Техника сварки неплавящимся электродом

В настоящее время сварка угольным электродом находит ограниченное применение. В качестве защитного газа в этом случае используют углекислый газ. Хорошие результаты достигаются при автоматической сварке оплавлением отбортованных кромок при изготовлении канистр на специальных установках. Это объясняется образованием окиси углерода (СО) при взаимодействии углекислого газа с твердым углеродом. Окись углерода – эффективный защитный газ, так как он не растворяется в металле и, восстанавливая окислы, улучшает качество металла шва. Следует помнить, что окись углеро-да очень токсична.

При применении вольфрамового электрода в качестве защит­ных испо-льзуют инертные газы или их смеси и постоянный или переменный ток. Луч-шие результаты при сварке большинства металлов дает применение элект-родов не из чистого вольфрама, а торированных, иттрированных или ланта-нированных. Добавка в вольфрам при изготовлении электродов 1,5-2% окис-лов иттрия и лантана повышает их стойкость и допускает применение повы­шенных на 15% сварочных токов. Перед сваркой рабочий конец электрода обычно затачивают на конус с углом 60° на длине двух-трех диаметров. Форма заточки электрода влияет на форму и раз­меры шва. С уменьшением угла заточки и диаметра притупления в некоторых пределах глубина проплавления возрастает.

Технологические свойства дуги в значительной мере опреде­ляются ро-дом и полярностью сварочного тока. При прямой полярности на изделии вы-деляется до 70% теплоты дуги, что обес­печивает глубокое проплавление ос-новного металла. При обрат­ной полярности напряжение дуги выше, чем при прямой поляр­ности. На аноде - электроде выделяется большое количество энергии, что приводит к значительному его разогреву и возмож­ному оплавле-нию рабочего конца. Ввиду этого допустимые плот­ности сварочного тока по-нижены (табл. 3). Дугу постоянного тока обратной полярности с вольфра-мовым электродом в практике используют ограниченно.

Таблица 3. Допустимая сила сварочного тока для вольфрамовых электродов

При использовании переменного тока полярность электрода и изделия меняется с частотой тока. Поэтому количество теплоты, выделяющейся на электроде и изделии, примерно одинаково. Электропроводность дуги различна в различные полупериоды полярности переменного тока. Она выше в те полупериоды, когда катод на электроде (прямая полярность) и дуговой разряд про­исходит в основном за счет термоионной эмиссии ввиду высокой тем-пературы плавления и относительно низкой теплопроводности вольфрама. В полупериоды, когда катод на изделии, электропро­водность дуги ниже, напря-жение, требуемое для возбуждения дуги, выше, поэтому ее возбуждение про-исходит с некоторым опо­зданием (рис. 39).

Рисунок 39 – Асимметрия дуги перемен­ного тока при сварке вольфрамо-вым электродом в среде аргона; U_ист - напряжение источника сварочного тока; U_д — напряжение дуги; I_д — ток дуги

В соответствии с различным напряжением дуги в разные полу­периоды переменного тока различна и величина сварочного тока, т. е. в сварочной цепи появляется постоянная составляющая тока. В данном случае мы имеем дело с выпрямляющим (вентильным) эффектом рассматриваемого типа дуги, вызванным различием теплофизических свойств электрода и изделия. Вели-чина постоянной составляющей зависит от величины сварочного тока, ско-рости сварки, свариваемого металла и т. д. Ее наличие ухудшает каче­ство сварных швов на алюминиевых сплавах и снижает стойкость вольфрамового электрода. Для уменьшения величины постоянной составляющей тока при-меняют различные способы.

Интересной разновидностью применения вольфрамового элек­трода яв-ляется сварка погруженной дугой (рис. 40), при которой используют элект-род повышенного диаметра и повышенный сва­рочный ток.

