Подогрев газовыми горелками при сварке металлических конструкций - Завод автогенного оборудования ДОНМЕТ производит газосварочные горелки, газовые резаки, керосинорезы, редукторы и другое сварочное оборудование
Главная Каталог продукции Новости Контакты(Где купить) Сертификаты Прайс-лист DonmetTV Вопросы(FAQ)
ABICOR BINZEL

Поиск по сайту

Новости Резка и сварка металла в теории Подогрев газовыми горелками при сварке металлических конструкций
Подогрев газовыми горелками при сварке металлических конструкций PDF Печать
27.11.2003 08:55

При изготовлении сварных конструкций наряду с конструкционными низкоуглеродистыми и низколегированными сталями широко применяются углеродистые и легированные стали, серый чугун, цветные металлы. Сварка этих материалов вызывает значительные трудности, преодолеть которые чаще всего удается предварительным, сопутствующим или последующим подогревом сварных швов и околошовной зоны. Во многих случаях с целью устранения сварочных деформаций появляется необходимость подогрева локальных зон конструкции, а иногда и полностью всей конструкции.

Сталь с содержанием углерода свыше 0,3% может при сварке давать трещины в районе температур, близких к линии солидуса (горячие трещины), а также трещины при охлаждении после сварки (холодные трещины). Внутренние напряжения, возникающие в процессе остывания сварного шва и околошовной зоны при сварке ряда легированных сталей, вызывают объемно-напряженное состояние, что приводит не только к образованию трещин, но зачастую и к полному разрушению сварного соединения. Трещины могут возникать как в сварном шве, так и в околошовной зоне.

На образование трещин при сварке углеродистой и легированной стали существенное влияние также оказывает термический цикл при сварке. Повышенная скорость охлаждения сварного шва и околошовной зоны приводит к образованию мартенсита в структуре металла, т.е. зон закалки. Длительная выдержка стали при высоких температурах (выше критической точки Ас3 на диаграмме железо-углерод) вызывает рост зерен аустенита, что увеличивает хрупкость стали. При малых скоростях охлаждения и равномерном нагреве аустенит распадается на более стабильные структуры, обеспечивая, тем самым высокую пластичность и исключая появление трещин от собственных напряжений при структурных изменениях стали.

Подогрев зоны сварного соединения перед сваркой или в процессе сварки уменьшает градиент температурного поля и снижает скорость охлаждения, чем в значительной степени способствует уменьшению внутренних напряжений и вероятности образования горячих и холодных трещин. Из всех сортов чугуна наилучшим образом поддается сварке серый чугун (содержание углерода 3,0%…3,6%). Однако при охлаждении чугунной детали возникают значительные напряжения вследствие неравномерной усадки, вызывающие трещины, как в шве, так и в основном металле. Кроме того, ускоренное охлаждение жидкого металла в месте сварки ведет к образованию участков твердого отбеленного чугуна. Поэтому сварку чугуна обычно производят с предварительным подогревом, общим или местным.

Среди цветных металлов, используемых в производстве металлоконструкций, с позиции термического цикла наибольшие сложности вызывает сварка меди. Ввиду высокой теплопроводности последней большая часть вводимого при сварке тепла отводится от зоны тепловложения, что приводит к необходимости подвода к месту сварки значительно большего количества тепла, чем при сварке других металлов. Поэтому сварку меди обычно ведут с предварительным подогревом.

Газовая сварка меди должна производиться по возможности без перерыва и как можно быстрее (с большей скоростью). Это существенно снижает количество образующейся закиси меди Cu2O, которая интенсивно образуется при температуре, близкой к температуре плавления и является неизменным спутником газовой сварки меди. С этой точки зрения также весьма желателен предварительный или сопутствующий подогрев, так как он ускоряет процесс сварки.

Производить подогрев перед сваркой всей конструкции не всегда целесообразно, а зачастую и невозможно из-за технических сложностей. В абсолютном большинстве случаев более рациональным является местный подогрев. Это относится в первую очередь к предварительному и сопутствующему подогреву, а при сварке крупногабаритных конструкций – и к термообработке или устранению сварочных деформаций после сварки. На практике местный подогрев производится различными источниками тепла вплоть до нагрева газокислородными резаками, сварочной дугой и т.п. Современное развитие производства газопламенного оборудования позволяет все более широкое применение для этой цели специальных газокислородных горелок типа ГЗУ, работающие на пропан-бутановой смеси или природном газе. Большая тепловая мощность таких горелок позволяет производить эффективный нагрев локальной зоны сварной конструкции, а в ряде случаев (при небольших размерах) и всей конструкции в целом.

В последнее время для этих целей широко применяется горелка ГЗУ «ДОНМЕТ» 262, выпускаемая Краматорским заводом автогенного оборудования «ДОНМЕТ» (см. фото 1). Горелка инжекторного типа и представляет собой ствол с регулировочными вентилями для кислорода (синий) и горючего газа (красный), на котором зафиксирован наконечник из нержавеющей стали с медным пламяобразующим мундштуком. Смесительная камера с инжектором расположена на стыке ствола и наконечника.

