Основными видами технологических процессов, в которых применяются промышленные газы в машиностроении и металлообработке, являются термическая резка и сварка.
Термическая резка. Под процессами термической резки в металлообработке обычно подразумевают использование 3-х основных видов резки: газокислородная или газовая резка, плазменная резка, лазерная резка.
Сегодня эти три метода используются во многих областях. Они одинаково пригодны для подготовки кромок под сварку, для резания сложных геометрических конфигураций, резки труб и прокатных профилей, для металлов и неметаллов.
В целом, в настоящее время наблюдается резкое увеличение использования плазменной и лазерной резки, с одновременным уменьшением использования газокислородной резки.
Газовая резка. Газовая резка представляет собой экзотермический процесс горения металла в струе кислорода. Для этого металл нагревают до температуры воспламенения газокислородным пламенем (обычно в качестве горючего газа используют ацетилен, пропан, природный газ, водород ) и затем подают струю кислорода под высоким давлением, который режет металл, одновременно удаляя образующиеся оксиды. Различные металлы и даже бетон в различной степени подвержены кислородной резке. Лучше всего режутся низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,3%. Стали с содержанием углерода до 0,7% режутся хуже. Резка высокоуглеродистых сталей затруднена, а при содержании углерода свыше 1% совершенно невозможна без использования специальных флюсов, что относится также и к высоколегированным сталям, меди, латуни и бронзе. Для резки алюминия и его сплавов газокислородная резка не применяется.
Выбор горючего газа обуславливается толщиной материала, временем разогрева и требуемым качеством резки. Необходимо учитывать, что чистота используемого кислорода непосредственно влияет на качество и скорость резки.
Газовая резка позволяет резать метал различных толщин — от нескольких миллиметров до метра, дает возможность выполнять целый ряд разновидностей работ, таких, как прямая резка, резка под углом, разделка разных типов, подготовка кромок деталей для дальнейшей сварки, строжка металла, удаление опор, и т.д. Зачастую качество поверхности после газовой резки позволяет использовать полученные детали без дополнительной механической обработки.
Плазменная резка. Заключается в проплавлении разрезаемого металла за счет теплоты, генерируемой сжатой плазменной дугой, и интенсивном удалении расплава плазменной струей. Плазма представляет собой ионизированный газ с высокой температурой, способный проводить электрический ток. Плазменная дуга получается из обычной в специальном устройстве – плазмотроне – в результате ее сжатия и вдувания в нее плазмообразующего газа. Плазменно-дуговая резка очень эффективна и широко применяется для обработки металлов. Также используется резка плазменной струей, преимущественно для обработки неметаллических материалов, поскольку они не обязательно должны быть электропроводными. Плазмообразующие газы — кислород, азотно-кислородная смесь, азот, аргоно-водородная смесь используются в зависисмости от материала, который необходимо порезать
Лазерная резка. Общим принципом работы лазера является преобразование электрической энергии в световой пучок одной длины волны. Лазерный луч практически не рассеивается, что упрощает его передачу на большие расстояния до места использования. В зоне обработки лазерный пучок фокусируется в мельчайшее пятно, нагревая металл до температуры воспламенения, после чего в зону реза подается режущий газ.
В лазерах используются различные газовые смеси в качестве рабочего тела лазера (газа-резонатора), включающие от 3 до 6 компонентов (углекислота, гелий, аргон, азот, водород и др.); азот высокой чистоты используется также как режущий газ для резки нержавеющих сталей; режущий кислород применяется для резки обычных конструкционных сталей.
Процесс лазерной резки металлов может выполняться с высокой скоростью, ограничением на сегодняшний день является толщина реза, лимитируемая 15-20 мм. Преимущества лазерной сварки: маленькая ширина реза; минимальные деформации поверхности по отношению к другим методам резки.
Сварка. В соответствии с ГОСТ 2601-74 сварка определяется как процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании или совмес¬тным действием того и другого.
Неразъемные соединения, выполненные с помощью сварки, называют сварными соединениями. Чаще всего с помощью сварки соединяют детали из металлов.
