Теория
Температура пламени зависит от теплоты сгорания топлива и теплоемкости продуктов реакции. Когда мы сжигаем что-то в воздухе - нагревать приходится и азот (которого почти 80%), потому температура пламени в воздухе обычно не высокая (~1500-2000C и ниже). А вот в чистом кислороде, при правильном соотношении объема горючего и кислорода - греть нужно только продукты реакции, и достижимы намного более высокие температуры.
Как топливо обычно рассматривают углеводороды. Углерод при сгорании дает углекислый газ, а водород - воду. Вода имеет очень большую теплоемкость (4.183 против 1.4 кДж/(кг*К)), соответственно, чем больше в горючем будет углерода, и меньше водорода - тем выше в первом приближении потенциально достижимая температура.
Наилучшее сочетание - у ацетилена C2H2, а например у метана CH4 и пропана C3H8 - это соотношение намного хуже.
Но существуют и другие соединения с равным количеством углерода и водорода - например бензол, C6H6. Помимо токсичности бензола, при его сгорании выделяется меньше энергии, т.к. в ацетилене "лишняя" энергия запасена в нестабильной тройной углеродной связи, что и обеспечивает ему одну из наибольших температур горения в кислороде - 3150 °C.
Эта лишняя энергия (~16%) может выделится во время самопроизвольной детонации сжатого ацетилена даже без доступа воздуха (продуктом реакции будет как раз бензол и винилацетилен). Wikipedia утверждает, что для этого нужно давление всего в 2 атмосферы - но я в шприце сжимал ацетилен до 4-5 атмосфер и ничего не происходило (видимо нужны катализаторы, удар или повышенная температура). В любом случае, из-за этого эффекта ацетилен в сжатом виде не хранят, а растворяют его в баллонах в ацетоне. Но есть и более простой и безопасный при маленьких объемах способ получения ацетилена - реакция карбида кальция с водой. Именно этот способ и будет использоваться.
Что примечательно, достигнуть еще бОльшей температуры можно - если использовать как топливо вещества, не содержащие водорода вообще: cyanogen (привет Android), (CN)2 - горит при 4525 °C и dicyanoacetylene C4N2, горит при 4990 °C (опять благодаря тройным углеродным связям, и меньшему относительному количеству лишнего азота). Но практически с этой целью их не используют из-за токсичности.
Безопасность
Сжатые кислород и ацетилен в баллонах - могут быть очень опасны при малейших нарушениях правил эксплуатации, потому их я конечно использовать не буду.
Ацетилен будет генерироваться из небольшого количества карбида кальция (~100г на одну сессию), в бутылке объемом 0.5л. Изначально я хотел использовать 2л, чтобы давление было более равномерное - но посмотрев на YouTube как взрывается литр ацетилена с кислородом - решил урезать осетра. Чтобы не создавалось опасного давление в генераторе - выход ацетилена на горелке никогда нельзя перекрывать. Генератор ацетилена нужно охлаждать - иначе будет "саморазгон" реакции из-за нагрева.
Кислород - будет генерироваться медицинским концентратором кислорода, что относительно безопасно.
Могла быть еще опасность накачать кислорода в генератор ацетилена с последующим хлопком - но для этого нужно, чтобы не сработал защитный клапан в генераторе кислорода, и был заблокирован (грязью например) выход газа из горелки.
И конечно работать нужно в специальных очках - не только для защиты от брызг металла, но и ультрафиолетового излучения пламени (т.е. прозрачные пластиковые защитные очки тут не подойдут).
Чтобы не допустить скапливания взрывоопасной концентрации ацетилена в случае утечек - вентилятор постоянно обдувал рабочее место + все операции проводились на свежем воздухе.
Также существует проблема "обратного удара" (в видео в конце статьи показан на 1:30): когда скорость течения газа в горелке становится слишком маленькая, пламя уходит внутрь горелки с хлопком, и если в ацетилене есть воздух - пламя может дойти до генератора ацетилена. Потому я не поджигал ацетилен сразу после начала реакции, а ждал ~15-30 секунд пока воздух не будет вытеснен. Также эта проблема может быть решена добавлением водяного клапана на пути ацетилена.