Рисунок 40 - Сварка в защитных газах вольфрамовым электродом погру­женной дугой

Соединение собирают встык без разделки кромок, без зазора. При уве-личении подачи защитного газа 1через сопло до 10—50 л/мин дуга обжимаетсягазом, что повышает ее температуру. Как и в плазматронах, проходящий через дугу газ,нагреваясь, увеличивает свой объем и приобретает свой­ства плазмы. Давление защит­ного газа и дуги 2, вытесняя расплавленный металл 4из-под дуги, способствует ее углубле­нию в основной металл 3.Таким обра-зом, дуга горит в образовавшейся в металле полости. Это позволяет опус­тить электрод так, чтобы дуга горела ниже поверхности ме­талла (погруженная в металл дуга). Образующаяся ванна расплавленного металла при кристаллизации образует шов. Этим способом можно сваривать титан, алюминий, высоколеги­рованные стали и другие ме­таллы толщиной до 36 мм с двух сторон (чем меньше плотность свариваемого металла, тем больше толщина). Шов при этом имеет специфическую боч­кообразную форму, определяе­мую тем, что дуга горит ниже верхней плоскости металла.

Сварку погруженной дугой можно осуществлять и в вер­тикальном поло-жении на подъ­ем. В этом случае расплав­ленный металл сварочной ван­ны, сте-кая вниз, удерживается кристаллизатором (медным ох­лаждаемым водой коки-лем), который и формирует прину­дительно шов. Сварка возмож­на с одной сто-роны с непол­ным проплавлением или за два прохода с двух сторон с не­полным проплавлением в каж­дый проход. При сварке погру­женной дугой применяют вход­ные и выходные планки для вывода дефектных начального (неполный провар) и конечного (уса­дочная раковина) участков шва.

Другой разновидностью сварки вольфрамовым электродом яв­ляется свар-ка полым вольфрамовым электродом в вакууме (рис. 41).

Рис. 41. Сварка полым вольфрамо­вым электродом в вакууме:

1 - полый катод; 2 - вакуумная камера; 3 - дозирующее устройство;

4 - баллон с инертным газом; 5 - насос; 6 - дуга; 7 - свариваемое изделие;

8 - источник тока

Возбуждение и поддержание дуги в вакууме 10~³ мм рт. ст. пред­ставляет определенные трудности, так как тлеющий разряд пере­ходит на стенки камеры. Подача в рассматриваемом способе сварки дозируемого количества газа в полость электрода стаби­лизирует катодное пятно на внутренней повер-хности электрода. Перемещение катода по внутренней полости вызывает разогрев электрода до яркого свечения. При силах тока свыше 50 А дуга представляет собой голубоватый разряд, цилиндрический по форме на всей длине дуги.

Можно предполагать, что газ, подаваемый в полость элект­рода, иони-зируясь, приобретает свойства плазмы. Количество газа, подаваемое в по-лость электрода, должно обеспечивать давление газа в камере меньше 50 мм рт. ст. При больших давле­ниях катодное пятно выходит на торец электрода и хаотически перемещается по нему. Давление в камере 10~²—10~⁴ мм рт. ст. при расходе газа 0,01—0,1 л/мин создает наилучшие условия повышения концентрации дугового разряда. Применение подоб­ного способа сварки имеет определенные металлургические преи­мущества, так как способствует удалению газов из расплавлен­ного металла и уменьшает угар легирующих элементов. Этим способом можно сваривать различные металлы и сплавы толщи­ной до 15 мм.

В последние годы для сварки тонколистового металла находит приме-нение импульсная дуга. Основной металл расплавляется дугой, горящей пе-риодически отдельными импульсами постоянного тока (рис. 42, а) с опреде-ленными интервалами во времени. При боль­шом перерыве в горении дуги (t_n) дуговой промежуток деионизируется, что приводит к затруднению в повтор-ном возбуждении дуги. Для устранения этого недостатка постоянно поддер-живается вторая, обычно маломощная дежурная дуга от самостоятельного источника питания. На эту дугу и накладывается основная имцульсная дуга. Дежурная дуга, постоянно поддерживая термоэлектронную эмиссию с элек-трода, обеспечивает стабильное возникновение основной сварочной дуги.

