При виготовленні зварних конструкцій поряд з конструкційними низьковуглецевими й низьколегованими сталями широко застосовуються вуглецеві та леговані сталі, сірий чавун, кольорові метали. Зварювання цих матеріалів викликає значні труднощі, подолати які найчастіше вдається попередніми, супутнім або наступним підігрівом зварних швів і околошовной зони. У багатьох випадках з метою усунення зварювальних деформацій з’являється необхідність підігріву локальних зон конструкції, а іноді і повністю всієї конструкції.
Сталь із вмістом вуглецю понад 0,3% може при зварюванні давати тріщини в районі температур близьких до лінії солідусу (гарячі тріщини), а також тріщини при охолодженні після зварювання (холодні тріщини). Внутрішні напруження, що виникають в процесі охолодження зварного шва і біляшовної зони при зварюванні ряду легованих сталей, викликають об’ємно-напружений стан, що призводить не тільки до утворення тріщин, але часто і до повного руйнування зварного з’єднання. Тріщини можуть виникати як у зварному шві, так і в біляшовній зоні.
На утворення тріщин при зварюванні вуглецевої і легованої сталі істотний вплив також має термічний цикл при зварюванні.Підвищена швидкість охолодження зварного шва і біляшовної зони призводить до утворення мартенситу в структурі металу, тобто зон гарту. Тривала витримка сталі при високих температурах (вище критичної точки Ас3 на діаграмі залізо-вуглець) викликає зростання зерен аустеніту, що збільшує крихкість сталі. При малих швидкостях охолодження і рівномірному нагріванні аустеніт розпадається на більш стабільні структури, забезпечуючи тим самим високу пластичність та виключаючи появу тріщин від власних напружень при структурних змінах сталі.
Підігрів зони зварного з’єднання перед зварюванням або в процесі зварювання зменшує градієнт температурного поля і знижує швидкість охолодження, чим у значній мірі сприяє зменшенню внутрішніх напружень та ймовірності утворення гарячих і холодних тріщин. З усіх сортів чавуну найкраще піддається зварюванню сірий чавун (вміст вуглецю 3,0% … 3,6%). Однак при охолодженні чавунної деталі виникають значні напруження внаслідок нерівномірної усадки, викликаючи тріщини, як у шві, так і в основному металі.Крім того, прискорене охолодження рідкого металу в місці зварювання веде до утворення ділянок твердого вибіленого чавуну. Тому зварювання чавуну зазвичай виробляють із попереднім підігрівом, загальним або місцевим.
Серед кольорових металів, які використовуються у виробництві металоконструкцій, з позиції термічного циклу найбільш складним є зварювання міді. Зважаючи на високу теплопровідність останньої, велика частина тепла вводиться при зварюванні від зони тепловкладення, що призводить до необхідності підведення до місця зварювання значно більшої кількості тепла, ніж при зварюванні інших металів. Тому зварювання міді зазвичай ведуть з попереднім підігрівом.
Газове зварювання міді має проводитися по можливості без перерви і як можна швидше (з більшою швидкістю). Це істотно знижує кількість утворюється закису міді Cu2O,яка інтенсивно утворюється при температурі, близької до температури плавлення і є незмінним супутником газового зварювання міді. З цієї точки зору також дуже бажаний попередній або супутній підігрів, оскільки він прискорює процес зварювання.
Робити підігрів перед зварюванням всієї конструкції не завжди доцільно, а часто і неможливо через технічні складнощі. В абсолютній більшості випадків більш раціональним є місцевий підігрів. Це стосується, в першу чергу, попереднього та супутнього підігріву, а при зварюванні великогабаритних конструкцій – і термообробки або усунення зварювальних деформацій після зварювання. На практиці місцевий підігрів проводиться різними джерелами тепла аж до нагрівання газокисневими різаками, зварювальної дугою тощо. Сучасний розвиток виробництва газополуменевого обладнання дозволяє ширше застосування для цього спеціальних газокисневих пальників типу ГЗУ, що працюють на пропан-бутановій суміші або природному газі. Велика теплова потужність таких пальників дозволяє виробляти ефективний нагрів локальної зони зварної конструкції, а в ряді випадків (при невеликих розмірах) і всієї конструкції в цілому.
Останнім часом з цією метою широко застосовується пальник ГЗУ “ДОНМЕТ»262, що випускається Краматорським заводом автогенного обладнання “ДОНМЕТ» (див. фото 1). Пальник інжекторного типу представляє собою ствол із регулювальними вентилями для кисню (синій) і горючого газу (червоний), на якому зафіксовано наконечник з нержавіючої сталі з мідним мундштуком для утворення полум’я . Камера змішувача з інжектором розташована на стику стовбура і наконечника
Основне призначення пальника таке:
- підігріання перед зварюванням заготівок з міді, чавуну, вуглецевих і легованих сталей;
- усунення зварювальних деформацій шляхом локального нагрівання конструкцій з легованих і конструкційних сталей (правка після зварювання);
- підігрівання в процесі або після зварювання зварного шва і біляшовної зони для зняття залишкових напруг.
