Spawanie gazowe i jego odmiany

Spawanie gazowe, potocznie zwane autogenem, odkryto już w połowie XIX w. Jest jedną z pierwszych metod łączenia metali, skutecznie stosowaną do dzisiaj.

 

Spawanie gazowe

 

Istotą metody spawania gazowego jest nadtopienie brzegów spawanego materiału za pomocą płomienia gazowego wydobywającego się z palnika. Płomień powstaje w wyniku spalania gazu palnego oraz utleniającego. Jako gaz palny używane są acetylen C2H2, propan C3H8, butan C4H10 i gaz ziemny, a utleniające, czyli podtrzymujące palenie, tlen i powietrze.

 

Acetylen C2H2 charakteryzuje się nieprzyjemnym zapachem, nie posiada on barwy oraz nie wykazuje własności trujących, lecz działa usypiająco. Płomień acetylenu osiąga maksymalną temperaturę 3100°C. Acetylen jest węglowodorem o bardzo nietrwałym związku chemicznym C2H2, ulegającym rozkładowi przy ciśnieniu 1,8 MPa. Rozkład acetylenu odbywa się wybuchowo, dlatego jego sprężanie powyżej 1,5 MPa jest zabronione.

 

Propan C3H8, butan C4H10 otrzymuje się w czasie rafinacji ropy naftowej. Propan i butan są cięższe od powietrza atmosferycznego i ze względu bezpieczeństwa nie mogą być magazynowane poniżej poziomu terenu. Zużycie tlenu przez palniki potrzebnego do spalania propanu –butanu wynosi 3,5-4,5 objętości tego gazu.  W porównaniu do zużycia tlenu potrzebnego do spalania acetylenu, przewyższa to ilość zużytego tlenu o 3-4 krotnie. Występuje to przy palnikach do podgrzewania. Płomień butanu z tlenem osiąga temperaturę 2830°C, a propanu z tlenem 2850°C.

 

Gaz ziemny (potocznie metan) otrzymywany przy eksploatacji złóż mineralnych, głównie ropy naftowej lub węgla. Gaz ziemny zawiera 90-98% metanu. Pozostałymi składnikami gazu ziemnego są węglowodory ciężkie; etan, propan, butan, pentan oraz azot. Z powietrzem lub tlenem tworzy mieszankę wybuchową. Płomień gazu ziemnego z tlenem osiąga temperaturę 2760°C

 

Tlen gazowy otrzymywany jest głownie z powietrza atmosferycznego przez jego oziębienie i skraplanie w temperaturze ok. -200°C oraz następne odparowanie przy -183°C. Tlen jest gazem bezbarwnym, bez zapachu i niepalnym, lecz silnie podtrzymującym palenie. Tlen po bezpośrednim zetknięciu się z tłuszczami, smarami i olejami jest wybuchowy.

 

Spalanie gazowe acetylenu odbywa się w dwóch etapach, dzięki czemu w płomieniu można rozróżnić trzy strefy. Pierwszy etap zachodzi w strefie redukcyjnej, inaczej odtleniającej, gdzie płomień uzyskuje najwyższą temperaturę, natomiast II etap zachodzi w strefie spalania pierwotnego zwaną kity płomienia. Oprócz tych dwóch stref wyróżnia się jeszcze jądro płomienia, w którym głównie występuje doprowadzony z butli tlen i acetylen. Odpowiednia regulacja zaworów tlenu i acetylenu na palniku gazowym wpływa na ustawienie rozmiarów opisanych stref i tym samym pozwala na dostosowanie płomienia do różnych zastosowań.

 

Strefy płomienia acetylenowo-tlenowego
Rys. 1 Strefy płomienia acetylenowo-tlenowego.

