Зварювання в захистних газах

При дуговому зварюванні атмосферний кисень і азот активно взаємодіють з розплавленим металом, утворюють оксиди і нітриди, які знижують міцність і пластичність звареного з'єднання. Одним із способів захисту зварювальної ванни від дії навколишнього повітря є використання захисних газів.

Історія розвитку зварювання в захисних газах

Зварювання в струмені захисних газів була винайдена російським винахідником Микола Миколайовичем Бенардосом (26.06.1842 - 21.09.1905) у 1883 році. Захист від повітря, за його пропозицією, здійснювалася світильним газом. Але цей метод Бенардоса знайшов застосування лише через майже пів століття і був необгрунтовано названий американцями «способом Александера». У період Другої світової війни в США отримала розвиток зварювання у струмені аргону або гелію неплавким вольфрамовим електродом і плавиться. Цим способам зварювання присвоєна абревіатура TIG і MIG. TIG (Tungsten Inert Gas) - зварювання неплавким (вольфрамовим) електродом в середовищі інертного захисного газу, наприклад так звана аргонодуговая зварювання. MIG (Mechanical Inert Gas) - механізована (напівавтоматична або автоматична) зварювання у струмені інертного захисного газу. Незабаром ця технологія прийшла і до Європи.Спочатку застосовувалися тільки інертні гази або аргон, що містить лише невеликі частки активних компонентів (наприклад, кисню), тому така технологія скорочено називалася SIGMA Ця абревіатура означає «shielded inert gas metal arc» - «дугове зварювання металевим електродом в середовищі інертного газу». В даний час зварювання у струмені різних газів - аргону, гелію, азоту - застосовується в багатьох галузях техніки від невеликих майстерень до великих підприємств. У Росії з 1953 року замість дорогих інертних газів стали використовувати при зварюванні активний газ, а саме вуглекислий газ (CO2). Колективами Центрального науково-дослідного інституту технологіймашинобудування та Інституту електрозварювання імені Є.О. Патонова розроблена і в 1952 році впроваджена напівавтоматичне зварювання у вуглекислому газі. Це стало можливим завдяки винаходу дротяних електродів, при використанні яких враховувалися великі втрати легуючих елементів при зварюванні в активному газі. Автори зварювання у вуглекислому газі плавким електродом К.М. Новожилов, Г.З.Волошкевич, К.В. Любавський та ін удостоєні Ленінської премії.

Захисні газ и, що застосовуються при зварюванні

У разі ручного зварювання неплавким електродом в якості основного газу застосовується аргон - інертний газ, не здатний до хімічних реакцій і практично не розчинний у металах. Аргон вважається найбільш доступним і порівняно дешевим серед інертних газів. Будучи важче повітря, він добре захищає дугу і зону зварювання. Дуга в аргоні відрізняється високою стабільністю. Аргонодуговую зварювання застосовують для з'єднання легованих сталей, кольорових металів і їх сплавів, її виконують постійним і змінним струмом плавиться і неплавким електродами. Аргон є основною захисної середовищем при зварюванні алюмінію, титану, рідкісних і активних металів.Газоподібний аргон зберігається і транспортується в сталевих балонах (за ГОСТ 949-73). Балон з чистим аргоном забарвлений в сірий колір, з написом «Аргон чистий» зеленого кольору. Вживання газових сумішей замість технічно чистих газів аргону або гелію в деяких випадках підвищує стійкість горіння зварювальної дуги, зменшує розбризкування металу, покращує формування шва, збільшує глибину спротиву, а також впливає на перенесення металу

Суміш з 90% аргону і 10% водню вживається при зварюванні тонкого металу, забезпечуючи збільшення швидкості зварювання, зменшення зони термічного впливу, кількості вигорає легуючих елементів і залишкових деформацій. Суміш аргону з 10 - 12% азоту дозволяє уникнути попередньої термообробки, забезпечуючи корозійну стійкість металу шва. Добавка до аргону невеликої кількості кисню або іншого окисного газу істотно підвищує стійкість горіння дуги і п окращує якість формування зварних швів. Для поліпшення боротьби з пористістю до аргону іноді додають кисень у кількості 3-5%. При цьому захист металу стає більш активною. Чистий аргон не захищає метал від забруднень, вологи та інших включень, що потрапили в зону зварювання з зварюваних кромок або присадочного металу. Кисень ж, вступаючи в хімічні реакції з шкідливими домішками, забезпечує їх вигоряння або перетворення в сполуки, що спливають на поверхню зварювальної ванни. Це запобігає пористість.

