Сварка в защитных газах

Лекция 2. Сварка в защитных газах.

Технология автоматической дуговой сварки в защитных газах

2.1. Особенности сварки в защитных газах

Сущностью и отличительной особенностью дуговой сварки в защитных газах является защита расплавленного и нагретого до высокой температуры основного и электродного металла от вредного влияния воздуха защитными газами, обеспечивающими физическую изоляцию металла и зоны сварки от контакта с воздухом и заданную атмосферу в зоне сварки. Используют инертные и активные защитные газы (см. главу 12 «Сварочные материалы»).

При дуговой сварке применяют два основных способа газовой защиты: местная и общая в камерах (сварка в контролируемой среде).

Наиболее распространенной является струйная местная защита в потоке газа, истекающего из сопла сварочной горелки. Качество струйной защиты зависит от конструкции и размеров сопла 1, расхода защитного газа и расстояния L от среза сопла А-А до поверхности свариваемого материала. В строении газового потока различают две области (рис. 2.1): ядро, струи 2 и периферийный участок 3.

Рис. 2.1. Схема газового потока из сопла сварочной горелки:

1 – сопло горелки; 2 – ядро потока; 3 – периферийная область; H – длина ядра потока; L – расстояние от среза до детали; АА – сечение среза сопла; D – диаметр сопла

При истечении в окружающую воздушную среду в ядре потока 2 сохраняются скорость и состав газа, имеющиеся в сечении А-А на срезе сопла. Периферийная же часть потока 3 представляет собой область, в которой защитный газ смешивается с окружающим воздухом, а скорость в любом сечении по длине потока изменяется от первоначальной (имеющейся на срезе сопла) до нулевой на внешней границе струи. Поэтому надежная защита металла может осуществляться только в пределах ядра потока. Чем больше высота Н этого участка, тем выше его защитные свойства. Максимальная высота Н наблюдается при ламинарном истечении газа из сопла. При турбулентом характере истечения газа такое строение потока нарушается и защитные свойства его резко падают. Характер истечения зависит от конфигурации проточной части сопла, его размеров и расхода газа. На практике применяют три вида сопл: конические, цилиндрические и профилированные (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Формы сопел сварочных горелок: а – коническая;б – цилиндрическая; в – профилированная

Расход защитного газа выбирают оптимальным для обеспечения истечения струи, близкого к ламинарному. Для улучшения струйной защиты на входе в сопло в горелке устанавливают мелкие сетки, пористые материалы и т.п., позволяющие дополнительно выравнивать поток газа на выходе из сопла. При сварке со струйной защитой возможен подсос воздуха в зону сварки. Для улучшения и увеличения области защиты, особенно при сварке активных материалов, к соплу горелки крепят дополнительные колпаки – приставки.

Наиболее эффективной является общая защита в камерах с контролируемой средой. Камеры заполняют инертным газом высокой чистоты под небольшим избыточным давлением (0,005–0,01 МПа), в камере располагаются свариваемое изделие и сварочное оборудование (автомат). Сварку производят внутри камеры изолированно от воздушной среды. Такой способ защиты обычно используют при сварке изделий из химически активных металлов (титан, цирконий, тантал, молибден и др.). Достоинства сварки в защитных газах – высокая производительность, высокое качество защиты, доступность наблюдения за процессом горения дуги, простота механизации и автоматизации, возможность сварки в различных пространственных положениях. Сварка в защитных газах может выполняться неплавящимся и плавящимся электродами. На рисунке 2.3 приведены схемы постов для различных вариантов дуговой сварки в защитных газах.

Рис. 2.3. Схемы постов для сварки в защитных газах: а – неплавящимся электродом в инертных газах на постоянном токе прямой полярности; б – тоже, на переменном токе; в – плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности

2.2. Классификация методов снижения разбрызгивания при сварке в углекислом газе

Разбрызгивание электродного металла при сварке в СО2 является одним из основных недостатков этого способа сварки. Разбрызгивание сопровождается увеличением расхода электродной проволоки и защитного газа, забрызгиванием поверхности свариваемых деталей и деталей сварочной горелки. Все это приводит к увеличению себестоимости сварочных работ за счет увеличения затрат на материалы и повышению трудоемкости вследствие затрат труда на зачистку от брызг.

Основными причинами разбрызгивания является:

1. увеличение размера капель электродного металла при повышении напряжения;

2. недостаточная стабильность процесса сварки;

3. реактивные силы, выталкивающие каплю металла из зоны сварки в начале короткого замыкания;

4. интенсивное газовыделение в объеме жидкого металла капли и сварочной ванны, сопровождающееся взрывообразными выбросами расплавленного металла из сварочной ванны;

5. газодинамический удар при разрушении перемычки между электродом и переходящей в сварочную ванну каплей при сварке с короткими замыканиями.

В настоящее время проблема снижения разбрызгивания является актуальной и работы направленные на ее решение ведутся в различных направлениях.

Все известные методы снижения разбрызгивания можно разделить на два направления:

1 Химические методы:

- использование газовых смесей для защиты зоны сварки;

- двухслойная защита;

- использование активированных и порошковых проволок.

2 Энергетические методы (методы, влияющие на энергетические процессы сварки):

- подбор режимов;

- импульсно-дуговая сварка;

- сварка пульсирующей дугой;

- сварка с принудительными короткими замыканиями;

- синергетические системы управления параметрами режима;

- импульсная подача сварочной проволоки.

Сварка в смесях защитных газов. Сущность способа состоит в том, что при изменении химического состава защитного газа в существенной степени изменяются физические и металлургические процессы сварки. Это проявляется, во-первых, через окислительную способность защитной среды, во-вторых, через ее теплофизические свойства, влияющие на дугу.

Инертные газы обладают рядом особенностей: отсутствием диссоциации и отрицательных ионов, низким напряжением горения дуги благодаря наличию метастабильных уровней возбуждения и ступенчатой ионизации. В зависимости от применяемого инертного газа изменяются поверхностное натяжение и размер капель электродного металла. А также коэффициент расплавления электрода.

