Дуговая сварка в защитных газах

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа.

В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.), иногда – смеси двух газов или более. В на­шей стране наиболее распространено при­менение аргона и углекислого газа .

Аргон – бесцветный газ, в 1,38 раза тя­желее воздуха, нерастворим в жидких и твердых металлах. Аргон выпускают высшего и первого сортов, имеющих со­ответственно чистоту 99,992 и 99,987 %. Поставляют и хранят аргон в стальных баллонах в сжатом газообразном состоя­нии под давлением 15 МПа.

Углекислый газ бесцветный, со слабым запахом, в 1,52 раза тяжелее воздуха, не­растворим в твердых и жидких металлах. Выпускают углекислый газ сварочный, пищевой и технический, имеющий соот­ветствующую чистоту: 99,5; 98,5 и 98,0 %. Для сварки газ поставляют и хранят в стальных баллонах в сжиженном состоя­нии под давлением 7 МПа.

Аргонодуговую сварку можно вы­полнять неплавящимся и плавящимся электродами.

Сварку неплавящимся вольфра­мовым электродом ( ) приме­няют, как правило, при соединении метал­ла толщиной 0,8...6 мм. При этом возможна сварка с расплавлением только ос­новного металла (толщиной до 3 мм), а при необходимости получения выпуклости шва или заполнения разделки кромок (толщина более 3 мм) – и присадочного материала (прутка или проволоки).

Рис. 18.1 – Виды сварки в защитных газах: 1 – присадочный пруток или проволока; 2 – сопло; 3 – токоподводящий мундштук; 4 – корпус горелки;

5 – неплавящийся вольфрамовый электрод; 6 – рукоять горелки; 7 – атмосфера защитного газа; 8 – сварочная дуга; 9 – ванна расплавленного металла; 10 – кассета с проволокой; 11 – механизм подачи; 12 – плавящийся метал­лический электрод (сварочная проволока)

Пруток подают в дугу и перемещают горелку вручную (рис 18.1, а). Для проволоки можно использо­вать механизм подачи (рис. 18.1, б). В по­следнем случае сварка может быть механи­зированной, выполняемой с помощью по­луавтоматов, или автоматической соответ­ственно при перемещении горелки вруч­ную или механизмом перемещения.

Неплавящиеся электроды для аргоно-дуговой сварки изготовляют из стержней вольфрама с добавками оксидов тория, лантана и иттрия в количестве 1...3 % (вольфрам торированный и т.п.).

Оксиды повышают эмиссионную способность элек­трода, что увеличивает устойчивость горе­ния дуги и стойкость электрода.

Выпуска­ются электроды диаметром 0,2 ...12 мм. Ориентировочно ток выбирают из расчета 100 А на 1 мм диаметра электрода. В каче­стве присадочного материала и плавяще­гося электрода применяют стандартную сварочную проволоку из металла, сходно­го по химическому составу со сваривае­мым металлом. Диаметр присадочной проволоки выбирают в пределах 0,5...0,7 диаметра вольфрамового электрода.

Сварку неплавящимся электродом ве­дут на постоянном токе прямой полярно­сти. В этом случае дуга горит устойчиво при напряжении 10...15 В и минималь­ном токе 10 А. Это обеспечивает возмож­ность сварки малых толщин металла 0,8...1,0 мм.

При обратной полярности возрастает напряжение дуги, уменьшается устойчивость горения и снижается стой­кость вольфрамового электрода. Эти осо­бенности дуги обратной полярности де­лают ее непригодной для непосредствен­ного применения в сварочном процессе.

Однако дуга обратной полярности об­ладает одним важным технологическим свойством: при ее действии с поверхности свариваемого металла удаляются оксиды. Одно из объяснений этого явления заклю­чается в том, что поверхность металла бомбардируется тяжелыми положитель­ными ионами аргона, которые механиче­ски разрушают пленки оксидов. Процесс удаления оксидов также известен как ка­тодное распыление. Указанные свойства дуги обратной полярности используют при сварке алюминия, магния и их спла­вов, применяя для питания дуги перемен­ный ток.

При сварке неплавящимся электродом на переменном токе сочетаются преиму­щества дуги на прямой и обратной поляр­ностях.

