Сварка, резка и пайка металлов

Сварочные горелки

Сварочная горелка является рабочим инструментом газосварщика и создаёт газосварочное пламя, нагревающее и расплавляющее металл. Современная сварочная горелка должна отвечать многим строгим требованиям: должна давать устойчивое сварочное пламя требуемой формы, иметь точную регулировку, устойчиво поддерживать установленный режим пламени, иметь достаточную прочность, не требовать частого ремонта, быть простой, удобной и безопасной в эксплоатации , иметь минимальный возможный вес и т. д. Этим требованиям в достаточной степени могут удовлетворять лишь хорошо сконструированные горелки, тщательно и точно изготовленные из качественных материалов. Над дальнейшим усовершенствованием газосварочных горелок промышленность усиленно работает и в настоящее время.

Основным материалом для изготовления горелок служит латунь, мундштук изготовляется из красной меди. Иногда для уменьшения веса в горелках применяются лёгкие алюминиевые сплавы. Сварочные горелки могут быть построены для различных горючих газов, сжигаемых в смеси с кислородом или воздухом. В дальнейшем будут рассмотрены преимущественно ацетилено-кислородные горелки, занимающие доминирующее положение в сварочной технике. Эти горелки строятся различной мощности, позволяющей сваривать сталь толщиной от 0,2 до 30 мм, однако специальные типы горелок могут иметь и большую мощность.

По важнейшему конструктивному признаку сварочные горелки могут быть разделены на два основных типа: горелки инжекторные , или низкого давления, и безинжекторные , или высокого давления. Принадлежность горелки к тому или другому типу определяется наличием или отсутствием в ней инжектора для подсоса горючего газа.

Необходимость применения инжектора обусловливается давлением горючего газа. Если горючий газ имеет достаточно высокое давление, не менее 0,5 атм , то он может поступать в горелку самотёком, и горелка может не иметь инжектора. Безинжекторная горелка может работать лишь при достаточно высоком давлении горючего газа, поэтому она называется горелкой высокого давления. Если же давление горючего газа незначительно (менее 0,5 атм ), то необходима, кроме того, принудительная подача или подсос горючего газа, что осуществляется специальным инжектором, встраиваемым в горелку. Поэтому инжекторные горелки называются горелками низкого давления. Такая горелка может хорошо работать уже при давлении горючего газа 0,005 атм. Горелка низкого давления может работать и при высоком давлении горючего газа (свыше 0,5 атм ), но в этом случае применимы и горелки высокого давления. При давлениях менее 0,5 атм инжекторная горел-ка становится незаменимой, единственно пригодной.

Инжекторная горелка более универсальна, так как она пригодна для горючего газа как низкого, так и высокого давления. Ввиду того, что в горелке высокого давления отсутствует инжектор, по конструкции она проще горелки низкого давления.

Устройство безинжекторной горелки высокого давления схематически показано на фиг. 134, а. Кислород поступает в горелку по резиновому шлангу и через приёмный ниппель и регулировочный вентиль 1 проходит в смеситель 5, где поток кислорода разбивается на тонкие струйки для лучшего смешивания с горючим газом, после чего проходит в сопло смешения 4. Совершенно аналогичный путь проходит горючий газ, поступающий в горелку через регулировочный вентиль 2. Из сопла смешения смесь горючего газа с кислородом поступает в камеру смешения 5, где вследствие увеличения сечения газового потока скорость его уменьшается и заканчивается смешение кислорода с горючим газом, дающих на выходе из камеры смешения однородную по всему объёму горючую смесь. Из камеры смешения 5 готовая смесь проходит по трубке наконечника 6 и через калиброванный канал мундштука 7 выходит наружу, где и сгорает, образуя сварочное пламя.

Для образования нормального сварочного пламени горючая газовая смесь должна вытекать из канала мундштука горелки с определённой скоростью, отвечающей скорости горения смеси. При увеличении скорости истечения газовой смеси сверх нормы пламя отрывается от мундштука, всё более удаляется от его среза с увеличением скорости и, наконец, потухает. При уменьшении скорости истечения газовой смеси из мундштука пламя проскакивает через канал мундштука внутрь горелки, происходит воспламенение и взрыв горючей смеси внутри горелки.

Таким образом, сварочная горелка может нормально работать лишь при определённой постоянной скорости истечения газовой смеси из мундштука, могущей изменяться лишь в небольших пределах. Эта нормальная скорость истечения зависит от состава газовой смеси, диаметра выходного канала и конструкции мундштука. Для ацетилено кислородной смеси эта скорость для различных размеров горелок лежит в пределах от 70 до 160 м/сек. Для создания такой скорости на выходе из мундштука и преодоления внутренних

-сопротивлений горелки требуется, как показывает опыт, давление газа на входе в горелку порядка 0,5—0,7 ати. Требующееся давление примерно одинаково как для кислорода, так и для ацетилена. Поэтому безинжекторные горелки иногда называются горелками равного давления.

