Водородный сварочный аппарат: преимущества работы

Что такое водородная сварка

Альтернативой газовым горелкам, работающим на ацетилене, стала водородная сварка. Она применяется для соединения различных материалов, не только металлов. Компактные установки используются в стоматологии, ювелирном деле, мастерских по ремонту автотехники. При желании можно сделать установку, генерирующую газовую смесь, своими руками. Водородная сварка используется в быту и на производстве.

Сущность водородной сварки

Сварка водородом основана на способности Н₂ сгорать с большим выделением тепла. Для пламени необходима газовая смесь с большим содержанием водорода. Кислород связывается воспламеняющимися органическими жидкостями, их требуется немного. Водородное пламя не видно в дневное время суток, в аппаратах используют специальные датчики, контролирующие подачу газа.

Для генерации водородной смеси используют электролизеры. Вода распадается на составные молекулы под действием электрического тока. Получается горючая газовая смесь с необходимым соотношением водорода и кислорода.

Среди промышленного оборудования внимания заслуживают отечественные сварочные аппараты серии «Лига». Они работают от стандартной сети 220 В, заправляются дистиллированной водой, она используется в качестве среды для электролиза. Под воздействием тока молекулы распадаются на кислород и водород. Смесь газов поступает в охладитель-обогатитель, где конденсируется избыточная влага. С газовой смеси добавляют горючие жидкости:

• бензол;
• спирт;
• бензин;
• толуол;
• другие углеводородные композиции.

Как и при других огневых работах, при сварке электролизером нужно соблюдать технику безопасности.

Преимущества и недостатки

Водородная технология в сравнении с другими видами термического соединения металлов выигрывает по многим позициям:

• эффективности;
• безопасности;
• экологичности.

Компактные аппараты удобны для соединения многих материалов:

• углеродистых, низколегированных и сталей;
• стекла;
• литейного чугуна;
• некоторых цветных сплавов;
• стекла;
• керамики;
• композитных материалов.

Сварочный процесс не связан с частой зарядкой оборудования, экономится много времени. На генерацию газа уходит не более 5 минут. При небольших габаритах у аппаратов большая рабочая мощность. В отличие от ацетиленовой сварки водородная не загрязняет атмосферу продуктами горения, парами азота. Оборудование отличается пожаробезопасностью, у конструкции риски возгорания, взрывов минимальные. В процессе работы швы не окисляются.

Несколько слов о недостатках водородных аппаратов:

• область применения ограничена размерами сопла, маленькой горелкой сваривают только тонкостенные детали;
• при работе с некоторыми цветными металлами не избежать пористости, прочность соединения снижается;
• пламя сложно регулировать «на глазок», факел невидим невооруженным глазом.

Применение водородного сварочного аппарата

Используя аппараты атомно-водородной сварки, производят:

• пайку металла;
• сварку стальных заготовок любого размера;
• порошковое защитное напыление;
• кислородную резку проката;
• наплавку деталей.

Водородная сварка применяется не только при строительных работах, благодаря компактности, аппараты используют:

• мастера по ремонту холодильного оборудования, радиаторов;
• стоматологи;
• ювелиры;
• радиолюбители;
• мастерские, занимающиеся кузовным ремонтом автотехники.

Диапазон использования аппаратов обширен. Используя возможности атомно-водородной сварки, ремонтируют чугунные изделия (металл характеризуется высокой текучестью). Единственное ограничение использования электролизеров – высокая экзотермия. Это фактор повышено риска, при сварке водородом используют охлаждающие системы.

Как сделать водородную сварку своими руками

Небольшой аппарат для водородной сварки своими руками сделать несложно. Чертеж можно найти на сайтах, все необходимое – в хозяйственном магазине.

1. Емкость для раствора щелочи, водород высвобождается при диссоциации. Используют стеклянную тару – банку объемом 0,5 л. В капроновой крышке делают два отверстия для проводов, идущих к электродам. Для герметизации конструкции используют клей «Момент», необходимо ограничить доступ кислорода к жидкости.
2. Электроды делают из полосок нержавеющего проката, рекомендуемая высота – 4 см. Пластинки скрепляют диэлектрическими шпильками на большом удалении друг от друга, чтобы использовать весь объем жидкости. Клеммы фиксируют болтами так, чтобы по краям были минусы, в центре – плюс. К ним будет подводиться ток.
3. Отводной штуцер для выхода газа делается из гибкой трубки, через нее с помощью шприца закачивается 10% раствор NaOH. Щелочь разводят в дистиллированной воде. В рабочем состоянии самодельный электролизер нагревается до +80°С.
4. Гидрозатвором служит другая емкость, заполненная водой на 1/3 объема. В нее помещают конец отводного штуцера.
5. Рабочее сопло, из которого выходит горючая смесь газов, должно быть металлическим. Умельцы используют медицинские иглы.
6. Источник постоянного тока – аккумулятор напряжением до 12 В или выпрямитель. Выработка газов зависит от силы тока. Меняя показатели, регулируют мощность пламени. Для сварки тонкостенных заготовок достаточно напряжения 3 вольта.

