая их в виде паров. Для этого в сварочных резаках или горелках предусматривают специальные испарители, которые преобразуют бензин и керосин из жидкого состояния в парообразное. Испарители нагреваются от вспомогательного пламени или при помощи электричества.

Кислород для газовой сварки

Кислород для газовой сварки необходим, чтобы обеспечить сгорание горючих газов или паров горючей жидкости. Кислород несколько тяжелее воздуха и его плотность составляет 1,33кг/м3. Кислород очень активен химически и он поддерживает горение газов при газовой сварке, образовывая, при этом, большое количество теплоты.

Кислород хранят и транспортируют в кислородных газовых баллонах под давлением 15МПа. Баллон объёмом 40л способен под давлением 15МПа хранить до 6м3 кислорода. Кроме газовых баллонов, кислород может поставляться к месту сварки в жидком состоянии в специальных ёмкостях.

Для переходя жидкого кислорода в газообразный, применяют газификаторы и насосы с испарителями для жидкого кислорода. К сварочным постам для газовой сварки кислород подаётся по газопроводу. Транспортировка кислорода в газообразном состоянии позволяет уменьшить объём транспортировочной тары, приблизительно, в 10 раз, т.к. из 1л жидкого кислорода, при нормальных условиях, получается 860л газообразного кислорода.

Согласно ГОСТ 5583, для газокислородной сварки и резки металлов применяют технический кислород, который бывает трёх сортов. Первый сорт имеет чистоту 99,7% кислорода. Второй сорт с чистотой 99,5 кислорода. Третий сорт содержит не менее 99,2% кислорода по объёму.

Чистота кислорода имеет большое значение для газовой сварки и резки металлов. При снижении чистоты кислорода на 1%, качество сварки снижается и увеличивается расход кислорода, приблизительно на 1,5%.

Разновидности газовых смесей для сварки полуавтоматом. Классификация, различия и области применения

Выбор необходимой смеси будет зависеть от вида свариваемых материалов.

Какие газовые смеси используются для сварки полуавтоматом

Полуавтоматом чаще всего работают:

• со стальными сплавами, чугуном;
• с легированными сталями – нержавейка, разные виды жаропрочных;
• с цветными металлами – алюминием, медьсодержащими: латунь, бронза.

Работа с другими материалами затруднена тем, что нет соответствующей присадочной проволоки, поставляемой в стандартных катушках. Создают смеси в соответствии с ТУ 2114-002-45905715-2011.

В качестве составных газов применяют:

• аргон – ГОСТ 10157-79 (высшие сорта);
• азот – ГОСТ 9293-74 (особой чистоты 1 сорта);
• двуокись углерода – ГОСТ 8050-85 (высшие сорта);
• кислород – ГОСТ 5583-78 (технический, первые сорта);
• гелий – ТУ 0271-135-31323949- 2005 (марка “А”);
• водород – ГОСТ Р 51673-2000 (первые сорта).

Допускается использование готовых смесей, однако, содержание компонентов в полученной смеси должно соответствовать техническим регламентам.

Краткое описание газов, применяемых при создании смесей

Аргон – бесцветный газ без запаха и вкуса, негорюч и нетоксичен. Однако любая смесь Ar с иными газами может вытеснить кислород из помещения, что способно привести к удушью работников, если доля кислорода упадёт ниже 19% от общего объема. Аргон тяжелее воздушной смеси и способен скапливаться в плохо проветриваемых помещениях у пола.

Азот – газ бесцветный и негорючий. Без запаха и вкуса, нетоксичен. Однако скопление газообразной смеси азота может вызвать кислородную недостаточность и даже удушье при уменьшении концентрации кислорода менее 19% от объёма.

Углекислота – газ без цвета, не воспламеняется и нетоксичен, отличается специфическим кисловатым вкусом. Максимально допустимая концентрация соединения в воздухе рабочей зоны 9 г/м3 (что равно 0,5% объёма). Если концентрация становится больше 5%, то двуокись углерода может оказать вредное влияние на физическое состояние работников. Углекислота в полтора раза тяжелее воздушной смеси и способна скапливаться в непроветриваемых помещениях у пола, в ямах. При снижении концентрации кислорода в воздухе ниже 19% наступает кислородное голодание, удушье.

Гелий – бесцветный газ, не имеет вкуса и запаха, нетоксичен и негорюч, легче смеси воздуха, поэтому накапливается вверху цехов.

Кислород – бесцветный негорючий газ без запаха и вкуса, хотя сам не является токсичным и взрывоопасным, однако, будучи сильным окислителем, значительно повышает предрасположенность иных материалов к горению. Если кислород накапливается в воздухе цехов, это может стать причиной возникновения возгораний и впоследствии – пожаров. Важно, что объемная доля газа в рабочих (производственных) зонах не должна быть более 23%.

Аргон, углекислота и кислород

Углекислый газ (5-20%) и аргон (80-95%) используют для создания неразъёмных соединений из сталей: конструкционных легированных и углеродистых. Плюсы: перенос осуществляется струйно или капельно. Дуга при этом горит стабильно. Если применять смесь с добавлением кислорода (2%), уменьшив содержание углекислого газа до 6%, то сварщику будет легче справиться с тонкими сплавами.

Аргон и гелий

Сочетание гелия (70%) и аргона (30%) позволит работать с любыми толстыми сплавами:

При этом увеличится скорость сварки за счёт исключения операции по предварительному подогреву деталей. Количество дефектов – пористость швов, трещины – будет сведено к минимуму.

Минусом следует считать высокую стоимость таких смесей из-за высокого содержания редкого гелия. Поэтому используют подобные пропорции при сварке особо ответственных конструкций – при создании изделий для космоса или ВПК.

Аргон плюс гелий (по 50%) – смесь считается универсальной инертной. Благодаря этому, можно работать с большинством сплавов – как с цветными, так и чёрными. Состав из 70% аргона и 30% гелия по сравнению с чистым аргоном лучше охлаждает зону сварки, применяется для соединения деталей средней толщины, если нужно получение швов с минимумом дефектов. Смесь из 60% аргона, 38% гелия и 2% углекислоты используют для сварки легированных и конструкционных углеродистых сплавов. Дуга при этом получается стабильной, уменьшается количество брызг.

Аргон и водород

Применяют на производстве при работе с аустенитными (жаропрочными) сплавами. Смесь позволяет улучшить характеристики полученного шва, добиться большей эластичности. Часто применяют при работе во время создания космической и авиатехники. Процент содержания химических элементов зависит от марки сталей.

От чего зависит расход газа при сварке

Установку силы обдува сварочной ванны следует устанавливать, учитывая:

• тип материала – определяется опытным путём;
• толщину заготовок – для работы с толстыми понадобится больше газа;
• диаметр электрода (проволоки).

Также придётся принять во внимание условия в цехе или на площадке. При наличии сквозняков, открытого ветра следует либо защищать рабочее место ширмами, либо увеличивать расход газовой смеси.

Источники:

http://weldering.com/svoystva-kisloroda-sposoby-polucheniya
http://taina-svarki.ru/sposoby-svarki/gazovaya-svarka/gazy-dlya-gazovoy-svarki.php
http://elsvarkin.ru/materialy/gazovye-smesi/