 |
Машиностроение. Современное машиностроение четко связано с обработкой металлов (сварка, резка, термическая обработка). Чтобы данное производство было рентабельным требуется решить много задач, направленных в основном, на повышение производительности, снижение энергопотребления и обеспечение высокого качества продукции. Решение этих задач сейчас не мыслимо без применения технических газов. Получаемые на установках воздухоразделения CANGAS азот и кислород, являются важной составляющей во многих видах обработки металлов. |
Сварка MIG-MAG (плавящимся электродом)
Дуговая сварка в среде защитных газов - инертных (MIG) или активных (MAG) является наиболее употребимым методом в Европе, США и Японии. Высокая производительность, присущая этому методу, и простая возможность автоматизации процесса сварки способствовали его популярности.
Основной принцип сварки MIG-MAG заключается в том, что металлическая проволока во время сварки подается автоматически в зону сварки через сварочный пистолет и плавится в дуге. В этом смысле сварка MIG-MAG часто называется полуавтоматической сваркой, т.к. сварщик обычно перемещает горелку вдоль шва вручную. Проволока при этом методе играет двойную роль - она является и токопроводящим электродом, и служит присадочным материалом. Результат (качество) сварки MIG-MAG в значительной мере зависит от правильности выбора режимов работы сварочного аппарата (напряжение дуги, ток = скорость подачи проволоки, скорость сварки), а также от правильности выбора и расхода защитного газа (скорость подачи газа через сопло). Для регулировки расхода защитного целесообразно использовать редукторы с расходомерами поплавкового вида.
Защитный газ, который подается в зону сварки через газовое сопло, защищает дугу и сварочную ванну с расплавленным металлом. Металл в расплавленном состоянии химически активен и может взаимодействовать с защитным газом. Инертный защитный газ, такой как аргон или гелий, химически не реагирует с металлом в сварочной ванне в процессе горения дуги. Примером активных защитных газов являются углекислота и смеси аргона (реже гелия) с небольшими добавками углекислоты или кислорода. До недавнего времени углекислота являлась наиболее распространенным видом защитного газа для полуавтоматической сварки.
Метод MIG-MAG может использоваться для сварки как низко-, так и высоколегированных (нержавеющих) сталей, а также для сварки конструкций из алюминия и его сплавов. Относительно новым применением метода MIG-MAG является высокопроизводительная пайка MIG-MAG в среде защитного газа. Причем возможно различное сочетание соединяемых материалов: железо-железо, медь-медь, медь-железо и пр.
Сварка TIG (неплавящимся электродом)
Метод сварки вольфрамовым электродом был внедрен еще в 40-х годах прошлого столетия для сварки алюминиевых и магниевых сплавов.
Кроме цветных металлов, метод TIG широко используется для сварки нержавеющих сталей, как, впрочем и для углеродистых или низколегированных сталей. Основная область применения метода TIG - сварка тонкостенных изделий (обычно до 6 мм.). При TIG-сварке электрическая дуга используется для нагрева и расплавления металла в зоне сварки. Защитный газ, который поступает из газового сопла, защищает сварочную ванну и электрод. Сам электрод, выполненный из тугоплавкого материала, расположен в центре газового сопла и не плавится. Присадочный материал подается в зону сварки извне обычно вручную, реже - автоматически.
Обычно в качестве защитного газа используется аргон, гелий или их смесь. Сварочные смеси VARIGON с добавками водорода или азота при определенных условиях могут быть очень полезными .
Типичное применение для метода TIG - это сварка изделий из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, стальных труб, сосудов высокого давления, теплообменников, изделий для пищевых продуктов и пр. Т.к. этот метод применим для мелких деталей, сварка TIG используется в электронной промышленности.
Преимуществом сварки TIG является очень высокое качество сварного шва, отсутствие брызг, практическое отсутствие шлаков. Этот метод очень универсален. Он дает возможность работы с разными материалами, причем в любом положении и для большинства видов соединений.
Основной недостаток сварки TIG - невысокая скорость сварки.
