Сварка и резка металлов: подробный разбор газокислородных и плазменных процессов

Соединение металлов — одна из фундаментальных задач, стоящих перед человечеством с момента начала обработки железа. От примитивной кузнечной ковки до современных лазерных технологий, методы создания неразъемных конструкций постоянно эволюционировали. В этом ряду сварка занимает особое, центральное место. Это не просто процесс, а целая наука и искусство, позволяющее создавать монолитные изделия из отдельных заготовок.

Сваркой, согласно определению, данному в ГОСТ Р ИСО 857-1-2009 («Сварка и родственные процессы. Словарь»), называют технологический процесс получения неразъемных соединений. Этот процесс применим к широкому спектру материалов — металлам, их сплавам, а также к термопластам и даже керамике. Основа любой сварки — это установление прочных межатомных связей между свариваемыми частями, что делает соединение по своим свойствам близким к основному материалу.

Физическая сущность процесса сварки

Чтобы понять, как из двух отдельных кусков металла получается единое целое, необходимо погрузиться на микроуровень. Сущность получения сварного соединения в твердом состоянии заключается в сближении идеально чистых поверхностей заготовок на критически малое расстояние — порядка 2…4 × 10^-10 м. На таком расстоянии начинают действовать мощные межатомные силы притяжения.

В обычных условиях этому препятствуют два фактора: микроскопические неровности поверхности и наличие на ней посторонних пленок (оксиды, адсорбированные газы, жиры). Чтобы преодолеть эти барьеры, необходимо либо приложить огромное давление для пластической деформации неровностей (сварка давлением), либо, что гораздо проще и эффективнее, ввести дополнительную энергию для расплавления поверхностных слоев. Расплавленный металл естественным образом устраняет неровности и растворяет или вытесняет загрязнения, а при последующей кристаллизации образует общую кристаллическую решетку, создавая прочное соединение.

Рис. 1. Ключевые виды сварки по агрегатному состоянию металлаИсходя из этого, все многообразие сварочных процессов можно условно разделить на две большие группы, как показано на рис. 1: сварку давлением (в твердой фазе) и сварку плавлением (в жидкой фазе).

1. Газовая сварка: классика, не теряющая актуальности

Газовой сваркой именуется такой вид сварки плавлением, при котором для нагрева и расплавления кромок соединяемых деталей и присадочного материала используется тепловая энергия высокотемпературного пламени. Это пламя образуется в результате сгорания горючего газа в струе технически чистого кислорода. Несмотря на появление более производительных методов, газовая сварка сохраняет свою нишу благодаря ряду уникальных преимуществ.

Она незаменима при работе с тонколистовым металлом, цветными металлами и их сплавами (медь, латунь, алюминий), чугуном и некоторыми видами инструментальных сталей. Ключевое достоинство — мягкий, концентрированный и легко регулируемый нагрев, который позволяет плавно контролировать сварочную ванну, что особенно важно при ремонте и восстановительных работах. Также этот метод широко применяется для пайки и наплавки износостойких покрытий.

Ключевыми параметрами, определяющими качество соединения при газовой сварке, являются: тепловая мощность пламени, его химический состав (нормальное, науглероживающее, окислительное), марка и диаметр присадочной проволоки, а также использование специализированных флюсов.

Материалы и технологии газовой сварки

Присадочный материал подается в зону сварки в виде прутков или проволоки. Его химический состав должен быть близок к составу основного металла. При сварке реактивных металлов, таких как чугун или алюминий, не обойтись без флюсов. Флюсы (например, бура, борная кислота или их смеси, а также композиции на основе солей калия, лития и натрия) выполняют важнейшую функцию: они растворяют и удаляют тугоплавкие оксидные пленки с поверхности сварочной ванны, обеспечивая качественное сплавление.

Однако у метода есть и существенный недостаток — большая зона термического влияния. Широкий и продолжительный нагрев приводит к значительным деформациям (короблению) изделия и возникновению остаточных внутренних напряжений, что требует принятия специальных технологических мер.

Классификация газовой сварки производится по типу используемого горючего газа. Наибольшее распространение в промышленности и ремонтной практике получили ацетилено-кислородная и пропан-бутано-кислородная сварка. Реже применяются водородно-кислородная, керосино-кислородная и другие виды пламени.

