Водородное пламя является хорошей альтернативой пламени ацетиленовому и активно используется для сварки, резки и пайки различных материалов. В отличие от многих традиционных способов водородная сварка почти безопасна, благодаря тому, что продуктом процесса горения в ней выступает пар. Этот способ считается вариантом газопламенной обработки, использующим смеси из кислорода и горючих газов.
Если просто использовать водород как топливо вместо ацетилена, то произойдет покрытие сварочной ванны толстым шлаковым слоем, а получаемый при этом шов будет отличаться тонкостью и пористостью. Чтобы избежать этого, применяют органические соединения, способные связывать кислород. С этой целью используются такие углеводороды, как бензин, бензол, толуол и другие, подогретые до температуры, составляющей 30-80% от температуры кипения. Нужное их количество минимально, поэтому водородная сварка ценой не сильно отличается от прочих способов газопламенной обработки.
Еще одной сложностью данного способа может служить отсутствие достаточно эффективных источников водорода с кислородом. Газовые баллоны обладают повышенной опасностью в эксплуатации, поэтому их применение нецелесообразно. Значительные концентрации водорода способны вызывать обморожения и головокружение с удушьем.
Особенно опасно в водородном пламени то, что его не видно в дневном свете. Для его обнаружения необходимо применение специальных датчиков. Решить проблему надежности источников газов позволяют специальные аппараты, разлагающие воду посредством воздействия электрической энергии на кислород и водород. Эти электролизеры могут производить оба газа одновременно.
Эти легкие и компактные приборы приходят на смену тяжелому газосварочному оборудованию, применяемому при недоступности источников электроэнергии, что особенно удобно для проведения водородной сварки в домашних условиях.
Оборудование для водородной сварки
Водородные сварочные приборы, обладая разной мощностью, работают от обычной электросети. Они оборудуются традиционной ацетиленовой горелкой, через шланг в которую поступает водородно-кислородная смесь. Регулировка температуры их пламени позволяет устанавливать ее в широком диапазоне (600-2600 ºС). Аппараты можно применять как для ручной, так и автоматической сварки. Их эксплуатация не доставляет сложностей благодаря не слишком большой трудоемкости и отсутствию необходимости в перезарядке.
Обладая компактными габаритами, аппаратура при этом может быть достаточно мощной. Она приводится в режим работы за несколько минут в зависимости от температуры в месте проведения сварки и требуемого расхода газов. При владении основными навыками газопламенной обработки выполнение своими руками водородной сварки не составит труда, а производительность процесса с качеством швов будут не хуже, чем при традиционной сварке.
В отличие от традиционной сварки, использующей в виде основного топливного газа ацетилен, сварка с использованием вместо него водорода не только продуктивна, но и экологически безопасна. Сварка с ацетиленом чревата загрязнением атмосферного воздуха токсичными соединениями, в то время как единственным продуктом от процесса горения в водородном оборудовании выступает совсем безвредный пар.
Также абсолютно безопасны эти аппараты при хранении, транспортировке и в эксплуатации. Ими выполняют не только сварку, но и кислородную резку (ручную или машинную), пайку, порошковую наплавку, термоупрочнение и порошковое напыление. Несколько разных режимов позволяют осуществлять работы в большом спектре от соединения материалов с минимальной толщиной до резки толстолистных сталей. Несмотря на небольшие размеры этих переносных приборов и малую мощность, они позволяют сварку и резку изделий с толщинами до 2 мм как из черных, так и цветных металлов.
Применение водородной сварки
Кислородно-водородная сварка, топливным газом в которой служит водород, широко применяется в изготовлении ювелирных изделий, используется в стоматологии и при ремонте холодильного оборудования. Различные модели водородных аппаратов популярны в сервисных центрах по обслуживанию техники и других закрытых помещениях, где запрещается эксплуатация взрывоопасных кислородных и пропановых баллонов.
