Водород - горючий газ без цвета, вкуса и запаха. В обычных условиях в 14,5 раза легче воздуха. При нормальных условиях плотность водорода составляет 0,09 г/л. Среди газов является самым легким и обладает наибольшей теплопроводностью. Растворим во многих металлах (железе, никеле, платине и др.), мало растворим в воде. В жидком состоянии существует в температурном диапазоне от −252,8°C до −259,2 °C.

Водород наиболее распространен во Вселенной, составляя основную часть звезд и межзвездного газа. На Земле содержится в виде соединений (17% по числу атомов, 1% массовой доли в земной коре), лишь незначительное его количество присутствует в атмосфере в виде простого вещества (около 0,00005% по объему).

Водород получают химическими способами, самыми распространенными из которых являются:

• пропускание водяного пара над раскаленным коксом (t = ~1000ºC):
  H 2 O + C ↔ H 2 + CO;
• взаимодействие водяного пара с метаном (t = ~1100ºC):
  12СН 4 + 5Н 2 О(пар) + 5О 2 → 29Н 2 + 9СО + 3СО 2 ;
• электролиз дистиллированной воды, формальная реакция:
  2H 2 O → 2H 2 + O 2 ;
  поскольку чистая вода почти не проводит электрический ток, в нее добавляют электролиты, например, KOH;
• электролиз водных растворов хлористых солей:
  2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2 .

Согласно ГОСТ Р 51673-2000 водород газообразный чистый (используемый в том числе для термической обработки металлопродукции) изготавливается трех сортов: высшего, первого и второго. Баллон с водородом окрашен в темно-зеленый цвет, с надписью «Водород» красного цвета (ПБ 10-115-96, ГОСТ 949-73).

Таблица. Характеристики марок газообразного чистого водорода

Водород поставляется в стандартных стальных баллонах вместимостью 40 и 50 л при давлении 14,7 МПа (ГОСТ 949), стальных бесшовных баллонах большого объема (до 1000 л) при давлении 39,2 МПа (ГОСТ 12247), по трубопроводам, а также в специальных крупногабаритных резервуарах для газа - газгольдерах, обычно под давлением не более 10 МПа.

Опасные факторы и меры безопасности при работе с водородом

• водород в смеси с кислородом и воздухом (гремучий газ) пожаро- и взрывоопасен; для водородно-воздушной смеси концентрационный предел распространения пламени составляет 4,12%-75% по объему, для смеси водорода с кислородом - 4,1%-96% по объему;
• температура самовоспламенения смеси водорода с воздухом - 510ºC, смеси водорода с кислородом - 450ºC;
• при дневном свете водородное пламя практически не видимо, поэтому для его обнаружения необходимо применять специальные датчики;
• сжиженный водород при попадании на кожу вызывает сильное обморожение; при испарении сжиженного водорода возможно образование взрыво- и пожароопасных смесей;
• при высоком давлении водород способен оказывать наркотическое действие;
• при высоких концентрациях водород вызывает кислородное голодание и удушье; при работе в его среде необходимо использовать изолирующие противогазы, а помещения оборудовать вентиляцией.

Применение водорода при сварке и резке

Водород получил ограниченное применение:

• при атомно-водородной сварке (как правило, сталей и алюминия толщиной до 5-10 мм);
• как горючий газ для газовой сварки (обычно сталей, алюминия толщиной до 5 мм) и резки ;
• в качестве добавки к аргону, азоту при плазменной обработке .

В последние годы интерес к водороду для газопламенной обработки металлов возрастает благодаря появлению мобильных аппаратов, обеспечивающих получение водородно-кислородной смеси в результате гидролиза воды. При разложении воды электрическим током образуются кислород и водород в соотношении β = 1:2, однако такое пламя является окислительным и не обеспечивает качественного процесса сварки сталей. Чтобы пламя было нормальным (β = 0,25-0,4) газовая смесь в барботере электролизного-водного генератора обогащается парами углеводородных соединений - бензина, ацетона, спирта и др. При использовании бензина температура пламени составляет 2600°C. Исходным сырьем для получения водорода и кислорода служит 5-35%-ный раствор KOH в дистиллированной воде.

Водородно-кислородную сварку выполняют преимущественно левым способом. В качестве присадочного материала применяется сварочная проволока Св08ГС, Св08Г2С, Св10ГС, Св10ГСМ. Легирование кремнием и марганцем обеспечивает раскисление металла сварочной ванны, необходимое из-за избытка кислорода. Для водородно-кислородной сварки и резки выпускаются различные аппараты и установки - «Лига», «Энергия», «Москва» и др.

Фото. Аппараты «Лига-12» и «Лига-02» для водородно-кислородной сварки, пайки и резки методом электролиза воды

Данный вид газопламенной обработки металлов не требует баллонов с газами, экологичен, приводит к сокращению эксплуатационных расходов.

Атомно-водородная сварка. Плавление металла происходит за счет тепла, выде­ляемого при превращении атомарного водорода в молекулярный водород, и за

счет тепла независимой дуги, горящей между двумя вольфрамовыми электродами.

Тепловой эффект от излучения дуги и от сго­рания молекулярного водорода в наружной зоне пламени незначителен по сравнению с эффектом рекомбинации атомов водорода.

