Plinsko zavarivanje

Plinsko zavarivanje (ponekad pogrešno zvano "autogeno zavarivanje") spada u grupu zavarivanja taljenjem, gdje se osnovni materijal tali toplinom plamena.

Plinsko zavarivanje.

U tehnici plinskog zavarivanja najvažniji plamen je oksiacetilenski zbog svojih posebnih kemijskih karakteristika. U vrlo rijetkim slučajevima, kada to dopuštaju karakteristike tvari koja se zavaruje, koriste se vodik, metan, propan ili butan.

Plinsko zavarivanje često se izvodi s dodatnim materijalom u obliku žice prikladnog materijala. Ako se izvodi bez dodatnog materijala, pukim taljenjem i spajanjem materijala koji se spaja, zove se autogeno (samorodno) zavarivanje. Ono nije podvrsta plinskog zavarivanja nego svako zavarivanje koje ne koristi dodatni materijal.

Zavarivanje plinom je jedan od najstarijih načina zavarivanja i najsvestranijih postupaka zavarivanja. Danas se uglavnom koristi za zavarivanje čeličnih cijevi i cijevi od sivog lijeva te za popravke. Oprema je relativno jeftina u odnosu na druge učestalije metode. Plamen je više raspršen od električnog luka i uzrokuje sporije hlađenje koje vodi većim zaostalim naprezanjima i deformacijama te stoga traži višu razinu vještine od, primjerice, elektrolučnog zavarivanja. Brzina zavarivanja je usporediva s brzinom zavarivanja TIG postupkom, dok rad sa zapaljivim plinovima povećava opasnost pri radu.

Skoro istim priborom vrši se i plinsko rezanje, uz dodatno dovođenje čistog kisika, a može se koristiti i za tvrdo lemljenje i toplinsku obradu, navarivanje, nabrizgavanje, površinsko čišćenje itd.

Oprema

Oprema za plinsko zavarivanje

Oprema za plinsko zavarivanje sastoji se iz izvora gorivog plina, boce kisika, redukcijskih ventila, sigurnosnih ventila, cijevi za dovod plinova, plamenika i dodatnog materijala.

U Europskoj uniji, boce tehničkih plinova kao što su acetilen i kisik moraju posjedovati atest čije je trajanje deset godina. Visokotlačne boce starije od 40 godina smatraju se rizičnima zbog nagomilanog naprezanja i ne smiju se ponovno atestirati.

Izvor gorivog plina

Acetilen se nekoć često proizvodio na mjestu korištenja uz pomoć razvijača acetilena u kojem se koristila kemijska reakcija kalcijevog karbida i vode. Tu je metodu u razvijenim zemljama istisnulo korištenje niskotlačnih boca zbog puno veće sigurnosti i mogućnosti kontrole tlaka i protoka plina.

Moderan standard označavanja takvih boca je oksidno crvena boja (RAL 3009), dok se u prošlosti koristila bijela ili žuta boja.

EN 1089-3 standard označavanja boca za oksiacetilensko zavarivanje

Iz razloga što je acetilen spoj koji pri tlakovima već blago iznad atmosferskog postaje nestabilan i sklon eksplozivnom raspadu, boce su potpuno ispunjene poroznom masom (agamassan) prožetom acetonom u kojem je acetilen otopljen pod tlakom od 15 bara.

Približan volumen nestlačenog acetilena može se odrediti pomoću sljedeće formule:

V_acetilen = 0,35 * V * K * P * 10^-5

gdje je V volumen boce u kubnim metrima, K koeficijent topljivosti acetilena u acetonu pri sobnoj temperaturi i iznosi 23, a P tlak u boci u paskalima.