Для дуги в углекислом газе характерны высокие значения теплопроводности и градиента потенциала в столбе дуги. Применение СО2 связано с нестабильностью горения дуги, вызванной силой, отталкивающей каплю вверх и в сторону, действующей против направления переноса металла и создаваемой высоким давлением газа внутри столба струями пара с поверхности сварочной ванны, ударяющими в каплю.

Рассмотрим влияние компонентов газовой среды на примере смеси для высокого производительного процесса TIME. Обычно используют 65 % Аг + 26,5 % Не + 8 % С02 + 0,5 % 02.

Добавка гелия увеличивает потенциал ионизации и градиент потенциала в столбе дуги. За счет этого возрастают напряжение и энергия дуги. Плазменный поток становится более мощным и стабилизирует дугу.

Добавка О2 к аргону повышает стабильность горения дуги и улучшает перенос металла, уменьшая разбрызгивание. Добавка кислорода к углекислому газу улучшает отделение брызг от основного металла, улучшает внешний вид шва и снижает склонность к образованию пор при сварке металла, покрытого ржавчиной.

Предлагается рассматривать действие парамагнитных сил и положительной магнитной восприимчивости кислорода и других газов на критическое значение тока перехода к струйному переносу.

Предполагается, что наличие парамагнитного газа усиливает действие электродинамической силы, что приводит к уменьшению критического значения тока. Кроме того, существует возможность сепарации компонентов газовой смеси и концентрация кислорода вблизи расплавленной капли под воздействием магнитного поля, что снижает поверхностное натяжение металла.

Преимущества данного способа:

1 Снижение уровня разбрызгивания.

2 Переход к струйному переносу.

3 Снижение уровня критического тока.

4 Меньшая восприимчивость к качеству поверхности свариваемых изделий.

Недостатками же сварки в смесях защитных газов являются:

1 Смеси на основе аргона дорогостоящие.

2 Невозможность длительного хранения готовых смесей газов [21].

3 Повышенная окислительная способность атмосферы.

4 Отсутствие управляемости процесса (отсутствие управляемого переноса).

Двухслойная защита. Сущность заключается в использовании двух потоков защитного газа: внутреннего, по которому подают аргон, для улучшения защиты и уменьшения сжатия столба дуги; и наружного, по которому подают углекислый газ. Подобная защита сварочной дуги обеспечивает стабильность горения дуги с минимальным разбрызгиванием.

Использование активированных и порошковых проволок.

Сущность процесса состоит в том, что в зону сварки посредством проволоки вносятся некоторые химические элементы, влияющие на теплофизические свойства сварочной дуги.

При сварке проволоками различных систем легирования наибольшее влияние на характеристики переноса электродного металла оказывает кремний. Другие элементы: алюминий, титан, молибден, марганец, хром, никель и др. располагаются в соответствии с их способность изменять поверхностное натяжение расплавленного металла.

При нанесении на поверхность проволоки покрытий, состоящих из тонкого слоя солей щелочных и щелочноземельных металлов (соли цезия + соли калия: соли цезия + соли натрия; растворов углекислого калия, а также оксиды других металлов Fe304, CeО2) расширяются технологические возможности процесса сварки, за счет повышения стабильности горения дуги и снижения разбрызгивания.

Наличие в сварочной дуге легкоионизируемых щелочных металлов резко уменьшает диаметр столба дуги, а площадь активных пятен расширяется. Электромагнитная сила способствует отрыву капель электродного металла.

Введение в электродную проволоку шихты, состоящей из 10% К2С03; 10% Nа2СО3; 5% CaF2 остальное двуокись титана благоприятно сказывается на стабильности горения дуги и характере переноса металла. Применение активаторов на основе титана снижает разбрызгивание до 50%.

К недостаткам активированных покрытий можно отнести его осыпание с поверхности проволоки. Эта проблема решается нанесением покрытия в процессе сварки при помощи специального устройства, устанавливаемого на сварочную горелку.

Существуют технологии изготовления проволок, поверхность которых насыщена кислородом, который увеличивает стабильность горения дуги и уменьшает разбрызгивание до 3% за счет снижения силы поверхностного натяжения.

С целью повышения стойкости против атмосферной коррозии, на проволоку наносят покрытие - черный хром. Данное покрытие не только защищает проволоку от коррозии, но и снижает разбрызгивание и потери электродного металла.

Порошковые проволоки широко применяются для производства сварных изделий, благодаря хорошим технологическим свойствам. Это направление сварочной техники широко развивается как в нашей стране так и за рубежом. Флюс, входящий в состав порошковых проволок позволяет вводить в зону сварки компоненты, улучшающие стабильность горения дуги, улучшающие формирование шва, обеспечивающие минимальные потери металла на угар и разбрызгивание и, позволяет применять различные системы легирования.

Подбор режимов. Стабильность процесса, качество формирования шва и разбрызгивание электродного металла зависят от правильного выбора параметров режима сварки. При правильно подобранных режимах, когда скорость подачи равна скорости плавления, разбрызгивание не превышает 6 -10%.

Для каждого диаметра проволоки имеется диапазон так называемого критического тока, при котором разбрызгивание увеличивается примерно в два раза. Эти режимы применять нерационально.

Импульсно-дуговая сварка. Способ заключается в наложении на дежурную дугу импульсов большого тока. Применяется два основных способа управления переносом металла при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом. В первом случае расплавление конца электрода и формирование на его торце капли необходимого размера происходят во время протекания, так называемого, базового тока. При наложении тока на дугу он только отрывает образовавшуюся ранее каплю от электрода. Во втором случае плавление и отрыв капли осуществляются одним и тем же импульсом тока. Базовый ток в этом случае служит только для поддержания горения дуги в промежутках между импульсами тока и практически не расплавляет проволоку. Само наложение импульсов, представляющих собой управляющие воздействия, существенно стабилизирует процесс сварки, так как компенсирует действие возмущений, вызываемых капельным переносом металла, блужданием активного пятна (особенно при малых токах) вследствие электромагнитных, тепловых и других влияний газовыми потоками в дуге. Однако, наблюдаются колебания основных энергетических параметров процесса: средних значений напряжения на дуге и сварочного тока. Эти изменения происходят при действии на дугу как внешних возмущений (колебания напряжения питающей сети, скорости подачи электродной проволоки из-за несовершенства подающих механизмов, неравномерность движения руки сварщика), так и закономерно возникающие в зоне сварки во время плавления электродной проволоки. В результате могут нарушаться стабильность процесса и геометрические размеры шва.