Плазменная сварка и резка
Методы применения потока ионизированной плазмы в качестве источника энергии при сварке начали внедряться еще в 50-х годах прошлого столетия, но только в последнее время нашли свое широкое применение. Процесс основан на ионизации плазменного газа с помощью электрической дуги и его фокусировании с помощью специальной конструкции наконечника плазмотрона. Такая фокусировка позволяет создать более интенсивный, концентрированный поток энергии в зоне сварки.
Различают конструкции с прямой и косвенной дугой. Плазменная сварка с прямой дугой преобладает в сварке металлов и может быть в целом охарактеризована как усовершенствованный метод TIG сварки. Плазменный газ ионизируется в плазмотроне и создает стабильный разряд в рабочей зоне даже при низкой энергии. Благодаря этому плазменная сварка, например, может использоваться для микрообъектов. Для толщин до 3 мм. плазменная сварка и сварка TIG сопоставимы между собой. Но для больших толщин, благодаря большей плотности энергии в дуге, плазменная сварка позволяет обеспечить более глубокое проплавление и большую скорость сварки, а остаточные деформации (коробление) деталей меньше по сравнению с TIG сваркой.
В плазменной сварке газы используются для 3 различных целей:
Плазменный газ. Это носитель, который формирует поток плазмы между электродом и рабочей зоной сварки. Аргон или аргоно-водородные сварочные смеси часто используются как плазменный газ для нержавеющих сталей, а смеси аргона с гелием - для цветных металлов.
Защитный газ. Отдельная изолирующая среда требуется для защиты сварочной ванны и околошовной зоны. Защитный газ подается через отдельное (внешнее) сопло сварочной горелки и окаймляет поток плазменного газа как защитная оболочка. В зависимости от типа используемого газа, плотность энергии в дуге может быть даже увеличена с помощью защитной оболочки. Обычно один и тот же газ используется и в качестве защитного, и в качестве плазменного.
Вторичный защитный газ. Отдельно защитный газ подается в зону корня шва с обратной стороны деталей, если зона разогрева на обратной стороне также должна быть защищена. В качестве вторичного газа используют высокочистый аргон или специальные аргоно-водородные сварочные смеси. Для обеспечения подачи газа от одного баллона и в сварочную горелку, и для защиты корня шва, рекомендуется использовать специальные редукторы с Т-коннектором и двумя расходомерами.
Пайка MIG-MAG
На стандартном оборудовании для MIG-MAG сварки возможно выполнять соединение изделий из сплавов железа (как низкоуглеродистых, так и нержавеющих сталей) между собой или с медными сплавами. Для этого необходимо использовать специальную сварочную проволоку из бронзы с добавками алюминия или кремния. Поскольку температура ее плавления значительно ниже чем у стали, то свариваемые детали не расплавляются. То есть процесс фактически является пайкой. Но прочность соединений и скорость сопоставимы со сваркой.
Характерно, что при этом удается соединить, например, оцинкованные железные детали практически без выгорания цинкового покрытия. Это крайне важно как для сохранения здоровья сварщиков, так и для сохранения антикоррозионного покрытия на изделиях.
Необходимым условием MIG-MAG пайки является применение сварочных смесей c дозированной добавкой углекислоты или кислорода. Выбор типа защитной смеси и состава сварочной проволоки зависит от материалов соединяемых изделий. Режимы работы сварочного аппарата для MIG-MAG пайки значительно отличаются от режимов сварки.
Лазерная сварка и резка
Принцип действия лазера был описан Альбертом Эйнштейном еще в начале века, однако, только в 1960-х годах были разработаны первые системы для коммерческого использования (очень маломощные).
В 1970-х годах были разработаны системы для обработки материалов, которые позволили получить широкий диапазон технических преимуществ для существующих применений, а также совершенно новые применения. С тех пор в лазерной технике возникло много значительных усовершенствований, и она продолжает очень динамично развиваться, как и компьютерная техника.
