Технология и оборудование электродуговой сварки в среде защитных газов. Расчет режимов сварки

Введение

Сварка является одним из ведущих технологических процессов как в области машиностроения, так и в строительной индустрии.

В решении задач дальнейшего научно-технического прогресса в нашей стране, поставленных Коммунистической партией и Советским правительством, важное место принадлежит сварке.

На промышленных предприятиях широко развернуты работы по созданию поточных и конвейерных сборочно-сварочных линий, а также по расширению применения наиболее прогрессивных видов сварки и наплавки. Для дальнейшего развития сварки требуется решение целого ряда вопросов, например разработка новых конструкций сварочных машин, сварочных аппаратов и материалов и др.

Народное хозяйство страны нуждается в современных машинах различных видов и назначений, а также в прогрессивных видах оборудования, имеющих высокие технико-экономические показатели. В обеспечении всего этого важнейшая роль принадлежит сварочному производству. При этом необходимо отметить, что известными успехами советского машиностроения, а также строительства мы в значительной мере обязаны отечественной сварочной науке и технике. Развитие сварки в значительной мере позволило заменить клепаные конструкции на сварные, значительно снизив этим трудоемкость работ и повысив качество конструкций.

Наши достижения в области механизации и автоматизации сварочных процессов позволили поднять на высокий технический уровень целый ряд важнейших отраслей народного хозяйства. Применение сварочной технологии вызвало коренные изменения в технологии изготовления котлов, труб и трубопроводов, морских и речных судов, нефтеаппаратуры, прокатных станов, мощных прессов и насосов и других машин и механизмов.

При этом следует отметить, что дуговая сварка в настоящее время является одним из распространенных видов сварки. Она применяется при изготовлении почти всех типов сварных конструкций как в заводских условиях, так и в строительстве. Начальной и окончательной операцией создания конструкций в большинстве случаев является ручная дуговая сварка.



1. История развития сварки

Основоположниками использования тепла электрической дуги для целей сварки были русские ученые В. В. Петров, Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов.

В 1802 г. впервые в мире профессор физики Санкт-Петербургской Медико-хирургической академии Василий Владимирович Петров открыл электрическую дугу. В 1803 г. он описал это явление в своей книге «Известия о гальвани-вольтовских опытах», в которой указал на возможность практического применения дуги для электроосвещения и плавления металлов. Русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос в 1882 г впервые применил электрическую дугу для соединения в одно целое металлов, использовав угольную дугу, питаемую электрической энергией от аккумуляторной батареи. В 1885 г. он получил патент под названием «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока». Н. И. Бенардос является автором и ряда других видоз сварки, которые применяют сейчас в промышленности. Несколько лет спустя, в 1888 г. русский инженер-металлург и изобретатель Н. Г. Славянов разработал вид сварки металлическим электродом и получил два патента под названием «Способ и аппараты для электрической отливки металлов» и «Способ электрического уплотнения металлических отливок». Практическая ценность изобретений Н. Н. Бенардоса и Н. Г. Славянова была очевидна, но тем не менее до Октябрьской революции прогрессивный новый способ соединения металлов не нашел широкого применения ввиду технической отсталости России. Только в советское время на родине сварки этот процесс получил широкое распространение.

Выдающуюся роль в теоретической разработке сварочных процессов сыграли многие ученые нашей страны: В. П. Вологдин, В. П. Никитин, Е. О. Патон, К. К. Хренов, Г. А. Николаев, Н. О. Окерблом, Н. Н. Рыкалин, К. В. Любавский, Б. Е. Патон, И. К. Походня, Б. И. Медовар и др.

Нельзя не отметить фундаментальных исследований, проведенных и проводимых в институтах нашей страны, как

например: институт электросварки имени Е. О. Патона, ВНИИЭСО, ЦНИИТМАШ, МАТИ, ЛПИ, институт металлургии имени Байкова АН СССР, МВТУ им. Баумана, ВНИИ-автогенмаш, Оргэнергострой, институты судостроительной и авиационной промышленности, а также на крупных предприятиях.