 

 

Cechy użytkowe metody spawania gazowego

Zalety:

  • wysoka wydajność i szybkość spawania
  • duży zakres spawanych grubości
  • niskie koszty urządzeń w porównaniu do spawania elektrycznego
  • stosunkowo prosta technika spawania
  • możliwość zautomatyzowania

Wady

  • duże koszty gazów eksploatacyjnych
  • mniejsza estetyka spoin
  • możliwość spawania stali jedynie o niższych zawartościach węgla
  • utrudnione spawanie aluminium i stali odpornych na korozję

 

Zastosowanie metody spawania gazowego

Spawanie gazowe stosowane jest przede wszystkim przy pracach naprawczych oraz remontowych. Jest często stosowane przy spawaniu cienkich rur, takich jak instalacje gazowe, wodne czy ciepłownicze. Spawanie gazowe jest również wykorzystywane ze względu na brak możliwości stosowania innych metod. Należy pamiętać, że nie stosuje się tu żadnego zasilania i tym samym nie ma ograniczenia przewodami, dlatego metoda dobrze sprawdza się w warunkach terenowych i na dużych powierzchniach. 

 

W skład stanowiska do spawania gazowego wchodzą:

  • palnik acetylenowo-tlenowy do spawania
  • butle z gazami: butla z tlenem technicznym oraz butla acetylenowa
  • reduktory butlowe
  • wąż tlenowy (niebieski) oraz acetylenowy (czerwony)
  • zestaw części do palnika
Wyposażenie butli do spawania gazowego
Rys. 2 Wyposażenie butli do spawania gazowego.

 

 

Jak spawać ręcznie metodą gazową.

Pierwszą czynnością przy przystąpieniu do spawania gazowego jest dokładne oczyszczenie materiału spawanego z farb, korozji, smarów i innych zanieczyszczeń. Przed rozpoczęciem spawania należy również upewnić się o szczelności złączy i węży.

Kolejnym krokiem jest odkręcenie butli z gazami i ustawienie na reduktorach odpowiedniego ciśnienia roboczego, który dla tlenu mieści się w zakresie 0,25-0,45 MPa, natomiast dla acetylenu 0,01-0,08 MPa. Ciśnienie tlenu należy wyregulować przy odkręconym zaworze na palniku. Przy rozpoczynaniu pracy palnika w pierwszej kolejności odkręcamy zawór tlenu, a dopiero po nim zawór acetylenu, a następnie zapalamy palnik. Oczywiście należy pamiętać by zawór tlenu był odkręcony mniej niż acetylenu, gdyż inaczej nie zapalimy palnika. Płomień regulujemy zaworem tlenowym przez powolne otwieranie, aż uzyskamy satysfakcjonujący nas typ płomienia.

 

Wyróżnia się 3 typy płomienia:

  • płomień normalny, zwany również neutralnym lub redukującym, który charakteryzuje się stosunkiem tlenu do acetylenu od 1:1 do maksymalnie 1,3:1. Jest to najczęściej pożądany rodzaj płomienia, gdyż pozwala on na spawanie stali węglowej, miedzi i żeliwa. Prawidłowy płomień redukujący posiada jasno świecący stożek z lekko migoczącym wierzchołkiem.
  • płomień utleniający, występuje, gdy stosunek tlenu do acetylenu jest większy niż 1,3:1. Płomień jest smukły, niebieski i posiada krótkie jądro. Stosuje się go przy spawaniu mosiądzów.
  • płomień nawęglający, tworzy się przy nadmiarze acetylenu, w stosunku ponad 1:1. Posiada czerwonawy kolor oraz wydłużone jądro i jest przeznaczony do spawania aluminium i jego stopów.

 

Ustawienie płomienia

 

Po ustawieniu odpowiedniego rodzaju płomienia, można przystąpić do spawania według jednej z trzech zasadniczych metod prowadzenia palnika: w lewo, w prawo lub w górę.