Температура атомно-водородного пламени со­ставляет ~ 3700° С, что по концентрации тепла приближает этот способ сварки к сварке в среде защитных газов. Водород при этом способе сварки передает тепло от дуги к изделию вначале за счет поглощения его при реакции диссоциации, а затем путем выделения при рекомбинации атомов водо­рода. Высокая активность водорода обеспечивает хорошую защиту металла шва от вредного воздей­ствия кислорода и азота воздуха.

При атомно-водородной сварке дуга горит между двумя вольфрамовыми электродами, распо­ложенными под углом (рис. 112). В зону дуги можно подавать чистый водород или азотно-водородные смеси, получаемые при диссоциации аммиака. Питание дуги осуществляется от источников пере­менного тока. Из-за высокого охлаждающего дей­ствия реакции диссоциации водорода и высокого потенциала ионизации водорода напряжение источника питания дуги, требуемое для ее зажигания, должно быть 250-300 В. Напряжение горения дуги 60-120 В. Сила тока дуги. 10-80 А.

Широкий диапазон изменения напряжения горения дуги мало сказывается на величине изменения силы тока. Напряжение горения дуги зависит от расхода водорода и расстояния между вольфрамовыми электродами.

Зажигание дуги осуществляется коротким замыканием вольфрамовых элек­тродов, обдуваемых водородом, или, лучше, замыканием электродов на угольную (или графитовую) пластинку при обдувании струей газа, так как в этом случае обеспечивается легкое зажигание дуги и не требуется повышенного напряжения холостого хода источника питания. После зажигания дуги расстояние от концов электродов до поверхности изделия устанавливают в пределах 4-10 мм. Это зависит от мощности атомно-водородного пламени и толщины свариваемого ме­талла.

Дуга может быть спокойной (рис. 113, а), когда нет в дуге характерного веера, и звенящей (рис. 113, б), когда веер пламени касается поверхности свариваемого изделия и дуга издает резкий звук. Для спокойной дуги напря­жение не превышает 20-50 В и расход водорода 500-800 л/ч, для звенящей дуги - 60-120 В и 900-

1800 л/ч соответственно.

При атомно-водородной сварке выполняют следующие виды свар­ных соединений: стыковые с отбор­товкой и без отбортовки кромок, угловые, тавровые и нахлесточные.

Высоту отбортовки принимаютчрав — ной двойной толщине свариваемого листа. Угловые соединения выпол­няют с применением присадочной проволоки или без нее. При сварке толщин более 3 мм на стыковых и тавровых соединениях рекомендуется выполнять скос кромок под углом 45°.

Обычно атомно-водородную сварку рекомендуется применять для сварки металлов и сплавов толщиной 0,5^5-10 мм. Этим способом хорошо свариваются малоуглеродистая и легированная сталь, чугун, алюминиевые, магниевые сплавы. Хуже свариваются медь, латунь из-за склонности к насыщению водородом и испа­рению цинка. При сварке алюминия и сплавов на его основе необходимо при­менить флюсы, состоящие из солей щелочных металлов. Металлы с высокой хи­мической активностью к водороду, например Ті, Zr, Та и др., нецелесообразно сваривать атомно-водородной сваркой.

Атомно-водородная сварка обеспечивает получение сварных соединений со свойствами, близкими к свойствам основного металла.

Техника выполнения швов при атомно-водородной сварке подобна технике газовой сварки, т. е. может быть осуществлена как правым, так и левым методами.

Атомно-водородную сварку можно осуществлять в нижнем и вертикальном положениях, по режимам приведенным в табл. 28.

Установка для атомно-водородной сварки (рис. 114) состоит из атомно-водо­родного аппарата, баллона с водородом, водородного редуктора, горелки и пуско­регулирующей аппаратуры. При горении дуги в смеси водорода и азота в состав установки (рис. 115) входит еще баллон с аммиаком, крекер для получения азотно­водородной смеси из аммиака, аммиачный вентиль, водоотделитель и осушитель для газа. Водород с воздухом образует взрывные смеси, поэтому все соединения

трубопроводов, вентилей, шлангов должны быть надежными, а помещения, где производится работа, хорошо вентилируемые.

При соединении водорода с углеродом в условиях сварочной дуги происхо­дит обезуглероживание металла. Поэтому в производственных условиях вместо чистого водорода применяют смеси водорода с азотом. Для расщепления аммиака на водород и азот используют аппараты-крекеры (см. рис. 115, а), в которых расщепление происходит при 600 °С в присутствии катализатора - железной стружки. Из крекера смесь газов поступает в очиститель (см. рис. 115, б) и далее в осушитель, где азотно-водородная смесь, пройдя слой хлористого кальция, поступает по резиновому шлангу в сварочную горелку.

Известны аппараты для атомно-водородной сварки типа ГЭ-1-2, ГЭ-2-2, АВ-40, АГЭС-75, техническая характеристика которых приведена в табл. 29.

Атомно-водородная сварка широко применялась в самолетостроении, хими­ческом машиностроении и других отраслях промышленности. В настоящее время из-за значительного прогресса других способов сварки атомно-водородная сварка применяется редко.