Также к преимуществам применения кислородно-водородного пламени стоит отнести сокращение затрат по обслуживанию рабочих мест при соблюдении норм пожарной безопасности и промышленной санитарии за счет полного отсутствия отходов в производстве и абсолютной безвредности продукта горения - водяного пара. Для беспрерывной работы водородно-кислородных приборов требуется только незначительный объем воды. А спектр обрабатываемых ими материалов довольно широк и включает как черные, цветные, благородные металлы со сталями, так и керамику со стеклом.
Представляющая собой электрохимический подвид сварки плавлением, атомно-водородная сварка, происходящая от действия электродуги с водородом, хорошо подходит для соединения чугунных деталей и конструкций из легированных и низкоуглеродистых сталей. Но ее применение в промышленности ограничивается довольно высоким напряжением источников питания, представляющим опасность для жизни людей.
Кроме того, этим способом сварки нельзя пользоваться при работе с медью, латунью, цинком, титаном и рядом других химических элементов, обладающих повышенной активностью во взаимодействии с водородом. При этом высокая активность молекулярного водорода эффективно защищает металлический расплав от негативного атмосферного влияния.
Технология сварки и резки с помощью водорода, в отличие от ацетиленовой или пропановой, позволяет получать довольно чистый срез. Помимо этого в ней отсутствуют вредные выбросы азотной окиси и грата, а металл не поглощает углерод и закаливается.
Водородные сварочные аппараты целесообразно применять при работах, производимых в тоннелях, колодцах и других труднодоступных местах, где запрещается размещение баллонов с пропаном или ацетиленом. Отдельные виды водородного сварочного оборудования позволяют осуществлять сварку даже при отрицательных температурах.
Водородная горелка своими руками – это вполне посильная задача для опытного мастера и новичка, вооруженного подробными рекомендациями о ее самостоятельном изготовлении. Этот прибор работает благодаря выделяемому водорода теплу. Смесь водорода с кислородом – это газ с наибольшей возможной температурой горения – 2800°С. Его называют гремучим или газом Брауна. Однако при работе с этой смесью необходимо быть осторожным, так как она очень взрывоопасна.
Водород обладает определенными преимуществами перед другими горючими газами. Например, его можно получить путем электролиза непосредственно из воды. Самостоятельно изготовленная водородная горелка не требует использования водорода в баллонах. Электролизная горелка способна сама поставлять газ в необходимых количествах. Благодаря этому водородная сварка является очень экономичным и наиболее безопасным способом.
Самодельный сварочный аппарат с водородной горелкой можно сделать на основе электролизного генератора. Вероятность взрыва газа с использованием такого оборудования полностью исключается, так как весь газ сразу же пускается на сварку и не накапливается в достаточном для взрыва количестве.
Что потребуется для изготовления горелки?
Чтобы сделать водородную горелку, нужно запастись таким материалами:
- листовая нержавеющая сталь;
- 2 болта М6х150 с гайками и шайбами;
- прозрачная трубка, например, такая, как в водяном уровне;
- штуцеры с внешним диаметром соответствующим шланге;
- герметичный пластиковый контейнер объемом 1,5 литра;
- маленький фильтр для очистки приточной воды;
- обратный водный клапан.
К выбору нержавейки необходимо подходить ответственно. Желательно выбирать марку импортной стали AISI 316L или отечественный аналог – 03Х16Н15М3. Однако если есть небольшой кусочек нержавеющей стали 50х50 см толщиной 2 мм, то приобретать целый лист нет необходимости.
Использовать нужно именно нержавейку, так как она не подвергается коррозии в воде в отличие от обычной стали.
Кроме того, водородная сварка будет более эффективной, если использовать щелочь, а не простую воду. Щелочная среда является агрессивной, поэтому использовать обычную сталь недопустимо.
Вернуться к оглавлению
Особенности изготовления
Нержавейку нужно распилить на небольшие пластинки. Из куска 50х50 см получится 16 пластинок по форме приближенных к квадрату. Распилить металл можно болгаркой, один из углов каждой пластины необходимо спилить, чтобы в дальнейшем можно было соединить их между собой.