Рис.14. Схеми подачі захисного газу в зону зварювання:

а - центральна; б - бокова; в - двома концентричними потоками; г - в рухому камеру (насадку); 1 - електрод; 2 - захисний газ; 3, 4 - зовнішній і внутрішній потік захисного газу; 5 - насадка; 6 - роздільна сітка

Застосування суміші аргону і вуглекислого газу (зазвичай 18-25%) ефективно при зварюванні низьковуглецевих і низьколегованих сталей. У порівнянні зі зварюванням у чистому аргоні або вуглекислому газі понад легко досягається струменевий перенесення електродного металу. Зварні шви більш пластичні, ніж при зварюванні в чистому вуглекислому газі. У порівнянні зі зварюванням у чистому аргоні менше ймовірність утворення пір. Газова суміш аргону з киснем зазвичай використовується при зварюванні легованих і низьковуглецевих сталей. Додавання до аргону кисню дозволяє запобігти пористість. Наявність кисню в дузі сприяє дрібнокрапельне переносу електродного металу.

Гелій використовується порівняно рідше. Гелій може застосовуватися в якості інертного захисного газу при зварюванні нержавіючих сталей, кольорових металів і сплавів, хімічно чистих й активних матеріалів. Гелій легший за повітря, що ускладнює захист зварювальної ванни, і, отже, вимагає більшого його витрати на захист. У порівнянні з аргоном він забезпечує більш інтенсивний нагрів зони зварювання.Він має високу теплопровідність, має високий потенціал іонізації, тому при зварюванні в гелії збільшується температура дуги, напруга та її проплавляються здатність, у зв'язку з чим його іноді використовують для проплавлення великих товщин або отримання спеціальної форми шва. Часто використовується суміш 70% аргону і 30% гелію. Газоподібний гелій зберігається і транспортується в сталевих балонах (згідно з ГОСТ 949-73). Балон пофарбований у коричневий колір, з написом «Гелій» білого кольору.

При зварюванні міді захисним газом служить азот, так як по відношенню до міді він є інертним газом.

Область застосування та переваги аргонодугового зварювання

Основна область застосування аргонодугового зварювання неплавким електродом - з'єднання з легованих сталей і кольорових металів.При малих товщинах аргонная зварювання може виконуватися без присадки. Спосіб зварювання забезпечує хорошу якість і формування зварних швів, дозволяє точно підтримувати глибину проплавлення металу, що дуже важливо при зварюванні тонкого металу при односторонньому доступі до поверхні виробу. Він набув широкого поширення при зварюванні неповоротних стиків труб, для чого розроблені різні конструкції зварювальних автоматів. У цьому виді зварювання іноді називають орбітальної. Зварювання неплавким електродом - один з основних способів з'єднання титанових і алюмінієвих сплавів.

Аргонова зварювання плавким електродом використовується при зварюванні нержавіючих стал ей і алюмінію. Однак обсяг її застосування відносно невеликий.

Недоліки аргонодугового зварювання

Недоліками аргонодугового зварювання є невисока продуктивність при використанні ручного варіанта. Застосування ж автоматичного зварювання не завжди можливо для коротких і разнооріентірованних швів.

Технологія ручного зварювання неплавким електродом в інертних газах

Аргонная зварювання може бути ручною, коли пальник і присадний пруток знаходяться в руках зварника, і автоматичною, коли пальник і присадні дріт переміщуються без безпосередньої участі зварника.

На відміну від зварювання плавким електродом, запалювання дуги не може бути виконано шляхом торкання електродом вироби.Дотик вироби вольфрамовим електродом призводить до його забруднення та інтенсивному оплавлення. Тому при аргоновому зварці неплавким електродом для запалювання дуги паралельно джерела живлення підключається пристрій, який називається «осцилятор».