 

Spawanie w lewo – przy spawaniu w lewo płomień palnika zwrócony jest w kierunku układania spoiny, a koniec spoiwa w kierunku przeciwnym. Wlot palnika i spoiwo znajdują się w płaszczyźnie symetrii przechodzącej wzdłuż osi spoiny. W czasie spawania posuw palnika jest równomierny, bez ruchów poprzecznych. Spoiwo natomiast wykonuje małe ruchy posuwisto zwrotne wzdłuż swojej osi w taki sposób, aby krople spływały do jeziorka ciekłego metalu, a koniec spoiwa znajdował się stale w strefie redukcyjnej płomienia. Kąt prowadzenia palnika wg rys.3 to kąt 60° zawarty pomiędzy osią palnika a powierzchnią spoiny, zaś kąt prowadzenia spoiwa zawartego pomiędzy jej osią a rowkiem złącza spawalniczego wynosi 45°.

Stosuje się ją przy spawaniu materiałów o grubościach nie przekraczających 4mm. Ze względu na to, że spoina wykonywana spawaniem w lewo szybko stygnie, mogą pojawiać się w niej porowatości oraz pęcherze, dlatego nie zaleca się jej stosowania przy odpowiedzialnych konstrukcjach.

 

Położenie palnika w czasie spawania w lewo
Rys.3 Położenie palnika (1) i spoiwa (2) w czasie spawania w lewo.

 

Rozróżnia się kilka odmian spawania w lewo należą do nich:

  • spawanie w lewo doczołowe w pozycji podolnej
  • spawanie w lewo doczołowe bez podawania spoiwa
  • spawanie w lewo doczołowe w położeniu pochylnym
  • spawanie w lewo doczołowe dwuwarstwowe w położeniu pochyłym
  • spawanie w lewo złączy narożnych w pozycji podolnej
  • spawanie w lewo złączy teowych
  • spawanie w lewo kolejnymi jeziorkami
  • spawanie w lewo doczołowe w pozycji pułapowej

 

Spawanie w lewo doczołowe w pozycji podolnej stosuje się do spawania blach o grubości 1-4[mm]. Spoina wykonywana jest w pozycji podolnej. Brzegi blach powinny być starannie przygotowane. Brzegi blach nie wymagają ukosowania, lecz przed spawaniem należy połączyć je spoinami sczepnymi.

 

Grubość blachy s[mm] Kształt brzegów Odstep pomiędzy brzegami a[mm] Odstep pomiędzy szczepami w [mm] Średnica spoiwa w [mm] Wydajność palnika l/h Szybkość spawania m/h Zużycie spoiwa g/m
1
Kształt brzegów

 

1,00 50 2,00 100 12,00 20
1,5 1,50 60 2,00 150 8,00 35
2 2,00 80 3,15 230 6,00 50
2,5 2,5 100 3,15 260 4,70 65
3 3,00 120 3,15 300 4,00 90
4 4,00 200 4,00 380 3,00 100

Tablica 1.        Parametry spawania w lewo w pozycji podolnej.

 

Spawanie w lewo doczołowe bez dodawanie spoiwa stosuje się do spawania blach o grubości do 2[mm], w przypadkach, kiedy nie wymagana jest duża wytrzymałość połączenia np. w blacharstwie. Spoina może być wykonana jako czołowa, brzeżna lub grzbietowa w dowolnej pozycji spawania. Brzegi blach powinny dokładnie przylegać do siebie, nie tworzyć odstępów uniemożliwiających połączenie poprzez stopienie krawędzi, a w przypadku połączenia czołowego nie zachodzić na siebie. Przy łączeniu blach spoiną brzeżną lub grzbietową należy zastosować wywinięcie brzegów przeznaczonych do spawania. Brzegi blach należy przed spawaniem połączyć spoinami sczepnymi. Kąt prowadzenia palnika to kąt 60° zawarty pomiedzy osią palnika a powierzchnią spoiny

 

Grubość blachy s[mm] Kształt brzegów Odstep pomiędzy brzegami a[mm] Odstep pomiędzy szczepami w [mm] Wydajność palnika l/h Szybkość spawania m/h Zużycie na 1m spoiny acetylenu w l Zużycie na 1m spoiny tlenu w l
0,5
Kształt brzegów

 

0,30 30 60 28 2,00 3,00
0,8 0,40 40 75 24 3,00 3,60
1 0,50 50 100 20 5,00 6,00
1,2 0,60 60 120 16 7,50 9,00
1,5 0,60 70 160 14 11,00 12,00
2 1,00 80 230 12 18,00 22,00
 
Kształt brzegów

 

           
0,5 0,00 45 60 26 2,30 2,80
1 0,00 55 100 18 5,50 6,70
1,5 0,00 65 160 12 12,50 15,00
             

Tablica 2.        Parametry spawania w lewo bez dodawania spoiwa.