Это, в конечном счете, ухудшает качество и уменьшает производительность сварки, а также не дает возможности вести процесс во всех пространственных положениях.

Сварка пульсирующей дугой. Сущность процесса заключается в том, что скорость и количество вводимой в изделие энергии определяется не только режимом сварки, но и периодичностью пульсации сварочного тока.

Последний, в свою очередь, задается в зависимости от теплофизических характеристик металла, типа соединения, геометрии и пространственного положения шва. При этом сварочный ток может изменяться от максимальной величины до минимальной или до нуля, а частота пульсации - от десятых долей до нескольких секунд. Это обуславливает следующие преимущества данного способа сварки:

а) возможность реализации на стандартном оборудовании;

б) электрические параметры дуги изменяются плавно по показательной функции, что способствует более рациональной отдаче тепла изделию;

в) плавная пульсация мощности дуги обуславливает плавное изменение ее давления; чем больше объем сварочной ванны, тем медленнее нарастает давление на жидкий металл, что предотвращает выплески его, прожоги, снижает разбрызгивание;

г) благодаря периодическому снижению мощности дуги и кристаллизации в этот период ванны облегчается сварка в различных пространственных положениях;

д) специфические условия структурообразования сварных соединений при сварке пульсирующей дугой обеспечивают высокие пластические свойства сварных соединений.

Но так, же можно выделить следующие недостатки:

1. Процесс сварки пульсирующей дугой протекает с многократными повторами нагревов и охлаждений в интервале температур превращений аустенита, которые усугубляют химическую и структурную неоднородность металла ЗТВ. Усиление неоднородности происходит за счет того, что в условиях многократных охлаждений периодически образуются и растворяются сложные агрегаты, включающие различные структурные составляющие. В общем случае могут образовываться феррит с различной степенью перенасыщения углеродом, карбиды, выделяющиеся как из феррита, так и из аустенита.

2. При сварке с пульсирующей дугой воздействие в основном ориентировано на сварную ванну. Процесс не управляет переносом металла. Снижение разбрызгивания является косвенным следствием.

Сварка плавящимся электродом с принудительными короткими замыканиями. Сущность данного способа заключается в том, что на интервале горения дуги в импульсе происходит интенсивное расплавление торца электрода и свариваемой детали. При этом вследствие силового воздействия дуги металл сварочной ванны вытесняется в хвостовую часть и удерживается там в течении всей стадии плавления. По истечении заданного времени горения дуги в импульсе производят ступенчатое уменьшение сварочного тока до значения тока паузы. Это приводит к соответствующему снижению скорости плавления электрода и ослаблению силового воздействия дуги на сварочную ванну, которая стремится в этот момент заполнить кратер, образовавшийся под торцом электрода на стадии действия импульса тока. Одновременно с этим капля под действием сил тяжести и поверхностного натяжения стремится занять соосное с проволокой положение.

В результате этих встречных взаимонаправленных движений происходит принудительное короткое замыкание, в начальный момент которого в сварочной цепи производят увеличение тока, что позволит значительно повысить скорость нарастания тока короткого замыкания и тем самым ускорить образование и разрушение жидкой перемычки. Причем на протяжении всей стадии короткого замыкания.

К преимуществам данного способа можно отнести:

1. Данный способ реализует управляемый перенос металла, что позволит управлять параметрами определяющими его.

2. Снижение объема сварочной ванны, а, значит, облегчение сварки в различных пространственных положениях.

3. Стабилизируется процесс горения дуги.

4.Снижается перегрев капли, что снижает выгорание элементов из металла. Снижаются сварочные деформации. Ширина зоны разупрочнения снижается в ряде случаев 3.. .4 раза.

К недостаткам можно отнести то, что:

1 Необходимость использования в комплекте сварочного образования специальных сильноточных импульсных регуляторов сварочного тока с малой инерцией.

2 Необходимость использования большого количества обратных связей для управления каплеобразованием.

Имульсно-дуговая сварка с синергетическим управлением параметрами режимов. Выбор оптимальных параметров импульсов тока при сварке с синергетическим управлением базируется на следующих трех основных требованиях:

- для любой скорости подачи электродной проволоки параметры являются целью поддержания постоянной длины дуги;

- базовый ток должен обеспечивать стабильное горение дуги в паузе;

- для заданной скорости подачи электродной проволоки амплитуда, длительность и частота следования импульсов тока, а также значение базового тока автоматически устанавливаются таким образом, чтобы за каждый импульс тока отделялась одна капля электродного материала.

Таким образом, можно сказать, что сущность данного процесса заключается в том, что для любой скорости подачи электродной проволоки параметры импульсов тока, а также значения базового тока и длительность паузы строго соответствуют скорости плавления электрода. При этом обеспечивается мелкокапельный перенос металла по принципу один импульс - одна капля электродного металла.

Применение синергетического управления обеспечивает:

- простоту выбора и переналадки оптимальных параметров режима сварки;

- стабильность горения дуги при изменении скорости подачи проволоки, вылета электрода и напряжения сети;

- облегчение формирования шва во всех пространственных положениях;

- качественную заварку кратера и благоприятное начало шва;

- меньшую чувствительность сварных соединений к термическому разупрочнению металла околошовной зоны;

- возможность использования проволок увеличенного диаметра;

- меньший расход электродной проволоки на единицу длины шва.

К недостаткам импульсно-дуговой сварки с синергетическими системами управления параметрами режимов можно отнести:

- использование относительно низкой погонной энергии;

- необходимость в тщательной зачистке кромок от ржавчины, окалины, масла и краски во избежание образования дефектов сварного соединения;

- более высокая стоимость оборудования и затрат на его эксплуатацию и ремонт.