Конструкция
Итак, нам понадобится генератор кислорода. В моем случае - медицинский кислородный концентратор Atmung (цена порядка 20к рублей - но он, к счастью, уже был в наличии). Может генерировать 1 литр в минуту 95% кислорода, и бОльшие объемы при снижении концентрации. Работает по принципу короткоцикловой безнагревной адсорбции - за счет различной скорости прохождения газов через поры цеолита:
Результат
Пламя ацетилена в воздухе сильно коптит, и выглядит вполне заурядно:
С включением кислорода все меняется:
Видео самодельного кислородно-ацетиленового сварочного аппарата:
Для газовой сварки необходимы два вида газов, первый - это кислород и второй- ацетилен. Кислородное соединение необходимо для содействия горению ацетилена во и других видов работ. Сам же ацетилен является горючим веществом. Иногда эту смесь стала заменять водородно кислородная смесь для сварки, производимая электролизно–водными агрегатами. При горении эта смесь дает более высокую температуру, но использование ее возможно только при наличии надежного оборудования для изготовления водородно кислородной смеси на месте.
Сварочное оснащение состоит непосредственно из баллонов с кислородом и ацетиленом. Наверху ёмкостей находится редуктор давления. К нему идет кислородная трубка темного цвета, а для ацетилена - обязательно красная. Оба эти шланга присоединены к горелке, с ее помощью и ведутся работы по металлу.
Ёмкость для кислорода несколько массивнее ацетиленового. Все это обусловлено тем, что при работе со сваркой, кислорода уходит больше. Вверху ёмкости есть клапан отсечки, внизу которого приделан редуктор давления. Он необходим для контроля над давлением на некоторых этапах работы. Также стоит всегда помнить, что работать с сильным напором обоих веществ не рекомендуется.
Регулятор и его составные:
Перед тем, как приступить к работе, необходимо внимательно изучить составные части оборудования, чтобы не было сюрпризов во время работы. Контакты у ацетиленового редуктора и шлангов с левой нарезкой, а у кислородных - с правой. Гайки соединений для ацетилена имеют V-образное углубление, которое окружает центр ровного участка для распознавания.
Манометры прикреплены к каждому регулятору - это приборы для измерения и требуют бережного обращения. Манометр для измерения высокого давления имеет повышенные величины и измеряется в кгс/см 2 . Этот же прибор для низкого давления имеет те же величины. Редуктор держит линейное давление в точных рамках, даже если с уменьшением количества вещества в баллоне, уменьшается его напор. Когда давление очень понижается, линейное так же начинает уменьшаться. После чего его придется заново отладить для дальнейшей работы.
Для управления линейным давлением в шлангах и горелке имеются специальные корректирующие краны редуктора. Чтобы давление сделать больше, кран стоит повернуть вправо, что способствует подачи газов через шланги в горелку.
Шланги для сварки прикрепляются к выходным патрубкам регулятора горелки. Для мер предосторожности стоит применять пламегаситель между редуктором и шлангами, чтобы предотвратить продвижению огня по шлангу в баллон для газа. Надо помнить на зубок, что насечка на кислородных соединениях - правая. Смазку использовать нельзя. Все должно быть сухое.
Они необходимы, чтобы поставлять газы от редуктора к горелке под пониженным давлением, для чего их связали вместе.
Как можно прочитать выше, они разного цвета - темный для кислорода и красный для ацетилена. Шланги для сварки состоят из нескольких слоев резины и оплетки. В его середине - резина, вокруг которой прорезиненная ткань и впоследствии покрытая провулканезированным защитным слоем из резины. Шланги не подвержены горению, но если такое случается, то они сами гаснут при удалении источника жара.
