Сварка в газах

Сущность  способа

Сварку в защитных газах можно выполнять неплавящимся, обычно вольфрамовым, или плавящимся электродом. В первом случае сварной  шов получается за счет расплавления кромок изделия и, если необходимо, подаваемой в зону дуги присадочной  проволоки. Плавящийся электрод в процессе сварки расплавляется и участвует  в образовании металла шва. Для  защиты применяют три группы газов: инертные (аргон, гелий); активные (углекислый газ, азот, водород и др.); смеси  газов инертных, активных или первой и второй групп. Выбор защитного  газа определяется химическим составом свариваемого металла, требованиями, предъявляемыми к свойствам сварного соединения; экономичностью процесса и другими  факторами.

Смесь инертных газов с активными рекомендуется применять и для повышения устойчивости дуги, увеличения глубины проплавления и изменения формы шва, металлургической обработки расплавленного металла, повышения производительности сварки. При сварке в смеси газов повышается переход электродного металла в шов.

Смесь аргона с 1—5% кислорода используют для сварки плавящимся электродом низкоуглеродистой  и легированной стали. Добавка кислорода  к аргону понижает критический ток, предупреждает возникновение пор, улучшает форму шва.

Смесь аргона с 10—25% углекислого газа применяют  при сварке плавящимся электродом. Добавка углекислого газа при  сварке углеродистых сталей позволяет  избежать образование пор, несколько повышает стабильность дуги и надежность защиты зоны сварки при наличии сквозняков, улучшает формирование шва при сварке тонколистового металла.

Смесь аргона с  углекислым газом (до 20%) и с не более 5% кислорода используют при сварке плавящимся электродом углеродистых и  легированных сталей. Добавки активных газов улучшают стабильность дуги, формирование швов и предупреждают  пористость.

Смесь углекислого  газа с кислородом (до 20%) применяют  при сварке плавящимся электродом углеродистой стали. Эта смесь имеет высокую  окислительную способность, обеспечивает глубокое проплавление и хорошую  форму, предохраняет шов от пористости.

Смесь углекислого  газа с кислородом (до 20%) применяют  при сварке плавящимся электродом углеродистой стали. Эта смесь имеет высокую  окислительную способность, обеспечивает глубокое проплавление и хорошую  форму, предохраняет шов от пористости.

В зону сварки защитный газ может подаваться центрально (см. рис. XI.2 и XI.3, а,в), а при повышенных скоростях сварки плавящимся электродом — сбоку (см. рис. XI.3,б). Для экономии расхода дефицитных и дорогих инертных газов используют защиту двумя раздельными потоками газов (см. рис. XI.3,в); наружный поток — обычно углекислый газ. При сварке активных материалов для предупреждения контакта воздуха не только с расплавленным, но и с нагретым твердым металлом применяют удлиненные насадки на сопла (подвижные камеры, см. рис. XI.3,г). Наиболее надежная защита достигается при размещении изделия в стационарных камерах, заполненных защитным газом. Для сварки крупногабаритных изделий используют переносные камеры из мягких пластичных обычно прозрачных материалов, устанавливаемых локально над свариваемым стыком. Теплофизические свойства защитных газов оказывают большое влияние на технологические свойства дуги, а значит на форму и размеры шва. При равных условиях дуга в гелии по сравнению с дугой в аргоне является более «мягкой», имеет более высокое напряжение, а образующийся шов имеет меньшую глубину проплавления и большую ширину. Углекислый газ по влиянию на форму шва занимает промежуточное положение.

XI.2. Схемы сварки в  защитных газах  а, б — неплавящимся, плавящимся электродом; 1 — сварочная дуга; 2 — электрод; 3 — защитный газ; 4 — газовое сопло (горелка); 5 — присадочная проволока

XI.3. Схемы подачи защитного газа в зону сварки 
а — центральная; б — боковая; в — двумя концентрическими потоками; г — в подвижную камеру (насадку); 1 — электрод; 2 — защитный газ; 3, 4 — наружный и внутренний потоки защитных газов; 5 — насадка; 6 — распределительная сетка

Преимущества  и недостатки способа

Широкий диапазон применяемых защитных газов обусловливает  большое распространение этого  способа как в отношении свариваемых металлов, так и их толщин (от 0,1 мм до десятков миллиметров). Основными преимуществами рассматриваемого способа сварки являются следующие:

• высокое качество сварных соединений па разнообразных металлах и их сплавах разной толщины, особенно при сварке в инертных газах из-за малого угара легирующих элементов;
• возможность сварки в различных пространственных положениях;
• отсутствие операций по засыпке и уборке флюса и удалению шлака;
• возможность наблюдения за образованием шва, что особенно важно при механизированной сварке;
• высокая производительность и легкость механизации и автоматизации процесса;
• низкая стоимость при использовании активных защитных газов.

