Классификация видов дуговой сварки в защитных газах

Дуговая сварка в защитных газах может быть выполнена  плавящимся и неплавящимся (вольфрамовым) электродами.

Для защиты зоны сварки используют инертные газы гелий  и аргон, а иногда активные газы —  азот, водород и углекислый газ. Применяют  также смеси отдельных газов  в различных пропорциях. Такая  газовая защита оттесняет от зоны сварки окружающий воздух. При сварке в монтажных условиях или в  условиях, когда возможно сдувание газовой защиты, используют дополнительные защитные устройства. Эффективность  газовой защиты зоны сварки зависит  от типа свариваемого соединения и  скорости сварки. На защиту влияет также  размер сопла, расход защитного газа и расстояние от сопла до изделия (оно должно быть 5— 40 мм).

Преимущества  сварки в защитных газах следующие:

нет необходимости  применять флюсы или покрытия, следовательно, не требуется очищать  швы от шлака;

высокая производительность и степень концентрации тепла  источника позволяют значительно сократить зону структурных превращений;

незначительное  взаимодействие металла шва с  кислородом и азотом воздуха;

простота наблюдения за процессом сварки;

возможность механизации  и автоматизации процессов.

Иногда применяют  двойную защиту сварочной дуги (комбинированную). Надежность защиты зоны сварочной дуги зависит от теплофизических свойств  и расхода газа, а также от конструктивных особенностей горелки и режима сварки. Подаваемые в зону сварочной дуги защитные газы влияют на устойчивость дугового разряда, расплавление электродного металла и характер его переноса. Размер капель электродного металла  уменьшается с увеличением сварочного тока, а увеличение глубины проплавления с увеличением сварочного  тока  связано  с  более   интенсивным   вытеснением  жидкого металла из-под электрода вследствие давления  сварочной дуги.

При сварке плавящимся электродом дуга горит между изделием и расплавляемой сварочной проволокой, подаваемой в зону сварки. По сварке неплавящимся электродом (вольфрамовые прутки) сварочная дуга может быть прямого или косвенного действия. Разновидностью сварочной дуги косвенного действия может быть дуга, горящая  между вольфрамом, и беспрерывно  подаваемой в зону дуги сварочной  проволокой.

Защитное свойство струи инертного газа зависит  от чистоты газа, параметров струи  и режима сварки. Одним из наглядных  способов оценки защитных свойств является определение диаметра зоны катодного  распыления при возбуждении дуги переменного тока между вольфрамовым электродом и свариваемым металлом. В период, когда катодом является свариваемый металл, происходит вырывание  частиц металла с поверхности  сварочной ванны и соседних зон  относительно холодного металла.

Степень катодного  распыления зависит главным образом  от массы положительных ионов, которые  в процессе сварки бомбардируют катод. Например, в среде аргона наблюдается  более интенсивное катодное распыление, чем в среде гелия. По убывающей  склонности к катодному распылению металлы располагают в следующем  порядке: Мg, Аl, Si, Zn, W, Fe, Ni,  Рt, Сu, Вi, Sn,  Sb, Рb, Аg, Cd.

Сварочную дугу в защитных газах  можно классифицировать по следующим основным признакам:

применяемому  для защиты зоны сварки газу — активному  или нейтральному;

способу защиты зоны сварки — одиночным газом, смесью газов или комбинированным;

применяемому  для сварки электроду — плавящемуся  или неплавящемуся;

применяемому  току — постоянному или переменному.   

Сварка неплавящимся электродом

Условием стабильного  горения дуги при дуговой сварке в защитной среде инертных газов  на переменном токе является регулярное восстановление разряда при смене полярности. Потенциал возбуждения и ионизации инертных газов аргона и гелия выше, чем у кислорода, азота и паров металла, поэтому для возбуждения дуги переменного тока требуется источник питания с повышенным напряжением холостого хода. Сварочная дуга в среде инертных газов (аргона или гелия) отличается высокой стабильностью и для ее поддержания требуется небольшое напряжение. Высокая подвижность электронов обеспечивает достаточное возбуждение и ионизацию нейтральных атомов при столкновении с ними электронов.