Рис. 42. Изменение сварочного тока и напряжения при импульсной сварке вольфрамовым электродом (а); I_св — сварочный ток; I_деж; - ток дежурной дуги;

t_n - время паузы; t_cв— время сварки (t_св + t_n = t_ц - время цикла); швы в плоскости (б) и продольном сечении (в)

Шов в этом случае состоит из отдельных перекрывающих дру друга то-чек (рис. 42, б и в). Величина перекрытия зависит от металла и его толщины, силы сварочного тока и тока дежурнойдуги, скорости сварки и т. д. С увеличе-нием силы тока и длительности его импульса ширина шва и глубина проплав-ления увеличиваются (рис. 43). Размеры шва в большей степени завися от силы тока, чем от длительности его импульса. Благоприятная форма отдельных то-чек, близкая к кругу, уменьшает возможность вытекания расплавленного ме-талла из сварочной ванны (прожога). Поэтому сварку легко выполнять на весу без подкладок при хорошем качестве во всех пространственных положениях.

Рисунок 43 – Зависимость размеров шва от основных параметров импульсно-дуговой сварки

Представляет определенный интерес использование внешнего магнит-ного поля для отклонения или перемещения непрерывна горящей дуги. Вне-шнее переменное или постоянное магнитное поле, параллельное или перпен-дикулярное к направлению сварки создается П-образными электромагнитами. При использовании постоянного магнитного поля дугу можно отклонить в любую сторону относительно направления сварки. При отклонении дуги в сторону направления сварки (магнитное поле также параллельно направлению сварки) наблюдается такой же эффект, как и при сварке наклонным электродом - углом вперед. В этом случае уменьшается глубина проплавления. При откло-нении дуги в об ратном направлении наблюдается увеличение глубины проп-лавления, как при сварке с наклоном электрода углом назад.

При переменном внешнем магнитном поле дуга колеблется с частотой внешнего магнитного поля. В результате изменяются условия ввода теплоты в изделие и, в частности, ее распределение по поверхности. При колебании дуги поперек направления сварки увеличивается ширина шва и уменьшается глубина проплавления. Это позволяет сваривать тонколистовой металл. Удо-бно исполь­зовать этот способ для сварки разнородных металлов (например, меди и стали и др.) небольшой толщины при отбортовке кромок.

Колебания, сообщаемые расплавленному металлу сварочной ванны, из-меняют характер его кристаллизации и способствуют измельчению зерна. В результате улучшаются свойства наплав­ленного металла. Поэтому этот способ используют при сварке металлов, характеризующихся крупнозернистым строением ме­талла шва, таких как алюминий, медь, титан и их сплавы. Име-ется положительный опыт использования способа и при сварке высокопроч-ных сталей и сплавов.

Сварка вольфрамовым электродом обычно целесообразна для соедине-ния металла толщиной 0,1—6 мм. Однако ее можно при­менять и для больших толщин. Сварку выполняют без присадки, когда шов формируется за счет рас-плавления кромок, и с допол­нительным присадочным металлом, предваритель-но уложенным в разделку или подаваемым в зону дуги в виде присадочной про-волоки. Угловые и стыковые швы во всех пространственных положениях вы-полняют вручную, полуавтоматически и автома­тически.

Для получения качественной сварки, особенно тонколистовых констру-кций, следует обеспечивать точную подготовку и сборку кромок прихватками вручную вольфрамовым электродом или в специальных сборочно-сварочных приспособлениях.

Загрязнение рабочего конца электрода понижает его стойкость (образу-ется сплав вольфрама с более низкой температурой плав­ления) и ухудшает качество шва. Поэтому дугу возбуждают без прикосновения к основному ме-таллу или присадочной проволоке, используя осциллятор. При правильном выборе силы сварочного тока рабочий конец электрода расходуется незначи-тельно и долго сохраняет форму заточки.