Сфера применения лазерных газов очень разнообразна - они используются в промышленнсти, науке, медицине и других областях. В лазерных приложениях газовые смеси и чистые газы используются в качестве газа-резонатора (рабочее тело лазера), для продувки, а так же для создания защитной или специальной атмосферы в зоне работы лазера. В качестве газа-резонатора часто применяются 3-6 компонентные смеси с содержанием углекислоты, гелия, аргона и других газов; чистый азот используется в качестве газа-носителя и продувочного газа; чистый кислород применяется при лазерной резке для ускорения и повышения экономичности процесса; с помощью азота, аргона и гелия создается инертная атмосфера в зоне процессинга, препятствуя окислению, горению и дымообразованию.
В настоящее время лазеры используются во всех областях бизнеса и частной жизни.
Например, в телекоммуникационной отрасли используется лазерная волоконно-оптическая техника, сроки годности товаров маркируются с помощью лазеров, лазеры используются в сканерах, считывателях штрихового кода, CD-плеерах, пультах дистанционного управления и т.д. Мощность требуемых для этих применений лазеров является очень маленькой, намного меньше, чем требуется для обработки материалов.
Для лазерной резки, сварки или обработки поверхностей металлов требуются лазеры для обработки материалов с намного большей мощностью лазерного излучения.
Общим принципом является преобразование электрической энергии в световой пучок одной длины волны при генерации пучка в лазерном резонаторе, например, при протекающих в CO2 лазерах процессах. Лазерный пучок является почти параллельным, что упрощает его передачу на большие расстояния в место использования. В зоне обработки лазерный пучок фокусируется в очень маленькое пятно, при этом получается энергия, необходимая для нагрева, плавления и даже мгновенного испарения металлов.
Самой большой группой применений высокомощных лазеров является лазерная резка металлов, так как прецизионная резка может выполняться с высокой скоростью резания. Преимуществам лазерной сварки является очень малая ширина шва и значительно меньшие сварочные деформации, чем при использовании традиционных методов сварки.
Лазерная маркировка используется для нанесения кодов продукции на различные неровные поверхности компонентов.
Лазерная прошивка позволяет получать крошечные отверстия, которые нельзя получить никаким другим способом, или для этого потребуется приложить очень большие усилия.
К лазерной обработке поверхности относится ряд приложений, в том числе отжиг, закалка распыление / нанесение покрытий или очистка поверхностей или скрытых участков поверхностей объекта.
Независимо от конкретного применения, лазеры являются точными и легко регулируемыми инструментами, выполняющими обработку без механического контакта с заготовкой. При наблюдении за развитием данной отрасли становится удивительно, как много новых применений возникает почти каждый день.
Газовая сварка и резка
Одним из наиболее важных и широко применяемых процессов обработки металлов является газовая сварка. За редким исключением газовая сварка производится с применением смеси ацетилена и кислорода. Это обусловлено в первую очередь тем, что только с применением ацетилена как горючего газа можно легко добиться восстановительных свойств пламени.
Газовая сварка обладает хорошими прочностными характеристиками и не требует особой предварительной подготовки свариваемых материалов и рабочего места. Одним из главных достоинств газовой сварки является возможность ее применения в труднодоступных и «неудобных» местах (трубопроводы, готовые металлические конструкции и т.д.). Исходя из этих соображений газовая сварка получила очень широкое применение при ремонтных и восстановительных работах.
Газовая пайка
Газовая пайка, как и газовая сварка является методом соединения металлов, однако, в отличии от сварки, с помощью газовой пайки возможно соединение двух различных типов металла, что является большой проблемой при газовой сварке. Газовая пайка позволяет создавать надежное соединение и с успехом применяется в процессах не требующих большой интенсивности пламени и при соединения тонких материалов. Для газовой пайки в роли окислителя ацетилена может выступать как кислород, так и атмосферный воздух.
Рихтовка пламенем. Строжка пламенем. Очистка пламенем
В каждом из них применение сертифицированных газов и смесей имеет свои особенности. Помимо правильного выбора газа для решения поставленных производственных задач важную роль также играет сопутствующее сварочное оборудование.
Правка газовым пламенем
При сварке и других технологических процессах с использованием нагрева, при последующем охлаждении металла в нем возникают напряжения, приводящие к деформации или короблению. Правка газовым пламенем является эффективным и давно существующим методом приведения деформированных частей в нормальное состояние.