В том случае, когда катодом является вольфрам, дуговой разряд происходит главным  образом за счет термоэлектронной эмиссии  благодаря высокой температуре  плавления и относительно низкой теплопроводности вольфрама, что обусловливает  неодинаковые условия горения дуги при прямой и обратной полярности. При обратной полярности (изделие  является катодом — минус) напряжение при возбуждении дуги должно быть больше, чем при прямой полярности. Поэтому из-за значительной разницы  в свойствах вольфрамового электрода  и свариваемого металла кривая напряжения дуги имеет не симметричную форму, а  в ней появляется постоянная составляющая, которая вызывает появление в  сварочной цепи постоянной составляющей тока. Постоянная составляющая тока в  свою очередь создает постоянное магнитное поле в сердечнике трансформатора и дросселя, что приводит к уменьшению мощности сварочной дуги и ее устойчивости. Появление в цепи постоянной составляющей тока не обеспечивает нормального ведения  процесса сварки и особенно при сварке алюминиевых сплавов, так как сварочная ванна даже при небольшом содержании кислорода и азота покрывается тугоплавкой пленкой окислов и нитридов, которые препятствуют сплавлению кромок и формированию шва.

Очищающее действие сварочной дуги при сварке переменным током проявляется в те полупериоды, когда катодом является изделие  благодаря катодному распылению, так как в этом случае происходит разрушение окисной и нитридной  пленок.

При обратной полярности применяют низкие плотности тока, а практически такая дуга не применяется. При прямой полярности тепла выделяется меньше на электроде, так как его  значительная часть расходуется  на плавление свариваемого металла.   

Сварка плавящимся электродом

При дуговой  сварке плавящимся электродом в среде  защитных газов геометрическая форма  сварного шва и его размеры  зависят от мощности сварочной дуги, характера переноса металла через  дуговой промежуток, а также от взаимодействия газового потока и частиц металла, пересекающих дуговой промежуток, с ванной расплавленного металла.

В процессе сварки на поверхность сварочной ванны  оказывает давление столб дуги за счет потока газов, паров и капель металла, вследствие чего столб дуги погружается в основной металл, увеличивая глубину проплавления. Поток газов  и паров металла, направляемый от электрода в сварочную ванну, создается благодаря сжимающему действию электромагнитных сил. Сила воздействия  сварочной дуги на ванну расплавленного металла характеризуется ее давлением, которое будет тем больше, чем  концентрированнее поток газа и  металла. Концентрация потока металла  увеличивается с уменьшением  размера капель, который определяется составом металла, защитного газа, а  также направлением и величиной  сварочного тока.

Сварочная дуга, образованная в результате плавления  электрода в среде инертных газов, имеет форму конуса, столб которой  состоит из внутренней и внешней  зоны. Внутренняя зона имеет яркий  свет и большую температуру.

Во внутренней зоне происходит перенос металла, и  ее атмосфера заполнена святящимися  парами металла. Внешняя зона имеет  менее яркий свет и представляет собой ионизированный газ.  

Металлургия сварки в защитных газах

Газы по защитному  свойству расплавленного металла сварочной  ванны от воздействия азота и  кислорода воздуха подразделяются на инертные и активные.

К инертным газам  относятся аргон и гелий, которые  практически не взаимодействуют  с расплавленным металлом сварочной  ванны.

К активным газам  относятся углекислый газ, азот, водород  и кислород.

Активные  газы по своему химическому взаимодействию с расплавленным металлом сварочной ванны могут быть нейтральными и реагирующими. Например, азот по отношению к меди является нейтральным газом, т. е. не образует с медью никаких химических соединений. Активные газы и продукты их распада в процессе дугового разряда, т. е. во время сварки, могут соединяться с расплавленным металлом сварочной ванны и растворяться в нем, из-за чего резко снижаются механические свойства сварного шва, а его химический состав не будет соответствовать установленным требованиям стандартов. Однако следует отметить, что некоторые растворимые в металле активные газы не всегда бывают вредными примесями.

Например, азот в углеродистых сталях является вредной  примесью (образуются нитриды), из-за чего резко снижаются механические свойства сварного шва и стойкость к  старению, тогда как в сталях аустенитного класса азот является полезной добавкой. При аргонодуговой сварке углеродистых сталей для поддува можно применять не только аргон или углекислый газ, но и азот, если в сварочную ванну будут введены элементы-раскислители в виде кремния и марганца. Поэтому выбор газа и присадочного материала должны обеспечивать заданные механические свойства, химический состав и структуру сварного шва. При сварке в защитной среде инертных газов расплавленный металл сварочной ванны изолирован от воздействия кислорода и азота воздуха; поэтому металлургические процессы могут происходить между элементами, содержащимися только в расплавленном металле сварочной ванны.