Электролиз начинается при замыкании электроцепи, через 2–3 минуты струя, выходящая из сопла, загорается. Можно приступать к работе.

Техника безопасности при сварке водородом

Промышленные аппараты для водородной и атомно-водородной сварки оснащают системой автоматического отключения. При повышенном давлении газовой смеси подача тока прекращается автоматически, без участия сварщика. Как и при других огневых работах, при сварке электролизером нужно соблюдать технику безопасности.

1. Газовая горелка располагается на удалении от воспламеняющихся и огнеопасных веществ. Во время работы сопло держат в противоположной стороне от источника питания. Пользуются ограждающими экранами.
2. Закрытое помещение необходимо периодически проветривать.
3. Пламя негативно влияет на сетчатку и глазное яблоко. При водородной сварке рекомендуется пользоваться затемненными очками.
4. На газовые баллоны при перевозке надевают защитный колпак, устанавливают металлические резервуары в решетчатые подставки, чтобы во время движения транспорта баллоны не соприкасались друг с другом и не падали.
5. На сварочном участке не хранят кислород, в минуты отдыха выключают сварочное оборудование.

При соблюдении правил эксплуатации работать безопасно. Качественные соединения получают без вреда для себя и окружающей природы.

Как получают и применяют водород для сварки

В условиях ужесточения экологических требований к промышленным процессам проводятся работы по поиску безвредных видов топлива. Не остались без внимания и сварочные работы с использованием в качестве основных источников энергии горючих газов – пропана, ацетилена и других. В результате исследований оказалось возможным заменить их водородом, или, вернее смесью из водорода и кислорода.

Получение водорода

Водород можно получить при помощи электролиза воды, точнее, щелочного раствора гидроксида натрия (каустической соды, едкого натра, это все названия одного и того же вещества). Гидроксид добавляют в воду для ускорения реакции.

Для получения водорода достаточно опустить в раствор два электрода и подать на них постоянный ток. В ходе электролизного процесса на положительном электроде будет выделяться кислород, на отрицательном – водород. Объем выделяемого водорода будет в два раза больше, чем объем выделяемого кислорода.

В химическом выражении реакция выглядит следующим образом:

Остается технически разделить эти два газа и воспрепятствовать их смешиванию, поскольку в результате образуется смесь, обладающая огромной потенциальной энергией. Оставлять процесс без контроля крайне опасно.

Для сварки водород получают при помощи специальных аппаратов – электролизеров. Для их питания необходимо электричество напряжением от 230 В. Электролизеры, в зависимости от конструкции, могут работать на трехфазном токе и на однофазном.

Преимущества и недостатки

В результате сгорания водорода не образуется никаких вредных веществ, в отличие от случаев, когда для сварки используется ацетилен. Происходит это потому, что при сгорании водорода в среде кислорода, образуется вода, точнее водяной пар, который не содержит никаких вредных примесей.

Температура пламени водородно-кислородной смеси может регулироваться в пределах 600-2600 °C, что позволяет сваривать и резать даже самые тугоплавкие материалы.

Для получения водорода в качестве сырья используется только вода и электроэнергия, что делает стоимость работ низкой по сравнению с другими видами сварки.

Все вышеперечисленные свойства позволяют использовать водородную сварку в замкнутых пространствах, помещениях с плохой вентиляцией, в колодцах, тоннелях, подвалах домов.

Стоит отметить и такое преимущество водородной сварки, как возможность смены сопла горелки. Водород поддерживает пламя практически любой конфигурации и размера.

Использовать тонкую струю газа, дающую пламя не толще швейной иглы, можно даже при работе с ювелирными изделиями из драгоценных металлов. Для тонкого пламени не требуется наличие дополнительного кислорода, достаточно растворенного в воздухе.

Недостатком водородной сварки можно считать зависимость ее от наличия источника электроэнергии, необходимой для получения водорода. Использование баллонов с водородом не допускается по причине опасности их транспортировки и эксплуатации.

Атомно-водородный способ

Одной из разновидностей сварки, в которой задействован водород, является атомно-водородная сварка. Процесс ее основан на явлении диссоциации (распада) молекулярного водорода на атомы.

Для распада, молекула водорода должна получить значительное количество тепловой энергии. Атомное состояние водорода настолько неустойчиво, что длится лишь доли секунды. А далее происходит восстановление водорода из атомного в молекулярный.

При восстановлении выделяется большое количество теплоты, которую и используют при атомно-водородной сварке для разогрева и плавления свариваемых деталей из металла.