Рис.15. Схеми сзварювання в середовищі захисних газів:

а і б - неплавким і плавким електродом; 1 - зварювальна дуга; 2 - електрод; 3 - захисний газ; 4 - газове сопло пальника; 5 - присаджувальний дріт.

Осциллятор для запалювання дуги подає на електрод високочастотні високовольтні імпульси, що іонізують дугового проміжок і забезпечують запалювання дуги після включення зварювального струму. Якщо аргонная зварювання виробляється на змінному струмі, осцилятор після запалювання дуги переходить в режим стабілізатора і подає імпульси на дугу в момент зміни полярності, щоб запобігти деионизация дугового проміжку і забезпечити стійке горіння дуги.

Технологічні властивості дуги значною мірою визначаються родом і полярністю зварювального струму. При прямій полярності на виробі виділяється до 70% теплоти дуги, що забезпечує глибоке проплавлення основного металу. При зворотній полярності напруга дуги вище, ніж при прямій полярності. На аноді - електроді виділяється велика кількість енергії, що призводить до значного його розігріву і, як наслідок, підвищеному його витраті.

Аргонодуговая зварювання неплавким електродом на постійному струмі зворотної полярності практично не застосовується. Леговані сталі, мідні та титанові сплави зварюються на постійному струмі прямої полярності. При зварювання алюмінієвих і магнієвих сплавів застосовується змінний струм. Застосування змінного струму виробляє очищаючу дію на зварювальну ванну. У напівперіоди зворотної полярності важкі позитивні іони вдаряючись об поверхню металу руйнують і розпилюють оксидну плівку (так званий ефект катодного розпилення).

При ручній аргонодугового зварювання на постійному струмі прямої полярності кінець вольфрамового електрода заточують на конус.Довжина заточення, як правило повинна бути дорівнює двом-трьом діаметрам електрода. При зварюванні на змінному струмі робочий кінець вольфрамового елект рода заточують у вигляді півсфери.

Аргонодугового зварюванням можна виконувати всі види з'єднань: стикові, таврові, нахлесточного і кутові.

Рис.16. Аргонодугове зварювання

При зварюванні активних металів необхідно не тільки отримати хороший провар в корені шва, по і забезпечити захист від повітря зі зворотного боку розплавленого і нагрітого металів. Це досягається використанням мідних або інших підкладок з канавками, до яких подається захисний інертний газ. Ця ж мета в деяких випадках досягається при використанні флюсових подушок. При високій хімічній активності титану і його сплавів неодмінною умовою отримання якісного з'єднання при зварюванні є не тільки хороший захист зварювальної ванни, а й повна двостороння захист ділянок зварного з'єднання, нагрітих вище 500 градусів, від взаємодії з повітрям. Для це застосовуються спеціальні насадки і поддувкі.

Для зварювання тугоплавких і активних металів, для поліпшення захисту нагрітого і розплавленого металу використовують спеціальні камери (зварювання в контрольова ній атмосфері). Деталі поміщають у спеціальні камери, відкачують повітря до створення вакууму і заповнюють інертним газом високої чистоти. Зварювання виконують вручну або автоматично з дистанційним управлінням.

Для зварювання в контрольованій атмосфері великогабаритних виробів знаходять застосування жилі камери об'ємом до 450 м 3.Зварювальник знаходиться всередині камери в спеціальному скафандрі з індивідуальною системою дихання. Інертний газ, що заповнює камеру, регулярно очищається і частково замінюється. Для доступу зварювальника в камеру і подачі необхідних матеріалів є система шлюзів.

Ручну аргонодугове зварювання виконують без коливальних рухів пальники, які не рекомендується застосовувати через можливість порушення захисту зони зварювання. Кут між віссю мундштука аргонодугового пальника і площиною виробу, що зварюється повинен бути 75 - 80 °. Присадні дріт розташовують під кутом 90 ° щодо осі мундштука пальника, а кут між дротом і виробом повинен бути 15 - 20 °.Абсолютно неприпустимо вводити присадку в стовп дуги, тому що це призводить до миттєвого оплавлення прутка і розбризкуванню. Під час зварювання необхідно стежити, щоб розплавлений метал знаходився в захисній зоні газу. Після закінчення зварювання перекривати захисний газ можна тільки при охолодженні вольфрамового електрода (5 - 10 секунд). Виліт вольфрамового електрода: 5 - 12 мм.