Рис. 2. Схема газового поста с питанием от баллонов: 1 — сварочный стол; 2 — свариваемые заготовки; 3 — присадочный пруток; 4 — сварочная горелка; 5 — газовые шланги; 6 — ацетиленовый редуктор; 7 — кислородный редуктор.

Оборудование и организация рабочего места

Типовой сварочный пост для газовой сварки (рис. 2) должен быть укомплектован следующим оборудованием и инвентарем, обеспечивающим не только технологический процесс, но и безопасность работ:

• Источник горючего газа: ацетиленовый генератор или баллон.
• Источник кислорода: кислородный баллон.
• Газовые редукторы: для кислорода и для горючего газа, предназначенные для понижения давления газа и поддержания его на постоянном уровне.
• Сварочная горелка с комплектом сменных наконечников для различных толщин металла.
• Специализированные шланги, соответствующие ГОСТ 9356-75, для подачи газов к горелке.
• Огнестойкий сварочный стол.
• Сборочные приспособления (струбцины, зажимы).
• Комплект инструмента (молоток, щетка по металлу, ключ).
• Средства индивидуальной защиты: очки с защитными светофильтрами, спецодежда из негорючей ткани, перчатки (краги).

Ацетиленовые генераторы: сердце газосварочного поста

Ацетилен (C₂H₂) — идеальный горючий газ для сварки, обеспечивающий самую высокую температуру пламени (до 3150 °C). Для его получения непосредственно на рабочем месте используются ацетиленовые генераторы. Их работа основана на управляемой химической реакции карбида кальция (CaC₂) с водой:

СаС₂ + 2Н₂О = С₂Н₂ + Са(ОН)₂ + Q (тепло)

Современные ацетиленовые генераторы, соответствующие требованиям ГОСТ 30829-2002 («Генераторы ацетиленовые стационарные»), классифицируются по нескольким признакам:

• По рабочему давлению: низкого (до 0,01 МПа) и среднего давления (до 0,15 МПа).
• По способу установки: передвижные (мобильные) и стационарные.
• По производительности: от 0,8 до 640 м³/ч. Наиболее распространены мобильные генераторы производительностью 1,25 и 3,0 м³/ч.
• По способу взаимодействия реагентов.

Рис. 3. Схемы получения ацетилена в генераторахСуществует три основных системы взаимодействия карбида кальция с водой (рис. 3):

• «Карбид в воду» (а): порции карбида подаются в большой объем воды. Обеспечивает лучшее охлаждение и чистоту газа.
• «Вода на карбид» (б): вода дозированно подается на карбид. Наиболее распространенная система в передвижных генераторах из-за простоты конструкции.
• Контактная или система вытеснения воды (в): уровень воды контактирует с карбидом и вытесняется давлением образующегося газа, что автоматически регулирует реакцию.

Рис. 4. Ацетиленовый генератор: а — переносной БАКС-1, общий вид; б — передвижной ГВР-3, устройство.Рассмотрим устройство передвижного генератора ГВР-3 (рис. 4, б) производительностью 3 м³/ч, работающего по комбинированной системе «вода на карбид» и «контактной». Он состоит из корпуса 4, в котором размещены две реторты 1 с корзинами для карбида 2. В верхней части расположен водяной бак 5, соединенный через регулятор 14 с ретортой. Образующийся ацетилен по трубке 3 поступает в газосборник (верхнюю часть корпуса). Давление газа воздействует на мембрану регулятора 14, автоматически прекращая подачу воды при достижении рабочего давления (0,018…0,02 МПа) и возобновляя ее при падении давления. Это обеспечивает стабильное газообразование в зависимости от расхода газа. Безопасность эксплуатации обеспечивается водяным затвором, манометром 12 и предохранительным клапаном 6.

Системы безопасности: водяной затвор

Одной из главных опасностей при газовой сварке является обратный удар — проникновение пламени из горелки по шлангу в сторону источника газа. Для предотвращения попадания пламени в ацетиленовый генератор, что может привести к взрыву, применяются водяные предохранительные затворы (рис. 5).