Термитная сварка. Источником тепла являются порошкообразные смеси металлов с окислами других металлов - термиты, при сгорании которых проис­ходит обменная реакция по кислороду с выделением значительного количества тепла (экзотермическая реакция). Источником кислорода в термите является

I - корпус; 2 - сосуд, питающий пост азотно-водородной смесью; 3 - нагреватель; 4 - труба с катализатором; 5 - катализатор; 6 - электродвигатель;

I - баллон с аммиаком; II - крекер; III - водоотделитель; IV - азотно-водородный аппарат окисел, а источником тепла (горючим) - металл, входящий в смесь в чистом виде. Необходимым условием для получения теплового эффекта является то, что количество тепла, выделяющегося при сгорании горючего, должно быть больше, чем требуется для разложения окисла. В качестве окислов в термитных смесях используют железную окалину, а в качестве горючих металлов - алюминий, магний. Кроме того, в термит можно вводить легирующие элементы для улучше­ния механических свойств термитного металла и металлический наполнитель - железную обсечку - для увеличения выхода жидких продуктов термитной реакции (стали).

Воспламенение термитной смеси происходит при температуре не ниже 1350° С. Для этих целей применяют термитные спички, которые имеют в головке магниевый термит, развивающий температуру при горении > 1500Q С, и другие переходные составы на основе магниевых порошков, бертолетовой соли, пере­киси бария, а также электрозапальные устройства.

Наибольшее распространение для сварки получили алюминиевые термиты, содержащие 20-25% алюминиевого порошка и 75-80% окалины. Физико­химические параметры термитного процесса приведены в табл. 30,

16 п/р, Ольшанского, т. 1

Термохимические реакции при сгорании термита выражаются следующим образом:

2Al-f-Fe203 = Al203-}-2Fe-f-179,5 кк ал/моль;

2А1 — f-3Fe0==Al203+3Fe4-185,1 ккал/моль.

При сварке стремятся применять термит с наибольшим тепловым эффектом реакции. Это резко сокращает потребность в термите.

Получению максимального теплового эффекта способствуют следующие факторы: высокая химическая чистота компонентов термита; подготовка окисли­теля с содержанием кислорода, по хими­ческому составу близкого к Fe203; пра­вильный выбор соотношения основных компонентов - алюминиевого порошка и железной окалины и весового количества

металлического наполнителя. Наличие в восстановителе примесей Си, Si, Mg, Zn, а в окислителе Mn, Si, S, Р, Сг и др. резко снижает тепловой эффект термитной реакции из-за протекания побочных реакций с меньшей теплотворной способ­ностью. Повышение содержания кислорода в окалине достигается за счет ее об­жига при 900° С в окислительной среде и за счет ее более тонкого измельчения. Наиболее благоприятными по содержанию кислорода являются частички желез­ной окалины размерами 0,25-0,4 мм. Для получения соединения А1203 в про­цессе протекания реакций необходимо постоянное соотношение алюминие­вого порошка и окисла, определяемое коэффициентом стехиометричности со-

става термита Z (рис. 116), который для сварочных процессов имеет значения Z = 0,964 ч — 1,020.

Введение металлического наполнителя в количестве 10-15% массы основных компонентов термита (рис. 117) изменяет температуру процесса за счет потребле­ния части тепла на плавление наполнителя. На параметры теплового процесса термитной реакции оказывают влияние также перемешивание и уплотнение компонентов термита (табл. 31).

Для изготовления сварочного термита используют алюминиевый порошок, содержащий 96,5-99,7% А1; 0,47% Fe; 0,36% Si и ~1% А1203. Железная ока­лина, используемая в термите, является сложным химическим соединением, состоящим из нескольких окислов: от окиси железа Fe203 плотностью 5,1 г/см3 и температурой плавления 1565° С до закиси железа FeO плотностью 5,7 г/см3 и температурой плавления 1420° С. Железная окалина является в основном продуктом отходов горячей обработки стали; она прочно удерживает влагу до 550-600° С.

Стальной наполнитель (гвоздевая обсеч — ка) имеет насыпной вес 1,8-2,2 г/см3; кри­сталлизационная влага и органические вклю­чения устраняются прокаливанием при тем­пературе >600° С. Плотность уплотненного (спрессованного) термита может достигать 3,2-3,4 г/см3. Термит воспламеняется при 1300-1360°С. Теплота реакции для стехиомет­рических составов термита 575-850 ккал/кг.

Шлаковая составляющая термитного рас­плава имеет температуру кристаллизации >1950° С. Термитный металл в сварочной форме распределяется так, %: 72-80 на облив свариваемых деталей, 20-28 на лит- никово-выпорную систему. При термитном процессе возможно легирование ме­талла, которое можно осуществлять через восстановитель, окислитель, металли­ческий наполнитель, ферросплавы, легирующие окислы, введением легирующих элементов в чистом виде. Легирующие элементы, чаще всего в виде ферроспла­вов FeMn и FeSi, вводятся в термит обособленно в отдельных порциях или перемешиваются с шихтой.

На рис. 118 приведено изменение содержания алюминия в термитном ме­талле за время протекания термитного процесса 23 с. За время реакции проис­ходит также изменение в химическом составе металла по содержанию углерода, кремния, марганца. Общим свойством термитного металла является присутствие в его составе алюминия. Пониженное количество алюминия означает присутствие
в термитном металле кислорода, который снижает механические свойства термит­ной стали. Содержание в стали до 0,25-0,40% А1 не влияет на механические свойства термитного металла, а содержание А1 свыше этих величин понижает его прочность.