В Советском Союзе впервые в мире были разработаны такие высокопроизводительные виды сварки металлов, как электрошлаковая, в углекислом газе, диффузионная и др. Советский Союз занимает в настоящее время одно из первых мест в мире в области сварочного производства.



2. Классификация сварки металлов

Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения твердых материалов путем их местного сплавления или совместного пластического деформирования, в результате чего возникают прочные связи между атомами свариваемых материалов.

Согласно ГОСТ 19521--74 сварка металлов классифицируется по физическим, технологическим и техническим признакам.

Классификация сварки металлов по физическим признакам.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, сварочные процессы делятся на три класса: термический, термомеханический и механический.

Вид сварки объединяет сварочные процессы по виду источника энергии, непосредственно используемого для образования сварного соединения. К термическому классу относятся такие виды сварки, которые осуществляются плавлением с использованием тепловой энергии, а именно: дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная, ионно-лучевая, тлеющим разрядом, световая, индукционная, газовая, термитная и литейная.

К термомеханическому классу сварки относятся такие виды сварки, которые осуществляются с использованием тепловой энергии и давления, а именно: контактная, диффузионная, индукционно-прессовая, газопрессовая, термокомпрессионная, дугопрессовая, шлакопрессовая, термитно-прессовая и печная.

К механическому классу сварки относятся такие виды сварки, которые осуществляются с использованием механической энергии и давления, а именно: холодная, взрывом, ультразвуковая, трением и магнитно-импульсная.

Классификация сварки металлов по техническим признакам. К техническим признакам относятся: способ защиты металла в зоне сварки, непрерывность процесса и степень механизации сварки.

По способу защиты металла различают сварку в воздухе, вакууме, защитных газах, под флюсом, по флюсу, в пене и с комбинированной защитой. В качестве защитных могут применяться активные газы (углекислый газ, азот, водород, водяной пар, смесь активных газов), инертные газы (аргон, гелий, смеси аргона с гелием), а также смесь инертных и активных газов. Защита расплавленного металла газом может быть струйной или в контролируемой атмосфере. Если струйная защита расплавленного металла осуществляется только со стороны сварочной дуги, то она называется односторонней, если со стороны сварочной дуги и корня шва -- двусторонней.

По непрерывности процесса различают непрерывные и прерывистые виды сварки; по степени механизации -- ручные, механизированные, автоматизированные и автоматические.

Дуговая сварка. Дуговая сварка относится к сварке плавлением. При этом виде сварки плавление основного и присадочного металла осуществляется электрической дугой, горящей между электродом и свариваемым металлом. Расплавленный основной и присадочный металл (электрод или проволока) образуют сварочную ванну, в результате кристаллизации металла сварочной ванны образуется сварной шов. Для получения полного сплавления свариваемых кромок, когда толщину свариваемых листов нельзя проплавить за один проход, кромки перед сборкой под сварку скашивают, т. е. делают разделку (скос кромок).

Электрошлаковая сварка. Плавление свариваемого и присадочного металлов осуществляется теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак в период установившегося процесса сварки.

Вначале, в первый период, возникает дуга, которая, расплавив небольшое количество флюса, шунтируется, т. е. прекращается горение дуги и начинается прохождение тока через расплавленный шлак.

Электрошлаковая сварка классифицируется по виду электрода, наличию колебаний электрода, количеству электродов с общим подводом сварочного тока.

По виду электрода электрошлаковая сварка делится на сварку проволочным, пластинчатым электродом и плавящимся мундштуком; по наличию колебаний электрод а -- без колебаний и с колебаниями электрода; по количеству электродов с общим подводом сварочного тока -- одноэлектродную, двухэлектродную и многоэлектродную.