Импульсная подача сварочной проволоки. Сущность процесса сварки с импульсной подачей сварочной проволоки заключается в программировании скорости подачи электродной проволоки по законам, обеспечивающим контролируемый перенос капли расплавленного электродного металла в жидкую сварочную ванну.

В основу процесса дуговой сварки с импульсной подачей электродной проволоки положено использование дополнительной силы, которая прикладываясь к капле, резко изменяет характер плавления и переноса электродного металла аналогично импульсу электродинамической силы при импульсно - дуговом процессе. В данном случае дополнительной силой выступает сила инерции, действующая в период торможения электрода.

Дозирование переносимого металла происходит за счет установки оптимальных значений шага подачи и частоты следования импульсов.

Данный способ имеет ряд преимуществ по сравнению с постоянной подачей электродной проволоки:

1. Осуществляется управляемый перенос металла;

2. Меньше выгорание элементов из расплавленного металла, за счет уменьшения времени пребывания капли на торце электрода;

3. Снижение разбрызгивания. Происходит за счет совместного действия силы поверхностного натяжения действующей со стороны сварочной ванны и остатков кинетической энергии капли, которая способствует увеличению скорости втягивания капли и одновременно утонению перемычки, вследствие чего при ее взрыве, вместо брызг образуются искры.

Вследствие вышесказанного можно сделать вывод, что наиболее перспективными методами снижения разбрызгивания, в настоящее время, являются методы, обеспечивающие управляемый перенос расплавленного металла, а именно импульсно-дуговые процессы и процесс сварки с импульсной подачей сварочной проволоки.

2.3. Подготовка деталей и режимы сварки в защитных газах

Требования на подготовку деталей под сварку в защитных газах в основном аналогичны, как и для сварки под флюсом.

Основные типы и конструктивные элементы выполняемых дуговой сваркой в защитных газах швов сварных соединений из сталей, а также сплавов на никелевой и железоникелевой основах регламентированы ГОСТ 14771-76, которым предусмотрено четыре типа соединений при сварке металла толщиной от 0,5 до 100 мм и более. В зависимости от формы подготовки кромок и толщины свариваемых деталей швы выполняются в соединениях: с отбортовкой кромок, без скоса кромок, со скосом кромок одной или двух кромок как с одной, так и с двух сторон. По характеру выполнения швов они могут быть одно- и двусторонними. Односторонние швы могут выполняться как на весу, так и на различного рода съемных и остающихся подкладках.

Стандартом установлены следующие обозначения способов сварки в защитных газах: ИН – в инертных газах неплавящимся электродом без присадочного материала, ИНП – в инертных газах неплавящимся электродом с присадочным металлом, ИП – в инертных газах и их смесях с углекислым газом и кислородом плавящимся электродом, УП – в углекислом газе и его смеси с кислородом плавящимся электродом.

К основным параметрам сварочных режимов сварки в защитных газах относятся диаметр электрода или электродной проволоки, сварочный ток, напряжение дуги, скорость подачи электродной проволоки, скорость сварки, вылет электрода, расход защитного газа, наклон электрода вдоль оси шва, род тока и полярность.

Диаметр электродной проволоки. Выбирается в пределах 0,5–3 мм в зависимости от толщины свариваемого металла и положения шва в пространстве. С уменьшением диаметра проволоки при прочих равных условиях повышается устойчивость горения дуги, увеличиваются глубина проплавления и коэффициент наплавки, уменьшается разбрызгивание жидкого металла.

С увеличением диаметра проволоки должна быть увеличена сила тока.

Сварочный ток. С увеличением сварочного тока повышается глубина проплавления. Это приводит к увеличению доли основного металла в шве. Ширина шва сначала несколько увеличивается, а затем уменьшается. Сварочный ток устанавливают в зависимости от диаметра электрода и толщины свариваемого металла.

Напряжение дуги. С увеличением напряжения дуги глубина проплавления уменьшается, а ширина шва увеличивается. Чрезмерное увеличение напряжения дуги сопровождается повышенным разбрызгиванием жидкого металла, ухудшением газовой защиты и образованием пор в наплавленном металле. Напряжение дуги устанавливается в зависимости от выбранного сварочного тока.

Скорость подачи электродной проволоки. Скорость подачи связана со сварочным током. Ее устанавливают с таким расчетом, чтобы в процессе сварки не происходило коротких замыканий и обрывов дуги, а протекал устойчивый процесс плавления электрода.

Скорость сварки. С увеличением скорости сварки уменьшаются все геометрические размеры шва. Она устанавливается в зависимости от толщины свариваемого металла и с учетом обеспечения хорошего формирования шва. Сварку металла большой толщины лучше выполнять более узкими валиками на большей скорости. При слишком большой скорости сварки конец электрода может выйти из зоны защиты и окислиться на воздухе. Медленная скорость сварки вызывает чрезмерное увеличение сварочной ванны и повышает вероятность образования пор в металле шва.

Вылет электрода. С увеличением вылета электрода ухудшаются устойчивость горения дуги и формирование шва, а также увеличивается разбрызгивание жидкого металла. Очень малый вылет затрудняет наблюдение за процессом сварки, вызывает частое подгорание газового сопла и токоподводящего контактного наконечника. Кроме вылета электрода необходимо выдерживать определенное расстояние от сопла горелки до поверхности свариваемого металла, так как с увеличением этого расстояния ухудшается газовая защита зоны сварки и возможно попадание кислорода и азота воздуха в расплавленном металле.

Величину вылета электрода, а также расстояние от сопла горелки до поверхности металла устанавливают в зависимости от выбранного диаметра электродной проволоки. Некоторые значения параметров при сварке в углекислом газе приведены в таблице 2.1:

Таблица 2.1

Параметры сварки в углекислом газе

Расход защитного газа определяют в основном в зависимости отвыбранного диаметра электродной проволоки и тепловой мощности дуги, зависящей от силы тока. Но на него оказывают также влияние скорость сварки, конфигурация изделия и наличие движения воздуха в цехе, ветра и т.п. Для улучшения газовой защиты в этих случаях приходится увеличивать расход защитного газа, уменьшать скорость сварки, приближать сопло к поверхности металла или пользоваться защитными щитами и другими устройствами.