Prije korištenja, boca mora stajati u uspravnom položaju barem sat vremena da se aceton slegne na dno. Nikada se ne smije ostaviti izložena grijanju Sunca ili drugih izvora topline. Prijevoz mora biti isključivo s ventilom zaštićenim zaštitnom kapom. Pri pražnjenju boce brzina istjecanja acetilena ne smije biti veća od 1/10 volumena boce po satu da bi se spriječilo pjenjenje acetona i njegovo špricanje iz boce. Boca se ne smije potpuno isprazniti, već se mora ostaviti količina acetilena koja odgovara tlaku od 1 do 1,5 bara, ovisno o vanjskoj temperaturi.

Boca kisika

Kisik se isporučuje u visokotlačnim bocama (150, 200, 300 bar). Moderan standard označavanja u Europskoj uniji (EN 1089-3) je bijela boja (RAL 9010) vrata boce, a u prošlosti se koristila i plava boja.

Približan volumen nestlačenog kisika može se odrediti pomoću sljedeće formule:

V_kisik = V * P * K

gdje je V volumen boce, P tlak u boci, a K koeficijent stlačenja kisika pri temperaturi 15 ºC i iznosi 1,078x10^-5.

Zbog vrlo visokog tlaka i kemijske reaktivnosti kisika, ove su boce puno opasnije od boca acetilena. Kod rukovanja s bocama za kisik treba paziti da su uvijek čiste - navoji ventila se ne smiju podmazivati i prljati jer kisik pri povišenom tlaku reagira s mastima - kod naglog povišenja tlaka i eksplozivno. Otvaranje i zatvaranje boce mora biti polagano da se redukcijski ventil ne bi izložio pneumatskom udarcu. Boce ne smiju biti izložene udarcima, jer to može izazvati eksploziju. Ne smiju se ostavljati izložene jakim izvorima topline. Prijevoz mora biti isključivo sa zaštitnim kapama na ventilima jer u slučaju loma ventila boca postaje projektil na raketni pogon. Tijekom korištenja moraju biti fiksirane uza zid. Boca se ne smije potpuno isprazniti da bi se izbjegao prodor zraka i vlage u njenu unutrašnjost.

Redukcijski ventili

Podrobniji članak o temi: Tlačni ventil

Redukcijski ventili služe smanjenju visokog tlaka iz boce na potrebni radni tlak. Kada se otvori ventil na boci, na manometru visokog tlaka se mjeri tlak u boci. Okretanjem regulacijskog vijka steže se opruga, koja pritišće gumenu membranu, pri čemu se otvara ventil. Plin dolazi u međukomoru sve dok ne dobije određeni tlak, kada membrana za sobom povlači ventil. Tlak na izlazu se mjeri manometrom radnog tlaka.

Kada se otvori plamenik, tlak u međukomori opada, opruga potiskuje membranu i ventil ostaje otvoren sve dok se ponovno ne uspostavi ravnotežno stanje. Ako je sila potiska vijka veća, veći je i radni tlak.

Sigurnosni ventili

Moderni sigurnosni ventili postavljaju se na izlaz redukcijskih ventila i na ulaz plamenika i sastoje se od jednosmjernog ventila i zaustavljača plamena.

Jednosmjerni ventili mehanički blokiraju protok plina u neželjenom smjeru, a zaustavljači plamena, u slučaju formiranja gorive smjese u cijevi, plamenu oduzimaju toplinu i guše ga.

Gumena crijeva za dovođenje plinova

Acetilen i kisik do plamenika se dovode savitljivim crijevima izrađenima od gume armirane platnom. Duljina crijeva ne smije biti manja od nekoliko metara da bi se izbjeglo jako savijanje. Crijeva ne smiju biti pritisnuta, kao ni doći u dodir sa zapaljivim materijalima, iskrama i zagrijanim predmetima. Za acetilen se koriste crijeva crvene boje, a za kisik plave boje.

Plamenici

Podrobniji članak o temi: Plamenik

Plamenici služe za pravilno miješanje gorivog plina i kisika te podešavanje njihovog izgaranja odgovarajućim plamenom. Prema tlaku plinova koji se koriste pri zavarivanju postoje niskotlačni i visokotlačni plamenici.