Необходимо придерживаться нескольких несложных правил, все это увеличит время службы данного материала:
Состоит она из двух трубок и клапанов, которыми можно управлять. Один клапан с трубкой для управления ацетиленом, соответственно второй - для кислорода. В самой оболочке не происходит смешение газов, это происходит при помощи отрезного наконечника, который прикреплен к горелке. Сама же оболочка предназначена для поступления вещества к наконечнику и в качестве держателя. На самой оболочке имеются два колец для усиления сварочного наконечника. Одно большее - для усиления канала поступления кислорода, второе - маленькое, чтобы усилить канал подачи ацетилена.
У горелки в корпусе имеются два укрепляющих клапана на концах шлангов. Время от времени подтягивайте скрепляющие гайки, очищайте от загрязнений чистым материалом, смазывать нельзя.
Он играет роль помощника, что помогает подавать вещества раздельно к сварочному наконечнику. В середине находится кислородная трубка, вокруг которой сконцентрировано, расположены отверстия для выхода ацетилена.
Сварочный наконечник или головка насаживается на цилиндр горелки посредством накручивания. Через канал в середине кислород поступает в наконечнике, а ацетилен - вокруг кислородного канала через отверстия. Для уплотнения соединения поверхность конуса внутри головки усилена кольцом. Резьба снаружи и корпус внутри могут быть восстановлены при необходимости. По мере загрязнения стоит очищать поверхность чистой ветошью.
Чтобы рассказать, как правильно пользоваться таким оборудованием, как ацетилено кислородная сварка, рассмотрим данный пример. Предположим, что металлический лист толщиной 0,8 мм необходимо сварить. В руководстве по использованию данным оборудованием рекомендовано пользоваться наконечником №0 при ацетиленовом и кислородном линейном давлении 0,2 кгс/см 2 . Для начала необходимо открыть баллон с помощью клапана, но клапаны горелки при этом не надо трогать. Затем давление в редукторе настроить до значения примерно 0,35 кгс/см2. Если вдруг возникнет такая необходимость, как замена наконечника на другой размер, то нужно будет заново установить параметры линейного давления редуктора.
Убедитесь, что все правильно сделано и включайте горелку. Но сначала надо надеть защитные очки. Для подачи ацетилена откройте клапан на горелке на столько оборотов, как и кислородный. Зажигайте горелку, воспользовавшись специальной зажигалкой, только ни в коем случае не спичками, прикуривателем или подобным. Нельзя зажигать в сторону рядом стоящих людей или легко воспламеняющихся приборов и материалов. Откручивайте кислородный клапан баллона, пока не пропадет сажа или дым. Только потом выставьте значение редуктора до нужного напора. Необходимо, чтобы пламя горелки было нейтральным.
Есть 4 типа сварочного пламени и каждое имеет свое предназначение. Чаще всего применяется нейтральное, именно оно необходимо для сварочных работ.
Надо настроить клапан горелки так, чтобы в результате получить пламя яркого светло-голубого цвета. Если она отрегулирована правильно, то не слышно шипения и виден только острый внутренний конус. При неправильной настройке горелки пламя будет сжигать металл, а не сваривать его. Концентрированное ацетиленом пламя можно определить по длинному грубо-оранжевому концу. Такой огонь вводит в металл избыточный углерод. Это неправильно. Огонь должен быть светло-голубой с четким внутренним конусом. После получения нейтрального огня можно приступать к работе.
Этот способ предназначен для создания шва, когда горелка направлена под углом в 450 к металлу. Сварочный электрод и расплавленное место движутся вместе. При этом наконечник совершает круговые и полукруговые движения вдоль сварочного шва. Электрод двигается по месту нагрева внутрь и наружу. Получается ровное и прочное соединение посредством равномерного распределения тепла.
Осуществляется аналогично, как и в методе «на себя», но имеет различие в направлении наложения сварочного шва (стрелки).