Правка газовым пламенем является значительно менее дорогостоящим процессом, чем изготовление новых частей. Кроме того, правка газовым пламенем часто является единственным возможным вариантом. В судостроении до половины требуемого для получения неокрашенного корпуса времени уходит на устранение деформаций.
Правка газовым пламенем основывается на физическом принципе, в соответствии с которым металлы расширяются при нагреве и сжимаются при охлаждении. Если возможность расширения ограничивается, возникают сжимающие напряжения, приводящие к пластической деформации при достаточно высокой температуре. Пластические деформации сохраняются при охлаждении.
На практике кислородно-топливное пламя используется для быстрого нагрева хорошо закрепленной секции обрабатываемой части. При охлаждении металл сокращается больше, чем он мог расшириться при нагреве и, таким образом, происходит устранение любых имеющихся деформаций. Данный процесс может использоваться для стали, никеля, меди, латуни, алюминия и титана.
Хотя для этого могут использоваться различные горючие газы, максимальная температура пламени и интенсивность горения, необходимые для быстрого нагрева, достигаются при использовании ацетилена и кислорода.
Выбор подходящего оборудования зависит от типа и толщины металла. В принципе, для выпрямления тонких листов и листов толщиной до 15 мм можно использовать стандартные горелки, которые имеются почти во всех мастерских. Для выпрямления больших плит, например, для палуб и рубок судов, используются регулируемые приспособления с тремя или большим числом горелок, которые крепятся на небольших колесных тележках для упрощения перемещения по большим поверхностям.
Газопламенное напыление
Применение такого напыления позволяет экономить значительные средства. Посредством использования газового пламени и правильного материала покрытия можно получить оптимальную поверхность. Данный процесс является простым, требует мало времени и также он очень рентабелен. Можно повысить устойчивость к износу, коррозии и нагреву. Можно увеличить или уменьшить трение или изменить электрические характеристики поверхности. Можно ремонтировать поврежденные поверхности и даже исправить размеры неправильно изготовленных частей.
Процесс начинают посредством нагрева материала покрытия с помощью газового пламени до температуры его плавления, при этом материал покрытия поставляется в виде проволоки, прутков или порошка. Расплавленные частицы переносятся газом на поверхность металла. После охлаждение металла процесс будет завершен. В большинстве случаев поверхность может быть дополнительно обработана без каких-либо сложностей.
Выбор горючего газа в основном зависит от материала покрытия, так как этот материал и поверхность обрабатываемой части должны быть нагреты до определенных температур, зависящих от материала покрытия, при этом для получения оптимальной адгезии порошок должен быть разогнан до определенных скоростей движения. Вторым компонентом процесса сгорания является кислород.
Изгтовление сосудов и емкостей
Сосуды и емкости характеризуются относительно тонкой внешней стенкой, которая обычно делается в форме цилиндра или шара. Часто атрибутами сосудов является также арматура для их наполнения и слива. Требования к герметичности такого рода изделий могут быть очень строгими. В зависимости от назначения и условий применения, иногда требуется 100% рентгеновский контроль всех соединений.
При изготовлении сосудов и емкостей могут использоваться различные технологические процессы с применением газов. Например, для изготовления наружной оболочки раскрой металла может производиться с помощью газовой, плазменной или даже лазерной резки, в зависимости от типа применяемого для оболочки материала и требований к заготовкам перед сваркой.
Для соединения деталей, в свою очередь, могут быть выбраны дуговые виды сварки (MIG-MAG, TIG, плазменная сварка), газовая сварка как вид газопламенной обработки, и реже - лазерная сварка. Выбор того или иного вида сварки, а соответственно того или иного типа газов, зависит от используемых материалов, условий сварки, наличия оборудования и пр.
Спецификой сосудов и емкостей как изделий из металла является недопустимость дефектов сварки и остаточных деформаций (коробления). Удаление очаговых дефектов сварки на крупногабаритных изделиях перед повторной сваркой можно эффективно выполнить с помощью такого вида газовой технологии как строжка пламенем. Другой вид газопламенной обработки - рихтовка пламенем, может быть использована для устранения остаточных деформаций металла. Будучи выполнена опытным работником на соответствующем оборудовании, газопламенная рихтовка дает существенную экономию времени и средств.