Термитный металл, полученный при реакции основных компонентов термита, имеет химический состав, %: 0,1 С; 0,08 Мп; >0,09 Si; 0,03 S; 0,03 Р; 0,09 Си; 0,07 А1 и невысокую прочность (ов = 35 — г 40 кгс/мм2, б = 18 — s — 20%). Поэтому при сварке стали необходимо подбирать по составу такой термитный металл, механические свойства которого не отличались бы от свойств свариваемой стали.

При введении легирующих элементов в термит необходимо учитывать их переход в термитный металл; количество легирующих элементов определяется в процентном отношении от основных компонентов термита (табл. 32).

Потери элементов на угар составляют, %: ЗО С; 20 Si; 80 Мп. Изменяя коли­чество вводимых легирующих элементов, можно в широких пределах изменять химический состав и механические свойства термитного металла, так предел проч­ности можно изменять в пределах 40-75 кгс/мм2.

Оптимальные значения измельчения компонентові используемых в сварочном термите, составляют, мм: 0,1-1,0 алюминиевого порошка; 0,05-1,0 железной окалины; 1,0 стального наполнителя; 0,25-0,63 легирующих компонентов.

Компоненты термита взвешивают с точностью ±0,2%, а наполнитель с точ­ностью ±0,5%. Низкокалорийный термит развешивается на порции по 6 и 7,5 кг, высококалорийный - на порции 2,5-3,5 кг; 4-4,7 кг; 5,1-5,5 кг и 6,5 кг. Тигель для сжигания термита показан на рис. 119. В пакет с термитом уклады­вается запорное устройство (рис. 119, б). В зависимости от размеров свариваемого изделия вес термитной порции может меняться от нескольких сотен граммов до нескольких килограммов. Сгорание термита происходит в тигле (рис. 119, а). Тигель имеет корпус из листовой стали с внутренней магнезитовой футеровкой, огнеупорную втулку (штепсель) и крышку.

Для удержания жидкого металла в месте сварки применяют сварочные разъем­ные формы, которые могут быть сырые и сухие. Сырые формы изготовляют на месте работ и предварительно перед сваркой их просушивают. Для изготовления сырых

форм используют кварцевый песок (80-85%) и глину (15-20%). Сухие формы изготовляют из кварцевого песка (92-93%) и жидкого натриевого стекла (8-7%), Литниковую систему выполняют с учетом способа подготовки стыка под сварку, разъема сварочных форм, системы газа и шлакоудаления, зазора в стыке.

Существует несколько способов термитной сварки, которые отличаются тех­нологией процесса и применяемым оборудованием (рис. 120). При использовании термитной сварки давлением торцы свариваемых деталей (рельсов) шлифуют и плотно прижимают один к другому, затем стык зачеканивают по всему периметру. На стык устанавливают формы (рис. 120, а) и через край тигля сливают вначале шлак, а затем термитный металл. Температура стыка в начале процесса равна температуре окружающей среды, поэтому жидкий шлак быстро теряет тепло и, застывая, покрывает стык коркой толщиной до 4 мм. Выливаемый затем термит­ный металл вытесняет оставшийся жидкий шлак в верхнюю часть формы. Затвер­девшая ранее шлаковая корка не допускает приварки термитного металла к основ­ному металлу, однако через нее перегретый термитный металл за 3-4 мин нагре­вает стык до 1400-1450° С. После нагрева производят осадку стыка сжимным прессом, затем сбивают формы и удаляют металлический облив. При этом способе сварки наблюдается значительный рост зерна, что требует применения после­дующей термической обработки. Механические свойства сварного соединения получаются низкими. Способ термитной сварки давлением для рельсов в настоя­щее время почти не применяют. Наиболее распространена сварка способом про­межуточного литья (рис. 120, б). При этом способе торцы рельсов сближают и устанавливают с зазором 12-14 мм, стыку придают конструктивный изгиб на 1,5-2 мм и устанавливают две половинки сварочной формы. На головку рельса устанавливают вкладыш. Закрепленные формы и вкладыши промазывают огне­упорной глиной. В отверстие наружной половинки формы вставляют горелку для предварительного нагрева концов рельсов до 850-900° С. Время нагрева составляет 15-30 мин в зависимости от мощности горелки и типа рельсов.

Термитный металл, расплавленный в тигле за 18-20 с, после выдержки 4-6 с выпускают в форму. Расплавленный перегретый металл оплавляет основ­ной металл у стыка и образует с ним сварное соединение. Через 10-15 мин после выпуска металла формы можно снять. Этот способ также не лишен недостатков: повышенный расход термита, образование литой структуры с дефектами и значи­тельный облив сечения стыка термитным металлом.

При комбинированном способе (рис. 120, в) головки рельсов со вставленной между ними пластиной из малоуглеродистой стали сваривают способом давления, а шейку и подошву рельсов, между которыми имеется зазор, сваривают способом промежуточного литья.

При качественном выполнении технологических операций этим способом сварки прочность стыка может достигать 80 кгс/мм2. Этот способ сварки можно применять при строительстве новых линий и капитальном ремонте, но вследствие громоздкости оснастки и сложности технологии он требует тщательного подхода.