 

Spawanie w lewo doczołowe w położeniu pochyłym stosuje się głównie do spawania blach do 4[mm] co umożliwia wykonanie właściwego przetopu w grani spoiny. Może być również stosowane do spawania grubszych blach, jeżeli nie ma innej możliwości w celu łatwiejszego wykonania spawania. Spoina wykonywana jest w pozycji podolnej, przy czym blachy ustawione są pochyło do kierunku spawania. Przy spawaniu blach powyżej 4[mm], stosuje się ukosowanie brzegów. Jeżeli w tym przypadku występują trudności w otrzymaniu dokładnego przetopu, można zastosować spawanie dwuwarstwowe lub spawanie w prawo. Spawanie w położeniu pochyłem ma duże zastosowanie w pracach kotlarskich i spawaniu rur.

 

Grubość blachy s[mm] Kształt brzegów Odstep pomiędzy brzegami a[mm] Średnica spoiwa w [mm] Wydajność palnika l/h Szybkość spawania m/h Zużycie spoiwa g/m
4
Kształt brzegów

 

2,50 3,15 400 3 180
 
Kształt brzegów
Podpis

 

         
5 2,00 4,00 500 2,4 250
6 2,50 4,00 600 2 360
8 3,00 5,00 800 1,5 650
10 3,00 6,30 1000 1,2 1000
           

Tablica 3.        Parametry jednowarstwowego spawania w lewo w położeniu pochyłym.

 

Spawanie w lewo doczołowe dwuwarstwowe w położeniu pochyłym stosuje się w wyjątkowych przypadkach do spawania blach o grubości powyżej 8[mm], najczęściej w pracach kotlarskich i przy budowie rurociągów. Przed spawaniem należy brzegi połączyć spoinami sczepnymi możliwie od strony grani spoiny. Spoinę układa się w dwóch warstwach. Każda warstwa powinna pełnić połowę wysokości rowka. Spawanie prowadzi się odcinkami po 60-80[mm], układając na przemian dolną i górną warstwę. Przy układaniu dolnej warstwy, należy uzyskać przetop w grani spoiny, natomiast w czasie wykonywania górnej warstwy licowej należy rozprowadzić ciekły metal w rowku małymi ruchami poprzecznymi palnika. Sprzyja to uzyskaniu większego wtopienia w materiał rodzimy i ukształtowanie lica spoiny. Spawanie dwuwarstwowe jest nieekonomiczne, dlatego zaleca się spawać blachy powyżej 8[mm] sposobem w górę lub w prawo.

 

Grubość blachy s[mm] Kształt brzegów Odstep pomiędzy brzegami a[mm] Średnica spoiwa w [mm] Wydajność palnika l/h Szybkość spawania m/h Zużycie spoiwa g/m
 
Kształt brzegów

 

         
8 3,00 5,00 800 1,7 700
10 3,00 5,00 1000 1,4 1000
12 3,50 6,30 1200 1,2 1300
           

Tablica 4.        Parametry dwuwarstwowego spawania w lewo w położeniu pochyłym.

 

Spawanie w lewo złączy narożnych w pozycji podolnej ma również zastosowanie do wykonywania spoin narożnych, głównie w przypadku łączenia cienkich blach. Przed spawaniem należy blachy połączyć spoinami sczepnymi. Przy łączeniu blach o grubości 2-4[mm] zaleca się stosować spawanie w położeniu pochyłym, pod kątem 20-25°. Przy grubościach 4-6[mm] należy stosować spawanie w prawo. Ukosowania nie stosuje się, ponieważ równo obcięte brzegi blach tworzą naturalny rowek dla spoiny. Należy zwrócić uwagę na uzyskanie przetopu w grani spoiny. Najlepsze wyniki uzyskuje się przy spawaniu blach o grubości do 3[mm].

