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:

2H2O=2H2+O2

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.

Генератор водорода бытового назначения

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.

Похожие публикации