В электромонтажном производстве применяют термитно-тигельную и тер­митно-муфельную сварку (рис. 121).

Термитно-тигельная сварка (рис. 121, а) может быть использована для соединения стальных стержней и полос при выполнении заземляющих устройств в местах, где отсутствует электроэнергия, например при строительстве высоко­вольтных линий. Разработаны оборудование и технология для сварки стержней диаметром 12-16 мм и полос сечением 40 х 4 мм.

Термитно-муфельную сварку применяют для соединения проводов линий связи и электропередачи. При этом используют магниевый термит (25% магния и 75% окиси-закиси железа), который прессуют со связующим веществом в ци­линдрические муфели (рис. 121, б, в, г).

Сварку проводов линий связи диаметром до 6 мм производят с использова­нием полых цилиндрических муфелей. Концы стальных проводов, введенные в муфель, при горении термита разогреваются, частично оплавляются и свари­ваются при сдавливании специальными клещами (см. рис. 121, б). Для соедине­ния неизолированных сталеалюминиевых и медных проводов воздушных электро­линий используют способ термитно-муфельной сварки, когда концы проводов расплавляют в формочке, заключенной в муфель, и затем сдавливают при помощи специального приспособления (см. рис. 121, в). Термитно-муфельную сварку ка-

белей и изолированных проводов с алюминиевыми жилами производят без дав­ления с введением присадочного металла в формочку через специальное отвер­стие (см. рис. 121, г).Разновидностью последнего способа является сварка по тор­цам двух или нескольких алюминиевых изолированных проводов (см. рис. 121, д).

а - термитно-тигельная сварка; б - термитно-муфельная сварка; в - термитно-муфель­ная сварка с осадкой проводов; г - термитно-муфельная сварка с присадкой; д - тер­митно-муфельная сварка по торцам; / - тигель; 2 - термит; 3 - литниковое отверстие; 4 - форма; 5 - стальные стержни; б - термитный металл; 7 - шлак; 8 - сварочное соединение; 9 - термитный муфель (шашка); 10 - провода; 11 - клещи; 12 - тер­митный муфель; 13 - алюминиевый вкладыш; 14 - кокиль; 15 - сталеалюмиииевые провода; 16 - алюминиевый колпачок; 17 - асбестовое уплотнение; 18 - провода алюминиевыми жилами; 19 - литниковое отверстие; 20 - присадочный пруток

Наибольшее применение термитная сварка нашла в городском хозяйстве при строительстве и ремонте рельсовых трамвайных путей, меньше - железно­дорожных путей и железобетонной арматуры в строительстве. Термитную сварку можно применять при ремонте литых стальных и чугунных деталей. Для сварки чугуна используют термит с высоким содержанием кремния (2,5-3,5%), кото­рый необходим для предотвращения отбеливания чугуна. Ведутся работы по тер­митной наплавке изношенных поверхностей.

Атомно-водородная сварка. Плавление металла происходит за счет тепла, выделяемого при превращении атомарного водорода в молекулярный водород, и за счет тепла независимой дуги, горящей между двумя вольфрамовыми электродами.

1 - электроды; 2 - мундштуки горелки; 3 - зона превращения атомарного водорода в молекулярный; 4 - молекулярный водород, поступающий из мундштуков; 5 - зона диссоциации водорода на атомарный

Атомно-водородная сварка была изобретена в 1925 г. американцем Лангмюром.

Во время нагревания водорода при соприкосновении его с раскаленной вольфрамовой нитью лампочки, как это имело место в первых исследованиях Лангмюра, происходит диссоциация молекул водорода на атомы.

Особенно интенсивную диссоциацию (61-62% всего нагретого водорода) Лангмюру удалось получить в вольтовой дуге, образованной в атмосфере водорода между двумя вольфрамовыми электродами. Атомное состояние водорода неустойчивое, оно длится доли секунды. Воссоединение атомов в молекулы сопровождается выделением тепла, которое было поглощено при диссоциации.>

Тепловой эффект от излучения дуги и от сгорания молекулярного водорода в наружной зоне пламени незначителен по сравнению с эффектом рекомбинации атомов водорода.

Температура атомно-водородного пламени составляет ~ 3700° С, что по концентрации тепла приближает этот способ сварки к сварке в среде защитных газов. Водород при этом способе сварки передает тепло от дуги к изделию вначале за счет поглощения его при реакции диссоциации, а затем путем выделения при рекомбинации атомов водорода. Высокая активность водорода обеспечивает хорошую защиту металла шва от вредного воздействия кислорода и азота воздуха.

При атомно-водородной сварке дуга горит между двумя вольфрамовыми электродами, расположенными под углом. В зону дуги можно подавать чистый водород или азотно-водородные смеси, получаемые при диссоциации аммиака. Питание дуги осуществляется от источников переменного тока. Из-за высокого охлаждающего действия реакции диссоциации водорода и высокого потенциала ионизации водорода напряжение источника питания дуги, требуемое для ее зажигания, должно быть 250-300 В. Напряжение горения дуги 60-120 В. Сила тока дуги 10-80 А.

Широкий диапазон изменения напряжения горения дуги мало сказывается на величине изменения силы тока. Напряжение горения дуги зависит от расхода водорода и расстояния между вольфрамовыми электродами.