На практике весь процесс реализуется при помощи электросварки с двумя неплавящимися электродами. Для получения необходимого тока, возбуждающего дугу, может использоваться обычный сварочный аппарат. А вот держатель или горелка имеют необычную конструкцию.

Электроды и горелка

Электроды с горелкой, в которую подается водород, расположены под углом друг к другу. Дуга возбуждается между этими двумя электродами. Водород, или азотно-водородная смесь, подаваемые в зону дуги, под воздействием высокой температуры переходят в состояние атомарного водорода.

Далее при возвращении в молекулярную форму, водород отдает тепло, создающее температуру, которая в сумме с температурой дуги может достигать 3600 °C.

Поскольку диссоциации происходит с поглощением тепла (водород оказывает охлаждающее влияние), то напряжение для разжигания дуги должно быть достаточно высоким – около 250-300 В. в дальнейшем напряжение можно понизить до 60-120 В, и дуга при этом может отлично гореть.

Интенсивность горения будет зависеть от расстояния между электродами и количества водорода, подаваемого в зону сварки.

Горение дуги

Разжигание дуги производится кратковременным замыканием электродов между собой или на графитовой пластинке при обдувании электродов газом. После разжигания дуги, расстояние до свариваемых деталей поддерживается в пределах 5-10 мм.

Если дуга не касается свариваемого металла, она горит равномерно и устойчиво. Ее называют спокойной. При малых расстояниях, до детали, когда пламя дуги почти касается детали, образуется сильный резкий звук. Такая дуга называется звенящей.

Технология сварки сходна с технологией обычной газовой.

Сварка с применением атомно-водородного метода была придумана и исследована в 1925 году американским ученым Лангмюром. В процессе исследований вместо дуги использовалась теплота от горения вольфрамовой нити, через которую пропускался водород.

В бытовых условиях

Для использования водородной сварки в быту необязательно покупать аппараты для получения водорода. Они, как правило, обладают большой производительностью и мощностью. К тому же, такие генераторы громоздкие и дорогие.

В бытовых условиях часто требуются небольшие объемы сварочных работ, поэтому оборудование для водородной сварки целесообразно изготовить самостоятельно.

Питание и рабочая жидкость

Питание можно подавать от автомобильного зарядного устройства или от самодельного выпрямителя, который можно изготовить, имея подходящий трансформатор и несколько полупроводниковых диодов.

В качестве рабочей жидкости должен использоваться раствор гидроокиси натрия. Он будет являться лучшим электролитом, чем простая вода. По мере уменьшения уровня раствора, необходимо просто добавлять воду. Количество гидроксида натрия будет всегда постоянно.

Корпус и трубки

В качестве корпуса для генератора водорода можно использовать обычную литровую банку с полиэтиленовой крышкой. В крышке необходимо просверлить отверстия под диаметр стеклянных трубок.

Трубки будут использоваться для отвода образующихся газов. Длина трубок должна быть достаточной для того, чтобы нижние концы были погружены в раствор.

Внутри трубок должны быть размещены электроды, по которым подается постоянный ток. Места прохода трубок через крышку необходимо загерметизировать любым силиконовым герметиком.

Отвод водорода

Из трубки, в которой находится отрицательный электрод, будет выделяться водород. Необходимо предусмотреть возможность отвода его при помощи шланга. Отводить водород необходимо через гидрозатвор.

Он представляет собой еще одну полулитровую банку с водой, в крышку которой вмонтированы две трубки. Одну из них, по которой подается водород от генератора, погружают в воду. Вторая выводит прошедший через воду водород из затвора и через шланги или эластичные трубки подает к горелке.

Водяной затвор необходим для того, чтобы пламя от горелки не прошло в генератор при падении давления водорода.

Горелка

Горелку можно сделать из иглы от медицинского шприца. Толщина ее должна быть 0,6-0,8 мм. Для держателя иглы можно приспособить подходящие пластиковые трубки, части корпусов шариковых ручек, автоматических карандашей. Необходимо предусмотреть и подвод к горелке кислорода от генератора.

Интенсивность образования водорода и кислорода в генераторе будет зависеть от величины подаваемого напряжения. Поэкспериментировав с этими параметрами, можно достичь температуры пламени горелки 2000-2500 °C.

Изготовленный своими руками аппарат, выполняющий водородную сварку, возможно с успехом применять для резки или для соединения сваркой либо пайкой различных мелких деталей из черного и цветного металла. Это может понадобиться при ремонте различных предметов домашнего обихода, деталей автомобилей, различных металлических инструментов.

Технология водородной сварки – где применяется, каким оборудованием выполняется, плюсы и минусы

Сварка, резка, пайка осуществляется не только с использованием ацетиленового огня. Всё больше мастеров отдают предпочтение водородной сварке.