Наклон электрода вдоль оси шва оказывает влияние на глубину проплавления и качество шва. При сварке углом вперед труднее вести наблюдение за формированием шва, но лучше видны свариваемые кромки и легче управлять электродом. Ширина шва при этом возрастает, а глубина проплавления уменьшается. Сварку углом вперед рекомендуется применять при небольших толщинах металла, когда существует опасность появления сквозных прожогов. При сварке углом назад улучшается видимость зоны сварки, повышается глубина проплавления и наплавленный металл получается более плотным.

2.4. Сварка неплавящимся электродом

Для неплавящихся электродов при сварке в защитных газах могут применяться стержни вольфрама или графита. В основном сварку производят вольфрамовым электродом. Высокая стойкость его наблюдается при использовании защитных газов, не взаимодействующих с вольфрамом. Основным защитным газом является аргон, а процесс называют аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом.

Горение дуги в гелии происходит при более высоком напряжении (в 1,4–1,7 раза выше, чем в аргоне). Это требует применения для питания дуги специализированных источников с повышенным напряжением холостого хода. Поэтому, учитывая дефицитность гелия, этот процесс применяется гораздо реже. Чаще гелий используют как добавку к аргону. Применение аргоногелиевых смесей целесообразно в тех случаях, когда требуется повысить проплавляющую способность дуги без увеличения сварочного тока. Наряду с инертными газами для сварки вольфрамовым электродом используют и некоторые активные газы, например азот и водород или их смеси с аргоном.

Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом может выполняться с местной или общей защитой, без подачи или с подачей присадочной проволоки, на постоянном или переменном токе.

Большинство металлов сваривают на постоянном токе прямой полярности. Сварку алюминия, магния и бериллия ведут на переменном токе.

При сварке на постоянном токе при прямой полярности обеспечиваются лучшие условия для термоэлектронной эмиссии с электрода, выше его стойкость и допускаемый предел силы тока.

Например, предельная сила тока для вольфрамового электрода диаметром 3 мм ориентировочно составляет при прямой полярности 240–280 А, а при обратной – лишь 20–42 А, при переменном токе – промежуточное значение 140–160 А. Дуга на прямой полярности легко возбуждается и горит при напряжении 10–15 В в широком диапазоне плотностей тока. При обратной полярности возрастает напряжение дуги, уменьшается устойчивость горения, резко снижается стойкость электрода, повышаются его нагрев и расход. Эти особенности дуги обратной полярности делают ее непригодной для непосредственного применения в сварочном процессе. Однако дуга обратной полярности обладает важным технологическим свойством: при ее воздействии на поверхность свариваемого металла происходит удаление поверхностных оксидов. Происходит очистка поверхности металла. Это явление объясняется тем, что при обратной полярности поверхность металла бомбардируется тяжелыми положительными ионами аргона, которые, перемещаясь под действием электрического поля от анода (электрод) к катоду (изделие), разрушают оксидные пленки на поверхности металла, а выходящие с катода (поверхности изделия) электроды способствуют их удалению. Этот процесс удаления поверхностных оксидов получил название процесса катодного распыления (катодной очистки).

Указанное свойство используют при сварке алюминия, магния, бериллия и их сплавов, имеющих на поверхности прочные оксидные пленки. Поскольку же при постоянном токе обратной полярности стойкость вольфрамового электрода низка, то для этой цели используют переменный ток. При этом удаление пленки, т.е. катодная очистка, происходит в полярность сварочного тока, когда свариваемое изделие является катодом. Таким образом, при сварке вольфрамовым электродом на переменном токе в определенной степени реализуются преимущества дуги прямой и обратной полярностей, т.е. обеспечиваются устойчивость электрода и разрушение поверхностных оксидов на изделии.

Аргонодуговая сварка может выполняться вручную или автоматически. На рисунке 2.4 показаны циклограммы процессов для различных вариантов сварки.

а б

Рис. 2.4. Циклограмма процесса сварки в защитном газе:

а – неплавящимся вольфрамовым электродом; б – плавящимся электродом;

I – сварочный ток; Uд – напряжение дуги; Vсв – скорость сварки; Q – расход защитного газа; Vпп – подача проволоки; Uосц – напряжение осциллятора

Защитный газ подают за 10–15с до начала горения дуги. Дуга возбуждается кратковременным разрядом осциллятора или замыканием электрода и основного металла угольным стержнем. Ручную сварку производят наклонной горелкой углом вперед, угол наклона к поверхности изделия составляет 70–80. Присадочную проволоку подают с передней стороны сварочной ванны под углом 10–15 к поверхности изделия. По окончании сварки дугу обрывают постепенно подъемом электрода для заварки кратера. Для защиты охлаждающегося металла подачу газа прекращают через 10–15 с после выключения тока.

Примерный режим ручной аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом стыкового соединения из высоколегированной стали толщиной 3 мм: диаметр вольфрамового электрода 3–4 мм, диаметр присадочной проволоки 1,6–2 мм, сварочный ток 120–160 А, напряжение дуги 12–16 В, расход аргона 6–7 дм3/мин. Ручную аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом применяют главным образом для соединения металла относительно небольшой толщины (до 3 мм), при небольшой протяженности швов, имеющих сложную форму или расположенных в труднодоступных местах. Конструкции, имеющие протяженные швы, изготовляют автоматической сваркой неплавяшимся вольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки, выбранной в зависимости от мощности дуги или диаметра вольфрамового электрода.

dп=(0,5…0,7)d. (2.1)

При сварке вольфрамовым электродом используют источники питания с крутопадающими вольтамперными характеристиками.

14.5. Разновидности аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом

Основным недостатком способов сварки со свободногорящей дугой является их невысокая производительность. Разработано несколько разновидностей сварки вольфрамовым электродом, основанных на увеличении проплавляющей способности дуги за счет увеличения интенсивности теплового и силового воздействия дуги на свариваемый металл. К этим разновидностям относятся сварка погруженной дугой, с применением флюса, при повышенном давлении защитной среды, импульсно-дуговая, плазменная сварка.

