Основними видами технологічних процесів, у яких застосовуються промислові гази в машинобудуванні та металообробці, є термічна різка та зварювання.
Термічна різання. Під процесами термічного різання в металообробці зазвичай мають на увазі використання 3-х основних видів різання: газокисневе або газове різання, плазмове різання, лазерне різання.
Сьогодні ці три методи використовують у багатьох областях. Вони однаково придатні для підготовки кромок під зварювання, для різання складних геометричних конфігурацій, різання труб та прокатних профілів, для металів та неметалів.
В цілому, в даний час спостерігається різке збільшення використання плазмового та лазерного різання, з одночасним зменшенням використання газокисневого різання.
Газове різання. Газове різання є екзотермічний процес горіння металу в струмені кисню. Для цього метал нагрівають до температури займання газокисневим полум’ям (звичайно в якості пального газу використовують ацетилен, пропан, природний газ, водень) і потім подають струмінь кисню під високим тиском, який ріже метал, одночасно видаляючи оксиди, що утворюються. Різні метали і навіть бетон різною мірою схильні до кисневого різання. Найкраще ріжуться низьковуглецеві сталі з вмістом вуглецю до 0,3%. Стали із вмістом вуглецю до 0,7% ріжуться гірше. Різання високовуглецевих сталей утруднене, а при вмісті вуглецю понад 1% абсолютно неможливе без використання спеціальних флюсів, що відноситься також і до високолегованих сталей, міді, латуні та бронзи. Для різання алюмінію та його сплавів газокисневе різання не застосовується.
Вибір пального газу обумовлюється товщиною матеріалу, часом розігріву та необхідною якістю різання. Необхідно враховувати, що чистота кисню, що використовується, безпосередньо впливає на якість і швидкість різання.
Газове різання дозволяє різати метал різних товщин – від декількох міліметрів до метра, дає можливість виконувати цілу низку різновидів робіт, таких, як пряме різання, різання під кутом, обробка різних типів, підготовка кромок деталей для подальшого зварювання, стружка металу, видалення опор, і і т.д. Найчастіше якість поверхні після газового різання дозволяє використовувати отримані деталі без додаткової механічної обробки.
Плазмове різання. Полягає в проплавленні металу, що розрізається, за рахунок теплоти, що генерується стиснутою плазмовою дугою, і інтенсивному видаленні розплаву плазмовим струменем. Плазма є іонізованим газом з високою температурою, здатний проводити електричний струм. Плазмова дуга виходить із звичайної у спеціальному пристрої – плазмотроні – в результаті її стиснення та вдування в неї плазмоутворюючого газу. Плазмово-дугове різання дуже ефективне і широко застосовується для обробки металів. Також використовується різання плазмовим струменем, переважно для обробки неметалічних матеріалів, оскільки вони не обов’язково повинні бути електропровідними. Плазмоутворюючі гази — кисень, азотно-киснева суміш, азот, аргоно-воднева суміш використовуються в залежності від матеріалу, який необхідно порізати
Лазерне різання. Загальним принципом роботи лазера є перетворення електричної енергії у світловий пучок однієї довжини хвилі. Лазерний промінь мало розсіюється, що полегшує його передачу великі відстані до місця використання. У зоні обробки лазерний пучок фокусується в дрібну пляму, нагріваючи метал до температури займання, після чого в зону різання подається ріжучий газ.
У лазерах використовуються різні газові суміші в якості робочого тіла лазера (газу-резонатора), що включають від 3 до 6 компонентів (вуглекислота, гелій, аргон, азот, водень та ін); азот високої чистоти використовується також як ріжучий газ для різання нержавіючих сталей; ріжучий кисень застосовується для різання звичайних конструкційних сталей.
Процес лазерного різання металів може виконуватися з високою швидкістю, обмеженням на сьогоднішній день є товщина різу, що лімітується 15-20 мм. Переваги лазерного зварювання: невелика ширина різу; мінімальні деформації поверхні по відношенню до інших методів різання.
Зварювання. Відповідно до ГОСТ 2601-74 зварювання визначається як процес отримання нероз’ємних сполук за допомогою встановлення міжатомних зв’язків між частинами, що зварюються, при їхньому місцевому або загальному нагріванні або пластичному деформуванні або сумісною дією того й іншого.
з’єднаннями. Найчастіше за допомогою зварювання з’єднують деталі із металів.