Niskotlačni plamenici se napajaju acetilenom niskog tlaka (od 0,01 do 0,03 bar) i kisikom visokog tlaka (od 1 do 3 bar). Sastoji se od držača i promjenjivih mlaznica, koje se određuju prema debljini predmeta koji se zavaruju. Mlaznica provodi smjesu acetilena i kisika do mjesta izgaranja. Izrađena je od mjedi, a na kraju završava sa žižkom koji je izrađen od bakra. Kisik ide kroz cijev koja ide sredinom komore za miješanje plina, a acetilen struji vanjskom cijevi i kroz male otvore dolazi u konus za usisavanje gdje kisik iz injektora povlači acetilen.

Sigurno i uredno upravljanje oksiacetilenskim plamenom zahtijeva pozornost i praćenje protokola:

• zatvore se svi ventili plamenika i regulatora
• otvara se ventil boce acetilena tek toliko da manometar pokaže tlak u boci
• široko se otvara ventil acetilena na plameniku
• acetilenskim regulatorom se namješta radni tlak na razinu ovisnu o debljini i karakteristikama materijala koji se zavaruje
• zatvara se ventil acetilena na plameniku
• polako se otvara ventil na boci za kisik dok manomentar ne pokaže tlak u boci
• široko se otvara ventil kisika na plameniku
• regulatorom kisika namjesti njegov radni tlak
• zatvori se ventil kisika na plameniku
• blago se otvori acetilenski ventil plamenika
• sigurnosnim upaljačem zapali se plamen
• namještanjem ventila acetilena na plameniku pojačava se plamen do te mjere da prestane proizvoditi veliku količinu čađe, ali da je još uvijek spojen sa žižkom
• namještanjem ventila kisika na plameniku formira se redukcijski, neutralni ili oksidacijski plamen
• gašenje plamena počinje zatvaranjem dovoda kisika na plameniku (zatvaranje acetilena izaziva glasnu i neugodnu eksploziju u sapnici), a odmah nakon toga i acetilena
• zatvaraju se ventili na obje boce
• otvara se ventil acetilena na plameniku da se iz regulatora i cijevi ispusti nadtlak acetilena
• zatvara se ventil regulatora acetilena
• zatvara se ventil acetilena na plameniku
• otvara se ventil kisika na plameniku da se ispusti njegov nadtlak
• zatvara se ventil regulatora kisika
• zatvara se ventil kisika na plameniku

Pravilnim protokolom izbjegavaju se eksplozije smjese u sapnicama i njihovo unutarnje prljanje produktima raspada acetilena te se osigurava da jedan plin ne prelazi u cijev drugog plina.

Visokotlačni plamenici koriste acetilen visokog tlaka (od 0,5 do 0,7 bar), prvenstveno u serijskoj proizvodnji, jer omogućavaju stalnu potrošnju.

Žice za zavarivanje i navarivanje

Koriste se kao dodatni materijal, pri čemu njegova svojstva moraju biti ista ili slična svojstvu materijala koji se obrađuje. Za zavarivanje mekog čelika koriste se šipke od mekog čelika promjera od 1-8 mm i duljine od 500-1000 mm. Za zavarivanje limova debljine do 5 mm koriste se žice čiji je promjer jednak debljini lima. Šipke i žice za zavarivanje čelika su zaštićene bakrenim prevlakama za sprječavanje njihove korozije. Za zavarivanje lijevanog čelika koriste se žice od lijevanog čelika s povećanim postotkom ugljika i silicija. Za zavarivanje bakra koriste se žice koje imaju najmanje 98% bakra i 0,5-1,5 % kositra ili do 1,2 % srebra, a ostatak čine nikal, silicij, fosfor i drugo. Za zavarivanje bronce koriste se legure bakra i kositra. Za zavarivanje aluminija koriste se žice od čistog aluminija, a za zavarivanje aluminijskih legura koriste se žice koje pripadaju tom tipu legura.