Сварка погруженной дугой. С увеличением диаметра электрода и силы тока увеличиваются давление дуги и удельное количество вводимой в металл теплоты. Под давлением дуги происходит оттеснение под электродом жидкого металла. Дуга при этом погружается в сварочную ванну, а поддержание заданного напряжения (длины дуги) достигается опусканием электрода ниже поверхности свариваемого металла. Глубина проплавления достигает 10–12 мм и выше, расход аргона составляет 15–20 л/мин.

Сварка с применением флюса. Нанесение на поверхность свариваемых кромок слоя флюса небольшой толщины (0,2–0,5 мм), состоящего из соединений фтора, хлора и некоторых оксидов, способствует повышению сосредоточенности теплового потока в пятне нагрева и увеличению проплавляющей способности дуги. При этом благодаря высокой концентрации тепловой энергии повышается эффективность проплавления и снижается погонная энергия при сварке.

Сварка при повышенном давлении защитной среды. Мощность дуги возрастает с увеличением давления окружающей зону сварки защитной атмосферы при неизменной силе тока и длине дуги. Дуга при этом сжимается, благодаря чему увеличивается еe проплавляющая способность примерно на 25–60%. Этот способ может использоваться при сварке в камерах с контролируемой средой, с применением общей защиты.

Импульсно-дуговая сварка вольфрамовым электродом.

Заключается в применении в качестве источника теплоты импульсной дуги с целью концентрации во времени теплового и силового воздействия дуги на основной и электродный металл. При стесненном теплоотводе полнее используется теплота дуги на расплавление основного металла, чем при сварке постоянной дугой. Проплавляющая способность импульсной дуги наиболее эффективно проявляется при сварке тонколистового металла толщиной до 2–3 мм. Дуга пульсирует с заданным соотношением импульса подачи тока и паузы (рис. 2.5).

а б

Рис. 2.5. Изменение силы тока и напряжения дуги при импульсной аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом и формирования шва:

а – изменение параметров режима; б – формирование шва

Сплошной шов получается расплавлением отдельных точек с определенным перекрытием (рис 14.5, б). Повторные возбуждения и устойчивость дуги обеспечиваются благодаря горению маломощной дежурной дуги (10–15 % от силы тока в импульсе). Основной сварочный ток подается в виде отдельных импульсов (рисунок 14.5,а) большой силы. Наряду с силой тока, напряжением, скоростью сварки к основным параметрам импульсно-дуговой сварки относятся длительность импульса tсв и паузы tП длительность цикла сварки:

Т=tCВ+tП, (1.2)

и шаг точек:

S=V(tCB+tП), (1.3)

где VСВ – скорость сварки.

Отношение tП/tСВ=G называют жесткостью режим а. Жесткость режима при заданной энергии импульса и длительности цикла характеризует проплавляющую способность дуги. Изменяя параметры режима импульсно-дуговой сварки, можно в широких пределах изменять кристаллизацию металла шва и таким образом влиять на свойства сварных соединений. Технологические преимущества сварки импульсной дугой вольфрамовым электродом в наибольшей степени проявляются при сварке тонкого материала – отсутствуют дефекты формирования шва, провисания и подрезы, улучшаются условия формирования шва в различных пространственных положениях, снижаются требования к квалификации сварщика. Так, при сварке металла определенной толщины требуется значительно меньшая погонная энергия, существенно снижаются деформации и прожоги тонколистовых деталей.

Сварка сжатой дугой. Сварка сжатой дугой отличается от обычной дуговой сварки вольфрамовым электродом сжатием дуги в канале сопла горелки потоком плазмообразующего газа. Основные преимущества сжатой дуги – более высокая стабильность ее горения и повышенная концентрация энергии в пятне нагрева (10–105 Вт/см2).

Сварка сжатой дугой осуществляется переменным или постоянным током прямой полярности. Возбуждают дугу с помощью осциллятора. Для облегчения возбуждения дуги прямого действия используют дежурную дугу, горящую между соплом горелки и электродом. Для питания плазмообразующей дуги требуются источники питания сварочного тока с рабочим напряжением до 126 В и более.

Сжатой дугой можно сваривать практически все металлы в нижнем и вертикальном положениях. В качестве плазмообразующего газа используют аргон и гелий, которые также могут быть и защитными, расход их составляет 0,2–1,5 л/мин. Плазменная сварка обладает высокой производительностью, малой чувствительностью к колебаниям длины дуги. Без скоса кромок можно сваривать за один проход металл толщиной до 15 мм. Сжатой дугой сваривают стыковые и угловые швы.

Стыковые соединения на металле толщиной до 2 мм можно сваривать с отбортовкой кромок, при толщине деталей свыше 10 мм рекомендуется делать скос кромок. При необходимости можно использовать присадочный металл.

14.6. Сварка в защитных газах плавящимся электродом

Основными разновидностями сварки плавящимся электродом в защитных газах являются аргонодуговая сварка и сварка в углекислом газе.

Сварка в защитных газах плавящимся электродом имеет ряд особенностей. Так, устойчивое горение дуги обеспечивается при высокой плотности тока в электроде (100 А/мм2 и выше) при возрастающей вольтамперной статической характеристике.

Стабильность параметров сварного шва (глубина проплавления и ширина) зависит от постоянства длины дуги, которая обеспечивается за счет процесса саморегулирования дуги при постоянной скорости подачи электродной проволоки. При этом соблюдается условие равенства скорости плавления электрода и его подачи. Так как процесс ведется на режимах с высокими плотностями сварочного тока, то обычно применяют электродную проволоку небольшого диаметра (d 0,8…2,5 мм), с большими скоростями ее подачи. В этих условиях процесс саморегулирования не может обеспечиваться при использовании источников питания с падающими характеристиками.

Поэтому применяют источники питания с жесткой или возрастающей вольтамперной характеристикой. Сварку обычно ведут на постоянном токе обратной полярности. При прямой полярности скорость расплавления в 1,4–1,6 раза выше, чем при обратной, однако дуга горит менее стабильно с интенсивным разбрызгиванием.