 

Grubość blachy s[mm] Kształt brzegów Odstep pomiędzy brzegami a[mm] Średnica spoiwa w [mm] Wydajność palnika l/h Szybkość spawania m/h Zużycie spoiwa g/m
 
Kształt brzegów

 

         
1 25 1,60 75 12,00 15
2 50 2,00 160 7,50 30
3 75 3,15 220 5,00 60
4 100 3,15 300 3,50 100
5 120 4,00 400 3,00 160
6 150 4,00 500 2,50 250
           

Tablica 5.        Parametry spawania w lewo złączy narożnych.

 

Spawanie w lewo złączy teowych spoinami pachwinowymi nie jest zalecane. Metoda jest nieekonomiczna i pozwala na uzyskanie przetopu w grani spoiny jedynie przy zmniejszonej prędkości spawania. Co spowoduje nadmierne przegrzanie złącza i zwiększone zużycie gazów. Przy dużej różnicy grubości blach s1 i s2, należy dodatkowo podgrzać grubszą blachę. Wyjątkowo metodę spawania gazowego wykonuje się spoiny pachwinowe przy łączeniu blach o grubości do 5[mm]. Powyżej tej grubości należy stosować spawanie łukowe.

 

Grubość blachy s[mm] Kształt brzegów Odstep pomiędzy brzegami a[mm] Średnica spoiwa w [mm] Wydajność palnika l/h Szybkość spawania m/h Zużycie spoiwa g/m
 
Kształt brzegów

 

         
1 25 2,00 150 10,00 25
2 50 3,15 250 6,00 50
3 75 3,15 400 4,00 100
4 100 4,00 550 3,00 200
5 120 4,00 600 2,40 300
           

Tablica 6.        Parametry spawania w lewo złączy teowych.

 

Spawanie w lewo kolejnymi jeziorkami sposób ten stosowany jest bardzo rzadko, jedynie do wykonywania jednostronnych spoin naściennych. Blachy do 5[mm] grubości spawa się bez ukosowania. Spoina wykonywana jest w dwóch kolejnych ruchach. Przy pierwszym ruchu, gdy jeziorko ciekłego metalu przeszło w stan stały, palnik kieruje się w stronę przeciwną do spawania, pod kątem 60° do osi spoiny. Pozwala to na wykonanie dobrego przetopu w głębi rowka i uzyskanie odpowiedniego jeziorka metalu zabezpieczającego otrzymanie wypukłego lica spoiny. Przy drugim ruchu palnik pochyla się w kierunku zgodnym do spawania pod kątem 70° do osi spoiny i postępuje jak przy spawaniu w lewo. Przy większych grubościach można stosować również spawanie w prawo.

 

Grubość blachy s[mm] Kształt brzegów Odstep pomiędzy brzegami a[mm] Średnica spoiwa w [mm] Wydajność palnika l/h Szybkość spawania m/h Zużycie spoiwa g/m
 
Kształt brzegów

 

         
5 2,00 3,15 400 1,60 250
6 2,00 3,15 500 1,30 360
7 2,50 3,15 600 1,10 500
8 3,00 4,00 600 1,00 650
10 3,00 4,00 800 0,80 1000
           

Tablica 7.        Parametry spawania w lewo kolejnymi jeziorkami.

 

Spawanie w lewo doczołowe w pozycji pułapowej ma zastosowanie do wykonywania spoin czołowych. Wykonywanie spoin w tej pozycji nie jest zalecane. Przy grubościach większych od 5[mm] należy wykonywać spoinę dwuwarstwowo.

 

Grubość blachy s[mm] Kształt brzegów Odstep pomiędzy brzegami a[mm] Średnica spoiwa w [mm] Wydajność palnika l/h Szybkość spawania m/h Zużycie spoiwa g/m
 
Kształt brzegów

 

         
5 2,00 3,15 400 1,60 250
6 2,00 3,15 500 1,30 360
7 2,50 3,15 600 1,10 500
8 3,00 4,00 600 1,00 650
10 3,00 4,00 800 0,80 1000
           

Tablica 8.        Parametry spawania w lewo w pozycji pułapowej.