Так, например, если в сварочной ванне содержится некоторое количество кислорода  в виде закиси железа РеО, то при наличии достаточного количества углерода будет образовываться нерастворимая в металле окись углерода  [C] + [O] = CO,

Вследствие того, что расплавленный металл сварочной  ванны кристаллизуется, а газ  выйти не успевает, то в нем будут  образовываться поры.

Расплавленный металл сварочной ванны может  насыщаться кислородом, находящимся  в инертном газе, в виде Свободного кислорода и паров воды. Поэтому  для подавления реакции окисления  углерода в период кристаллизации расплавленного металла сварного шва в сварочную ванну через присадочный материал должны быть введены элементы-раскислители в виде кремния и марганца. При сварке легированных сталей, имеющих в своем составе необходимое количество раскислителей, реакция образования окиси углерода подавляется. Таким образом, при сварке в защитных газах для подавления образования окиси углерода, способной образовывать поры в сварном шве и устранения азотирования сварного шва, необходимо в сварочную ванну ввести элементы-раскислители.

При сварке в  защитной среде углекислого газа последний, защищая расплавленный  металл сварочной ванны от кислорода  и азота воздуха, сам в свою очередь, разлагаясь в дуговом разряде, является окислителем металла

где FеО — закись железа, растворяющаяся в железе.

Таким образом, как и при сварке в защитной среде инертных газов, в этом случае образуется окись углерода, которая  в процессе кристаллизации металла  сварочной ванны создает в  нем поры. Для подавления образования  окиси углерода (СО) через присадочную проволоку в расплавленный металл сварочной ванны вводятся элементы-раскислители — кремний и марганец. 

Сущность процесса сварки в углекислом газе заключается  в следующем. Поступающий в зону сварки углекислый газ защищает ее от вредного влияния атмосферы воздуха. Причем при высокой температуре  сварочной дуги углекислый газ частично диссоциируется на окись углерода и кислород 2С02↔2СО + O2. В результате в зоне дуги образуется смесь из трех различных газов: углекислого газа, окиси углерода и кислорода.

Вследствие того, что температура дуги не везде  одинакова, неодинаков и состав газовой  смеси в зоне дуги. В центральной  части, где температура дуги высокая, углекислый газ диссоциирует почти полностью. В области, прилегающей к сварочной ванне, количество углекислого газа преобладает над суммарным количеством кислорода и окиси углерода. Все три компонента газовой смеси защищают металл от воздействия воздуха, в то же время окисляют его как при переходе капель электродной проволоки в сварочную ванну, так и на поверхности:

Порядок и интенсивность  окисления элементов зависят  от их химического сродства к кислороду. Вначале окисляется кремний, имеющий  большее сродство к кислороду, чем  другие элементы. Окисление марганца также происходит значительно интенсивнее, чем окисление железа и углерода. Следовательно, нейтрализовать окислительный  потенциал углекислого газа можно  введением в присадочную проволоку  избыточного кремния и марганца, В этом случае погашаются реакции  окисления железа и образования  окиси углерода, но сохраняются защитные функции углекислого газа в отношении  атмосферы воздуха.

Качество наплавленного  металла зависит от процентного  содержания кремния и марганца в  сварочной проволоке (при условии  наличия необходимого количества углекислого  газа). Хорошее качество наплавленного  металла при сварке углеродистых сталей гарантируется тогда, когда  в составе проволоки соотношение  Мn к Si составит

Мn/ Si = 1,5 / 2

Образовавшиеся  окислы кремния и марганца не растворяются в  жидком металле,  а  вступают во   взаимодействие друг с другом, образуя легкоплавкое соединение, которое в  виде  шлака  всплывает  на  поверхность   сварочной   ванны.

Техника и режимы сварки. Прихватку деталей из углеродистых сталей под сварку в углекислом газе осуществляют либо электродами типа Э42 или Э42А, либо полуавтоматической сваркой в углекислом газе. Прихватку деталей из легированных сталей выполняют электродами соответствующего назначения.

