Сварочные горелки
Сварочная горелка является рабочим инструментом газосварщика и дает газосварочное пламя, нагревающее и расплавляющее металл. Современная сварочная горелка должна отвечать многим строгим требованиям: 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 эксплуатации, иметь минимально возможный вес и т. д. Этим требованиям в достаточной степени могут удовлетворять лишь хорошо сконструированные горелки, тщательно и точно изготовленные из качественных материалов.
Основным материалом для изготовления горелок служит латунь, мундштук изготовляют из красной меди, иногда для уменьшения веса горелок применяются легкие алюминиевые сплавы. Сварочные горелки могут быть изготовлены для различных горючих газов, сжигаемых в смеси с кислородом или воздухом. В дальнейшем будут рассмотрены преимущественно ацетилено-кислородные горелки, преобладающие в сварочной технике. Горелки имеют различную мощность, позволяющую сваривать сталь толщиной 0,2-30 мм; однако специальные типы горелок могут иметь и большую мощность; существуют горелки и для особо тонкого металла.
По важнейшему конструктивному признаку сварочные горелки могут быть разделены на два основных типа: горелки инжекторные, или низкого давления, и безынжекторные, 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 ати, то он может поступать в горелку самотеком, и горелка может не иметь инжектора. Безынжекторная 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 ати), то необходима, кроме того, принудительная подача или подсос горючего газа, что осуществляется специальным инжектором,
Кислород встраиваемым в горелку. Поэтому инжекторные горелки называются горелками низкого давления. Такая горелка может 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 горелка становится незаменимой, единственно пригодной.
Ввиду того что в горелке высокого давления (безынжекторной) отсутствует инжектор, по конструкции она проще горелки низкого давления . Кислород поступает в горелку по резиновому шлангу и через приемный ниппель и регулировочный вентиль 1 проходит в смеситель 3, 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 смесителя 3 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, дающее на выходе из камеры смешения однородную по всему объему 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 определенной скоростью, соответствующей скорости горения смеси. При увеличении скорости истечения газовой смеси сверх нормы пламя отрывается от мундштука, все 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 определенной 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 70-160 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 атм. Требующееся давление примерно одинаково как для кислорода, так и для ацетилена.
Безынжекторные горелки могут быть построены как для ацетилена, так и для других горючих газов – водорода, метана. Они 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 реже потому, что они могут работать лишь на ацетилене достаточного давления, а промышленность широко пользуется ацетиленом низкого давления.
Промышленное применение находят чаще инжекторные горелки. Кислород под давлением 3-4 атм поступает в горелку через ниппель и регулировочный вентиль 1, проходит в конус инжектора 3, идет 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 создает 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 он поступает в камеру смешения 5; оттуда горючий газ в смеси с кислородом с надлежащей скоростью движется по трубке наконечника 6 и выходит из горелки по каналу мундштука 7. Под действием инжек-тирующей струи кислорода давление в камере инжектора падает ниже атмосферного. В нормальных выпускаемых нашей промышленностью сварочных горелках разрежение в камере инжектора составляет 1000-3500 мм вод. ст. для наконечников разных размеров, а давление кислорода, поступающего в горелку для нормальной работы инжектора, должно быть около 3-3,5 атм.
Расход кислорода в инжекторной горелке остается 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.
Нагрев наконечника горелки ослабляет инжектирующее действие кислорода и снижает разрежение в камере инжектора, что уменьшает поступление ацетилена в горелку. Поскольку поступление кислорода в горелку при этом остается 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, увеличивать поступление ацетилена в горелку, открывая ацетиленовый вентиль горелки. Сопротивление истечению смеси из мундштука может возрастать, например, вследствие засорения канала мундштука брызгами металла и, что особенно важно, вследствие приближения горелки к изделию, отчего уменьшается расстояние от среза мундштука до поверхности изделия. С увеличением сопротивления истечению газовой смеси увеличивается давление в трубке наконечника и аналогично влиянию повышения температуры наконечника уменьшается содержание ацетилена в смеси и усиливается окислительное действие пламени. С повышением давления кислорода на входе в горелку увеличивается содержание кислорода в смеси, с понижением – уменьшается. При повышении давления ацетилена на входе в горелку смесь обогащается ацетиленом, при понижении давления уменьшается содержание ацетилена в смеси.
Таким образом, инжекторная горелка не обеспечивает постоянства состава газовой смеси, так как состав меняется в процессе сварки; сварщик должен непрерывно следить за характером пламени и корректировать состав смеси ацетиленовым вентилем горелки.
Непостоянство состава смеси является существенным недостатком инжекторной горелки. Основное ее преимущество в том, что можно 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 среднего давления, достаточного для питания безынжекторных горелок, пока еще незначительно. Однако инжекторная горелка может работать на ацетилене не только низкого, но и высокого давления. Чем выше давление ацетилена, тем лучше работает инжекторная горелка.
Изменения состава газовой смеси под влиянием нагрева горелки и увеличения сопротивления истечения смеси из мундштука особенно заметны при низком давлении ацетилена. С увеличением давления изменения состава смеси уменьшаются, и при работе на ацетилене среднего давления инжекторная горелка работает почти так же устойчиво, как и безынжекторная. Инжекторная сварочная горелка дает сварочное пламя определенных размеров, изменение которых возможно лишь в незначительных пределах, так как значительное увеличение расхода газов вызывает отрыв пламени от мундштука и его потухание, уменьшение расхода газов вызывает проскакивание пламени внутрь горелки и обратный удар. В связи с этим необходимо прекратить работу горелки, полностью закрыть ацетиленовый вентиль на горелке, затем снова его открыть, повторно зажечь и отрегулировать сварочное пламя. Для изменения размеров сварочного пламени, например при переходе к сварке металла другой толщины, необходимо применять 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 состоит из рукоятки, регулировочных вентилей, присоединительных ниппелей и трубок для газов; наконечник – из инжектора, смесительной камеры, трубки наконечника и мундштука. Каждый размер наконечника обозначается номером.