Зажигание дуги осуществляется коротким замыканием вольфрамовых электродов, обдуваемых водородом, или, лучше, замыканием электродов на угольную (или графитовую) пластинку при обдувании струей газа, так как в этом случае обеспечивается легкое зажигание дуги и не требуется повышенного напряжения холостого хода источника питания. После зажигания дуги расстояние от концов электродов до поверхности изделия устанавливают в пределах 4-10 мм. Это зависит от мощности атомно-водородного пламени и толщины свариваемого металла.

а - спокойной; б - звенящей
Формы дуги

Дуга может быть спокойной (рис. а), когда нет в дуге характерного веера, и звенящей (рис. б), когда веер пламени касается поверхности свариваемого изделия и дуга издает резкий звук. Для спокойной дуги напряжение не превышает 20-50 В и расход водорода 500-800 л/ч, для звенящей дуги - 60-120 В и 900-1800 л/ч соответственно.

При атомно-водородной сварке выполняют следующие виды сварных соединений: стыковые с отбортовкой и без отбортовки кромок, угловые, тавровые и нахлесточные.

Высоту отбортовки принимают равной двойной толщине свариваемого листа. Угловые соединения выполняют с применением присадочной проволоки или без нее. При сварке толщин более 3 мм на стыковых и тавровых соединениях рекомендуется выполнять скос кромок под углом ≥45°.

Обычно атомно-водородную сварку рекомендуется применять для сварки металлов и сплавов толщиной 0,5-5-10 мм. Этим способом хорошо свариваются малоуглеродистая и легированная сталь, чугун, алюминиевые, магниевые сплавы. Хуже свариваются медь, латунь из-за склонности к насыщению водородом и испарению цинка. При сварке алюминия и сплавов на его основе необходимо применить флюсы, состоящие из солей щелочных металлов. Металлы с высокой химической активностью к водороду, например Ti, Zr, Та и др., нецелесообразно сваривать атомно-водородной сваркой.

Атомно-водородная сварка обеспечивает получение сварных соединений со свойствами, близкими к свойствам основного металла.

Техника выполнения швов при атомно-водородной сварке подобна технике газовой сварки, т. е. может быть осуществлена как правым, так и левым методами.

Атомно-водородную сварку можно осуществлять в нижнем и вертикальном положениях, по режимам приведенным в таблице

Режимы (ориентировочные) атомно-водородной сварки

Установка для атомно-водородной сварки состоит из атомно-водородного аппарата, баллона с водородом, водородного редуктора, горелки и пускорегулирующей аппаратуры.

1 - атомно-водородный аппарат; 2 - баллон с водородом; 3 - горелка; 4 - токоподвод; 5 - шланг для подачи водорода

При горении дуги в смеси водорода и азота в состав установки входит еще баллон с аммиаком, крекер для получения азотно-водородной смеси из аммиака, аммиачный вентиль, водоотделитель и осушитель для газа. Водород с воздухом образует взрывные смеси, поэтому все соединения трубопроводов, вентилей, шлангов должны быть надежными, а помещения, где производится работа, хорошо вентилируемые.

1 - корпус; 2 - сосуд, питающий пост азотно-водородной смесью; 3 - нагреватель; 4 - труба с катализатором; 5 - катализатор; 6 - электродвигатель; I - баллон с аммиаком; II - крекер; III - водоотделитель; IV - азотно-водородный аппарат
Схемы крекера (а) и установки (б) для сварки азотно-водородной смесью

При соединении водорода с углеродом в условиях сварочной дуги происходит обезуглероживание металла. Поэтому в производственных условиях вместо чистого водорода применяют смеси водорода с азотом. Для расщепления аммиака на водород и азот используют аппараты-крекеры (см. рис. а), в которых расщепление происходит при 600 °С в присутствии катализатора - железной стружки. Из крекера смесь газов поступает в очиститель (см. рис. б) и далее в осушитель, где азотно-водородная смесь, пройдя слой хлористого кальция, поступает по резиновому шлангу в сварочную горелку.

Технические характеристики аппаратов для атомно-водородной сварки

Известны аппараты для атомно-водородной сварки типа ГЭ-1-2, ГЭ-2-2, АВ-40, АГЭС-75, техническая характеристика которых приведена в таблице.

Атомно-водородная сварка широко применялась в самолетостроении, химическом машиностроении и других отраслях промышленности. В настоящее время из-за значительного прогресса других способов сварки атомно-водородная сварка применяется редко.

Водородно - кислородное пламя имеет хорошую эффективность и является предпочтительной заменой ацетилено-кислородного пламени, для сварки, пайки и резки.

Водородно - кислородная сварка частично заменяет сварку и пайку в среде инертных газов (например, аргона), и в отличии от стандартных способов газосварки, является абсолютно безвредной, так как продуктом горения является водяной пар.

Водородно - кислородный сварочный аппарат можно использовать для широкого спектра обрабатываемых материалов: любой стали, цветные и благородные металлы, чугун, стекло, керамика, золото и т.д.

Для работы водородно - кислородного сварочного аппарата необходима только вода в маленьком количестве (примерно 0,2 литра в час).