Безинжекторные горелки могут быть построены как для ацетилена, так и для других горючих газов: водорода, метана.

Горелки высокого давления сравнительно просты по устройству, хорошо поддерживают постоянство состава газовой смеси, дают устойчивое сварочное пламя. Несмотря на эти положительные качества, горелки высокого давления в нашей промышленности применяются очень редко потому, что они могут работать лишь на ацетилене высокого давления, а промышленность пользуется главным образом ацетиленом низкого или среднего давлений, недостаточных для питания безинжекторных горелок.

Промышленное применение находят почти исключительно инжекторные горелки или горелки низкого давления. Схема устройства такой горелки показана на фиг. 134, 6. Кислород под давлением 3—4 атм поступает в горелку через ниппель и регулировочный вентиль 1, проходит в конус инжектора 3, идёт по узкому каналу инжекторного конуса и выходит с большой скоростью в расширяющуюся камеру смешения 5. Вырываясь с большой скоростью из узкого канала инжекторного конуса 3, кислород создаёт значительное разрежение в камере инжектора 4 и тем самым принудительно засасывает или инжектирует горючий газ (обычно ацетилен), поступающий через ниппель и вентиль 2 в камеру инжектора, из которой поступает в камеру смешения 5 и оттуда, в смеси с кислородом, с надлежащей скоростью движется по трубке наконечника 6 и выходит из горелки по каналу мундштука 7. Под действием инжектирующей струи кислорода давление в камере инжектора падает ниже атмосферного. В нормальных советских сварочных горелках разрежение в камере инжектора составляет от 1000 до 3500 мм вод. ст. для разных размеров наконечников, а давление кислорода, поступающего в горелку для нормальной работы инжектора, должно быть около 3—3,5 атм.

Расход кислорода в инжекторной горелке остаётся практически постоянным и мало зависит от таких факторов, как нагрев мундштука горелки, изменение сопротивления истечению газов из канала мундштука и т. д. Напротив, расход ацетилена легко изменяется от влияния различных факторов и может значительно и быстро меняться, нарушая нормальный состав газовой смеси, выходящей из горелки и поступающей в сварочное пламя. Сильное влияние на расход ацетилена в инжекторной горелке и поступление его в сварочное пламя оказывают нагрев мундштука и наконечника горелки, увеличение сопротивления выходу газов из мундштука, изменение давления газов, поступающих в горелку.

Нагревание наконечника горелки вызывает ослабление инжектирующего действия кислорода и уменьшение разрежения в камере инжектора, что уменьшает поступление ацетилена в горелку. Поскольку поступление кислорода в горелку при этом остаётся практически постоянным, то содержание ацетилена в газовой смеси уменьшается против нормы и усиливается окислительное действие сварочного пламени.

Для восстановления нормального состава смеси и характера сварочного пламени сварщик должен периодически, по мере возрастания нагрева наконечника горелки, усиливать поступление ацетилена в горелку, увеличивая открытие ацетиленового вентиля горелки.

Сопротивление истечению смеси из мундштука может возрастать, например, вследствие засорения канала мундштука брызгами металла и пр. и, что особенно важно, вследствие приближения горелки к изделию, отчего уменьшается расстояние от среза мундштука до поверхности изделия. Увеличение сопротивления истечению газовой смеси увеличивает давление в трубке наконечника и действует аналогично повышению температуры наконечника, уменьшая содержание ацетилена в смеси и усиливая окислительное действие пламени.

Повышение давления кислорода на входе в горелку увеличивает содержание кислорода в смеси, понижение — уменьшает. Изменение давления ацетилена на входе в горелку влияет на состав газовой смеси противоположным образом: повышение давления обогащает смесь ацетиленом, понижение давления уменьшает содержание ацетилена в смеси.

Таким образом, инжекторная горелка не обеспечивает постоянства состава газовой смеси, так как состав меняется в процессе сварки и сварщик должен непрерывно следить за характером пламени и корректировать состав смеси ацетиленовым вентилем горелки.

