Wydział Budowy Maszyn I Zarządzania Instytut Inżynierii Materiałowej Zakład Obróbki Cieplnej i Spawalnictwa
Imię i nazwisko: Paweł Łukaszewicz	Semestr: III
Temat referatu: Spawanie palnikiem acetylenowo-tlenowym.

Źródłem ciepła w spawaniu acetylenowym jest płomień, który powstaje przez spalanie mieszanki acetylenu z tlenem. Zmieszanie gazów w odpowiedniej proporcji, uzyskanie płomienia oraz kierowanie nim odbywa się w palniku, do którego doprowadzane są oba gazy. Spawanie wykonuje się na ogół z dodawaniem drutu jako spoiwa: stapia się on w płomieniu palnika równocześnie z brzegami łączonego materiału.

1. Charakterystyka gazów stosowanych w spawaniu acetylenowo-tlenowym.

Podstawowymi gazami stosowanymi w procesach spawania są acetylen oraz służący do jego spalania tlen. Niekiedy stosowane są również inne gazy jak np. wodór lub metan.

Acetylen. Do wytwarzania acetylenu używa się karbidu otrzymywanego w łuku elektrycznym z tlenku wapnia i koksu. W wysokiej temperaturze między koksem i tlenkiem wapnia (wapno palone) zachodzi reakcja:

CaO + 3C = CaC₂ + CO

w wyniku której otrzymuje się ciekły karbid (węglik wapnia). Po skrzepnięciu czysty karbid jest bezbarwny. Zwykle jednak zawiera on znaczne ilości (do 20%) zanieczyszczeń i z tego powodu ma najczęściej barwę ciemnoszarą.

Działanie wody na karbid powoduje wydzielanie się acetylenu i powstawanie wodorotlenku wapnia. Reakcja jest egzotermiczna i przebiega według wzoru:

CaC₂ + 2H₂O = C₂H₂ + Ca(OH)₂

Urządzenie do wytwarzania acetylenu zwane wytwornicą ma postać zbiornika, w którym zachodzi reakcja między węglikiem wapnia i wodą. Wytworzony w zbiorniku acetylen podlega następnie oczyszczaniu w celu usunięcia z niego pyłu, pary wodnej, siarkowodoru i innych zanieczyszczeń.

W praktyce z 1kg karbidu można uzyskać około 300l acetylenu (C₂H₂) w temperaturze około 0*C i pod ciśnieniem 760mm słupa rtęci. Wartość opałowa acetylenu w porównaniu z innymi gazami jest znaczna i wynosi około 13 tys. kcal/m³. Jednakże o przydatności tego gazu w procesach spawania decyduje bardzo duża szybkość spalania, która wynosi około 1350 cm³/s oraz wysoka temperatura płomienia z tlenem wynosząca około 3100*C. Dla porównania wartość opałowa butanu wynosi około 30 tys. kcal/m³, szybkość spalania 370 cm³/s, a temperatura płomienia z tlenem 2830*C.

Acetylen jest niebezpieczny w użyciu ze względu na możliwość wybuchu, jeżeli zostanie zmieszany z tlenem lub powietrzem. Czysty acetylen również może wybuchnąć, jeżeli zostanie ogrzany w stanie sprężonym. Jest również niebezpieczny w zetknięciu z tlenkami miedzi.

Acetylen po oczyszczeniu można przechowywać w butlach stalowych malowanych dla odróżnienia na biało pod ciśnieniem 15 atmosfer. Do tego celu stosuje się specjalne butle wypełnione masą porowatą i acetonem, w którym bardzo łatwo rozpuszcza się acetylen. Zajmuje on około 50% objętości butli. Znajdująca się w butli masa porowata ma za zadanie powiększenie powierzchni acetonu i przez to ułatwienie rozpuszczania się w nim acetylenu, a podczas rozładowywania butli równomierne jego wydzielanie. Cała masa porowata i acetylen wypełniają butle równomiernie.