На противолежащей срезу стороне нужно просверлить отверстия для крепежных болтов, чтобы потом соединить элементы. Работа приспособления будет основываться на том, что постоянный ток, проходя через раствор электролита последовательно от пластины к пластине, будет расщеплять воду на кислород и водород. Для обеспечения этого процесса необходимо создать пластины с противоположными зарядами: положительным и отрицательным.
Для наибольшей эффективности работы прибора необходимо, чтобы площадь пластин была максимальной. Это обеспечит максимальную площадь воздействия на раствор, через воду пройдет максимальный ток, благодаря чему образуется наибольшее возможное количество газа. Чтобы добиться желаемого результата, необходимо обеспечить положительный и отрицательный заряд наибольшему возможному количеству пластин. При 16 пластинах на анод и катод приходится по 8 элементов.
Условиях. Представленное устройство не имеет накопительных баллонов для газа, что делает его довольно безопасным в эксплуатации. Водород производится методом электролиза, и вырабатывается из обычной воды. Газ, производимый в необходимых количествах ННО генератором, тут же сжигается в горелке, что исключает возможность его накапливания и взрыва.
Необходимые материалы для постройки горелки:
- Пластины из нержавейки, примерно 1 мм толщиной;
- Два болта М6х150 с шайбами и гайками;
- Кусок прозрачной трубки;
(В проекте использовалась трубка из водяного уровня)
- Штуцера с «елочкой»;
(их диаметр подбирается под шланг с водяного уровня)
- Пластиковый контейнер на полтора литра;
(подойдет обычный контейнер для хранения пищи)
- Фильтр проточной очистки;
(можно использовать фильтр стиральной машинки)
- Обратный водный клапан.
Инструменты используются стандартные, которые имеются в каждой мастерской.
Первым шагом будет создание сердца ННО генератора – электролизер. Он выполнен из листов нержавеющей стали, расположенных последовательно друг за другом через равные промежутки и скрепленных болтами.
Как говорится в источнике, марка нержавеющей стали нужна либо зарубежная AISI316L, ее отечественный аналог 03X16H15M3. Но это в идеале, в принципе можно использовать любую.
Почему используется именно нержавеющая сталь, а не к примеру обычный черный метал, ведь он тоже проводит ток? Дело в том что, во первых черный метал ржавеет в воде, во вторых в воду при работе аппарата будет добавляться щелочь, что при условии прохождения электрического тока будет создавать для пластин достаточно агрессивную среду, в которой обычное железо просто долго не протянет.
Из листа нержавейки нужно вырезать 16 квадратных пластин. По размеру они должны быть такими, чтобы свободно входили в пластиковый контейнер. Резать их можно болгаркой или лобзиком.
После этого, в каждой пластине просверливается по два отверстия, диаметром 6 мм, под болты. С противоположной стороны нужно спилить часть уголка.
Вот что должно получится:
Теперь еще немного теории. Принцип работы водородного генератора основывается на том, что при прохождении постоянного электрического тока через электролит между пластинами, ток расщепляет воду на ее составляющие: кислород и водород.
Из этого следует, что из пластин будут собраны две электрически изолированных друг от друга батареи, на одну из которых будет поступать плюс, на другую минус (анод и катод).
Вот как это выглядит схематически:
Такое количество пластин нужно для того, чтобы повысить площадь электрического воздействия на электролит, тем самым увеличив ток, проходящий через электролит, и как следствие количество вырабатываемого водорода.
Существует довольно много вариантов подключения пластин, и данный вариант не является самым оптимальным. Он используется, потому что является довольно простым в изготовлении и коммутации.
Данная схема рассчитана на малое напряжение и большой ток.
Для изоляции пластин друг от друга были использованы кусочки прозрачной трубки:
Толщина кольца должна равняться приблизительно 1 мм.
Скрепляются пластины так: на болт одевается шайба, затем пластина, затем три шайбы, пластина, три шайбы и т.д. Так собираются анод и катод, по 8 пластин.
Затем одна батарея вставляется в другую, развернувшись на 180 градусов. Между пластинами в качестве диэлектрика вставляются вырезанные ранее кусочки трубки.