Непостоянство состава смеси является существенным недостатком инжекторной горелки. Основным её преимуществом является возможность работать на любом низком давлении ацетилена, начиная с 50 мм вод. ст. Это преимущество является решающим, и в настоящее время наша промышленность пользуется почти исключительно инжекторными горелками, поскольку производство ацетилена высокого давления, достаточного для питания безинжекторных горелок, пока ещё очень незначительно. Однако инжекторная горелка может работать на ацетилене не только низкого, но и высокого давления. Эта универсальность в отношении давления ацетилена является ценным техническим преимуществом инжекторной горелки. Чем выше давление ацетилена, тем лучше работает инжекторная горелка. Изменения состава газовой смеси под влиянием нагрева горелки и увеличения сопротивления истечению смеси из мундштука особенно заметны при низком давлении ацетилена. С увеличением давления изменения состава смеси уменьшаются, и при работе на ацетилене высокого давления инжекторная горелка работает почти так же устойчиво, как и безинжекторная . Инжекторная сварочная горелка даёт сварочное пламя определённых размеров, изменение которых возможно лишь в незначительных пределах, так как значительное увеличение расхода газов вызывает отрыв пламени от мундштука и его потухание; уменьшение вызывает проскакивание пламени внутрь горелки и обратный удар, прекращающий работу горелки и требующий полного закрытия ацетиленового вентиля на горелке, последующего его открытия, нового зажигания и регулирования сварочного пламени. Для изменения размеров сварочного пламени, например при переходе на сварку другой толщины металла, необходимо взять горелку другого размера.

Для удешевления и упрощения инструментария сварщики обычно пользуются универсальными горелками с несколькими сменными наконечниками. Подобная горелка состоит из постоянной части — ствола и сменной части — наконечника, которые соединяются накидной гайкой. Ствол включает рукоятку, регулировочные вентили, присоединительные ниппели и трубки для газов.

Наконечник включает инжектор, смесительную камеру, трубку наконечника и мундштук. Каждый размер наконечника обозначается номером.

Для примера рассмотрим советскую инжекторную универсальную горелку СУ (фиг. 135), которая пригодна для сварки стали толщиной от 0,5 до 30 мм, для чего комплектная тарелка при одном стволе имеет восемь сменных наконечников № 0, 1, 2, 3, 4, 5у б и 7. Кислород поступает в горелку через трубку 5 и ниппель 1 на который надевается резиновый шланг. Ацетилен поступает через ниппель 2 в полую рукоятку 4. Расход газов регулируется вентилями 5 и 6, которые расположены, примерно, в середине рукоятки; что даёт сварщику возможность регулировать горелку, не прерывая работы, пальцами той же руки, которая держит рукоятку. Кроме того, такое расположение вентилей выгодно смещает центр тяжести горелки, улучшает баланс я уменьшает утомляемость сварщика. Кислород через регулировочный вентиль 5 поступает в центральный канал инжектора, а оттуда в камеру смешения и далее в трубку наконечника.

Существенным преимуществом горелки СУ является постоянное давление кислорода, равное 3 атм для всех восьми наконечников. Основные технические характеристики различных номеров наконечников приведены в табл. 16.

При зажигании горелки открывается сначала кислородный вентиль, и струя кислорода создаёт разрежение в камере инжектора, лроизводя подсос ацетилена. Затем открывается ацетиленовый вентиль, и зажигается пламя горелки. Пламя регулируется ацетиленовым вентилем до получения надлежащего характера пламени и состава газовой смеси, при этом индикатором служит внутренняя часть пламени, так называемое ядро пламени, его размеры, очертания и цвет.

Тушение горелки производится в обратном порядке: сначала закрывается ацетиленовый вентиль, а затем кислородный. Ацетиленовый вентиль перекрывается также при обратных ударах, замеченных неисправностях горелки и т. п. Неисправность горелки обычно сказывается на внешнем виде пламени, которое получает неправильную форму.

Сварочная горелка является достаточно сложным и точно изготовленным инструментом и требует аккуратного и бережного обращения. При перерывах в работе горелка вешается на стойку или крючок у рабочего места. При значительном нагреве горелка охлаждается обмакиванием в ведро с водой, находящееся у рабочего места сварщика: кислородный вентиль при этом немного открыт, что устраняет возможность попадания воды внутрь горелки. Прочистка канала мундштука может производиться лишь медными или латунными прочищалками . Пользование для этой цели стальной проволокой запрещается, так как она царапает и разрабатывает канал мундштука и быстро приводит его в негодность.

Помимо обычных стандартных широко распространённых в промышленности сварочных горелок, существуют многочисленные специальные типы горелок, применяющиеся сравнительно редко. Можно отметить специальные формы наконечников для сварки в труднодоступных местах, двух- и трёхпламенные горелки, горелки для подогрева, горелки для пайки, у которых мундштук имеет боковые отверстия для подсоса воздуха, снижающего слишком высокую температуру ацетилено-кислородного пламени, особо мощные горелки с водяным охлаждением и т. д. Все эти специальные горелки имеют в нашей промышленности довольно ограниченное применение.

В последние годы появились специальные многопламенные сварочные горелки с большим количеством огней в одной горелке. Эти горелки несомненно являются новым и важным усовершенствованием техники газовой сварки и будут ниже рассмотрены более подробно.