Геліедуговая зварювання має однаковий принцип роботи з аргонодугового зварюванням, тому окремо не розглядається.

При зварюванні міді та деяких типів нержавіючих сталей для захисту зони дуги можна використовувати азот, отриманий шляхом ректифікації повітря на кисневих установках. Азот інертний по відношенню до міді. Зберігають і транспортують азот у сталевих балонах чорного кольору з Жовтої кільцевої смугою при тиску 15 МПа.

При азотн о-дугового зварювання електродами служать вугільні або графітні стержні, застосовувати вольфрамові стрижні недоцільно, тому що утворюються на їх поверхні нітриди вольфраму легкоплавкі, внаслідок чого витрата вольфраму різко зростає. При азотно-дугового зварювання вугільним електродом напруга дуги має бути 22 - 30 В. Зварювання виконують постійним струмом прямої полярності, діаметр вугільного електрода 6-8 мм при струмі 150 - 500 А. Витрата азоту становить 3 - 10 л / хв. Установка для зварювання в азоті аналогічна установці для зварювання в аргоні. Пальник повинна мати спеціальні змінні наконечники для закріплення вугільних стрижнів.

Аргонодуговая зварювання в інертних газах або їх сумішах відрізняється мінімальним чадом легуючих елементів, що важливо для високолегованих сталей. Зварювання неплавким електродом виконують на постійному струмі прямої полярності (за винятком сталей з великим вмістом алюмінію, які зварюють на змінному струмі). Товщина що зварюється металу не більше 5 ... 7 мм. Хороше формування зворотного валика дозволяють рекомендувати зварювання вольфрамовим електродом для виконання кореневих швів на сталях підвищених товщин (решта валики можуть виконуватися під флюсом, покритими електродами або плавиться в захисних газах). Зварювання можна вести безперервно або імпульсної дугою, вручну, механізованим або автоматично.

Кращі результати при зварюванні більшості металів дає застосування електродів не з чистого вольфраму, а торійований, іттрірованних або ланттанірованних. Добавка в вольфрам при виготовленні електродів 1,5-2% оксидів ітрію та лантану підвищує їх стійкість і допускає застосування підвищених на 15% зварювальних струмів. Перед зварюванням робочий кінець електрода зазвичай заточують на конус з кутом 60 ° на довжині двох-трьох діаметрів. Форма заточення електрода впливає на форму і розміри шва. Зі зменшенням кута заточування і діаметра притуплення в деяких межах глибина проплавлення зростає.

Основним недоліком зварювання свободногорящей дугою є невисока продуктивність. Розроблено кілька різновидів зварювання вольфрамовим електродом, заснованих на збільшенні проплавляються здатності дуги за рахунок збільшенн я інтенсивності теплового і силового впливу дуги на зварюваний метал. До цих різновидів відносяться зварювання зануреної дугою, із застосуванням флюсу, при підвищеному тиску захисного середовища, імпульсно-дугове, плазмове зварювання.

Цікавим різновидом застосування вольфрамового електрода є зварювання зануреної дугою, при якій використовують електрод підвищеного діаметра і підвищений зварювальний струм. З'єднання збирають встик без оброблення крайок, без зазору. При збільшенні подачі захисного газу через сопло до 40 - 50 л / хв дуга обжимається газом, що підвищує її температуру. Як і в плазмотронах проходить через дугу газ, нагріваючись, збільшує свій об'єм і набуває властивості плазми. Тиск захисного газу і дуги, витісняючи розплавлений метал із-під дуги, сприяють її поглиблення в основний метал. Таким чином, дуга горить в утворилася в металі порожнини. Це дозволяє опустити електрод так, щоб дуга горіла нижче поверхні металу. Глибина проплавлення досягає 10-12 мм. і вище, витрата аргону складає 15-20 л / хв.