Для обеспечения бесперебойной работы водородного сварочного поста, не нужно создавать запасы ацетилена и кислорода в баллонах.

Наш водородный сварочный аппарат позволяет выполнять широкий спектр работ – от сварки, микросварки и пайки пламенем размером с иголку до резки листовой стали толщиной до 10 мм и более. Обычно водородно - кислородная смесь превосходит ацетилено-кислородную по технологическим возможностям, а не просто является её более дешевым заменителем.

Водородный сварочный аппарат может работать непрерывно.

При применении водородно-кислородного пламени уменьшаются затраты на обслуживание рабочих мест, отсутствуют отходы производства, абсолютно безвредно - продуктом горения является водяной пар.

Преимущество этого аппарата перед аналогами

• 1. большая производительность при небольших габаритах
• 2. стабильное давление
• 3. специальная технология изготовления пластин обеспечивает большой ресурс работы
• 4. применение ШИМ (PWM) позволило уменьшить энергозатраты и снизить вес оборудования
• 5. интеллектуальное управление
• 6. Автоматическое и ручное управление
• 7. удобство в использовании
• 8. долговечность и простота обслуживания
• 9. удобное управление мощностью
• 10. широкий спектр применения
• 11. высокое качество при небольшой стоимости
• 12. высокая эффективность и удобство, по сравнению с газобаллонным оборудованием
• 13. один аппарат можно использовать для работ на нескольких рабочих местах одновременно. Аппарат будет самостоятельно подстраиваться под действия персонала, автоматически удерживая нужное давление газа в системе.

Автоматика облегчает переход от использования баллонов к интеллектуальному, современному, экономичному оборудованию. У Вас в руках та же горелка, тот же принцип регулирования расхода газа, прибор сделает все остальное сам.

Сравнение затрат при эксплуатации сварочного оборудования

Стандартное газобалонное оборудование в Украине:

• Стоимость Ацетилен баллона 40 л. – 50$/шт.
• Заправка Ацетилен баллона 40 л. - 40$/шт.
• Стоимость Пропан-бутан баллона 50 л. – 35$/шт.
• Заправка Пропан-бутана 50 л. - 15$/шт.
• Стоимость Кислород баллон 40 л. – 50$/шт.
• Заправка Кислород баллон 40 л. - 6$/шт.
• Редуктор + манометр – 15$.
• Стоимость комплекта с баллоном Ацетилен – 161$.
• Стоимость комплекта с баллоном Пропан-бутан – 121$. (без шлангов, горелок и т.д)

• 1 баллон Ацетилена + 10 баллонов Кислорода = 100$.
• 1,3 баллон Пропан-бутан + 10 баллонов Кислорода = 80$.
• + доставка баллонов, стоимость которой часто превышает стоимость самого газа.

Стоимость водородно-кислородного газосварочного оборудования:

Ориентировочная стоимость – 1300$.

Стоимость расходных материалов за 5 рабочих дней (30 рабочих часов).

Мощность усредненная 2,5 кВт/час

2,5 х 30 = 75 кВт/час (потребление ел. Энергии за 30 часов.)

75 х 0,05 = 3,75. (примерная стоимость ел. Энергии за 30 часов.)

Расход воды 15 л.

15 х 0,1 = 1,5$. (стоимость дистиллированой воды)

3,75 + 1,5 = 5,25$. (затраты на 30 рабочих часов)

Вывод:

Стоимость расходных материалов за 5 рабочих дней (30 рабочих часов).

• Ацетилена + Кислорода = 100$.
• Пропан-бутан + Кислорода = 80$.
• Вода + Эл. Энергия = 5, 25 $.

Срок окупаемости при 5 дневной рабочей неделе составит 1300$ / (100$ - 5.25$) = 14 недель (3,5 месяца)

Спустя 3,5 месяца вы сможете получать дополнительную прибыль 95$ в неделю или 380 дол в месяц!

Характеристики

• Питание - 220 (380)В, 50 Гц
• Потребляемая мощность - 4 кВт
• Давление газа - 0,5 атм.
• Макс. температура пламени - 2600 - 3000 ºC
• Производительность газовой смеси - от 0 до 16,6 л/мин.
• Средний расход воды - 225 см3/ч
• Время непрерывной работы - 8 часов
• Толщина свариваемой стали - от 0,1 до 5 мм.
• Габариты - 695x265x340 мм.
• Масса - 40 кг.

Водород — газ без запаха и цвета, весьма легкий, относительно воздуха, с высокой теплопроводностью, самый распространенный, вездесущий химический элемент.
Водородная сварка — эта газосварочная технология основывается на принципе электрохимического разложения воды на водород и кислород.

Процесс сварки имеет отличную эффективность и считается достойной альтернативой сварке с использованием ацетилена и кислорода. Относится к категории безвредных технологий, поскольку элементом горения является водяной пар. Причем, температура на мундштуке горелки достигает 2600°С, что позволяет производить сварку, пайку и, даже, резку черных металлов.
В качестве горелки используются как типовые кислородно-ацетиленовые, серии ГС, так и ручного производства. При этом наконечник должен соответствовать производительности газовой установки и толщине свариваемой конструкции.

Принцип работы.