 

Spawanie w prawo - palnik zwraca się w kierunku przeciwnym do kierunku spawania i prowadzi prostoliniowo od lewej do prawej. Stworzone jeziorko spawalnicze powinno posiadać charakterystyczne 'oczko'. Palnik powinien być trzymany w takiej odległości, aby jądro płomienia znajdowało się w spawanym rowku, natomiast spoiwo podawane ruchem zakosowym.
Stosowanie tej metody sprawdza się w przypadku materiałów o grubości ponad 4mm, a także, ze względu na lepszą wytrzymałość, przy odpowiedzialniejszych konstrukcjach. Problem przy metodzie spawania w prawo może stanowić utrzymanie gładkiego lica spoiny.

 

Położenie palnika i spoiwa w czasie spawania w prawo
Rys.4    Położenie palnika (1) i spoiwa (2) w czasie spawania w prawo.

 

Grubość blachy s[mm] Kształt brzegów Odstep pomiędzy brzegami a[mm] Średnica spoiwa w [mm] Wydajność palnika l/h Szybkość spawania m/h Zużycie spoiwa g/m
 
Kształt brzegów

 

         
5 2,00 3,15 600 3,00 200
6 2,50 3,15 600 2,50 300
8 3,00 4,00 800 1,80 580
10 3,00 5,00 1000 1,50 800
12 3,50 6,00 1200 1,20 1200
           

Tablica 9.        Parametry spawania w prawo w pozycji podolnej.

 

Spawanie w górę - spawanie przebiega w pionowym położeniu spawanego rowka, a palnik prowadzi się od dołu do góry delikatnie skierowany (20° od poziomu) w kierunku spawania. Dostarczane spoiwo powinno wykonywać ruch wahadłowy i podążać za palnikiem pod kątem 30° od poziomu. Techniką spawania w górę można spawać blachy nieukosowane o zakresie grubości od 2 do 6mm oraz ukosowane od 7 do 10mm. Metoda ta charakteryzuje się wysoką wydajnością i niższym zużyciem gazów, z zachowaniem dobrego przetop. Spawanie w górę może być również wykonywane przez dwóch spawaczy jednocześnie poprzez spawanie dwustronne, wówczas istnieje możliwość spawania blach ukosowanych o grubościach do 20mm.

 

Grubość blachy s[mm] Kształt brzegów Odstep pomiędzy brzegami a[mm] Średnica spoiwa w [mm] Wydajność palnika l/h Szybkość spawania m/h Zużycie spoiwa g/m
 
Kształt brzegów
Podpis

 

         
2 1,50 2,00 100 5,00 35
3 2,00 2,00 160 3,50 70
4 2,00 2,00 250 2,50 120
5 2,50 3,15 300 2,00 200
6 3,00 3,15 400 1,60 270
           

Tablica 10.      Parametry jednostronnego spawania w górę blach nieukosowanych.

 

W celu wykonania złączy o odpowiednich własnościach mechanicznych zgodnie ze sztuką spawalniczą i ekonomicznie, należy zastosować jeden ze znanych sposobów spawania gazowego. Poszczególne sposoby określają położenie palnika i materiału dodatkowego względem spawanych części, kształt przygotowania brzegów w zależności od grubości spawanych elementów oraz usytuowania spoiny.

 

Literatura:

[1] – Poradnik Spawacza Gazowego – mgr inż. Jan Pałasz, WNT Warszawa 1970r

[2] – Instytut Spawalnictwa – Spawanie i cięcie gazowe, Gliwice 1997

[3] - https://www.icd.pl/poradnik/post/spawanie-gazowe

[4] - https://spawalnicy.pl/edukacja/65-spawanie-gazowe-311

[5] - http://www.osk.com.pl/szkolenia/index/gaz