W acetonie pod normalnym ciśnieniem i w temperaturze 15*C rozpuszcza się około 25l acetylenu na 1l acetonu. Rozpuszczalność acetylenu w acetonie maleje w miarę wzrostu temperatury. Wzrost ciśnienia wpływa proporcjonalnie na wzrost rozpuszczalności. Rozpuszczony w acetonie acetylen można sprężać do 20 atmosfer bez obawy wybuchu. Sprężanie natomiast acetylenu gazowego grozi wybuchem. Sprężanie natomiast acetylenu gazowego grozi wybuchem, gdy ciśnienie osiągnie wartość około 2 atmosfer. Ilość zmagazynowanego acetylenu można określić na podstawie ciężaru butli, uwzględniając wybity w okolicach zaworu ciężar pustej butli. Z butli nie należy pobierać więcej niż 800l na godzinę. Przy szybszym rozładowywaniu butli acetylen pobiera ze sobą cząsteczki acetonu, powodując jego straty. Przeciążenie butli powoduje również wahania się temperatury płomienia, co wpływa niekorzystnie na przebieg skrawania.

Tlen. W celu uzyskania najwyższej temperatury płomienia przeprowadza się spalanie gazów w atmosferze czystego tlenu. Do wytwarzania tlenu stosuje się najczęściej metodę Lindego, polegającą na skraplaniu powietrza przez kolejne jego sprężanie i rozprężanie. Podczas rozprężania gazu następuje jego oziębianie. Wielokrotne powtórzenie sprężania i rozprężania powietrza powoduje jego skraplanie.

Składniki powietrza można oddzielić przez odparowanie, ponieważ różna jest ich temperatura wrzenia. Tlen wrze pod normalnym ciśnieniem w temperaturze -182,5*C, a azot w temperaturze -195,8*C.

Po odparowaniu tlenu ładuje się go za pomocą sprężarki do stalowych butli malowanych na niebiesko, gdzie magazynowany jest pod ciśnieniem 150 atmosfer.

2. Reduktory.

Pobieranie gazów z butli wymaga stosowania urządzeń obniżających ciśnienie tzw. reduktorów. Zadaniem ich jest obniżenie ciśnienia wylotowego gazu do wysokości ciśnienia roboczego, a następnie utrzymanie go bez zmian przez cały czas pracy urządzenia, mimo że ciśnienie butli maleje w miarę jej opróżniania.

Na rysunku obok wyjaśniono budowę reduktora i jego działanie. Grzybek 3 pod naciskiem górnej sprężyny 2 dociskany do gniazda zaworu zamyka dopływ acetylenu z butli. Manometr 1 mierzy ciśnienie panujące w butli. W celu otwarcia zaworu należy śrubą 8, za pośrednictwem sprężyny 7, wywrzeć nacisk na przeponę 6, która powoduje podniesienie się grzybka zaworu. Otwarcie zaworu umożliwia przedostanie się gazu do przestrzeni A, w której następuje rozprężanie. Manometr 4 mierzy ciśnienie gazu po rozprężeniu. Z komory A gaz przedostaje się przewodem 5 do palnika.

Jeżeli wskutek zużycia gazu ciśnienie w butli zmaleje, to również zmaleje nacisk wywierany przez gaz na przeponę 6. Wskutek tego sprężyna 7 podniesie ją nieco ku górze, a tym samym szerzej otworzy się zawór 3, przez który wejdzie teraz więcej gazu. Zwiększony dopływ gazu spowoduje ustabilizowanie się ciśnienia na poprzednim poziomie, dzięki czemu warunki pracy palnika nie ulegną zmianie.

3. Palniki.

Warunkiem dobrego spawania gazów jest ich dobre wymieszanie z tlenem. Do tego celu służy palnik. Zależnie od sposobu działania rozróżniamy palniki wysokiego ciśnienia oraz palniki niskiego ciśnienia.

Na rysunku poniżej przedstawiono schemat działania palnika wysokiego ciśnienia. W palnikach wysokiego ciśnienia oba mieszające się gazy są doprowadzane pod prawie jednakowym ciśnieniem, wynoszącym 0,1-1 atmosfery. Obie rury doprowadzające gaz do palnika łączą się ze sobą tworząc komorę mieszania. Dzięki temu gazy płynące dotychczas oddzielnie spotykają się ze sobą i ulegają wymieszaniu.