Применяется, как правило, для сваривания элементов толстой стали. Принцип заключается в поддержании температуры расплавленного пятна горелкой (можно агрегат и баллон с газом и кислородом), за которым следует электрод. Другими словами образуется расплавленный шов, в котором и базовый метал и электрод расплавляются непосредственно в шве в единую взаимопроникающую массу и полностью заполняют пространство свариваемых деталей. При этом важно добиться именно взаимопроникновения, поскольку в противном случае качество сварки будет на низком уровне.
В случае использования этого метода при газовой сварке (например, кислородно-ацетиленовая сварка), электрод и горелку размещают под углом 40-45 градусов к свариваемой поверхности таким образом, чтобы угол между горелкой и электродом ровнялся 90 градусам. Далее горелку следует передвигать по контуру шва изнутри в наружу для контроля прогреваемого участка и заполнять расплавленное пятно электродом.
Очень важный момент в достижении высокого качества сварки является пенетрация, или другими словами взаимопроникновение расплавленного металла свариваемых между собой деталей и соединителя (электрода). Таким образом, получается, что при недостаточном проникновении сварочный шов может хорошо выглядеть, но прочность будет желать лучшего. И наоборот, отличная пенетрация при неаккуратно проделанной сварочной работе может гарантировать отличное качество соединения металлических элементов. Для достижения максимального результата необходимо предварительно «прихватывать» сварочные поверхности с целью уменьшения зазоров между ними.
Теперь пришла очередь рассмотреть сварку с применением флюса, которую еще называют пайкой твердым припоем. Суть процесса называется именно пайкой, поскольку в качестве электрода используется металл с более низкой температурой плавления, нежели элементы, которые следует соединить.
Как правило, электроходом или припоем в таких случаях служит бронзовые или латунные стержни. Сварка производится путем разогрева металлических деталей до температуры плавления латунного или бронзового электрода, который благодаря действию папиллярного эффекта плотно заполняет шов, а диффузия припоя обеспечивает плотное и надежное соединение. При этом в качестве смеси для газовой сварки используется топливо (пропан, метан, ацетилен и т.д.) и кислородный газовый баллон.
Особую роль при такой сварке играет флюс, поскольку очищая и обезжиривая сварочные поверхности, именно он обеспечивает физическое явление папиллярного эффекта и диффузии, без которых пайка не была бы возможной. По сути, это явление пенетрации (взаимопроникновения), которое происходит при сварке тугоплавких металлов.
Вышеописанный метод может использовать для нагрева обычную газовую сварку, но сама процедура спаивания происходит при более низких температурах, что бывает в некоторых случаях очень полезным (например, при кузовных работах). Поэтому, при необходимости частого использования подобной сварки нужно держать про запас кислородный и газовый баллон.
В то же время, использовать пайку крайне не рекомендуется при необходимости соединения деталей, берущих на себя значительную нагрузку (подвеска шасси, рамы, детали кузова и ходовой части). В этом случае нужна традиционная высокотемпературная сварка.
Сварка с использованием флюса имеет несколько важных моментов:
Таким образом, проявлением высокого качества пайки является ровные и блестящие поверхности соединенных деталей и наоборот, пузырьки и белый порошок по краям свидетельствует о допущении распространенной в этих случаях ошибке - перегрева металла и как следствие плохое качество соединения (бывает также в случае, если кислородный баллон неправильно настроен или отрегулирован).
Существует также технология сварки способом «внахлест», который заключается в действии папиллярного эффекта, который заставляет припою или электроду действовать подобно клею без взаимопроникновения металлов (пенетрации).
Газовая (кислородная) сварка металлических сплавов (понадобится баллон с кислородом и газом).
Используется для спаивания цветных или «белых» металлов и их сплавов на основе цинка. В этом случае для припоя флюс не используется. Особенностью пайки эти металлов является удержание спаиваемых материалов и припоя в граничном состоянии между твердым и редким состоянием. Фактически они пребывают в пастообразном состоянии и сложность этого процесса как раз, и состоит в поддержании именно этой, «граничной» температуры деталей и электрода (в пределах 390 градусов).