К недостаткам способа относятся: необходимость применения защитных мер против световой и тепловой радиации дуги; возможность нарушения газовой защиты при сдувании струи газа движением воздуха или при забрызгиванни сопла; потерн металла на разбрызгивание, при котором брызги прочно соединяются с поверхностями шва и изделия; наличие газовой аппаратуры и в некоторых случаях необходимость водяного охлаждения горелок.

Подготовка  кромок и их сборка под сварку

Способы подготовки кромок под сварку (механические, газовые  и т. д.) такие же, как и при  других способах сварки. Вид разделки кромок и ее геометрические размеры  должны соответствовать ГОСТ 14771—76 или техническим условиям на изготовление изделия. При механизированной сварке плавящимся электродом можно получить полный провар без разделки кромок и без зазора между ними при  толщине металла до 8 мм. При зазоре или разделке кромок полный провар достигается при толщине металла  до 11 мм. При автоматической сварке стыковых соединений производительность процесса значительно возрастает при  использовании разделки без скоса  кромок (щелевой разделке см. рис. Х.11). При толщине металла до 40 мм зазор между кромками в нижней части стыка до 10 мм. Для обеспечения постоянства зазора в зоне сварки из-за поперечной усадки при сварке каждого прохода выполняют шарнирное закрепление деталей с углом раскрытия кромок, зависящим от толщины свариваемого металла.

XI.11. Схема расположения  присадочной проволоки  относительно сварочной  ванны 
1 — присадочная проволока; 2 — сварочная ванна; 3 — электрод; 4 — границы струи защитного газа. Стрелкой указано направление сварки

При сварке в  углекислом газе многослойных швов на сталях перед наложением последующего слоя поверхность предыдущего слоя следует тщательно очищать от брызг и образующего шлака. Для  уменьшения забрызгивання поверхности детали из углеродистой стали ее покрывают специальными аэрозольными препаратами типа «Дуга». Сварку можно вести при непросохшем препарате. Детали собирают с помощью струбцин, клиньев, скоб или на прихватках. Прихватки лучше выполнять в защитных газах тем же способом, которым будет проводиться и сварка. Прихватки перед сваркой осматривают, а при сварке переваривают.

Общие рекомендации по технике  сварки

Ручную и механизированную сварку обычно ведут на весу. Автоматическую сварку можно осуществлять так же, как и при сварке под флюсом, на остающихся или съемных подкладках и флюсовых подушках. Однако во многих случаях наиболее благоприятные  результаты достигаются при использовании газовых подушек (рис. XI.4). Они улучшают формирование корня шва, а при сварке активных металлов способствуют и защите нагретого твердого металла от воздействия с воздухом. Подаваемые в подушку газы по составу могут быть аналогичными применяемым для защиты зоны сварки.

XI.4. Схемы газовых  подушек 
а, б — односторонняя и двусторонняя сварка; 1 — защитный газ; 2 — медная подкладка

Качество шва  в большой степени определяется надежностью оттеснения от зоны сварки воздуха. Необходимый расход защитного  газа устанавливают в зависимости  от состава и толщины свариваемого металла, конструкции сварного соединения, скорости сварки, состава защитного  газа.

Влияние скорости сварки на надежность защиты зоны сварки видно из рис. XI.5. Ветер и сквозняки также снижают эффективность газовой защиты. В названных случаях рекомендуется на 20—30% повышать расход защитного газа, увеличивать диаметр выходного отверстия сопла или приближать горелку к поверхности детали. При сварке на повышенных скоростях полезно также наклонять горелку углом вперед, а при автоматической сварке применять боковую подачу газа (см. рис. XI.3,б). Для защиты от ветра зону сварки закрывают щитками. Для достаточной защиты соединений, указанных на рис. XI.6,в,г, необходим повышенной расход газа. При их сварке рекомендуется устанавливать сбоку и параллельно шву экраны, задерживающие утечку защитного газа. При равных условиях расход гелия благодаря его меньшей плотности должен быть увеличен по сравнению с аргоном или с углекислым газом.

XI.5. Влияние скорости  сварки на эффективность  газовой защиты 
а—в — сварка соответственно на малой, средней и очень большой

XI.6. Схемы (а—г) расположения границы струи защитного газа при сварке различных типов соединений 

ДУГОВАЯ СВАРКА

Этим способом можно соединять вручную, полуавтоматически  или автоматически в различных  пространственных положениях разнообразные  металлы и сплавы толщиной от десятых  долей до десятков миллиметров. 
 