Цим способом можна зварювати титан, алюміній, високолеговані сталі товщиною до 36 мм з двох сторін.

Нанесення на поверхню крайок, що зварюються шару флюсу невеликої товщини (0,2-0,5 мм), що складається із з'єднань фтору, хлору і деяких оксидів, сприяє підвищенню зосередженості теплового потоку в плямі нагріву і збільшення проплавляються здатності дуги. При цьому завдяки високій концентрації теплової енергії підвищується ефективність проплавлення і знижується погонна енергія при зварюванні.

Потужність дуги зростає із збільшенням тиску навколишнього зону зварювання захисної атмосфери при незмінній силі струму і довжині дуги. Дуга при цьо му стискається, завдяки чому збільшується її проплавляються здатність приблизно на 25-60%. Цей спосіб може використовуватися при зварюванні в камерах з контрольованою середовищі, із застосуванням загального захисту.

Імпульсна дуга знаходить застосування для зварювання тонколистового металу. Основний метал розплавляється дугою, що горить періодично окремими імпульсами постійного струму з певними інтервалами у часі. При великій перерві у горінні дуги дугового проміжок деионизирующим, що призводить до утруднення в повторному порушенні дуги. Для усунення цього недоліку постійно підтримується друга, зазвичай малопотужна чергова дуга від самостійного джерела живлення. На цю дугу і накладається основна імпульсна дуга. Чергова дуга, постійно підтримуючи термоелектронної емісію з електрода, забезпечує стабільне виникнення основний зварювальної дуги.

Шов в цьому випадку складається з окремих перекривають один одного точок. Величина перекриття залежить від металу та його товщини, сили зварювального струму і струму чергової дуги, швидкості зварювання і т.д. Зі збільшенням сили струму та тривалості його імпульсу ширина шва і глибина проплавлення збільшуються. Розміри шва більшою мірою залежать від сили струму, ніж від тривалості його імпульсу. Сприятлива форма окремих точок, близька до кола, зменшує можливості витікання розплавленого металу зі зварювальної ванни (прожога). Тому зварювання легко виконувати па вазі без підкладок при хорошій якості, але всіх просторових положеннях.

Викликає певний інтерес використання зовнішнього магнітного поля для відхилення або переміщення безперервно горить дуги.Зовнішнє змінне або постійне магнітне поле, паралельне або перпендикулярне до напрямку зварювання, створюється П-образними електромагнітами. При використанні постійного магнітного поля дугу можна відхилити у будь-яку сторону щодо направлення зварювання.При відхиленні дуги в бік напрямки зварювання (магнітне поле також паралельно напрямку зварювання) спостерігається такий же ефект, як і при зварюванні похилим електродом - кутом вперед. У цьому випадку зменшується глибина проплавлення. При відхиленні дуги у зворотному напрямку спостерігається збільшення глибини проплавлення, як при зварюванні з нахилом електрода кутом назад.

При змінному зовнішньому магнітному полі дуга коливається з частотою зовнішнього магнітного поля. До результаті змінюються умови введення теплоти у виріб, і, а зокрема, се розподіл по поверхні. При коливанні дуги поперек напрямку зварювання збільшується ширина шва і зменшується глибина проплавлення. Це дозволяє зварювати тонколистовий метал. Зручно використовувати цей спосіб для зварювання різнорідних металів (наприклад, міді та сталі та ін) невеликої товщини при відбортовка крайок.

Коливання, що повідомляються розплавленого металу зварювальної ванни, змінюють характер його кристалізації і сприяють подрібненню зерна. У результаті покращуються властивості наплавленого металу. Тому цей спосіб використовують при зварюванні металів, що характеризуються грубозернистим будовою металу шва, таких як алюміній, мідь, титан і його сплави. Є позитивний досвід використання способу і при зварюванні високоміцних сталей і сплавів.

Зварювання вольфрамовим електродом зазвичай доцільна для з'єднання металу товщиною 0,1-6 мм. Однак її можна застосовувати і для великих товщин. Зварювання виконують без присадки, коли шов формується за рахунок розплавлення кромок, і з додатковим присадним металом, попередньо укладених в оброблення або подаються в зону дуги у вигляді присадочной дроту. Кутові і стикові шви у всіх просторових положеннях виконують вручну, нап івавтоматично і автоматично.