Gdy różnica między ciśnień między tlenem i acetylenem jest znaczna, stosuje się palnik niskiego ciśnienia, którego schemat przedstawiono na rysunku poniżej. Jest to palnik smoczkowy, w którym podczas przepływu gazu o wyższym ciśnieniu przez środkową dyszę następuje zasysanie gazu ze zbiornika o niskim ciśnieniu. Zwykle gazem o wyższym ciśnieniu jest tlen pobierany z butli, a gazem o niskim ciśnieniu acetylen. Wypływający ze środkowej rury tlen ma ciśnienie 1,1-1,4 atmosfery. Acetylen ulegający zassaniu ma ciśnienie wynoszące zaledwie 100-1000mm słupa wody.

Palniki niskiego ciśnienia są bardziej uniwersalne od palników wysokiego ciśnienia, gdyż mogą być użyteczne również w przypadku dostarczania acetylenu pod wysokim ciśnieniem.

4. Płomień Acetylenowo-tlenowy.

Prawidłowo uregulowany płomień palnika decyduje w znacznej mierze o wyniku spawania. Płomień acetylenowo-tlenowy można podzielić na trzy następujące części, licząc od wylotu palnika: jądro 1, stożek 2 oraz kitę 3. W jądrze płomienia zachodzi częściowy rozpad acetylenu na wodór i węgiel, którego rozżarzone cząsteczki świecą jaskrawym, oślepiającym blaskiem. Poczynając od granicy jądra, w stożku płomienia zaczyna się spalanie wodoru na parę wodną i węgla na tlenek węgla. W tej strefie jak widać z poniższego wykresu panuje najwyższa temperatura. W kicie płomienia następuje spalanie tlenku węgla powstałego w środkowej części płomienia na dwutlenek węgla. W tej części płomienia spalanie następuje przy częściowym udziale tlenu pobieranego z powietrza. Palący się tlenek nadaje płomieniowi charakterystyczne niebieskawe zabarwienie.

Składniki gazowe płomienia mogą działać utleniająco (O₂), nawęglająco (C₂H₂) lub redukująco (H₂). W zależności od wzajemnego stosunku paliwa do tlenu można uzyskać płomień redukujący, nawęglający lub utleniający.

Płomień redukujący odznacza się cylindrycznym jądrem, niewyodrębnionym stożkiem i dość długą kitą.

Płomień nawęglający, charakteryzuje się wyraźnie widocznym stożkiem oraz wydłużonym jądrem. Powstaje on wówczas, gdy spalanie przebiega przy nadmiarze acetylenu.

Płomień utleniający powstaje przy nadmiarze tlenu. Jego jądro jest wówczas skrócone i zaostrzone.

Spawanie powinno się odbywać płomieniem redukującym, tj. takim, w którym w najgorętszej strefie środkowej nie ma swobodnego węgla ani tlenu. Powinna się ona składać tylko z tlenku węgla i pary wodnej. Przed przystąpieniem do spawania należy uregulować płomień, rozpoczynając od regulacji acetylenu. Przy nadmiarze acetylenu zauważa się powstawanie wydłużonego i lekko zamazanego jądra, które podczas zmniejszania dopływu acetylenu staje się coraz wyraźniejsze i ostro zarysowane.

5. Techniki spawania gazowego.

O wyniki spawania decydują czynniki metalurgiczne, konstrukcyjne oraz technologiczne. Czynniki metalurgiczne dotyczą składu chemicznego materiału spawanego, spoiwa i topników oraz budowy wewnętrznej spoiny. Podczas spawania część metalu łączonego oraz spoiwo ulegają stopieniu pod wpływem ciepła. Oprócz tego część materiału łączonego ulega w okolicy powstającej spoiny wpływom ciepła, które wywołują w nim pewnie zmiany strukturalne.

Ze względu na rodzaj procesów zachodzących podczas spawania można w spoinie wyróżnić kilka stref. Są one przedstawione na rysunku poniżej oraz oznaczone następująco: 1 – przetopiony materiał spoiwa, 2 – przetopiony materiał spoiwa zmieszany ze stopionym materiałem rodzimym, 3 – materiał rodzimy, w którym pod wpływem ciepła podczas spawania nastąpiły zmiany w budowie, jest to tak zwana strefa wpływu ciepła,
4 – materiał rodzimy o niezmienionej budowie.