Всего существует более 150 разновидностей сварки. Основными видами сварки, в которых используются промышленные газы, являются электродуговая сварка в защитных газах и газовая сварка.
Электродуговая сварка. Разработка дуговой сварки обусловлена открытием электричес¬кой дуги в 1802 г. русским физиком В.В. Петровым. Источником нагрева при дуговых способах сварки является сварочная дуга, представляющая собой устойчивый электрический разряд, происходящий в газовой среде между двумя электродами или электродом и деталью.
Впервые для соединения металлических частей с помощью электрической дуги, горящей между неплавящимся угольным электродом и свариваемым изделием, было осуществлено Н.Н. Бенардосом в 1882 г. При необходимости в сварочную ванну дополнительно подавался приса¬дочный материал. В 1888 г. русский инженер Н.Г. Славянов усо¬вершенствовал процесс, заменив неплавящийся угольный электрод на плавящийся металлический. Тем самым было достигнуто объединение функций электрода для существования дугового раз¬ряда и присадочного металла для образования ванны. Предложен¬ные Н.Н. Бенардосом и Н.Г. Славяновым способы дуговой сварки неплавящимся и плавящимся электродами легли в основу разра¬ботки наиболее распространенных современных способов дуговой сварки.
В промышленном использовании под электродуговой сваркой в среде защитных газов понимают следующие виды сварки:
— сварка плавящимся электродом в среде инертных защитных газов или MIG-сварка;
— сварка плавящимся электродом в среде активных защитных газов или MAG-сварка;
— сварка неплавящимся электродом в среде инертных защитных газов или TIG- сварка;
— защита корня шва
MIG-MAG-сварка является наиболее распространенным методом неразъемного соединения деталей. Основными преимуществами данного способа сварки является высокая производительность и простая возможность автоматизации процесса. Принцип MIG-MAG сварки заключается в постоянной подаче металлической проволоки в зону сварки, которая затем плавится в дуге. Проволока играет две роли – токопроводящего электрода и присадочного материала. Качество сварки зависит от правильного выбора режимов работы сварочного аппарата (напряжения дуги, силы тока, скорости подачи проволоки), а также от правильного выбора параметров защитного газа.
Защитный газ подается в зону сварки через сопло горелки, и защищает дугу и сварочную ванну от окружающего воздуха. Так как расплавленный металл является химически активным и может взаимодействовать с защитным газом, то в зависимости от способа взаимодействия произошло и название способов сварки. В MIG-сварке инертные защитные газы (аргон, гелий, азот) химически не реагируют с металлом в сварочной ванне. В MAG-сварке активные защитные газы – углекислый газ и кислород вносят дополнительное положительное воздействие на процесс сварки.
До недавнего времени углекислый газ был основным защитным газом в MAG-сварке, но сейчас уступил свое место защитным смесям на основе аргона с добавлением углекислого газа и кислорода. Сварочные смеси аргона и углекислоты являются наилучшим видом защитного газа для сварки стальных конструкций и изделий, они имеют огромные преимущества по сравнению с чистым углекислым газом по качеству и надежности сварных швов, производительности работ и многим другим показателям.
Сварка неплавящимся электродом – TIG-сварка основана на использовании дуги, которая возникает между свариваемым металлом и неплавящимся электродом, изготавливаемого обычно из вольфрама. Присадочный материал подается в зону дуги со стороны и в электрическую цепь не включен. Данный способ сваривания позволяет сваривать практически все свариваемые металлы, алюминий, медь, их сплавы, а также титан. Применяемые газы – аргон, гелий, смеси аргона и гелия, аргона и водорода. Использование смесей позволяет получить лучшие технологические и прочностные характеристики шва по сравнению со сваркой в моногазах. TIG-сварка обычно не используется в массовом производстве из-за низкой производительности процесса и трудностей автоматизации.
Защита корня шва применяется в случаях, когда по технологическим или конструкционным требованиям не допускается окисление корня шва. В таких случаях целесообразно использование инертных газов – аргона или азота, а также их смеси с водородом. Применение водорода в качестве газа-восстановителя позволяет практически полностью избежать появления цветов побежалости при сварке нержавеющих сталей.