Кислородная газовая горелка должна быть отрегулирована на пламя самой минимальной интенсивности. При этом удерживая горелку на расстоянии примерно 5-ти сантиметров от деталей на протяжении 10-ти секунд, вы должны заметить размягчение металла.
Нагревать спаиваемые детали и припой следует не спеша и равномерно, кислородная газовая горелка позволяет это делать без проблем, и со временем трудностей у вас будет возникать все меньше (но до этого момента вам придется израсходовать не один кислородный газовый баллон). Доведя, таким образом, основной металл и припой до пастообразного состояния поступаем как с замазкой для окон – разогревая понемногу электрод, вставляем (замазываем) его в проемы меж деталями, при этом, то приближая, то отдаляя пламя для поддержания «рабочей» температуры.
Налаживать припой следует в проемы с небольшим избытком, при этом важно использовать низкое давление газов, соответствующим образом отрегулировав баллон, при которой кислородная газовая сварка не будет выдавать избыточное давление, которое может сдуть спаиваемый шов.
Перед переходом метала в жидкое состояние, на нем появляются видимые маленькие блестки, что свидетельствует о необходимой «рабочей» температуре. Достаточно потренироваться пару часов, и вы без труда освоите эту технологию, при этом кислородная газовая сварка перестанет быть для вас проблемой.
Не нужно также держать горелку слишком близко, дабы не допустить перегрева металла, но и вовсе убирать тоже нельзя, чтобы не допустить остывания. Кроме того, температура должна быть более-менее постоянной в пределах рабочих градусов.
При этом кислородный сварочный агрегат необходимо полностью заменить газовым (понадобится баллон с газом метаном, пропаном и т.д.).
Для начала необходимо тщательно зачистить сварочные поверхности, потом нанести по обе стороны зачищенных участков специальный для алюминия сварочный флюс и дать ему время подсохнуть.
Пока он подсыхает необходимо вырезать шириной в 5-6 миллиметров и длиной в 25-30 сантиметров алюминиевую полоску, которая будет служить нам электродом (припоем). Здесь очень важно, чтобы температура плавления основного металла и припоя были идентичны.
Теперь необходимо настроить кислородный агрегат (баллон) и отрегулировать горелку. Использовать надо нейтральное пламя, поскольку алюминий легко поддается окислению.
Линейное давление нужно отрегулировать в пределах от 0,15 до 0,3 кгс/см 2 , при этом, чем меньше толщина спаиваемого материала, тем ниже должно быть давление для предотвращения прожигания поверхностей.
Не приступайте к работе, если не подготовлен пост газосварки. Он должен быть очищен от всех посторонних предметов.
Для работы могут понадобиться рожковые ключи, плоскогубцы, штангенциркуль, металлическая щетка. В качестве присадки для сварки применяют проволоку св.-08Г2 диаметром 2 мм.
Минимальный набор средств, необходимый газосварщику — это рукавицы-краги и очки газосварщика.
Вам понадобится:
Необходимо зачистить металл от следов консервации или ржавчины, грязи и т.д. металлической щеткой.
Для того, чтобы выставить раб.давление 0,2МПа на C2H2 редукторе, нужно барашек баллона открыть против часовой стрелки, после чего винт на редукторе выкрутить по часовой. Точно так же выставляется давление на О2 редукторе 0,5 Мпа.
Настроить сварочное пламя можно двумя способами:
Как видим, первый способ больше всего подходит для новичков.
Разогрев металла до температуры плавления
Для того, чтобы сделать сварочную ванну нужно расположить горелку под 90 градусов по отношению к основному металлу, а расстояние между ядром пламени и металлом должно быть около 1-3 мм. Металл начнет постепенно накаляться до красна. Сначала появится характерный цвет соломы, затем образуется сварочная ванна. Для начала попробуйте без присадки сделать колебательные движения «полумесяц». Для наплавки нужно отвести горелку на 30-40 градусов и сверху подать пруток каплеобразно или путем погружения в жидкую ванну. При этом не забывайте «рисовать» горелкой «полумесяцы», медленно продвигаясь вдоль шва. Старайтесь, чтобы ядро не задевало сварочную ванну.