Рис. 5. Схема водяного затвора низкого давленияПри нормальной работе газ (ацетилен) свободно проходит через слой воды в корпусе 1 затвора и через кран 4 поступает в шланг. В случае обратного удара волна высокого давления и пламя, двигаясь по трубке 2, вытесняют воду, создавая гидравлическую пробку, которая мгновенно гасит пламя. Избыточное давление сбрасывается в атмосферу через предохранительную трубку 6, предотвращая разрушение генератора.

Газовые баллоны: мобильность и чистота

Альтернативой генераторам служат стальные бесшовные баллоны, соответствующие ГОСТ 949-73. Они обеспечивают большую мобильность, безопасность и поставляют более чистый и сухой газ под высоким давлением, что повышает стабильность горения и производительность.

Рис. 6. Баллоны для сжатых газов: а — общий вид; б — для кислорода; в — для ацетилена; г — для пропан-бутана; 1 — днище; 2 — опорный башмак; 3 — корпус; 4 — горловина; 5 — вентиль; 6 — колпак; 7 — пористая масса; 8 — паспортная табличка; 9 — подкладные кольца.

• Кислородные баллоны (б) окрашиваются в голубой цвет. Стандартный баллон емкостью 40 л содержит около 6 м³ кислорода под давлением до 20 МПа. Вентили изготавливаются из латуни, так как сталь может самовоспламениться в струе кислорода под высоким давлением.
• Ацетиленовые баллоны (в) имеют принципиальное отличие. Из-за взрывоопасности чистого ацетилена под давлением свыше 0,15 МПа, в баллонах его хранят растворенным в ацетоне. Ацетон, в свою очередь, пропитывает пористую массу (активированный уголь). Баллоны окрашивают в белый цвет. Редуктор крепится специальным хомутом, а не резьбой.
• Пропан-бутановые баллоны (г), используемые для сварки и резки, окрашиваются в красный цвет. Это сварные баллоны, рассчитанные на давление сжиженного газа 1,6 МПа.

Газовые редукторы: точный контроль давления

Для понижения высокого давления газа из баллона до низкого рабочего давления и его автоматического поддержания служат газовые редукторы. Их использование обязательно для всех газов, подаваемых из баллонов.

Рис. 7. Схема устройства и работы редуктора: а — общий вид; б — нерабочее положение; в — рабочее положение; 1 — камера высокого давления; 2 — редуцирующий клапан; 3 — запорная пружина; 4 — предохранительный клапан; 5 — выходной штуцер; 6 — камера низкого давления; 7 — мембрана; 8 — нажимная пружина; 9 — регулирующий винт.Принцип действия редуктора (рис. 7, б) основан на уравновешивании сил. При вворачивании регулирующего винта 9 нажимная пружина 8 давит на мембрану 7, которая, в свою очередь, открывает клапан 2. Газ из камеры высокого давления 1 поступает в камеру низкого давления 6. Давление в камере 6 возрастает и давит на мембрану 7 снизу, стремясь закрыть клапан 2. В рабочем режиме (рис. 7, в) устанавливается равновесие, при котором клапан приоткрыт ровно настолько, чтобы поддерживать заданное рабочее давление на выходе. При увеличении расхода газа давление в камере 6 падает, и нажимная пружина 8 сильнее открывает клапан, и наоборот.

Сварочные горелки: инструмент для создания пламени

Горелка — это устройство, в котором происходит смешение горючего газа и кислорода и формирование сварочного пламени. Наиболее распространены инжекторные горелки (рис. 8), способные работать от источников ацетилена низкого давления.

Рис. 8. Инжекторная горелка Г2-05Принцип ее работы основан на эффекте инжекции. Кислород, подаваемый под более высоким давлением (до 0,4 МПа), с большой скоростью истекает из сопла инжектора 4. В результате в камере смешения 5 создается разрежение, которое подсасывает горючий газ (ацетилен), поступающий под низким давлением. Газы смешиваются и по трубке наконечника 6 поступают к мундштуку 7, на выходе из которого и сгорают. Мощность горелки регулируется сменой наконечников: чем толще свариваемый металл, тем больше номер наконечника.

2. Технологии термической резки: газокислородная и плазменная

Термическая резка — это процесс разделения металла, основанный на его локальном нагреве, окислении и удалении продуктов горения или плавления из полости реза. Это одна из важнейших заготовительных операций в металлообработке.

