Сварка в газах

В зависимости  от свариваемого металла и его  толщины в качестве защитных газов  используют инертные, активные газы или  их смеси. В силу физических особенностей стабильность дуги и ее технологические  свойства выше при использовании  постоянного тока обратной полярности. При использовании постоянного  тока прямой полярности количество расплавляемого электродного металла увеличивается  на 25 - 30%, но резко снижается стабильность дуги и повышаются потери металла на разбрызгивание. Применение переменного тока невозможно из-за нестабильного горения дуги.

При сварке плавящимся электродом шов образуется за счет проплавления основного металла  и расплавления дополнительного  металла - электродной проволоки. Поэтому  форма и размеры шва помимо прочего (скорости сварки, пространственного  положения электрода и изделия  и др.) зависят также от характера  расплавления и переноса электродного металла в сварочную ванну. Характер переноса электродного металла определяется в основном материалом электрода, составом защитного газа, плотностью сварочного тока и рядом других факторов.

При традиционном способе сварки можно выделить три  основные формы расплавления электрода  и переноса электродного металла  в сварочную ванну. Процесс электродуговой сварки с периодическими короткими  замыканиями характерен для сварки электродными проволоками диаметром 0,5 - 1,6 мм при короткой дуге с напряжением 15 - 22 В. После очередного короткого  замыкания (1 и 2 на рис. 4-1) силой поверхностного натяжения расплавленный металл на торце электрода стягивается  в каплю. В результате длина и  напряжение дуги становятся максимальными. Во все стадии процесса скорость подачи электродной проволоки постоянна, а скорость ее плавления изменяется и в периоды 3 и 4 меньше скорости подачи.

Поэтому торец электрода с каплей приближается к сварочной ванне (длина дуги и ее напряжение уменьшаются) до короткого  замыкания (5 на Рис. 4-1). При коротком замыкании резко возрастает сварочный  ток и как результат этого  увеличивается сжимающее действие электромагнитных сил, совместное действие которых разрывает перемычку  жидкого металла между электродом и изделием. Во время короткого  замыкания капля расплавленного электродного металла переходит  в сварочную ванну. Далее процесс  повторяется. Частота периодических  замыканий дугового промежутка может  изменяться впределах 90 - 450 в секунду. Для каждого диаметра электродной проволоки в зависимости от материала, защитного газа и т.д. существует диапазон сварочных токов, в котором возможен процесс сварки с короткими замыканиями. При оптимальных параметрах процесса сварка возможна в различных пространственных положениях, а потери электродного металла на разбрызгивание не превышают 7%. Увеличение плотности сварочного тока и длины (напряжения) дуги ведет к изменению характера расплавления и переноса электродного металла, перехода от сварки короткой дугой с короткими замыканиями к процессу с редкими короткими замыканиями или без них. В сварочную ванну электродный металл переносится нерегулярно, отдельными крупными каплями различного размера (Рис. 4-2), хорошо заметными невооруженным глазом. 

1

2                            3

Рис. 4. Основные формы расплавления и переноса электродного металла при MIG/MAG сварке: 1 - короткими замыканиями, 2 - капельный, 3 - струйный

1                                    2

Рис. 5. Режим струйного переноса электродного металла при MIG/MAG сварке и форма  сварного шва: 1 - нижний предел сварочного тока, 2 - верхний предел сварочного тока.

При достаточно высоких плотностях постоянного  по величине (без импульсов или  с импульсами) сварочного тока обратной полярности и при горении дуги в инертных газах может наблюдаться  очень мелкокапельный перенос электродного металла. Название «струйный» он получил  потому, что при его наблюдении невооруженным глазом создается  впечатление, что расплавленный  металл стекает в сварочную ванну  с торца электрода непрерывной  струей. Изменение характера переноса электродного металла с капельного на струйный происходит при увеличении сварочного тока до «критического» для данного диаметра электрода. Значение критического тока уменьшается при активировании электрода (нанесении на его поверхность тем или иным способом некоторых легкоионизирующих веществ), увеличении вылета электрода. Изменение состава защитного газа также влияет на значение критического тока. Например, добавка в аргон до 5% кислорода снижает значение критического тока. При сварке в углекислом газе без применения специальных мер получить струйный перенос электродного металла невозможно. Он не получен и при использовании тока прямой полярности. При переходе к струйному переносу поток газов и металла от электрода в сторону сварочной ванны резко интенсифицируется благодаря сжимающему действию электромагнитных сил. В результате под дугой уменьшается прослойка жидкого металла, в сварочной ванне появляется местное углубление. Повышается теплопередача к основному металлу, и шов приобретает специфическую форму с повышенной глубиной проплавления по его оси. При струйном переносе дуга очень стабильна, колебаний сварочного тока и напряжений не наблюдается. Сварка возможна во всех пространственных положениях.   