Однако асимметрия электрических свойств дуги, обусловленная ее меньшей электрической проводимостью при обрат­ной полярности по сравнению с прямой, приводит к ряду нежелательных явлений. В результате выпрямляющей способности дуги появляется постоянная составляющая тока прямой полярности.

В этих условиях дуга горит неустойчиво, ухудшается очи­стка поверхности сварочной ванны от ту­гоплавких оксидов и нарушается процесс формирования шва. Поэтому для питания дуги в аргоне переменным током приме­няют специальные источники тока. В сис­тему одних источников включают стаби­лизатор горения дуги – электронное уст­ройство, подающее импульс дополнитель­ного напряжения на дугу в полупериод обратной полярности.

Источники другого типа имеют преобразователи, которые позволяют изменять полупериоды пере­менного тока прямой и обратной полярно­стей по фазе, амплитуде и времени дейст­вия. Таким образом, обеспечиваются ус­тойчивость дуги, постоянство тока и каче­ственное формирование шва на обеих по­лярностях тока.

Для сварки листового металла толщи­ной 0,2...1,5 мм применяют автоматиче­скую сварку неплавящимся электродом в импульсном режиме. В этом случае между электродом и заготовкой горит маломощ­ная постоянная дежурная дуга, обеспечи­вающая ионизацию дуги. На дежурную дугу накладываются более мощные им­пульсные дуги заданной длительности действия, следующие через паузы опреде­ленной продолжительности. Импульсный режим сварки позволяет точно дозировать тепловложение и снижать минимальную толщину свариваемого металла по сравне­нию со сваркой непрерывно действующей дугой.

Сварку плавящимся электродом выполняют автоматическим или механи­зированным с помощью полуавтоматов способами, схема которых приведена на рис. 18.1, в, г. Сваривают металл толщи­ной 3 мм и более. Нормальное протека­ние процесса сварки и хорошее качество шва обеспечиваются при высокой плотно­сти тока ( и более).

При невысо­кой плотности тока имеет место крупно­капельный перенос расплавленного ме­талла с электрода в сварочную ванну, при­водящий к пористости шва, сильному раз­брызгиванию расплавленного металла и малому проплавлению основного металла. При высоких плотностях тока перенос расплавленного металла с электрода ста­новится мелкокапельным или струйным. В условиях действия значительных элек­тромагнитных сил быстродвижущиеся мелкие капли сливаются в сплошную струю. Такой перенос электродного ме­талла обеспечивает глубокое проплавление основного металла, формирование плотного шва с ровной и чистой поверх­ностью и разбрызгивание в допустимых пределах.

В соответствии с необходимостью при­менения высоких плотностей тока для свар­ки плавящимся электродом используют проволоку малого диаметра (0,6...3 мм) и большую скорость ее подачи. Такой ре­жим сварки обеспечивается только меха­низированной подачей проволоки в зону сварки. Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности. В данном слу­чае электрические свойства дуги в значи­тельной степени определяются наличием ионизированных атомов металла электро­дов в столбе дуги. Поэтому дуга обратной полярности горит устойчиво и обеспечи­вает нормальное формирование шва, в то же время ей соответствуют повышенные скорость расплавления проволоки и про­изводительность процесса сварки.

Сварку сталей часто выполняют в сме­си .

Кислород уменьшает по­верхностное натяжение расплавленного металла, что способствует снижению кри­тической плотности тока, при которой капельный перенос металла переходит в струйный. Одновременно повышается устойчивость горения дуги при относи­тельно небольших токах, что облегчает сварку металлов малой толщины.

Области применения аргонодуговой сварки охватывают широкий круг мате­риалов и изделий (узлы летательных аппа­ратов, элементы атомных установок, кор­пуса и трубопроводы химических аппара­тов и т.п.).

Аргонодуговую сварку приме­няют для соединения цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, нио­бия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоко­легированных сталей. Сварку выполняют в любом пространственном положении.

Сварку в углекислом газе выполняют только плавящимся электродом на повы­шенных плотностях постоянного тока об­ратной полярности (см. рис. 18.1, в, г).