Для отримання якісного зварювання, особливо тонколистових конструкцій, слід забезпечувати точну підготовку і складання крайок прихватками вручну вольфрамовим електродом або в спеціальних складально-зварювальних пристосуваннях.

Забруднення робочого кінця електрода знижує його стійкість (утворюється сплав вольфраму з більш низькою температурою плавлення) і погіршує якість шва. Тому дугу збуджують без дотику до основного металу або присадочной дроті, використовуючи осцилятор.При правильному виборі сили зварювального струму робочий кінець електрода витрачається незначно і довго зберігає форму заточування.

Якість шва у великій мірі визначається надійністю відтискуванні від зони зварювання повітря. Необхідна витрата захисного газу встановлюють залежно від складу і товщини металу, що зварюється, типу звареного з'єднання і швидкості зварювання. При зварюванні з'єднань де потрібна підвищена витрата захисного газу рекомендується застосовувати екрани, встановлені збоку і паралельно шву. Потік захисного газу при зварюванні повинен надійно охоплювати всю область зварювальної ванни, розігріту частина присадочного прутка і електрод. При підвищених швидкостях зварювання потік захисного газу може відтісняти повітрям. У цих випадках слід збільшувати витрати захисного газу.

При зварюванні багатопрохідних швів з V - або Х-образної обробленням крайок перший прохід часто виконують вручну або механізовано без присадочного металу на вазі. Оброблення заповнюють при наступних проходах з присадним металом. Для формування кореня шва можна використовувати мідні або сталеві знімні підкладки, флюсових подушку. У деяких випадках можливе застосування і залишаються підкладок.

При зварюванні труб або закритих судин газ пропускають всередину судини. Інертні гази, збільшуючи поверхневий натягрозплавленого металу, покращують формування кореня шва. Тому їх піддув використовують при зварюванні сталей на вазі. При зварюванні на вазі, особливо без присадочного металу, слід ретельно підтримувати необхідну величину зазору між кромками.

Зварювання плавким електродом в інертних газах

Принцип цієї технології полягає в тому, що на підводиться від котушки за допомогою двигуна подачі дротяний електрод незадовго до виходу з пальника подається струм через струмопідвідний мундштук, завдяки чому між кінцем дротяного електрода і виробом горитьелектрична дуга. Захисний газ подається через газове сопло, концентрично навколишнє дротяний електрод. Завдяки цьому здійснюється захист наплавляемого металу від атмосферних газів - кисню, водню та азоту.

Зварювання електродом, що плавиться виконують напівавтоматично або автоматично в інертних, активних газах або сумішах газів.При зварюванні сталей, що містять легкоокисляющиеся елементи (алюміній, титан і ін), в якості захисного газу рекомендують використовувати аргон.

При аргонодугового зварюванні електродом, що плавиться можливий крупнокрапельне або струменевий перенесення електродного металу. При крупнокрапельне перенесення процес зварювання нестійкий, з великим розбризкуванням. Його технологічні характеристики гірше, ніж при напівавтоматичному зварюванні у вуглекислому газі, тому що внаслідок меншого тиску в дузі краплі виростають до великих розмірів. Діапазон струмів для крупнокрапельна перенесення досить великий, наприклад для дроту діаметром d = 1,6 мм I св = 120-240А.При силі струму I св більше 260А відбувається різкий перехід до струминного переносу, стабільність процесу зварювання поліпшується, розбризкування зменшується. Для зварювання в інертних газах необхідно вибирати силу струму, що забезпечує струменевий перенесенняелектронного металу. Однак такі струми не завжди відповідають технологічним вимогам. Тому більш раціонально для забезпечення стабільності процесу використовувати імпульсні джерела харчування дуги, які забезпечують перехід до струминного переносу на токах близько I св ≈ 100А.

В даний час для зварювання конструкційних сталей широко застосовується напівавтоматичне зварювання в суміші 82% аргону і 18% вуглекислого газу.

Розділ ІІ