Topitelji

Topitelji uklanjaju oksidirani sloj s površine koja se zavaruje i sprječavaju ponovnu oksidaciju tijekom zavarivanja. Koriste se u obliku prašaka i paste. Meki čelik i čelični lijev zavarivaju se bez topitelja, dok se specijalni čelici, lijevano željezo, bakar i njegove legure, aluminij i njegove legure zavaruju uz upotrebu topitelja. Izbor topitelja ovisi o vrsti materijala koji se zavaruje. Paste se nanose četkom tako da se premažu bridovi pripremljenih utora i žica za zavarivanje. Prašci se prije nanošenja namoče vodom.

Oksiacetilenski plamen

Zone oksiacetilenskog plamena: a) žarište, b) zona zavarivanja, c) zaštitni omotač

Neutralni plamen za zavarivanje, neposredno ispred žarišta ima nepotpuno izgaranje opisano slijedećom jednadžbom kemijske reakcije:

C₂H₂ + O₂ → 2CO + H₂

Temperatura u žarištu plamena je 400-600 °C. Nekoliko milimetara ispred neutralnog plamena, u zoni zavarivanja, doseže do oko 3200 °C.

Produkti izgaranja, ugljikov monoksid i vodik, u odnosu na vrući metal su reduktivne prirode te oko zavarivačkog plamena stvaraju zaštitni omotač koji ne samo što sprječava oksidaciju taline atmosferskim kisikom, nego i na tim temperaturama reducira tragove oksida metala u elementarni metal. Na rubu takvog omotača dolazi do potpunog izgaranja u ugljikov dioksid i vodu.

Tri vrste oksiacetilenskog plamena s obzirom na omjer acetilena i kisika.

Prema omjeru acetilena i kisika, postoje 3 vrste oksiacetilenskog plamena:

• redukcijski plamen nastaje kada u gorivoj smjesi ima više acetilena i stvara svijetlo pero pred žarištem plamena. Koristi se za zavarivanje aluminija, magnezijevih legura, visokougljičnih čelika, temper-lijeva, sivog lijeva i za lemljenje. Plamen je tih ili se čuje blagi protok plinova.
• neutralni plamen nastaje pri stehiometrijskom odnosu acetilena i kisika. Svijetlog pera nema, a žarište je blještave, svijetloplave boje. Plamen se koristi za zavarivanje većine metala (čelik, bakar, bronca, nikal, cink, olovo, itd.). Plamen blago šušti.
• oksidacijski plamen nastaje kada u gorivoj smjesi ima više kisika. Žarište se skraćuje i postaje plavije. Koristi se za zavarivanje mjedi i novog srebra. Plamen šišti.

Prema veličini plamena, odnosno brzini strujanja plina iz žiška, dijeli se u:

• meki plamen - najnježniji koji se može postići s određenim žiškom
• srednji plamen - plamen čija sama acetilenska komponenta struji tek toliko snažno da ne stvara oblak čađe
• oštri/tvrdi plamen - najveći plamen koji se može postići s određenim žiškom, a da se od njega ne odvaja

Zaštita na radu

Osim što predstavlja opasnost od požara i opeklina kože, oksiacetilenski plamen i visokozagrijani metali predstavljaju optičku i respiratornu opasnost. Iako optički nije opasno kao elektrolučno zavarivanje, postupak zrači dovoljno svjetlosti, infracrvenog zračenja i ultraljubičastog zračenja da je promatraču potrebna zaštita u vidu tamnih naočala filtera gustoće barem DIN5.

Vrući metali, njihovi oksidi i topitelji koji pri opisanim temperaturama vriju, emitiraju pare i aerosole od kojih se potrebno štititi ventilacijom i respiratornim maskama.