При применении в качестве за­щитного газа необходимо учитывать некоторые металлургические особенности процесса сварки, связанные с окислитель­ным действием .

При высоких темпе­ратурах сварочной дуги диссоциирует на оксид углерода и кислород , кото­рый, если не принять специальных мер, приводит к окислению свариваемого ме­талла и легирующих элементов.

Окисли­тельное действие кислорода нейтрализуется введе­нием в проволоку дополнительного коли­чества раскислителей. Поэтому для сварки в , углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием марганца и кремния (Св-08ГС, Св-10Г2С и т.д.).

На поверхности шва образуется тонкая шлако­вая пленка из оксидов раскислителей. Диа­метр проволоки равен 0,5...2 мм.

Сварку выполняют при плотности тока не менее . Несмотря на это, не дос­тигается струйный перенос расплавленно­го электродного металла, характерный для аргонодуговой сварки. Поэтому при свар­ке в наблюдается повышенное раз­брызгивание электродного металла (до 10...12 %).

Для уменьшения разбрызги­вания применяют смеси газов или . До­бавление или замена большей части на приводит к снижению поверх­ностной энергии и уменьшению капель электродного металла.

Для сварки в часто используют по­рошковые проволоки. Последние представ­ляют собой металлическую трубчатую оболочку, заполненную шлакообразующими и газообразующими компонентами, раскислителями или легирующими элемен­тами. Применение порошковых проволок улучшает защиту расплавленного металла, уменьшает разбрызгивание, делает более гладкой поверхность свариваемого шва.

Разновидностью порошковых проволок являются самозащитные проволоки, обо­лочка которых изготовлена из легирован­ной стали, а в наполнитель введены со­единения редкоземельных металлов.

Со­став проволок обеспечивает устойчивость горения дуги и раскисление металла сварочной ванны.

Самозащитные проволоки используются при механизированной сварке без газовой защиты дуги. Эти про­волоки эффективны в случаях, когда газо­вая защита шва из-за конструкции сварно­го соединения недостаточно надежна или невозможна.

Самозащитные проволоки применяются при сварке неповоротных стыков труб газо- и нефтепроводов, на­плавке зубьев и ковшей экскаваторов, подводной сварке и т.д.

Методика определения параметров ре­жима сварки аналогична рассмотренной ранее для автоматической сварки под флюсом. Исходным условием остается получение полного провара свариваемого сечения на величину Н, см:

(18.1)

Коэффициент , определяющий форму провара, для постоянного тока об­ратной полярности при плотности 80, 90, 100, 110 равен соответственно 0,853, 0,872, 0,891 и 0,907, а при плотности более постоянен и равен 0,92.

В углекислом газе сваривают конст­рукции из углеродистой и низколегиро­ванной сталей (газо- и нефтепроводы, кор­пуса судов и т.д.). Сварку выполняют в любом пространственном положении.

Преимущества механизированной сварки в , с точки зрения ее стоимости и произ­водительности, часто приводят к замене ею ручной дуговой сварки покрытыми элек­тродами.

Дуговую сварку в защитных газах применяют в робототехнических комплек­сах для сварки изделий в мелко- и средне­серийном производствах.

Рис. 18.2 – Схема робототехнического комплекса для сварки корпусных деталей: 1 – свариваемое изделие; 2 – поворотный стол; 3 – сварочная горелка; 4 – манипулятор; 5 – устройство про­граммного управления.

Комплекс (рис. 18.2) включает в себя манипулятор 4 с рабочим органом – сварочной горелкой 3, поворотный стол 2, на котором устанавли­ваются и точно позиционируются свари­ваемые изделия 1, и устройства про­граммного управления 5. Манипулятор имеет пять-шесть степеней подвижности, что позволяет ему перемещать сварочную горелку по сложной пространственной траектории.

Траектория движения горелки программируется и может быстро изме­няться при смене свариваемого изделия. Роботы первого поколения имеют жестко заданную программу перемещения рабо­чего органа, что требует проводить пози­ционирование свариваемого изделия с высокой точностью. Роботы второго по­коления (адаптивные, самонастраиваю­щиеся) имеют специальные датчики, по­зволяющие им реагировать на отклонение траектории сварного шва и корректиро­вать движения горелки.