W strefie wpływu ciepła 3 można następnie rozróżnić dalsze obszary różniące się między sobą budową. Różnice te są wywołane rozkładem temperatury w strefie wpływu ciepła. W bezpośrednim sąsiedztwie materiału przetopionego znajduje się obszar częściowego przetopienia, w którym mogą się znaleźć zanieczyszczenia niemetaliczne – żużle i tlenki. Nieco dalej znajduje się obszar przegrzania odznaczający się gruboziarnistą strukturą. Materiał ma w tym obszarze zmniejszoną udarność i zmniejszone właściwości plastyczne, wskutek czego mogą tu powstawać pęknięcia. Im dalej od spoiny tym bardziej maleje wpływ ciepła na budowę materiału.

Ogólnie można powiedzieć, że w obszarze od granicy strefy przegrzania do granicy strefy wpływu ciepła materiał ulega wyżarzeniu, a jego budowa właściwości zależą w pewnym stopniu od wysokości temperatury panującej w określonym miejscu strefy wpływu ciepła.

Dla zabezpieczenia metali przed utlenianiem oraz w celu usunięcia tlenków powstałych w obszarze spawania stosuje się topniki podczas spawania. Jako topniki stosuje się głównie krzemionkę SiO₂, węglan potasu K₂CO₃ oraz węglan sodu Na₂CO₃. Po stopieniu topniki wraz z zanieczyszczeniami stanowią łatwo usuwalny żużel.

6. Metody spawania.

Rozróżniamy trzy zasadnicze metody spawania gazowego:

• Spawanie w lewo-do materiałów o grubości poniżej 3mm.

• Spawanie w prawo-do materiałów o grubości powyżej 3mm.

• Spawanie w górę-do materiałów wszystkich grubości.

a) Spawanie metodą w lewo-polega na prowadzeniu palnika od strony prawej do lewej, przy pochyleniu palnika pod kątem od 60° (przy materiałach grubszych), do 10°(przy materiałach cieńszych). Spoiwo podczas spawania prowadzi się pod kątem około 45°. Przy spawaniu metodą w lewo spoiwo jest prowadzone przed palnikiem. Płomień palnika roztapia brzegi metalu, tworząc otworek w dolnej części spawanego materiału. Spawacz prowadzi palnik prawą ręką, postępowym ruchem w lewo nie czyniąc nim żadnych ruchów bocznych. Bardzo ważne jest, aby spoiwo cały czas było w obrębie płomienia, gdyż rozgrzany jego koniec w zetknięciu z powietrzem szybko się utlenia i spawacz wprowadza do spoiny tlenki.

b) Spawanie metodą w prawo-stosuje się przeważnie do grubszych materiałów(ponad 3mm) wymagających ukosowania brzegów. Przy spawaniu w prawo palnik prowadzi się pod kątem 55°,a spoiwo pod kątem 45°. Spoiwo posuwa się za palnikiem od strony lewej do prawej. Palnikiem nie wykonuje się żadnych ruchów poprzecznych, lecz prowadzi się go równomiernie ruchem prostoliniowym wzdłuż brzegów spawanych. Spoiwem trzymanym w jeziorku stopionego metalu wykonuje się ruch(w kształcie półksiężyca lub elipsy) w kierunku poprzecznym do spoiny. Metodę spawania w prawo stosuje się do robót odpowiedzialnych, zwłaszcza rurociągów przeznaczonych do pracy na wysokie ciśnienie i trudne warunki eksploatacyjne (częste zmiany temperatury i ciśnienia)

c) Metodę spawania w górę -stosujemy do wszystkich grubości materiału, przy czym materiał o grubości powyżej 4mm powinien być spawany przez dwóch spawaczy jednocześnie. Palnik należy prowadzić pod kątem 30° do osi pionowej, a drut pod kątem około 20°. Palnik prowadzi się równomiernym ruchem prostoliniowym, a spoiwo ruchem skokowym. Metoda ta pozwala na łatwiejsze utrzymanie oczka oraz mniejsze zużycie gazów.