Поверхность свариваемых  кромок перед прихваткой и сваркой  тщательно зачищают от грязи, ржавчины, масла, окалины и шлака. При сборке выдерживают одинаковые зазоры, которые  в стыковых соединениях не должны превышать 1,5 мм. Смещение свариваемых  кромок относительно друг друга не должно превышать 1 мм для толщин 4—10 мм и 10 % толщины для толщин более 10 мм. Схема общего вида сварочного поста показана на рис. 1.

Сварку в углекислом газе выполняют во всех пространственных положениях, вертикальные и потолочные швы выполняют на малых токах  и проволокой небольшого диаметра.

Параметрами режима сварки в углекислом газе являются род и полярность тока, диаметр  электродной проволоки, величина сварочного тока, напряжение дуги, расход углекислого  газа, вылет и наклон электродной  проволоки по отношению к свариваемому изделию.

При сварке применяют  постоянный ток обратной полярности. Величину сварочного тока и диаметр  электродной проволоки выбирают в зависимости от толщины металла  и положения шва в пространстве. В табл. 1 показаны приемы перемещения  конца электродной проволоки  при сварке стыкового соединения в нижнем положении.

Таблица 1. Приёмы перемещения электродной проволоки при сварке соединения в нижнем положении

Материалы и оборудование. Углекислый газ имеет следующие особенности:

при повышении  давления превращается в жидкость;

при охлаждении без давления переходит в твердое  состояние — сухой лед;

сухой лед при  повышении температуры переходит  непосредственно в газ, минуя  жидкое состояние.  

Для сварки применяют  углекислоту по ГОСТ 8050 — 76, поставляемую в баллонах в жидком состоянии. При  испарении 1 кг жидкой углекислоты при 0°С и 760 мм рт. ст. образуется 506,8 л газа. В стандартный баллон емкостью 40 л заливают 25 кг жидкой углекислоты, что составляет 12,67 м3 газа. Вредными примесями в углекислом газе являются азот и влага.

Влага удаляется  из газа осушителем, который заполняется  силикагелем, алюминием или медным купоросом, которые перед заправкой  в осушитель необходимо прокалить  при температуре 250 —300°С в течение 2 — 2,5 ч.  

Рекомендуется также для снижения влажности  углекислого газа баллон с углекислотой ставить вентилем вниз (рис. 2) и дважды через 15 — 20 мин после опрокидывания  баллона спускать воду. Сварочная  проволока применяется в зависимости  от марки свариваемой стали. В  табл. 2 приведены некоторые марки  сварочных проволок, применяемые  при сварке различных сталей.

Таблица 2. Применение марок проволоки для сварки сталей различных марок  

Полуавтоматы. Для сварки в углекислом газе применяют следующие полуавтоматы: ПШП-10, А-547, А-537,  сварочную головку ТСГ-7 для сварки труб и другое оборудование.

Полуавтомат ПШП-10 предназначен для дуговой сварки углеродистых нержавеющих и жаропрочных сталей, алюминиевых сплавов и других металлов плавящимся электродом в среде защитных газов. Полуавтомат позволяет выполнять сварку постоянным током. В его комплект входят катушка с кронштейном и шкаф с электроаппаратурой.

Полуавтомат А-547 предназначен для сварки тонкой электродной проволокой диаметром 0,8—1,0 мм.

Полуавтомат А-537 предназначен для сварки электродной проволокой диаметром 1,6 — 2 мм.

Сварочная головка типа ТСГ-7 предназначена для сварки в защитных газах, плавящимся колеблющимся электродом поворотных стыков труб из низкоуглеродистых и нержавеющих сталей без подкладных колец. 

Аргонодуговую сварку применяют для соединения легированных сталей, цветных металлов и их сплавов, ее выполняют постоянным (рис. 2) и переменным (рис. 3) током плавящимся и неплавящимся электродами. Упрощенная схема поста механизированной сварки приведена на рис. 4.

При ручной аргонодуговой  сварке конец вольфрамового электрода  затачивают на конус. Длина заточки, как правило, должна быть равна двум-трем диаметрам электрода.

Дуга зажигается на специальной угольной пластине. Зажигание дуги на основном металле  не рекомендуется из-за возможности  загрязнения и оплавления конца  электрода.