Кораблестроение
Промышленные газы, сварочные смеси и даже специальные газы широко используются в разных операциях практически на всех стадиях производства. Огромный размер конструкций и агрессивная окружающая среда - два основных условия, которые должны быть учтены при изготовлении судов и морских сооружений.
В зависимости от типа применяемых материалов и требований к деталям в заготовительных операциях может использоваться как газовая, так и плазменная резка. Для получения надежных соединений дуговые виды сварки (MIG-MAG, TIG, плазменная сварка) или газовая сварка может быть выбрана в зависимости от конкретных условий и типа свариваемых материалов. Хотя эта отрасль производства характеризуется тяжелыми конструкциями, в последнее время лазерная сварка также находит применение в кораблестроении, например при сварке многослойных панелей типа «сэндвич».
При изготовлении корпуса судна около 40-50% времени уходит на устранение деформаций. Рихтовка пламенем является предпочтительным приемом для эффективного исправления деформаций. Строжка пламенем рекомендуется для выборки (удаления) локальных дефектов сварки перед повторной сваркой. Очистка пламенем, напротив, предназначена только для термической обработки больших участков поверхностей и используется для удаления таких покрытий как ржавчина, краска, смазка и т.п.
Защита деталей и узлов от износа или коррозии часто осуществляется путем наплавки или нанесения специальных покрытий на рабочую поверхность. Это может быть сделано как с помощью сварочных процессов, так и термического напыления. Такое восстановление деталей значительно дешевле и быстрее, чем изготовление и замена деталей целиком. К тому же нанесение покрытия выполняются прямо в необходимом месте.
Спецификой данного вида производства является большое количество вертикальных швов, а также большая толщина свариваемых деталей, что зачастую требует выполнения многопроходных швов. Все конструкции в этой отрасли является поднадзорными объектами Морского и Речного Регистра. Высокие требования к сварным швам диктуют соответствующие высокие требования к качеству используемых материалов, включая технические газы и смеси, а также обязательное наличие нормативной документации (ГОСТ, ОСТ, ТУ).
Транспорт
Автобусы, грузовики, тракторы, поезда, самолеты, коммунальная и другая спецтехника - неполный перечень объектов транспорта, где применяются технические газы и смеси. И каждый из этих объектов имеет свою специфику в их выборе и применении. Трактора и грузовики, как правило, имеют тяжелую рамную конструкцию, в то время как самолеты проектируются из условий минимального веса конструкций.
Как результат в этой отрасли используется много различных видов резки, сварки и обработки поверхности. Так, раскрой металла может производиться с помощью газовой, плазменной или даже лазерной резки, в зависимости от типа применяемого материала и требований к заготовкам перед сваркой.
Для соединения деталей, в свою очередь, могут быть выбраны дуговые виды сварки (MIG-MAG, TIG, плазменная сварка), газовая сварка как вид газопламенной обработки, или лазерная сварка. Выбор того или иного вида сварки, а соответственного того или иного типа газов, зависит от используемых материалов, условий сварки, наличия оборудования и пр.
В зависимости от решаемой задачи, помимо дуговых видов сварки (MIG-MAG, TIG) для однородных металлов иногда используется газовая сварка, а для разнородных или цветных металлов - газовая пайка.
Лазерная сварка используется для конкретных специальных задач, где мала толщина деталей, а требования к качеству соединений очень высоки.
Сварочные деформации являются серьезной проблемой, например, при изготовлении вагонов. Огромные боковые панели соединяются сваркой и подвержены короблению. Такая газопламенная обработка как рихтовка пламенем является высокоэффективным приемом для коррекции послесварочных деформаций. Будучи выполнена опытным работником на соответствующем оборудовании, пламенная рихтовка дает существенную экономию времени и средств.
Строжка пламенем может использоваться для удаления сварочных дефектов перед повторной сваркой. Очистка пламенем предназначена для термической обработки больших участков поверхностей и используется для удаления таких покрытий как ржавчина, краска, смазка и т.п