Газокислородная резка

Этот метод применим в основном для низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Процесс состоит из двух стадий:

1. Металл в начальной точке реза нагревается подогревающим пламенем резака до температуры воспламенения в кислороде (1050-1200 °C).
2. В эту точку подается струя чистого режущего кислорода под высоким давлением. Кислород интенсивно окисляет (сжигает) металл, а скоростной поток удаляет жидкие оксиды (шлак) из полости реза.

Данным способом можно эффективно резать металл толщиной от нескольких миллиметров до 2 метров.

Рис. 9. Схема газокислородного резакаКонструктивно резак (рис. 9) похож на сварочную горелку, но имеет дополнительный канал 4 для подачи режущего кислорода. Его мундштук 3 имеет центральное отверстие для режущей струи кислорода 2 и несколько периферийных отверстий для подогревающего пламени 1.

Качество поверхности реза, согласно ГОСТ 14792-80, сильно зависит от стабильности процесса. Ручная резка не обеспечивает высокой точности из-за неравномерности перемещения резака. Высокое качество и производительность достигаются при использовании машинной резки с применением автоматов и полуавтоматов.

Рис. 10. Машина для термической резки Secator: 1 — газоподводящие шланги; 2 — резак; 3 — крепление резака; 4 — теплозащитный экран; 5 — ведущий ролик; 6 — пульт управления.Примером компактной автоматизированной системы является переносная машина Secator (рис. 10). Она способна выполнять прямолинейные и фигурные резы металла толщиной от 3 до 300 мм с плавно регулируемой скоростью (100-1200 мм/мин). Такие машины позволяют вырезать диски, снимать фаски под сварку (Y, X, K-образные разделки) и распускать лист на полосы.

Рис. 11. Шарнирная машина для кислородной резки по копируСтационарные машины для фигурной резки бывают шарнирными (рис. 11), портальными и портально-консольными. Они могут управляться по металлическому шаблону (копиру), по чертежу (с помощью фотоэлектрических систем) или на основе числового программного управления (ЧПУ), что обеспечивает максимальную точность и повторяемость.

Воздушно-плазменная резка

Плазменная резка — более современный и универсальный метод термического раскроя. Его суть заключается в локальном расплавлении металла теплом сжатой дуги и интенсивном выдувании расплава высокоскоростным потоком плазмообразующего газа. В качестве плазмообразующего газа чаще всего используется сжатый воздух, что делает процесс экономически выгодным.

Рис. 12. Резка металла воздушно-плазменной дугойТемпература плазменной струи достигает 15 000 °С и выше, что обеспечивает ключевые преимущества:

• Высокая скорость: в 3-4 раза выше, чем у кислородной резки для толщин до 25 мм.
• Универсальность: позволяет резать любые токопроводящие материалы, включая нержавеющие стали, алюминий, медь и их сплавы, которые не поддаются газокислородной резке.
• Высокое качество: меньшая ширина реза и значительно меньшая зона термического влияния, что минимизирует деформацию заготовки.

Рис. 13. Установка для плазменной резки листового материала: а — общий вид; б — схема; 1 — рабочий стол; 2 — деталь; 3 — траверса (портал); 4 — плазменный резак (плазмотрон).Современные установки плазменной резки (рис. 13) — это высокотехнологичные комплексы с ЧПУ, обеспечивающие раскрой листового материала по двум координатам. Часто они являются универсальными и могут комплектоваться как плазменными, так и кислородными резаками, а иногда и сверлильными головками, позволяя выполнять несколько операций за одну установку детали.

Заключение

Сварка и термическая резка являются краеугольными технологиями в современной промышленности. От правильного выбора метода и строгого соблюдения технологии зависит прочность, надежность и долговечность металлических конструкций — от бытовых приборов до мостов и космических аппаратов. Газовая сварка, несмотря на свой возраст, остается востребованным инструментом для специфических задач, в то время как плазменная резка, благодаря своей скорости и универсальности, является стандартом для автоматизированного раскроя листовых материалов. Понимание физических основ и технологических особенностей каждого процесса позволяет инженерам и специалистам принимать оптимальные решения для достижения наилучшего результата.