MIG-MAG сварка может использоваться для сварки низко- и высоколегированных (нержавеющих) сталей, термически обработанных сталей, сталей с гальваническим и алюминиевым покрытием, никелевых сплавов, а также для сварки конструкций из алюминия, меди и их сплавов. Новым применением метода является высокопроизводительная пайка MIG-MAG в среде защитного газа. Для этого метода характерно различное сочетание соединяемых материалов: железо-железо, медь-железо и пр.
Газовая сварка и пайка. Газовая сварка была самым первым способом получения сварочных соединений, используя поначалу водородно-кислородное пламя. С открытием ацетилена появилась возможность успешно расплавлять сталь, чугун и другие металлы, и в настоящее время газовая сварка в основном производится с применением горючего газа — ацетилена и кислорода. Это обусловлено тем, что только ацетилен позволяет добиться нейтрального пламени. Газовая сварка обладает хорошими качественными и прочностными характеристиками, а также не требует тщательной подготовки свариваемых материалов или рабочего места. Основное достоинство газовой сварки — это возможность применения ее в труднодоступных местах при сварке трубопроводов, готовых металлических конструкций и т.п. Принимая все это во внимание, газовая сварка получила самое широкое распространение при выполнении ремонтных или восстановительных работ.
Газовая пайка, как и газовая сварка, является методом соединения металлов. Основным отличием от газовой сварки является то, что при помощи газовой пайки является возможным соединение двух различных типов металла. Газовая пайка позволяет создавать надежное соединение и с успехом применяется в процессах, не требующих большой интенсивности пламени и присоединения тонких материалов. Для газовой пайки в роли окислителя ацетилена может выступать как кислород, так и атмосферный воздух. Также как горючие газы могут применяться пропан, МАФ, водород.
Инновационные способы сварки. Появившиеся в последнее время способы сварки используют новейшие достижения современной науки. Интерес представляют лазерная и плазменная сварка, ограничение по применению которых определяются лишь ценой оборудования. Однако по мере развития их производства цена оборудования будет уменьшаться, что приведет к возрастанию доли применения этих видов сварки. Использование лазерной и плазменной сварки очень интересно для газовых компаний, так как требует большого количества чистых газов и газовых смесей.
Лазерная сварка. Лазерная сварка с использованием CO2-лазеров получила широкое распространение в разных отраслях промышленности. CO2-лазеры в основном используют для сварки кузовов автомобилей, компонентов трансмиссий и специальных листовых заготовок. Лазерная сварка высокой мощности отличается образованием узких сварных швов сравнительной большой глубины. Энергия лазера плавит и испаряет металл. Проплавление имеет форму конуса. Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где он и кристаллизуется. Высокая концентрация теплоты в световом пятне лазера позволяет практически все металлы довести не только до расплавления, но и до кипения. Поэтому лазер можно использовать для сварки тугоплавких металлов. Сварочные газы процесса – аргон, гелий, азот, смеси аргона и гелия, аргона и углекислого газа, аргона и кислорода. Защитные газы процесса – аргон, гелий, азот, смеси азота и водорода.
Плазменная сварка. Плазменная сварка – это процесс плавления металла направленным потоком дуговой плазмы (плазменной струей) и является продолжением сварки TIG, но со следующими отличиями:
— принудительная подача в дугу плазмообразующего газа;
— сжатие дуги в специальном плазмотроне.
За счет фокусировки дуги и потока плазмообразующего газа достигается высокая плотность энергии, что позволяет эффективно сваривать различные металлы.
В качестве плазмообразующего газа используются инертные газы – аргон и гелий. Защитная атмосфера создается из аргона, смеси аргона и гелия, смеси азота и водорода.
Плазменная сварка может использоваться:
— авиастроение, ракетная техника, автомобилестроение;
— приборостроение, электронное, электротехническое машиностроение;
— химическое машиностроение, производство резервуаров и котлов;
— для изготовления оборудования пищевой промышленности и др.