После сборки две батареи прозваниваются между собой, и если нет короткого замыкания, устанавливаются в контейнер.
В контейнере просверливаются отверстия под болты, на них будет поступать напряжение.
В крышке контейнера просверливается отверстие под штуцер. Перед установкой самого штуцера, его посадочное место лучше промазать герметиком или силиконом. То же самое касается и прилегающей поверхности крышки. Чтобы проверить контейнер на герметичность его можно опустить в емкость с водой. Если на нем появятся пузырьки, значит контейнер не герметичный.
Для повышения генерации газа, в воду необходимо добавить некоторые примеси. Лучше всего подойдет гидроксид натрия, который содержится в средствах для прочистки труб от засоров.
Водородная горелка, как и следует из названия, работает за счет тепла, выделяемого при сжигании водорода. Газовая смесь водорода и кислорода (HHO - две молекулы водорода и одна кислорода) называется у нас гремучим газом, а у «них» - газом Брауна. Водород в совокупности с кислородом обладает самой большой температурой горения среди газов - до 2800 °C. Однако водород крайне взрывоопасен. Как, в общем-то, любой газ, поставляемый в больших баллонах под высоким давлением.
Преимущество же водорода (или HHO газа) перед другими видами заключается в возможности получения его методом электролиза из обыкновенной воды! Причем для создания водородной горелки своими руками нам совершенно не нужно накапливать водород в какие-либо баллоны. Водородная электролизная горелка производит газ в необходимых для моментального сжигания количествах. Это значительно повышает безопасность газовой сварки или резки с применением водородной горелки на базе электролизного HHO генератора. Пользуясь такой водородной горелкой, мы полностью исключаем вероятность взрыва газа, ведь весь производимый газ тут же сгорает и не успевает накапливаться в объемах, необходимых для взрыва. Благодаря этому часто применяется водородная горелка и для ювелирных работ, потому как мастера ювелиры, создающие свое домашнее производство, вряд ли будут пользоваться дома газовыми баллонами, что, наверняка, даже не законно!
Я тоже решил построить водородную горелку своими руками на базе HHO генератора, в качестве которого выступает обычный электролизер. И ведь еще в школе я ставил опыты с электролизом, засовывая в банку с водой оголенные провода из розетки через выпрямительный диод. Сейчас я хочу повторить свои школьные опыты, только теперь в более крупном масштабе и более осознанно.
Что же нужно для постройки водородной горелки своими руками?
- Лист нержавеющей стали
- Пара болтов М6 х 150. Шайбы и гайки по вкусу.
- Кусок прозрачной трубки. Например, подойдет водяной уровень из строительного магазина. Там шланг 10 метров стоит всего около 300 рублей.
- Несколько штуцеров с «елочкой» внешним диаметром 8мм (как раз под шланг от водяного уровня).
- Пластиковый контейнер 1,5 литра за 110 рублей из хозяйственного магазина (для герметичной упаковки пищевых продуктов).
- Фильтр для проточной очистки воды маленький (для стиральной машинки).
- Обратный клапан для воды.
Какая нужна нержавейка?
В идеальном варианте марка на буржуйский манер должна быть AISI 316L, что соответствует нашей нержавеющей стали 03Х16Н15М3. Но я специально не заказывал нержавейку, а взял кусок, который удалось отыскать в сарае. Купить целый лист довольно накладно: при толщине в 2мм на него уйдет около 5000 рублей, да еще нужно как-то его доставить, а размеры у него метр на два! У меня нашелся кусочек около 50 х 50 см.
Почему, собственно, нержавейка? Дело в том, что обычная сталь подвергается коррозии в воде. Кроме того, для достижения максимального эффекта мы будем использовать не воду, а щелочь, а это уже агрессивная среда. Кроме того, мы будем пропускать через наш электролит электрический ток. Поэтому обычные металлические пластины долго в таких условиях не проживут.
Я разметил свой листик, и получил 16 примерно квадратных пластин из нержавеющей стали для постройки своей водородной горелки своими руками. Пилил как обычно - болгаркой. Обратите внимание на форму пластины - с одной стороны у нее спилен уголок. Это нужно для того, чтобы в дальнейшем особым образом скрепить пластины между собой.