Усього існує понад 150 різновидів зварювання. Основними видами зварювання, в яких використовуються промислові гази, є електродугове зварювання в захисних газах та газове зварювання.
Електродугове зварювання. Розробка дугового зварювання обумовлена відкриттям електричної дуги в 1802 р. російським фізиком В.В. Петровим. Джерелом нагрівання при дугових способах зварювання є зварювальна дуга, що є стійким електричним розрядом, що відбувається в газовому середовищі між двома електродами або електродом і деталлю.
Вперше для з’єднання металевих частин за допомогою електричної дуги, що горить між вугільним електродом, що не плавиться, і зварюваним виробом, було здійснено Н.М. Бенардосом в 1882 р. За потреби у зварювальну ванну додатково подавався присадковий матеріал. У 1888 р. російський інженер Н.Г. Слов’янов удосконалив процес, замінивши вугільний електрод, що не плавиться, на металевий, що плавиться. Тим самим було досягнуто об’єднання функцій електрода для існування дугового розряду та присадного металу для утворення ванни. Запропоновані Н.М. Бенардосом та Н.Г. Слов’яновим методи дугового зварювання неплавящимся і електродами, що плавляться, лягли в основу розробки найпоширеніших сучасних способів дугового зварювання.
У промисловому використанні під електродуговим зварюванням серед захисних газів розуміють такі види зварювання:
– зварювання електродом, що плавиться, в середовищі інертних захисних газів або MIG-зварювання;
– зварювання електродом, що плавиться, в середовищі активних захисних газів або MAG-зварювання;
– зварювання електродом, що не плавиться, в середовищі інертних захисних газів або TIG-зварювання;
– захист кореня шва
MIG-MAG-зварювання є найпоширенішим методом нероз’ємного з’єднання деталей. Основними перевагами даного способу зварювання є висока продуктивність та проста можливість автоматизації процесу. Принцип MIG-MAG зварювання полягає в постійній подачі металевого дроту в зону зварювання, яке потім плавиться в дузі. Дріт грає дві ролі – струмопровідного електрода та присадного матеріалу. Якість зварювання залежить від правильного вибору режимів роботи зварювального апарата (напруги дуги, сили струму, швидкості подачі дроту), а також від вибору параметрів захисного газу.
Захисний газ подається в зону зварювання через сопло пальника, та захищає дугу та зварювальну ванну від навколишнього повітря. Так як розплавлений метал є хімічно активним і може взаємодіяти із захисним газом, то в залежності від способу взаємодії відбулася і назва способів зварювання. У MIG-зварюванні інертні захисні гази (аргон, гелій, азот) хімічно не реагують з металом у зварювальній ванні. У MAG-зварюванні активні захисні гази – вуглекислий газ і кисень вносять додатковий позитивний вплив на процес зварювання.
До недавнього часу вуглекислий газ був основним захисним газом у MAG-зварюванні, але зараз поступився своїм місцем захисним сумішам на основі аргону з додаванням вуглекислого газу та кисню. Зварювальні суміші аргону та вуглекислоти є найкращим видом захисного газу для зварювання сталевих конструкцій та виробів, вони мають величезні переваги в порівнянні з чистим вуглекислим газом за якістю та надійністю зварних швів, продуктивністю робіт та багатьма іншими показниками.
Зварювання електродом, що не плавиться – TIG-зварювання засноване на використанні дуги, яка виникає між зварюваним металом і неплавким електродом, що виготовляється зазвичай з вольфраму. Присадковий матеріал подається в зону дуги з боку і електричний ланцюг не включений. Даний спосіб зварювання дозволяє зварювати практично всі метали, що зварюються, алюміній, мідь, їх сплави, а також титан. Застосовувані гази – аргон, гелій, суміші аргону і гелію, аргону і водню. Використання сумішей дозволяє отримати кращі технологічні та міцнісні характеристики шва порівняно зі зварюванням у моногазах. TIG-зварювання зазвичай не використовується в масовому виробництві через низьку продуктивність процесу та труднощі автоматизації.
Захист кореня шва застосовується у випадках, коли за технологічними чи конструкційними вимогами не допускається окислення кореня шва. У таких випадках доцільно використання інертних газів – аргону або азоту, а також їх суміші з воднем. Застосування водню як газ-відновлювач дозволяє практично повністю уникнути появи квітів втечі при зварюванні нержавіючих сталей.
