Сварочное пламя используется в процессах газовой сварки и резки. От кислорода и ацетилена (состав горючей смеси) зависит внешний вид, температура и влияние сварочного пламени на расплавленный металл. Для того чтобы изменить свойства сварочного пламени, нужно изменять состав горючей смеси. Во время сгорания ацетилена в воздухе без добавления кислорода, пламя будет иметь желтоватый цвет и длинный факел без светлого ядра. Естественно данное пламя будет не пригодно для сварки потому, что имеет низкую температуру и сильно коптит, в тоже время выделяя много сажи несгоревшего углерода. Если же в данное пламя добавить кислород (открыть кислородный вентиль горелки), то цвет и форма пламени резко изменится и повысится температура.
Во время изменения соотношения кислорода и ацетилена в горючей смеси, можно получить 3 основных вида сварочного пламени:
- науглероживающее (ацетилен в избытке);
- нормальное (восстановительное);
- окислительное (кислород в избытке).
Для большинства металлов при сварке применяют нормальное пламя. Из теории оно получается, когда в смесь на один объем ацетилена подается один объем кислорода, т.е. 1:1. За счет кислорода смеси, сгорает ацетилен по реакции: C2H2+O2=2CO+H2 – 1 фаза горения
За счет кислорода, который поступает из окружающего воздуха, уже происходит дальнейшее горение по реакции: 2СО+Н2+1,5О2=2СО2+Н2О – 2 фаза горения
Образующиеся в пламени окиси углерода и водорода, раскисляют металл, восстанавливая из окислов металл в сварочной ванне. Если использовать смеси с соотношением 1:1 объемов кислорода и ацетилена, металл шва получается достаточно однородным, без пор, газовых пузырей и включений окислов. При избытке кислорода в смеси до 30% против теоретического за счет поступления его из окружающего воздуха, можно получить практически нормальное восстановительное пламя. И за счет этого соотношение ацетилена и кислорода изменяется от 1:1 до 1:1,3. Если пламя имеет светлое ядро, несколько темную восстановительную зону и факел, то это пламя нормальное.
Ядро должно иметь четкую форму, близкую к форме цилиндра с закругленным концом и ярко светящуюся оболочку, которая состоит из раскаленных частиц углерода. В наружном слое оболочки происходит сгорание этих частиц. Диаметр и длина являются размерами ядра пламени. Диаметром канала мундштука и расходом горючей смеси определяется диаметр ядра. В комплекте с горелкой присутствует набор мундштуков нескольких номеров. Чем больше номер мундштука и расход горючей смеси, тем больше диаметр ядра.
Скоростью истечения газовой смеси определяется длина ядра пламени. Основным фактором определяющим устойчивость горения пламени является скорость истечения газовой смеси.
Когда происходит маленькая скорость истечения газовой смеси пламя склонно к образованию хлопков и обратных ударов, а когда происходит завышение скорости истечения газовой смеси, пламя выдувает расплавленный металл из сварочной ванны.
Обычно восстановительная зона имеет более темный цвет, отличающийся от цвета ядра и остальной части пламени. В зависимости от номера мундштука она занимает пространство в пределах 20 мм от конца ядра. Сама же восстановительная зона состоит из окиси углерода и водорода и имеет наиболее высокую температуру в точке, отстоящей на 2-6 мм от конца ядра. Именно этой зоной пламени нагревают и расплавляют металл в процессе сварки.
Факелом называется остальная часть пламени, расположенная за восстановительной зоной и состоит из углекислого газа, паров воды и азота, которые появляются в пламени при сгорании окиси углерода и водорода восстановительной зоны за счет кислорода окружающего воздуха. Температура факела значительно ниже температуры восстановительной зоны.
Итого получается в восстановительной зоне, в точке отстоящей чуть дальше от конца ядра, достигается максимальная температура ацетилено-кислородного пламени 3150°С, а при метан-кислородном пламени максимальная температура, равная 2150°С может быть достигнута на расстоянии 3-3,5 длины ядра от среза мундштука горелки. Максимальная температура пропан-бутан-кислородное пламя достигает 2400°С на расстоянии 2,5 длины ядра от среза мундштука.
Эти ориентировочные данные предоставлены для того, чтобы сварщик мог наиболее рационально использовать пламя горелки при сварке металла заданной толщины.
При увеличении подачи кислорода или уменьшении подачи ацетилена, до величины объема кислорода в смеси, превышающей в 1,3 объем ацетилена получается окислительное пламя. Окислительное пламя имеет укороченное заостренное ядро с менее резкими очертаниями и бледным цветом. Температура окислительного пламени выше, чем температура нормального восстановительного пламени. Свариваемый металл из-за такого пламени сильно окисляется, что приводит к получению хрупкого и пористого шва и выгоранию полезных примесей кремния и марганца. Возможно применение окислительного пламени при сварке сталей, но при этом необходимо использовать присадочную проволоку, в которой содержится повышенное содержание марганца и кремния, являющиеся раскислителями.
При уменьшении подачи кислорода или увеличении подачи ацетилена получается науглероживающее пламя. Данное пламя образуется при подачи в горелку 0,95 и менее объема кислорода на один объем ацетилена. Хотелось бы добавить, что в науглероживающем пламени размеры зоны сгорания увеличиваются, ядро теряет резкие очертания, оно становится расплывчатым, а на конце ядра появляется зеленый венчик, по которому судят о наличии избытка ацетилена. Пламя принимает желтоватую окраску, а восстановительная зона светлеет и почти сливается с ядром. Когда избыток ацетилена очень велик, пламя начинает коптить, так как не хватает кислорода и не получатся полного сгорания ацетилена. Избыточный ацетилен разлагается на водород и углерод. Ацетиленистое пламя будет науглероживать металл шва, так как углерод переходит в металл шва. Температура нормального пламени будет выше температуры этого пламени. Для того чтобы перевести ацетиленистое пламя в нормальное, нужно уменьшать подачу ацетилена в горелку до полного исчезновения зеленого венчика на конце ядра. Применение пламени с избытком ацетилена происходит при наплавке твердых сплавов, а также при сварке алюминиевых сплавов и магниевых.
От состава сварочного пламени зависят качество наплавленного металла и прочность сварного шва. Именно поэтому сварщики должны обращать особое внимание на характер и правильность регулирования сварочного пламени. По форме и цвету пламени, определяется характер пламени сварщиком на глаз. Во время формирования шва учитываются два основных фактора:
-угол наклона мундштука;
-скорость истечения газовой смеси.
Сварочное пламя должно обладать достаточной тепловой мощностью, которую выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла и его физических свойств. Во время изменения тепловой мощности пламени, можно в довольно широких пределах регулировать скорость нагрева и расплавления металла, что является одним из их положительных качеств процесса газовой сварки.
Это следует помнить, КПД использования теплотворной способности горючего при газовой сварке равно всего лишь 7%. При сгорании ацетилена, выделяющееся тепло расходуется следующим образом: КПД для расплавления металла равно 6-7%.
Тепловые потери:
- от неполноты сгорания 55-63%;
- с отходящими газами 13-15%;
- на излучение и конвенцию 9-10%;
- на нагрев прилегающих к шву участков 15-18%;
- от угара и разбрызгивания металла 1-2%.