Основное назначение горелки следующее:
1. подогрев перед сваркой заготовок из меди, чугуна, углеродистых и легированных сталей;
2. устранение сварочных деформаций путем локального нагрева конструкций из легированных и конструкционных сталей (правка после сварки);
3. подогрев в процессе или после сварки сварного шва и околошовной зоны для снятия остаточных напряжений.

Тепловая мощность горелки при работе на природном газе (метан) в зависимости от режима работы и, как следствие, расхода газа, находится в пределах 46…68 кВт. При использовании в качестве горючего газа пропан-бутана ввиду ого значительно большей теплотворной способности тепловая мощность увеличивается до 120…174 кВт. Это позволило цеху металлических конструкций Новокраматорского машиностроительного завода во многих случаях произвести замену печного нагрева металлоконструкций для термообработки и правки на нагрев газокислородными горелками.

По данным НКМЗ использование горелки ГЗУ 262 в цехе металлоконструкций (начальник цеха Зеленский С.Л.) в процентном соотношении выглядит следующим образом:
- правка металлоконструкций после сварки - 90%;
- нагрев перед сваркой ~ 6%;
- сопутствующий подогрев ~ 4%,
в том числе при сварке конструкций из меди - 2%

Другим представителем этого класса горелок является ГЗУ «ДОНМЕТ» 249, которая, кроме вышеперечисленного, может быть использована для наплавки черных и цветных металлов, а также для пайки высокотемпературными припоями (Фото 2). Эта возможность обеспечивается созданием более концентрированного факела пламени с помощью специальных сменных наконечников.

Отличительной особенностью горелок этой серии является их многофакельность. Смешение горючего газа с кислородом происходит в смесительной камере инжекторного типа. Подготовленная горючая смесь поступает в многоканальный наконечник (см. фото 3), откуда истекает отдельными струйками, расположенными концентрично вокруг оси наконечника. Сгорание горючей смеси происходит на выходе из каналов мундштука, образуя, тем самым, кольцо из факелов небольшого размера, которые, затем, сливаются в единый факел (Фото 4).

Достаточно высокая температура факела (при горении пропан-бутана – 2200…2400°С, метана – 2100…2200°С) позволяет производить нагрев стали до температур фазовых превращений. Скорость нагрева зависит от тепловой мощности, т.е. от применяемого горючего газа и его расхода.

Нагрев металла пламенем обусловлен вынужденным конвективным и лучистым теплообменом между потоком горячих газов и соприкасающимся с ним участком поверхности метала. Доля лучистого теплообмена в общем теплообмене по данным Н.Н.Рыкалина составляет 5…10% (Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951), поэтому пламя газовой горелки можно в первом приближении рассматривать как конвективный теплообменный источник для которого главными параметрами, определяющими скорость нагрева, являются разность температур пламени и нагреваемой поверхности металла, а также скорость перемещения потока продуктов горения относительно поверхности металла. Чем выше скорость движения газов, тем интенсивнее конвективный теплообмен.

Из теории горения известно, что для устойчивого горения без проскоков пламени и отрыва от торца горелки требуется выполнение условия неподвижности фронта пламени. Теоретически это условие выполняется, если скорость истечения горючей смеси равно скорости перемещения фронта пламени (практически фронт пламени представляет собой конус, в разных сечениях которого скорость горения отличается друг от друга). Известно также, что нормальная скорость распространения пламени метано-кислородной смеси составляет примерно 3,3 м/с, а смеси пропан-бутана с кислородом – 3,5…3,6 м/с (Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Е., Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. – Л.: Недра, 1990. – 762 с.: ил.). В процессе горения происходит изобарическое расширение продуктов реакции, в результате чего скорость их перемещения возрастает в десятки раз по отношению к скорости истечения горючей смеси. Достигаемая при этом скорость перемещения потока газов обеспечивает достаточно эффективный конвективный теплообмен.

Поскольку конечным продуктом реакции всех углеводородов с кислородом является двуокись углерода и водяной пар (в факеле пламени также могут присутствовать в небольших количествах не догоревшие СО, Н, О2 и другие газы, не участвующие в реакции горения, например N2), какого-либо существенного влияния на химический состав поверхностных слоев металла со стороны газового пламени не наблюдается, следовательно, с металлургических позиций ограничений по применению газовых горелок для подогрева также не существует.

Фото 1. Горелка газовая ГЗУ «ДОНМЕТ» 262


Фото 2. Горелка газовая ГЗУ «ДОНМЕТ» 249

Фото 3. Наконечник горелки ГЗУ «ДОНМЕТ» 262


Фото 4. Факел горелки ГЗУ «ДОНМЕТ» 262

Авторы:
Сергиенко Владимир Александрович
Гуменшаймер Иван Иванович

 
Main page Main page