С противоположной стороны от среза сверлим отверстие под болт М6, которым мы будем скреплять пластины между собой. Отверстия в нижней части пластины мне оказались не нужны. Дело в том, что я просверлил их на всякий случай, если вдруг задумаю делать сухой электролизер. Но его конструкция несколько сложнее, да и площадь пластин в нем используется крайне неэффективно. В общем, у меня и так пластин мало, поэтому я хочу использовать их по максимуму, поэтому выбрал вариант «мокрого» электролизера для HHO генератора. В этом случае пластины целиком погружаются в электролит, и в процессе генерации газа Брауна (HHO или гремучего газа) участвует вся площадь пластины из нержавейки.
Суть водородного генератора, который лежит в основе горелки, заключается в том, что при прохождении постоянного электрического тока через электролит от одной пластины к другой, вода (которая содержится в электролите) разлагается на составляющие компоненты: водород и кислород. Значит нам нужно иметь две пластины: положительную и отрицательную (анод и катод).
Чем больше площадь пластин, тем больше площадь воздействия на электролит, тем больший ток пройдет через воду и тем больше HHO газа у нас образуется. Поэтому на анод и катод мы повесим сразу несколько пластин. В моем случае получилось по 8 пластин на анод и катод.
Для изоляции пластин разной полярности между собой я использовал кусочки той же трубки от водяного уровня.
На самом деле существует множество вариантов включения, и этот не самый оптимальный. Он является просто более простым с точки зрения изготовления и крепления пластин на электродах. Как видно из фотографии, у меня пластины просто чередуются +
—+
—+
—+
— и т.д. Такая схема включения рассчитана на малое питающее напряжение и очень большой ток для получения достаточного количества газа для создания водородной горелки своими руками.
Водородное пламя может быть прекрасной альтернативой ацетиленовому, с его помощью также можно проводить резку, пайку и сварку. Водородная сварка практически безвредна, причиной тому является пар, являющийся здесь продуктом горения.
Если вы владеете газовой, то водородная сварка не будет для вас слишком затруднительной. Люди пользуются газовой сваркой уже более века, основным горючим газом в ней является ацетилен, однако водород более продуктивен, отличие в том, ацетиленовое пламя способно восстановить железо, а водородное его окисляет.
Водородная сварка происходит с участием кислорода и смеси горючего газа. Сварочная ванна в этом случае покрывается слоем шлака, с шов получается тонким и пористым, сейчас применяются углеводороды, при помощи которых удалось решить эту проблему.
Применение водородной сварки
Водород подходит для сварки железных изделий, но не нержавеющих сталей, так как он растворяется в расплавленном никеле, также такая сварка не подходит для меди, но водородная атмосфера не дает поверхности окисляться.
Сварочный водородный аппарат способен работать от обычной бытовой электросети, прибор работает в автоматическом и ручном режиме. В стандартную горелку по шлангу подается смесь кислорода и водорода, температура пламени регулируется на уровне 600 - 2600 градусов.
Этими аппаратами легко пользоваться, они не требуют частой перезарядки, ими можно начинать пользоваться уже через пару минут, при этом аппарат весьма мощный.
Такая сварка весьма экологична, что отличает ее от ацетиленовой, сильно загрязняющей окружающую среду. Приборы безопасны при хранении и работе, при этом от защитной одежды отказываться не стоит.
Еще одно важное условие перед началом работы, нужно правильно подобрать электроды, все уникальны, от их правильного выбора будет во многом зависеть успех работы, при выборе нужно учесть рабочий материал, требуемое качество шва, условия работы и многие другие параметры.
- Такая сварка способна выполнить практически любую задачу по пламенной обработке материала. Эти приборы весьма популярны у ювелиров, стоматологов и специалистов по ремонту холодильников.
- Мощные аппараты позволяют варить материал, толщиной до 3 мм, они постоянно используются на станциях по ремонту различной техники, так как там нельзя использовать кислородные баллоны.