MIG-MAG зварювання може використовуватися для зварювання низько- та високолегованих (нержавіючих) сталей, термічно оброблених сталей, сталей з гальванічним та алюмінієвим покриттям, нікелевих сплавів, а також для зварювання конструкцій з алюмінію, міді та їх сплавів. Новим застосуванням методу є високопродуктивна паяння MIG-MAG у середовищі захисного газу. Для цього методу характерне різне поєднання матеріалів, що з’єднуються: залізо-залізо, мідь-залізо та ін.
Газове зварювання та паяння. Газове зварювання було найпершим способом отримання зварювальних сполук, використовуючи спочатку воднево-кисневе полум’я. З відкриттям ацетилену з’явилася можливість успішно розплавляти сталь, чавун та інші метали, і в даний час газове зварювання в основному проводиться із застосуванням пального газу – ацетилену та кисню. Це зумовлено тим, що тільки ацетилен дозволяє домогтися нейтрального полум’я. Газове зварювання має хороші якісні і міцнісні характеристики, а також не вимагає ретельної підготовки матеріалів, що зварюються або робочого місця. Основна перевага газового зварювання – це можливість застосування її у важкодоступних місцях при зварюванні трубопроводів, готових металевих конструкцій тощо. Зважаючи на це, газове зварювання набуло найширшого поширення при виконанні ремонтних або відновлювальних робіт.
Газове паяння, як і газове зварювання, є методом з’єднання металів. Основною відмінністю від газового зварювання є те, що за допомогою газового паяння є можливим з’єднання двох різних типів металу. Газове паяння дозволяє створювати надійне з’єднання і з успіхом застосовується в процесах, що не потребують великої інтенсивності полум’я та приєднання тонких матеріалів. Для газового паяння в ролі окислювача може виступати як кисень, так і атмосферне повітря. Також як горючі гази можуть застосовуватися пропан, МАФ, водень.
Інноваційні способи зварювання. Зразки, що з’явилися останнім часом, зварювання використовують новітні досягнення сучасної науки. Інтерес представляють лазерне та плазмове зварювання, обмеження щодо застосування яких визначаються лише ціною обладнання. Однак у міру розвитку їх виробництва ціна обладнання зменшуватиметься, що призведе до зростання частки застосування цих видів зварювання. Використання лазерного та плазмового зварювання дуже цікаве для газових компаній, оскільки вимагає великої кількості чистих газів та газових сумішей.
Лазерне зварювання. Лазерне зварювання з використанням CO2-лазерів набуло широкого поширення в різних галузях промисловості. CO2-лазери переважно використовують для зварювання кузовів автомобілів, компонентів трансмісій та спеціальних листових заготовок. Лазерне зварювання високої потужності відрізняється утворенням вузьких зварних швів порівняльної глибини. Енергія лазера плавить та випаровує метал. Проплавлення має форму конуса. Плавлення металу відбувається на передній стінці кратера, а метал, що розплавляється, переміщається по бічних стінках до задньої стінки, де він і кристалізується. Висока концентрація теплоти у світловій плямі лазера дозволяє практично всі метали довести не лише до розплавлення, а й до кипіння. Тому лазер можна використовуватиме зварювання тугоплавких металів. Зварювальні гази процесу – аргон, гелій, азот, суміші аргону і гелію, аргону і вуглекислого газу, аргону і кисню. Захисні гази процесу – аргон, гелій, азот, суміші азоту та водню.
Плазмове зварювання. Плазмове зварювання – це процес плавлення металу спрямованим потоком дугової плазми (плазмовим струменем) і є продовженням зварювання TIG, але з наступними відмінностями:
– примусова подача в дугу плазмоутворюючого газу;
– Стиснення дуги у спеціальному плазмотроні.
За рахунок фокусування дуги та потоку плазмоутворюючого газу досягається висока щільність енергії, що дозволяє ефективно зварювати різні метали.
В якості плазмоутворюючого газу використовуються інертні гази – аргон і гелій. Захисна атмосфера створюється з аргону, суміші аргону і гелію, суміші азоту і водню.
Плазмове зварювання може використовуватися:
– авіабудування, ракетна техніка, автомобілебудування;
– приладобудування, електронне, електротехнічне машинобудування;
– хімічне машинобудування, виробництво резервуарів та котлів;
– для виготовлення обладнання харчової промисловості та ін.