Для возбуждения  дуги можно применить источник питания  с повышенным напряжением холостого  хода или дополнительный источник питания  с .высоким напряжением (осциллятор), так как потенциал возбуждения и ионизации инертных газов значительно выше, чем кислорода, азота или паров металлов. Дуговой разряд инертных газов отличается высокой стабильностью.

Характерной особенностью аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом при использовании  переменного тока является возникновение  в сварочной цепи составляющей постоянного  тока, величина которой может достигать 50% от величины эффективного значения переменного тока сварочной цепи. Выпрямление тока, т. е. появление  составляющей постоянного тока, зависит  от размеров и формы вольфрамового  электрода, материала изделия и  режимов сварки (величины тока, скорости сварки и длины дуги). Появление  в сварочной цепи составляющей постоянного  тока особенно отрицательно сказывается  на процессе сварки и качестве сварных  соединений  из алюминия и его сплавов.

При чрезмерной величине составляющей постоянного  тока нарушается стабильность горения  дуги, резко ухудшается качество поверхности  наплавляемого металла, появляются подрезы, чешуйчатость и снижается  прочность сварных соединении и пластичность металла шва. Устранение составляющей постоянного тока в сварочной цепи переменного тока является первостепенным условием для получения качественных сварных соединений.

Гелиедуговая сварка имеет одинаковый принцип работы с аргонодуговой сваркой, поэтому отдельно не рассматривается.

Аргонодуговой сваркой можно выполнять всё  виды соединений: стыковые, тавровые, нахлесточные и угловые.

Для защиты металла  шва со стороны корня и обеспечения  формирования обратной стороны шва  поддувают защитные газы (создание избыточного давления защитного  газа со стороны корня шва). При  сварке титана, алюминия и их сплавов  для поддува применяют аргон или в особых случаях — гелий — при сварке титана. При сварке нержавеющих сталей применяют аргон, азот, углекислый газ и смесь азота с водородом (азота — 93%, водорода — 7%).

Ручную аргонодуговую  сварку выполняют без колебательных  движений горелки, которые не рекомендуется  применять из-за  возможности   нарушения  защиты   зоны   сварки.   Угол между осью мундштука аргонодуговой горелки и плоскостью свариваемого изделия должен быть 75 — 80° (рис. 5). Присадочную проволоку располагают под углом 90° относительно оси мундштука горелки, а угол между проволокой и изделием должен быть 15 — 20°.

Употребление  газовых смесей вместо технически чистых газов аргона или гелия в некоторых  случаях повышает устойчивость горения  сварочной дуги, уменьшает разбрызгивание металла, улучшает формирование шва, увеличивает глубину противления, а также воздействует на перенос металла и увеличивает производительность сварки.

Для сварки используются гелий и аргон — инертные газы, не образующие с другими элементами химических соединений, за исключением  некоторых гидридов, устойчивость которых  находится только в узких интервалах температуры и давления. В промышленности гелий получают из природных газов  путем их сжижения.

Аргон несколько  тяжелее воздуха, поэтому струя  его хорошо защищает дугу и зону сварки. Дуга в аргоне отличается высокой  стабильностью. По ГОСТ 10157 — 73 аргон  вырабатывают трех сортов.

Состав аргона различных сортов

Сварка в азоте. При сварке меди и некоторых типов нержавеющих сталей для защиты зоны дуги можно использовать азот, полученный путем ректификации воздуха на кислородных установках. Азот инертен по отношению к меди. Хранят и транспортируют азот в стальных баллонах черного цвета с Желтой кольцевой полосой при давлении 15 МПа.

При азотно-дуговой  сварке электродами служат угольные или графитные стержни, применять  вольфрамовые стержни нецелесообразно, так как образующиеся на их поверхности  нитриды вольфрама легкоплавки, вследствие чего расход вольфрама резко  возрастает. При азотно-дуговой сварке угольным электродом напряжение дуги должно быть 22 — 30 В. Сварку выполняют  постоянным током прямой полярности, диаметр угольного электрода 6—8 мм при токе 150 — 500, А. Расход азота  составляет 3 — 10 л/мин. Установка для  сварки в азоте аналогична установке  для сварки в аргоне. Горелка должна иметь специальные сменные наконечники  для закрепления угольных стержней.