После того, как вы выполните сварку нужно закрыть горелку в следующем порядке:
Проконтролировать качества шва можно визуально. Шов должен быть плотным, а чешуйки – равномерными, его ширина 5-6 мм, высота 1-2 мм.
Закрывается барашек баллона с C2H2, затем выкручивается регулировочный винт редуктора. Затем та же процедура по баллону с О2
После нужно спустить остаточный газ с рукавов. Для этого нужно открыть оба вентиля на горелке, на манометрах рабочего давления можно увидеть, как газ сходит с рукавов, стрелка будет медленно опускаться до нуля. Закройте вентили на горелке.
Является наиболее старым способом получить надежное и красивое сварное соединение. Сам ацетилен является горючим газом, который получают при взаимодействии карбида кальция и обычной воды. В комплект газового оборудования для проведения газосварочных работ входит, как правило, специальный генератор, кислородный баллон, шланги и горелка. Генератор заправляется карбидом и в процессе работы за счет внутреннего давления поддерживает определенный уровень воды внутри резервуара, необходимый для получения горючего газа. Предохранительный клапан не позволяет возникнуть слишком высокому давлению, стравливая излишки в атмосферу.
На сегодняшний день более популярны баллоны, которые заправляются ацетиленом на заправочных станциях, что позволяет меньше мучаться с получением ацетилена и не стравливать остатки газа после окончания работ. Отпавшая необходимость обслуживать относительно капризный генератор значительно повышает производительность труда сварщика, а также снижает трудозатраты.
Технология сварки ацетиленом
достаточно проста, однако требует внимательности и терпения. Для сварки ацетиленом используются специальные горелки, промаркированные номерами от 0 до 5. Самая малая 0, соответственно, наибольшая - 5. В зависимости от толщины свариваемых деталей используется своя горелка, причем чем больше номер, тем больше и расход газа и шире получаемый шов.
Для проведения сварочных работ необходимо подобрать необходимый размер горелки и отрегулировать ее. Внимательно осмотреть горелку, убедиться, что номер наконечника соответствует номеру подающей горючий газ форсунки, установленной ближе к рукоятке горелки под массивной гайкой, а все уплотнения надежны.
Далее горелка продувается горючим газом до появления ощутимого запаха ацетилена. После этого, поджигается горючий газ и понемногу добавляется кислород, до получения устойчивого пламени. Стоит отметить, что давление ацетилена на выходе из редуктора должно составлять примерно 2-4 атм и около 2 атм для кислорода. Повышение давления затрудняет правильную регулировку горючей смеси.
Для сварки обычных «черных» металлов необходимо приготовить нейтральное пламя. Такое пламя имеет четко очерченную корону и состоит из ярко выделенных трех частей. Первая - ядро пламени - имеет ярко-голубую, с небольшим зеленоватым отливом окраску, вторая - восстановительное пламя - окрашено в бледно-голубой цвет - именно эта область является рабочей. И третья - факел пламени - также является рабочей.
Для сварки ацетиленом поверхности тщательно очищают и подгоняют как можно ближе друг к другу.
При работе газовой горелкой используют правый и левый способы. При правом пламя направлено на получающийся шов, что обеспечивает его медленное остывание, а, соответственно, большую прочность и эластичность. Присадочный материал при этом перемещается следом за горелкой.
При левом способе пламя направлено от получающегося шва, а присадочный материал вносится в сварочную ванну после того, как горелка переместится на следующую позицию. Качество швов, полученных сваркой ацетиленом достаточно велико. Таким образом получают наиболее надежные соединения, однако следует учитывать, что зона нагрева достаточно велика, поэтому свариваемые материалы должны быть пожаробезопасны и не бояться коробления при остывании.