- Водородные аппараты можно использовать для кузовных работ, ремонта батарей, блоков и двигателей. Как только будет достигнут максимально возможный уровень давления электролита, система сама подаст сигнал и аппарат отключится, что обеспечивает высокую пожаробезопасность.
Эта технология обеспечивает намного более чистый рез, по сравнению с пропаном и ацетиленом. Эти аппараты применяются в колодцах тоннелях и метрополитене, там запрещены пропан и ацетилен.
Водородная сварка возможна и при отрицательной температуре. Такой аппарат весьма пригодится дома, но они достаточно дороги, есть и другой вариант, собрать прибор самому.
Водородная сварка своими руками
Водородную смесь можно получить при помощи электролиза водного раствора щелочи, источник тока можно сделать, используя выпрямитель для зарядки аккумулятора от машины.
Электролиз должен происходить в сосуде, дома подойдет стеклянная банка с крышкой из полиэтилена, ее объем может быть от полулитра. В крышке сделайте точки вывода для проводов и пластин электродов, а также для втулки трубки отвода газов.
Гидродозатором может быть второй сосуд, в нем происходит барботирование газов, там они насыщаются парами горючих веществ. Эта смесь отправляется в третью емкость с водой, она является затвором для выхода газов. Газ с кислородом, водородом и горючими веществами будет выходить через медицинскую иголку.
- Температура пламени может доходить до 2500 градусов, но если менять уровень подаваемого напряжения ее можно регулировать.
- Процесс горения должен быть стойким, если изменить напряжение на электродах, поменяется и сила тока, а она влияет на дозу выделения газа.
- При электролизе идет расход воды, а количество щелочи не меняется, она распадается на ионы, что повышает электропроводность раствора.
Топливную смесь можно пополнять обычным медицинским шприцем с иглой. Внутри трубки шприца нужно поместить ватные тампоны, на ее конце и основании, это необходимо, чтобы не было проскока пламени по трубке в сосуд со спиртовым составом.
Выпрямитель можно собрать, соединив диоды по полупериодной сети, для этого подойдет трансформатор с мощностью от 180 Вт, хорошим вариантом будет прибор от старого советского телевизора, удалите вторичные обмотки и намотайте новые, используя толстый медный обмотанный провод.
Сделайте отводы, чтобы регулировать выходное напряжение, обеспечивающее работу электролизера. Температура пламени будет зависеть от состава топлива, можно использовать ацетон или этиловый спирт.
Если вы выбрали ацетон, не ставьте втулки из трубок от гелиевых ручек, они в нем растворятся. Если в смеси будет преобладать кислород, пламя может погаснуть.
Если вы соберете устройство качественно, и оно будет герметичным, то сможет проработать очень долго. Если же вам нужно сварить крупные металлические элементы, то нужно узнать, как делается , в принципе, это вполне возможно.
Водородная сварка может быть весьма опасной, так как смеси могут взрываться, кислородные редукторы воспламеняться, случаются и обратные удары пламени.
Перед началом работы, нужно четко изучить технику безопасности, это первое, пренебрегать ею невозможно. Нельзя проводить такую сварку вблизи легко воспламеняющихся веществ.
Если сварка идет в закрытом помещении, нужно часто делать перерывы и выходить на воздух. В закрытом и полузакрытом помещении для удаления газов используйте местные отсосы. Если сварка идет в резервуаре, то обязательно нужен наблюдатель снаружи.
- Все работы проводите только в защитных очках, чтобы не повредить глаза. Если используете газовые баллоны, переносите их на тележке или носилках и используйте защитный колпак.
Они не должны соприкасаться и падать, в зоне сварки не должно быть кислородных баллонов. Всегда используйте редукторы с исправными манометрами, чтобы избежать взрывов.
Пламя горелки при сварке должно быть направлена в сторону от источника питания, если это невозможно, оградите источник при помощи железного щита. Газопроводящие рукава должны находиться вблизи сварщика, в перерывах пламя горелки нужно тушить. Если соблюдать эти простые правила, водородная сварка всегда будет безопасной.