К основным параметрам сварочного режима относятся сила тока, напряжение дуги, скорость сварки, диаметр и скорость подачи электродной проволоки, расход защитных газов. Сварочный ток зависит от диаметра и состава электрода, его устанавливают в соответствии со скоростью подачи электродной проволоки. Скорость сварки обычно 15–80 м/ч, ее выбирают с учетом производительности и качества формирования шва. Выбор параметров режима обычно производят по экспериментальным табличным данным. Для улучшения формирования шва сварку проводят на медной подкладке с формирующей канавкой или на остающейся подкладке из основного металла. Для сварки тонколистового металла используют проволоку диаметром 0,5–1,2 мм.

Металл толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок. При сварке с двух сторон можно сваривать без разделки кромок металл толщиной до 12 мм. При больших толщинах применяют разделку кромок.

Аргонодуговая сварка плавящимся электродом в основном применяется для сварки цветных металлов (алюминий, магний, медь, титан и их сплавы) и легированных сталей. Сварка производится на режимах с мелкокапельным и струйным переносом электродного металла. При струйном переносе глубина проплавления увеличивается.

Критическое значение сварочного тока, при котором капельный перенос сменяется струйным, для каждого металла различно и зависит от диаметра проволоки. Так, при сварке сталей это происходит при плотности тока от 60 до 120 А на 1 мм2 сечения электрода, при сварке алюминия – 70 А. Например, для электродной проволоки из стали марки Св-12Х18Н9Т для разных диаметров при горении дуги в среде аргона критический ток имеет следующие значения:

При сварке сталей в качестве защитного газа в основном используют аргон с добавками углекислого газа или кислорода (1–5% по объему). Введение активных газов стабилизирует горение дуги, снижает разбрызгивание. Наряду с этим окислительная среда повышает стойкость швов против водородной пористости.

При импульсном питании дуги сварочным током появляется дополнительная возможность управления процессом плавления и переноса электродного металла. В этом случае используют тот же принцип питания дуги, что и при сварке вольфрамовым электродом при импульсно-дуговой сварке. От источника небольшой мощности питается дуга, формирующая каплю жидкого металла на электроде, которая сбрасывается в момент подачи импульса тока большого значения. За счет возникающих электродинамических сил капле придается строгая направленность перемещения в сварочную ванну, чем предотвращается разбрызгивание и обеспечивается возможность сварки швов в различных пространственных положениях.

При аргонодуговой сварке плавящимся электродом предъявляются более жесткие требования к качеству сборки деталей, чем при сварке вольфрамовым электродом. Перед сваркой необходима тщательная очистка кромок свариваемых деталей и электродной проволоки.

Сварка плавящимся электродом в углекислом газе. Этим способом можно сваривать большинство сталей, удовлетворительно сваривающихся другими видами сварки. В первую очередь сваривают углеродистые и низколегированные стали толщиной более 3 мм проволокой диаметром 0,8–2 мм. Некоторое применение этот способ находит при сварке конструкций из высоколегированных сталей.

Наряду с другими преимуществами, характерными для сварки в защитных газах, сварка в углекислом газе характеризуется высокой производительностью и низкой стоимостью. Процесс экономичен, защитный газ не дефицитен, обеспечивает достаточно высокое качество металла швов. Механизированная сварка в углекислом газе, как более производительный процесс, успешно конкурирует с ручной дуговой сваркой покрытыми электродами по своей универсальности. К недостаткам ее следует отнести повышенное разбрызгивание и более грубое формирование швов.

При сварке в углекислом газе происходит окисление металла и потеря легирующих элементов. Поэтому основной особенностью этого способа является необходимость применения электродных проволок с повышенным содержанием элементов раскислителей (кремния, марганца), компенсирующих их выгорание в зоне сварки, предотвращающих окисление металла в ванне и образование пор. Для углеродистых сталей в основном используют сварочные проволоки сплошного сечения СВ-10ГС, Св-08Г2С, а также порошковые проволоки, содержащие в наполнителе порошки ферросплавов кремния и марганца.

Автоматическая и механизированная сварка в углекислом газе ведется на постоянном токе обратной полярности. Устойчивый процесс обеспечивается при высоких плотностях тока, поэтому используют проволоки малых диаметров 0,8–2,5 мм, а питание дуги производят от источников с жесткой внешней характеристикой. При сварке в углекислом газе, даже на высоких плотностях сварочного тока, практически не удается добиться струйного переноса металла электрода. Сварочный ток устанавливают и определяют скоростью подачи проволоки. Напряжение дуги должно быть не больше 32–34 В, так как с увеличением напряжения и длины дуги увеличивается разбрызгивание и окисление. Обычно UД=20…30 В скорость сварки от 20 до 80 м/ч, расход газа 6–25 л/мин. Например, при механизированной сварке низкоуглеродистой стали толщиной 8 мм сварку можно выполнять проволокой диаметром 2 мм, на силе тока 260–280 А, при напряжении 28–30 В, расходе газа 16–20 л/мин за один проход без разделки кромок. Наряду с СО2 также используют защитные смеси газов СО2+Аr, СО2+О2 и др. При этом улучшается капельный перенос, уменьшается разбрызгивание, улучшается формирование швов.

2.7. Сварка с импульсной подачей электродной проволокой в смеси защитных газов

Одним из способов осуществления управляемого переноса электродного металла, является использование устройства с импульсной подачей сварочной проволоки.

В основу процесса дуговой сварки с импульсной подачей сварочной проволоки, положено использование дополнительной силы (силы инерции, действующей в период торможения электрода), которая прикладываясь к капле, резко изменяет характер плавления и переноса электродного металла аналогично импульсу электродинамической силы при импульсно - дуговом процессе.

Одним из путей повышения эффективности применения сварки с импульсной подачей сварочной проволоки является использование смеси (Ar+CO2). Это позволит обеспечить лучшее формирование шва и меньшую величину разбрызгивания электродного металла, чем при сварке в чистом углекислом газе.