III. MIG/MAG сварка в газовых  смесях 

Если  рассматривать применение сварочных  газов только с точки зрения получения наилучшей защиты реакционного пространства сварочной дуги от наружного воздуха, то оптимальным защитным газом будет аргон. Аргон тяжелее воздуха (плотность 1,78 кг/м3), обладает низким потенциалом ионизации (15,7 В), не вступает в химические взаимодействия с другими элементами и в достаточных количествах содержится в свободном виде (0,9325% об., или 0,00007% вес.) [7], что позволяет получать его из воздуха в ректификационных установках. В настоящее время аргон широко применяется в качестве защитного газа при сварке алюминиевых сплавов и высоколегированных сталей (особенно нержавеющих хромоникелевых). Однако при сварке углеродистых и низколегированных сталей основных структурных классов на российских предприятиях основным защитным газом для MIG/MAG процесса продолжает оставаться углекислый газ СО2. Между тем применение аргона позволяет повысить температуру сварочной дуги, что улучшает проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в целом. При этом проплавление приобретает «кинжальную» форму, что позволяет выполнять однопроходную сварку в щелевую разделку металла бóльших толщин. При сварке в среде аргона (как и иных инертных газов) минимизируется выгорание активных легирующих элементов, что позволяет использовать более дешевые сварочные проволоки. Однако применение углекислого газа при сварке плавящимся электродом имеет свои преимущества, связанные прежде всего с химико-металлургическими процессами, происходящими при сварке. Углекислый газ имеет высокую плотность (приблизительно в 1,5 раза выше, чем у воздуха) и сам по себе способен обеспечить качественную защиту реакционного пространства; его потенциал ионизации, равный 14,3 В, дает возможность использовать при сварке эффект диссоциации молекул углекислого газа на оксид углерода СО и свободный кислород:

СО2 ↔ СО + О

СО ↔  С + О

В качестве защитных газовых смесей для сварки плавящимся электродом во всех промышленно  развитых странах давно уже не применяют чистый углекислый газ. Для  этого используются газовые смеси. От выбора защитной газовой смеси  зависит качество сварки. Так, смеси, содержащие в своем составе гелий, повышают температуру сварочной  дуги, что улучшает проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в целом. Повышение производительности сварочных работ при применении газовых смесей составляет не менее 30-50%. Гораздо более значителен эффект от их применения по предприятию в  целом. Например, применение газовых  смесей при полуавтоматической сварке металла, подлежащего дальнейшей покраске, не требует последующей зачистки сварного шва и околошовной зоны. Сварной шов получается формы и чистоты вполне пригодной для дальнейшей покраски. Это обеспечивает значительное повышение производительности труда при дальнейших работах со сваренными изделиями на предприятии. Кроме того, применение газовых смесей при полуавтоматической сварке обеспечивает еще и повышенные свойства металла сварного соединения, что в ряде случаев позволяет отказаться от последующей термообработки, что всегда трудоемко. Данные защитные газовые смеси применимы для электродуговой сварки как углеродистых, так и легированных сталей. Рассмотрим составы газовых смесей, чаще всего применяемых при дуговой сварке [3].

Защитные  газовые смеси  для сварки неплавящимся вольфрамовым электродом

Газовая смесь НН-1 (Helishield H3). Это инертная газовая смесь, состоящая из 30% гелия и 70% аргона. Дает более эффективный нагрев, чем аргон. Увеличивается проплавление и скорость сварки, более ровная поверхность шва.

Газовая смесь НН-2 (Helishield H5). Это инертная газовая смесь, состоящая из 50% гелия и 50% аргона. Наиболее универсальная газовая смесь, подходит для сварки материалов практически любой толщины.

Защитные  газовые смеси  для сварки плавящимся электродом

Газовая смесь К-2 (Pureshield P31). Это наиболее универсальная из всех смесей для углеродисто-конструкционных сталей. Состоит из 82% аргона и 18% углекислого газа. Подходит практически для всех типов материалов.

Газовая смесь К-3.1 (Argoshield 5). Эта смесь состоит из 92% аргона, 6% углекислого газа, 2% кислорода. Разработана для листовых и узких профильных (сортовых) сталей. Дает устойчивую дугу с низ-ким уровнем разбрызгивания, небольшим усилением и плоским гладким профилем сварного шва. Смесь превосходна для глубокого провара и идеально подходит для сварки листового металла.

Газовая смесь К-3.2 (Argoshield TC). Это смесь 86% аргона, 12% углекислого газа, 2% кислорода. Дает устойчивую дугу с широкой зоной нагрева и хорошим проваром профиля, подходит для глубокого провара, сварки коротких швов и для наплавки. Может использоваться для сварки во всех положениях. Идеально подходит для ручной, автоматической и сварки с применением робота-автомата.

Газовая смесь К-3.3 (Argoshield 20). Это смесь 78% аргона, 20% углекислого газа, 2% кислорода. Специально разработана для глубокого провара широкого ассортимента профилей. Смесь хорошо подходит для наплавки и сварки толстых прокатных (сортовых) сталей.

Газовая смесь НП-1 (Helishield HI). Это смесь 85% гелия, 13,5% аргона, 1,5% углекислого газа. Данная смесь дает великолепные чистые швы с гладким профилем и незначительное, либо не дает совсем, окисление поверхности. Идеально подходит для тонких материалов, где высокая скорость прохода дает низкий уровень деформации (искривления) металла.

Газовая смесь НП-2 (Helishield H7). Это смесь 55% гелия, 43% аргона, 2% углекислого газа. Придает низкий уровень сварочному армированию и обеспечивает высокую скорость сварки. Смесь хорошо подходит для автоматической сварки и для применения роботов-автоматов с использованием широкого спектра толщин свариваемых материалов.

Газовая смесь НП-3 (Helishield H101). Это смесь 38% гелия, 60% аргона, 2% углекислого газа. Придает стабильность дуге, что обеспечивает низкий уровень разбрызгивания и снижает вероятность появления дефектов шва. Газовая смесь НП-3 рекомендуется для сварки материалов толщиной свыше 9 мм. Состав газовой смеси оказывает влияние практически на все параметры режима сварки. Результаты исследований, проведенных ЗАО НПФ «Инженерный и технологический сервис» (Санкт-Петербург) представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Влияние газовой смеси на параметры  сварки (сварка проволокой Св-10ГСМТ ø 1,4 мм)

[3] 

ОБЗОР ОБОРУДОВАНИЯ