Причиной тому экологическая польза и полная безопасность. Рабочий процесс не занимает много времени, сохраняя при этом высокую эффективность.

Мы детальнее расскажем о том, как сделать водородную сварку у себя дома.

Характеристика

Отметим, что сварка водородом — это один из видов газопламенной. Этот метод уже многие годы используется в самых разных сферах. В качестве газа здесь используется ацетилен.

В процессе водородной вместо ацетилена используют водород, смешанный с кислородом. Это позволило достичь большей эффективности, создавая узкие и высококачественные швы.

Но и такого метода существует свой недостаток — в процессе сварки в ванне возникает большое количество шлака. Чтобы избежать этого, газовую смесь смешивают с органическими веществами, чтобы гасить кислород.

Подобными веществами выступают чаще всего углеводороды с температурой кипения от 30 до 80°С: бензин, гексан, гептан и прочие.

Другой преградой во время рабочего процесса стала необходимость выбора мощного источника подачи газа. Баллоны с водородом использовать слишком небезопасно.

При работе со сжиженным водородом в больших объемах человек рискует получить удушье или головокружение!

Небольшим недостатком также является, огонь водорода, который невозможно увидеть при дневном свете, поэтому в аппарате применяют специальные датчики.

Водородная сварка не подходит для работы с нержавеющей сталью. Только для сварки железных изделий или элементов из малоуглеродистых сталей.

Режимы работы, области применения водородной сварки

Источником питания для аппарата водородной сварки может служить как электрическая трёхфазная сеть, так и домашняя. Аппарат может работать в двух режимах: ручном и автоматическом. Температура огня в горелке может достигать 600-2500°С.

Использовать аппарат атомно-водной сварки намного проще, чем может показаться. Необходимый режим работы можно задать за несколько минут, определив потребности газа и нагрева прямо на месте.

Преимущество водорода в том, что он не загрязняет воздух отходами производства. Это связано с тем, оборудование, работающее на углеводороде, выделяют чистый пар.

Водород образовывается внутри аппарата. Сварщик заливает воду внутрь, а там она расщепляется на атомы O2 и Н.

Таким образом получается энергетически мощная газовая смесь для сварочных работ. Работоспособность техники поддерживается 1,5 литрами дистиллированной воды и электрическим током.

Всегда нужно носить специальную одежду и защитные очки.

С помощью этого аппарата вы можете паять, сваривать, напылять порошком, наплавлять, проводить кислородную резку. Правильный режим работы позволит делать самые разные задачи: как соединять тонкие элементы, так и резать крепкие листы стали большой толщины.

Интересно, что эти аппараты используются не только в промышленности, но в стоматологии, ювелирном деле, ремонте холодильных машин и радиаторов и т.д.

Высокий уровень безопасности во время сварки достигается специальной системой автоматического отключения. Если давление в аппарате достигнет критической точки, он выключается.

Плюсы и минусы

Водородная сварка имеет ряд положительных качеств:

• высокий уровень эффективности,
• высокая безопасность во время рабочего процесса,
• экологическая польза — отсутствие загрязнения,
• портативность и удобство,
• можно работать с разными материалами: металлы, стекло, сплавы,
• может работать только на воде и его не нужно перезаряжать.

Но даже при таких преимуществ, способ имеет свои негативные стороны:

• обычные аппараты подойдут только для деталей небольшой толщины, а для больших элементов понадобиться более мощная техника,
• сварочные швы в медных деталях будут пористыми.

Огонь сжиженного водорода не виден при дневном свете.

Техника безопасности

Мы не раз говорили о безопасности водородной сварки. Однако некоторая опасность все равно существует. Кислородные редукторы при неосторожном обращении могут загореться и взорваться.

Представляем вам основные правила безопасности:

1. Внимательно следите за расстоянием между горелкой и взрывоопасными веществами.
2. Не забывайте дышать свежим воздухом в перерывах между работой.
3. Всегда носите специальные защитные очки, чтобы избежать воздействия яркого света. Иначе вы рискуете повредить сетчатку, а также кровеносные сосуды глаз разлетающимся шлаком или металлическими частичками.
4. Баллоны с газом следует транспортировать на тележке и в защитном колпаке. Ни в коем случае не роняйте и не сталкивайте баллоны. Также не ставьте их рядом с местом сварки или резки.
5. Удерживайте горелку строго в другом направлении от источника питания. Если нет такой возможности, защитите источник стальным щитом.
6. Во время каждого перерыва отключайте аппарат, и гасите огонь горелки.

Может показаться, что водородная сварка металлов практически не отличается от газовой. Но она смогла открыть новые возможности и сферы применения.

При грамотном отношении к технике безопасности можно в итоге сделать высококачественный и надежный сварочный шов. При этом не пострадает ни окружающая среда, ни люди, выполняющие сварку.