Аппараты по выработке водорода для сварки, работают от сети 220В и 380В. Суть заключается в том, что протекающий через воду электрический ток разделяет ее на газообразные составляющие. Газовая смесь, проходя через охладитель, конденсирует наличную влагу. В оставшийся газ вводятся пары таких углеводородов, как бензин, спирт или другие. Полученная смесь газа поступает в сварочную горелку по резиновым шлангам. Количество газовой смеси контролируется регулятором тока. Но давление в электролизере может подняться по причине несоответствия сечения сопла горелки и производительности аппарата. И если это давление превосходит величину 0,4 атм, то электронный датчик отключит ток электролизера. В свою очередь, диаметр наконечника должен соответствовать отверстию инжектора, встроенного в рукоять горелки.
В случае необходимости увеличения КПД электролизера, в воду вводится одноразовая порция щелочи. Всего 150гр. на полтора литра дистиллированной воды. Падение же уровня электролита контролируется и оповещается электронным датчиком. Чтобы получить мощный поток газа, нужна большая площадь электродов. Это, хотя — бы 1000см3; суммарно по катоду и аноду, с силой тока до 15А. При большом токе может произойти закипание электролита, что нежелательно. Важен и выбор металла пластин. Электропитание следует обеспечить через ЛАТР с понижающим, до 110 вольт, трансформатором.
Итак, поджигается газ и вентилем добавляется кислород до получения пламени нужной формы, размера и цвета.
Участие водорода в газопламенном воздействии на металлы не требуют громоздких газовых баллонов (вес кислородного баллона -70кг, ацетиленового — 95кг). Интерес к газопламенной сварке растет благодаря массовому выпуску мобильных аппаратов, вырабатывающих кислородно – водородную смесь на базе гидролиза воды. Исходным материалом для их получения, считается 5±35 % раствор щелочи КОН. Он легко получается и из природного метана. В больших количествах получается, как побочный продукт, в металлургическом и хлорном производствах.
На заре становления нефтеперерабатывающей промышленности, водород вырабатывали из H2SO4 на кислотных заводах. Вырабатываемый газ использовался и для сварки свинцовых труб (t плавления=360° С), листов обмуровочных, свинцовой обшивки внутренних и наружных поверхностей оборудования.

Сфера применения.

Несмотря на некоторые проблемы, связанные с практическим использованием водорода, этот газ находит широкое распространение и в области сварочного производства.
Приоритетной сферой этой технологии считается сварка специальных легированных сталей и сплавов из алюминия. Подобного рода сварка целесообразна и с технической, и экономической точки зрения. Но для изделий и конструкций всего до 5мм толщиной. В целом же, сложно назвать сферу деятельности, где можно было — бы обойтись без использования водорода.
Подобная технология стала незаменимой и нашла большой спрос в области:
— ракетно-космической техники;
— авиастроения;
— химической промышленности;
— медицинской сфере;
— металлургии.

Водородная сварка характеризуется медленным равномерным нагревом металла. Это и обуславливает использование ее в сварочном производстве:
-легированных и низкоуглеродистых сталей, толщиной не более 5мм;
-цветных и благородных металлов;
-инструментальных сталей, требующих постепенный нагрев и медленное охлаждение;
-специальных сталей и чугуна, требующих равномерного нагрева всей поверхности свариваемого изделия и медленное остывание, путем помещения детали в уголь. В противном случае, на сварном шве могут иметь место микротрещины;
-пайке резцов и наплавочных работ;
-ювелирного и стоматологического направления;
-ремонта трубок и деталей холодильной техники;
-пайки металлических оправ и запайка медицинских ампул;
-кузовного ремонта автомобильной техники;
-обработке стекол, в том числе кварцевых;
— другие сферы.

Достоинства технологии:

1. абсолютно безвреден, поскольку продукт горения есть водяной пар;
2. расходный материал- вода в малом объеме и непрерывная работа в течении200часов;
3. большая производительность, стабильное давление, удобство в использовании и управлении мощностью;
4. высокое качество сварного шва, при низкой стоимости и малом весе оборудования;
5. эффективность по сравнению с кислородно-ацетиленовым оборудованием;
6. возможность проведения работ на нескольких постах одновременно;
7. автоматическая поддержка режима работы и необходимого давления газа в системе.
8. аппараты просты в эксплуатации с выходом на рабочий режим за 1±5 минут;
9. аппараты не являются взрывоопасными как во время сварки, так и при длительном хранении.

Недостатки:

1. низкая продуктивность при сварке толстого металла и необходимость разогрева, относительно большей площади, свариваемого изделия;
2. работа с металлом только малой толщины;
3. неэффективная форма газового пламени.

Высокую продуктивность можно достичь правильным подбором сечения сопла по отношению к толщине свариваемого изделия;
-избыточная масса углеводородной добавки снижает температуру пламени, а недостаток их приводит к кипению ванночки и образованию окислов;
-применение присадочного материала, легированным марганцем и кремнием;
-выбор припоя, соответствующего металлу;
-обязательная подготовка поверхности к пайке;
— всегда пользоваться регулятором «количество смеси» на блоке электролизера.

Но стоит ли изобретать велосипед, если есть компания “DP Air Gas” . Именно она и является основным поставщиком промышленных газов для стран СНГ и Евросоюза. Профессионалы компании всегда посоветуют и подскажут реальные пути решения проблем с водородом.