Наименьшая величина разбрызгивания (разб.) достигается при содержании Ar(70%±3%)+СО2(30%±3%). При величине тока в пределах от 100А до 140А осуществляется управляемый перенос. С увеличением сварочного тока свыше 140А для указанного механизма, перенос неуправляемый.

Рис. 2.6. График зависимости величины разбрызгивания (разб.) от величины сварочного тока.

Процесс сварки с импульсной подачей электродной проволоки в смеси газов протекает в четыре этапа:

- этап формирования капли (рис. 2.7): происходит формирование капли за счет плавления электродной проволоки.

Рис. 14.7. Этап формирования капли

- этап движения электродной проволоки (рис. 2.8): под действием упругих сил за счет использования механизма импульсной подачи, происходит перемещение электродной проволоки с находящейся на ее торце жидкой каплей в направлении металлической ванны.

18 19 20

Рис. 2.8. Этап движения электродной проволоки - этап торможения капли: происходит торможение подачи сварочной проволоки в результате достижения штоком конца угла опускания. При этом, в силу определенной инерционности жидкого металла, капля, находящаяся на торце электрода продолжает движение (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Этап торможения капли - этап короткого замыкания: происходит cоприкосновение жидкой капли, находящейся на торце электрода и металлической ванны, образование перемычки и переход металла капли в сварочную ванну (рис. 2.10).

Рис.2.10. Этап короткого замыкания, утончения и разрыва перемычки

Синхронизированный график скорости подачи электродной проволоки представлен на рисунке 2.11.

Рис. 2.11. График скорости подачи электродной проволоки:

1 - этап формирования капли; 2 - этап движения электродной проволоки; 3 – этап торможения капли; 4 - этап короткого замыкания.

Во время первых трех этапов дуговой промежуток большую часть времени горит при токе меньше действующего значения.

И только во время короткого замыкания ток повышается до максимального значения. Так как время короткого замыкания и перехода капли электродного металла в сварочную ванну меньше других этапов каплепереноса, то соответственно и время действия максимального тока значительно меньше.

В связи с этим при рассмотрении процессов сварки с постоянной и импульсной подачей даже при одинаковой производительности процесса тепловложения в основной металл будет различным (рис. 2.12, а,б).

Для достижения одинаковых значений геометрических размеров шва необходимо уменьшить значение энергетических параметров для сварки с импульсной подачей электродной проволоки в СО2 на 20-30% по сравнению с постоянной подачей в СО2. В свою очередь для сварки в смеси газов значение величины тока и напряжения необходимо уменьшить на 10-15 %.

Газовая среда в свою очередь влияет на значение эффективного КПД нагрева изделия сварочной дуги:

- для дуговой сварки и наплавки в углекислом газе, 0,72-0,92;

- для дуговой сварки и наплавки в аргоне, 0,7-0,8.

Изменение эффективного КПД нагрева изделия сварочной дуги влечет за собой изменение эффективной тепловой мощности сварочной дуги (рис. 2.12, б,в).

а б

в

Рис. 2.12 Температурные поля: а) сварка с постоянной подачей

сварочной проволоки в среде защитных газов СО2; б) сварка с импульсной подачейсварочной проволоки в среде защитных газов СО2; в) сварка с импульсной подачей сварочной проволоки в среде защитных газов 70%Ar+30%СО2

Также при сварке с импульсной подачей электродной проволоки с использованием инертных газов имеют место процессы окисления, азотирования, наводороживания, а также растворения газов и вредных примесей в сварочной ванне. Это связано с несовершенством газовой защитной зоны сварки и проникновением в нее атмосферного воздуха.

Кроме того, неизбежное присутствие даже небольших концентраций вредных примесей в инертных газах, наличие окисленных поверхностных слоев на кромках металла и сварочной проволоки способствуют образованию оксидов, нитридов и других веществ, заметно ухудшающих физико-механические свойства сварных соединений. В свою очередь кремний, растворяясь в феррите. Повышает предел текучести и уменьшает склонность к хладноломкости, марганец же образует твердый раствор с железом и немного повышает твердость и прочность.

Как видно из гистограмм (рис. 14.13 а,б,в) содержание легирующих элементов (марганца и кремния), с повышением величины тока, превышает содержание относительно основного металла на 40-60% для всех способов сварки. Это объясняется тем, что при сварке, элементы Mn и Si, участвующие в раскисление, при их достаточной концентрации в электродном металле, также частично усваиваются, переходя в сварной шов. Однако стоит отметить, что только при использовании сварки с ИПЭП в смеси газов химический состав сварного шва одинаков на всем диапазоне токов.

Так же при сварке с ИПЭП происходит меньшее выгорание Mn и Si относительно сварки с постоянной подачей на 10-20%, что приводит к повышению механических свойств из-за меньшего тепловложения в каплю электродного металла. Это объясняется тем, что эффективная тепловая мощность сварочной дуги различна, как из режимов сварки (силы тока и напряжения), так и из-за значения эффективного нагрева изделий.

При использовании сварки с ИПЭП в смеси газов позволяет предотвратить выгорание углерода, что позволяет сделать вывод о том, что металл шва и основной металл схожи по твердости и пластичности (равнопрочное сварное соединение).

Содержание хрома в свою очередь для всех способ сварки относительно основного металла снижается на 30-40%.

Рисунок 2.13 Содержание химических элементов в сварном шве: а)I=100A; б) а)I=120A; в)I=140A;

ВОПРОСЫ

1. Каковы особенности и способы защиты металла с использованием защитных газов?

2. Расскажите о подготовке деталей и выборе технологических параметров режима, определяющих условия сварки в защитных газах.

3. Охарактеризуйте особенности технологии сварки вольфрамовым электродом в защитных газах.

4. Какие существуют разновидности сварки вольфрамовым электродом в защитном газе? Их особенности.

5. Расскажите об особенностях процесса и технологии сварки плавящимся электродом в среде аргона.

6. Расскажите об особенностях процесса и технологии сварки плавящимся электродом в углекислом газе.

7. При аргонодуговой сварке на постоянном токе плавящимся электродом для тонких деталей какую полярность лучше использовать?

PAGE 15

Сварка в защитных газах