Электронно-лучевая сварка. Этот вид сварки выполняется в камерах с разрежением до 133(10-4 -- 1-6)Па. Тепло образуется за счет бомбардировки поверхности металла электронами, имеющими большие скорости, анодом является свариваемая деталь, а катодом -- вольфрамовая спираль.

Электронно-лучевая сварка может выполняться без колебаний и с колебаниями электронного луча. По направлению. колебаний различают электронно-лучевую сварку с продольными, поперечными, вертикальными и сложными колебаниями электронного луча.

Плазменная сварка. Этот вид сварки основан на пропускании электрического тока большой плотности через газовую среду, находящуюся под некоторым давлением, в результате чего газ получает ионизированное состояние, называемое плазмой. Температура плазменной струи достигает порядка 30000°С. Плазменная сварка может выполняться с поперечными, продольными и сложными колебаниями плазменной струи, а также без колебаний плазменной струи.

Газовая сварка основана на плавлении свариваемого и присадочного металлов высокотемпературным газокислородным пламенем. В качестве горючего для сгорания в кислороде применяют ацетилен, водород, пропанобутановую смесь, пары керосина, бензина, городской, природный, светильный, нефтяной, коксовый и другие газы.

Световая сварка по виду источника света подразделяется на солнечную, лазерную и искусственными источниками света. В практике пока в основном находит применение только лазерная сварка. Этот вид сварки основан на применении специального светового луча, который плавит металл. Для получения сильного светового луча используют особые установки, называемые лазерами.

Термитная сварка состоит в том, что свариваемые детали помещают в огнеупорную форму, а в установленный сверху тигель засыпают термит -- порошкообразную смесь алюминия с железной окалиной. При горении термита развивается высокая температура (более 2000°С), образуется жидкий металл, который при заполнении формы оплавляет кромки свариваемых изделий, заполняет зазор, образуя сварной шов.

Контактная сварка. При контактной сварке место соединения разогревается и расплавляется теплом, выделяемым при прохождении электрического тока через контактируемые места свариваемых деталей; при приложении в этом месте сжимающего усилия образуется сварное соединение. По форме сварного соединения различают точечную, шовную, стыковую, рельефную, шовно-стыковую контактную сварку и по методу Игнатьева. Точечная сварка в свою очередь подразделяется на одно-, двух- и многоточечную. Стыковая сварка по характеру протекания процесса делится на сварку с прерывистым и непрерывным оплавлением и сварку сопротивлением.

Контактная сварка может выполняться постоянным, переменным и пульсирующим током. По виду источника энергии контактная сварка подразделяется на конденсаторную, аккумуляторную, энергией, накопленной в магнитном поле и в мотор-генераторной системе.

Газопрессовая сварка основана на нагревании концов стержней или труб по всей длине окружности многопламенными горелками до пластического состояния или плавления и последующего сдавливания стержней внешним усилием.

Ультразвуковая сварка основана на совместном воздействии на свариваемые детали механических колебаний ультразвуковой частоты и небольших сжимающих усилий.

Сварка трением. При вращении одного из стержней и соприкосновении его торца с торцом закрепленного стержня концы стержней разогреваются и с приложением осевого усилия свариваются.

Холодная сварка основана на способности срастания кристаллов металла при значительном давлении.

Индукционно-прессовая сварка. Этот вид сварки основан на разогреве токами высокой частоты концов стыкуемых стержней или труб до пластического состояния с последующим приложением осевых усилий для получения неразъемного соединения.



3. Оборудование и технология дуговой сварки в защитных газах

3.1 Общие сведения

Дуговая сварка в защитных газах имеет высокую производительность, легко поддается автоматизации и позволяет выполнять соединение металлов без применения электродных покрытий и флюсов. Этот способ сварки нашел широкое применение при изготовлении конструкций из сталей, цветных металлов и их сплавов.

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

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

Преимущества сварки в защитных газах следующие:

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

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

· незначительное взаимодействие металла шва с кислородом и азотом воздуха;

· простота наблюдения за процессом сварки;

· возможность механизации и автоматизации процессов.