Качество шва в большой степени определяется надежностью оттеснения от зоны сварки воздуха. Необходимый расход защит­ного газа устанавливают в зависимости от состава и толщины свариваемого металла, типа сварного сое-динения и скорости сварки. Соединения на рис. 44, а и б для достаточной за-щиты требуют нормального расхода газов. Типы соединений на рис. 44, в и г требуют повышенного расхода защитного газа, поэтому при сварке этих сое-динений рекомендуется применять экраны, устанавливаемые сбоку и паралле-льно шву. Поток за­щитного газа при сварке должен надежно охватывать всю область сварочной ванны, разогретую часть присадочного прутка и элект­род. При повышенных скоростях сварки поток защитного газа может оттесняться воздухом. В этих случаях следует увеличивать расход защитного газа.

Рисунок 44 – Расположение границы защитной струи газа при сварке соединений различных типов

При сварке многопроходных швов с V- или Х-образной раз­делкой кро-мок первый проход часто выполняют вручную или механизированно без при-садочного металла на весу. Разделку заполняют при последующих проходах с присадочным металлом. Для формирования корня шва можно использовать медные или стальные съемные подкладки, флюсовую подушку. В некоторых случаях возможно применение и остающихся подкладок. При сварке актив-ных металлов необходимо не только получить хо­роший провар в корне шва, но и обеспечить защиту от воздуха с обратной стороны расплавленного и нагретого металлов. Это достигается использованием медных или других подкладок с ка­навками, в которые подается защитный инертный газ (рис. 45). Эта же цель в некоторых случаях достигается при использовании флюсовых подушек.

Рисунок 45 – Подкладки для защиты от воздуха обрат­ной стороны шва при сварке:

а- односторонней; б - двусторонней; 1 -медная подкладка;

2 - защитный газ; 3 - сваривае­мый металл; 4 - зажимное приспособление

При сварке труб или закрытых сосудов газ пропускают внутрь сосуда. Инертные газы, увеличивая поверхностное натяжение расплавленного ме-талла, улучшают формирование корня шва. Поэтому их поддув используют при сварке сталей на весу. При сварке на весу, особенно без присадочного металла, следует тща­тельно поддерживать требуемую величину зазора меж-ду кром­ками.

При соединении встык метал­ла толщиной до 10 мм ручную сварку ве-дут справа налево (рис. 46).

Рисунок 46– Расположение горелки и присадочного прутка при ручной аргонодуговой сварке: 1 - электрод; 2 - присадочный пруток; 3 - защитный газ; 4 - сопло

При сварке металла мень­шей толщины угол между горел­кой и изделием устанавливают равным 60°. При сварке изделий больших толщин приме-няют правый способ; угол между горелкой и изделием, так же как и при свар-ке угловых соединений, устанавливают равным 90°.

Присадочный пруток при ручной сварке тонколистового ма­териала вво-дят не в столб дуги, а несколько сбоку возвратно-поступательными движени-ями; при сварке металла большей тол­щины - поступательно-поперечными пе-ремещениями. При сварке многослойных швов отдельные валики рекоменду-етсявыполнять не на всю ширину разделки (многопроходными).

При автоматической и полуавтоматической сварке электрод располагают перпендикулярно кповерхности изделия. Угол между ним и присадочной проволокой (обычно диаметром 2-4 мм) дол­жен приближаться к 90°. В большинстве случаев направление сварки выбирают таким, чтобы приса-дочный пруток находился впереди дуги (подавался в головную часть свароч-ной ванны).

При автоматической и полуавтоматической сварке вертикаль­ных швов на спуск, если сварочная ванна имеет значительные размеры, возможно затекание расплавленного металла под воль­фрамовый электрод, что резко уменьшает глу-бину проплавления и может привести к короткому замыканию. Вылет конца элект­рода из сопла не должен превышать 3-5 мм, а при сварке угло­вых швов и стыковых с глубокой разделкой – 5-7 мм. Длина дуги должна поддерживаться в пределах 1,5-3 мм. Для преду­преждения непровара в начале и конце шва реко-мендуется при­менять выводные планки. Обрывать дугу следует постепенным ее удлинением, а при автоматической сварке - уменьшением силы сварочного тока. Для предупреждения окисления вольфрама и защиты расплавленного металла в кратере после обрыва дуги защитный газ выключают через 5-10 с. Защитный газ включают за 15-20 с до возбуждения дуги для продувки шлангов от воз­духа.