Теплова потужність пальника при роботі на природному газі (метан) залежно від режиму роботи і, як наслідок, витрати газу, знаходиться в межах 46 … 68 кВт. При використанніяк горючого газу пропан-бутану через нього значно більшої теплотворної здатності теплова потужність збільшується до 120 … 174 кВт. Це дозволило цеху металевих конструкцій Новокраматорського машинобудівного заводу в багатьох випадках зробити заміну пічного нагріву металоконструкцій для термообробки і виправлення на нагрів газокисневих пальниками.
За даними НКМЗ використання пальника ГЗУ 262 в цеху металоконструкцій (начальник цеху Зеленський С.Л .) у процентному співвідношенні виглядає таким чином:
- редагування металоконструкцій після зварювання – 90%;
- нагрівання перед зварюванням ~ 6%;
- супутній підігрів ~ 4%,
в тому числі при зварюванні конструкцій з міді – 2%
Іншим представником цього класу пальників є ГЗУ “ДОНМЕТ 249», яка, крім перерахованого вище, може бути використана для наплавлення чорних і кольорових металів, а також для паяння високотемпературними припоями (Фото 2). Ця можливість забезпечується створенням більш концентрованого факела полум’я за допомогою спеціальних змінних наконечників.
Відмінною особливістю пальників цієї серії є їх багатофакельність. Змішування горючого газу з киснем відбувається в камері змішувача інжекторного типу. Підготовлена горюча суміш надходить в багатоканальний наконечник (див. фото 3), звідки витікає окремими струмками, розташованими концентрично навколо осі наконечника. Згоряння горючої суміші відбувається на виході з каналів мундштука, утворюючи, тим самим, кільце з факелів невеликого розміру, які потім утворюють єдиний факел (Фото 4).
Досить висока температура факела (при горінні пропан -бутану – 2200 … 2400 ° С, метану – 2100 … 2200 ° С) дозволяє робити нагрівання сталі до температур фазових перетворень. Швидкість нагрівання залежить від теплової потужності, тобто від уживаного горючого газу і витрати його.
Нагрівання металу полум’ям обумовлений вимушеним конвективним і променистим теплообміном між потоком гарячих газів і ділянкою поверхні металу, що стикається з ними . Частка променистого теплообміну в загальному теплообміні за даними Н Н. Рикаліна становить 5 … 10% (.. Рикалін Н М. Розрахунки теплових процесів при зварюванні М:. Машгиз, 1951), тому полум’я газового пальника можна в першому наближенні розглядати як конвективний теплообмінний джерело для якого головними параметрами, що визначають швидкість нагріву, є різниця температур полум’я і нагрівається поверхні металу, а також швидкість переміщення потоку продуктів горіння щодо поверхні металу.Чим вище швидкість руху газів, тим інтенсивніше конвективний теплообмін.
З теорії горіння відомо, що для стійкого горіння без проскакування полум’я і відриву від торця пальника потрібно виконання умови нерухомості фронту полум’я. Теоретично ця умова виконується, якщо швидкість витікання горючої суміші дорівнює швидкості переміщення фронту полум’я (практично фронт полум’я є конус, в різних перетинах якого швидкість горіння відрізняється один від одного). Відомо також, що нормальна швидкість поширення полум’я метано-кисневої суміші становить приблизно 3,3 м / с, а суміші з пропан-бутану киснем – 3,5 … 3,6 м / с (Стаскевіч Н.Л., Северинець Г.Е ., Вигдорчик Д Я. Довідник з газопостачання і використання газу – Л: .. Надра, 1990 – 762 з .. іл) … У процесі горіння відбувається ізобаричне розширення продуктів реакції, в результаті чого швидкість їх переміщення зростає в десятки разів по відношенню до швидкості витікання горючої суміші. Досягається при цьому швидкість переміщення потоку газів забезпечує досить ефективний конвективний теплообмін.
Оскільки кінцевим продуктом реакції всіх вуглеводнів з киснем є двоокис вуглецю та водяна пара ( у факелі полум’я також можуть бути присутніми в невеликих кількостях недогоріле СО, Н , О2 та інші гази, що не беруть участь у реакції горіння, наприклад N2), будь-якого істотного впливу на хімічний склад поверхневих шарів металу з боку газового полум’я не спостерігається, отже, з металургійних позицій обмежень щодо застосування газових пальників для підігріву також не існує.
Автори:
Сергієнко Володимир Олександрович
Гуменшаймер Іван Іванович