Сущность способа. 
При сварке в зону дуги 1 через сопло 2 непрерывно подается защитный газ 3 (см. рис.). Теплотой дуги расплавляется основной металл 4 и, если сварку выполняют плавящимся электродом, расплавляется и электродная проволока. Расплавленный металл сварочной ванны, кристаллизуясь, образует шов. При сварке неплавящимся электродом электрод не расплавляется, а его расход вызван испарением металла или частичным оплавлением при повышенном допустимом сва-рочном токе. 
Образование шва происходит за счет расплавления кромок основного металла или дополнительно вводимого присадочного металла. В качестве защитных газов 
применяют инертные (аргон и гелий) и активные (углекислый газ, водород, кислород и азот) газы, а также их смеси (Аг + Не, Аг + СО2, Аг + О2, СО2 + О2 и др.). По отношению к электроду защитный газ можно подавать центрально или сбоку (рис. 37). Сбоку газ подают при больших скоростях сварки плавящимся электродом, когда при центральной защите надежность защиты нарушается из-за обдувания газа неподвижным воздухом. Сквозняки или ветер при сварке, сдувая струю защитного газа, могут резко ухудшить качество сварного шва или соединения. В некоторых случаях, особенно при сварке вольфрамовым электродом, для получения необходимых технологических свойств дуги, а также с целью экономии дефицитных и дорогих инертных газов используют защиту двумя концентрическими потоками газа. 
 
Cвойства защитных газов оказывают большое влияние на технологические свойства дуги и форму швов. Например, по сравнению с аргоном гелий имеет более высокий потенциал ионизации и большую теплопроводность при температурах плазмы. Поэтому дуга в гелии более "мягкая". При равных условиях дуга в гелии имеет более высокое напряжение, а образующийся шов имеет меньшую глубину проплавления и большую ширину. Поэтому гелий целесообразно использовать при сварке тонколистового металла. Кроме того, он легче воздуха и аргона, что требует для хорошей защиты зоны сварки повышенного его расхода (1,5-3 раза). Углекислый газ по влиянию на форму шва занимает промежуточное положение. 
Широкий диапазон используемых защитных газов, обладающих значительно различающимися теплофизическими свойствами, обусловливает большие технологические возможности этого способа как в отношении свариваемых металлов (практически всех), так и их толщин (от 0,1 мм до десятков миллиметров). Сварку можно выполнять, используя также неплавящийся (угольный, вольфрамовый) или плавящийся электрод.

По сравнению  с другими способами сварка в  защитных газах обладает рядом преимуществ: высокое качество сварных соединений на разнообразных металлах и сплавах  различной толщины; возможность  сварки в различных пространственных положениях; возможность визуального  наблюдения за образованием шва, что  особенно важно при полуавтоматической сварке; отсутствие операций по засыпке  и уборке флюса и удалению шлака; высокая производительность и легкость механизации и автоматизации; низкая стоимость при использовании активных защитных газов.  
К недостаткам способа по сравнению со сваркой под флюсом относится необходимость применения защитных мер против световой и тепловой радиации дуги.

Сварка  в углекислом газе, в инертных газах  и в защитных газовых  смесях  

I. Введение  
Анализ рынка оборудования для дуговой сварки плавлением, сложившегося на рубеже веков, показывает, что наиболее распространенным способом сварки в промышленности продолжает оставаться полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в среде защитных газов (MIG/MAG процесс). За последнее десятилетие ХХ века доля металла, наплавленного ручной дуговой сваркой, снизилась в 2 раза - с 22,6% до 11,2%, в то время как доля сварки в защитных газах возросла с 64,3% до 75,7%. Это наглядно видно на диаграммах, приведенных на Рис. 1, 2 [3].  

Есть  основания полагать, что в недалеком  будущем доля ручной дуговой сварки стабилизируется на уровне 10 - 12%, доля полуавтоматической сварки сплошной проволокой - на уровне 40 - 50%, доля полуавтоматической сварки порошковой проволокой - на уровне 30 - 40%, доля сварки под флюсом - на уровне 5 - 6%. При этом MIG/MAG процесс используется не только при механизированной, но и при автоматизированной, и роботизированной сварке. 

II. Общее понятия  о MIG/MAG сварке

Рис. 3. Общая схема MIG/MAG сварки и оборудования

MIG/MAG - Metal Inert/Active Gas - электродуговая сварка плавящимся металлическим электродом (проволокой) в среде инертного/активного газа с автоматической подачей присадочной проволоки. Это полуавтоматическая сварка в среде защитного газа (углекислого или другого инертного газа) - наиболее универсальный и распространенный в промышленности метод сварки. Иногда этот метод сварки обозначают GMA (Gas Metal Arc) или GMAW (Gas Metal Arc Welding). Применение термина «полуавтоматическая» не вполне корректно, поскольку речь идет об автоматизации только подачи присадочной проволоки, а сам метод MIG/MAG с успехом применяется при автоматизированной и роботизированной сварке. Словосочетание «сварка в углекислом газе», к которому привыкли многие специалисты, умышленно упущено, так как при этом методе все чаще используются многокомпонентные газовые смеси, в состав которых помимо углекислого газа могут входить аргон, кислород, гелий, азот и другие газы.