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

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

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

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

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

применяемому для защиты зоны сварки газу -- активному или нейтральному;

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

применяемому для сварки электроду -- плавящемуся или неплавящемуся;

применяемому току -- постоянному или переменному.

3.1.1 Сварка неплавящимся электродом

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

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

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

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

3.1.2 Сварка плавящимся электродом

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

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

Сварочная дуга, образованная в результате плавления электрода в среде инертных газов, имеет форму конуса:, столб которой состоит из внутренней и внешней зоны.

Внутренняя зона имеет яркий свет и большую температуру.

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

3.1.3 Металлургия сварки в защитных газах

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

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

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

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

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

Так, например, если в сварочной ванне содержится некоторое количество кислорода в виде закиси железа РеО, то при наличии достаточного количества углерода будет образовываться нерастворимая в металле окись углерода

[C] + [O] = CO,

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

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

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

где FеО -- закись железа, растворяющаяся в железе.

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

3.2 Сварка в углекислом газе

Советскими исследователями К. В. Любавским и Н. М. Новожиловым в начале 50-х годов был разработан способ сварки в защитной среде углекислого газа, который в настоящее время нашел широкое применение во всех странах мира.

Сущность процесса сварки в углекислом газе заключается в следующем. Поступающий в зону сварки углекислый газ защищает ее от вредного влияния атмосферы воздуха. Причем при высокой температуре сварочной дуги углекислый газ частично диссоциируется на окись углерода и кислород

2С022СО + O2.

В результате в зоне дуги образуется смесь из трех различных газов: углекислого газа, окиси углерода и кислорода.

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

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

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

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

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

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

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

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

При сварке применяют постоянный ток обратной полярности. Величину сварочного тока и диаметр электродной проволоки выбирают в зависимости от толщины металла и положения шва в пространстве.

Материалы и оборудование. Углекислый газ имеет следующие особенности:

· при повышении давления превращается в жидкость;

· при охлаждении без давления переходит в твердое состояние -- сухой лед;

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

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

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

Рекомендуется также для снижения влажности углекислого газа баллон с углекислотой ставить вентилем вниз и дважды через 15 -- 20 мин после опрокидывания баллона спускать воду.

Сварочная проволока применяется в зависимости от марки свариваемой стали.

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

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

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

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

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

3.3. Сварка в инертных газах и азоте

Сварка в инертных газах. Сварка в аргоне и гелии выполняется как плавящимся, так и неплавящимся (вольфрамовым) электродом.

Аргонодуговую сварку применяют для соединения легированных сталей, цветных металлов и их сплавов, ее выполняют постоянным и переменным током плавящимся и неплавящимся электродами.

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

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

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

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

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

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

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

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

Ручную аргонодуговую сварку выполняют без колебательных движений горелки, которые не рекомендуется применять из-за возможности нарушения защиты зоны сварки. Угол между осью мундштука аргонодуговой горелки и плоскостью свариваемого изделия должен быть 75 -- 80° (рис. 105). Присадочную проволоку располагают под углом 90° относительно оси мундштука горелки, а угол между проволокой и изделием должен быть 15 -- 20°.

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

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

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

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

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

3.4 Сварочные аппараты

Комплект оборудования для сварки в защитных газах плавящимся электродом состоит из аппарата для подачи электродной проволоки, источника сварочного тока и блока питания защитным газом.

Сварочные аппараты совместно с источником питания должны обеспечивать качественное начало шва, устойчивое течение и поддержание заданных режимов сварки, а также качественное окончание шва. Для удовлетворения указанных требований прежде всего необходимо обеспечить надежную защиту зоны сварки защитным газом, для чего следует полностью выдуть воздух из газовой системы аппарата и места начала свариваемого соединения до зажигания дуги и прекратить подачу газа только после полного затвердевания кратера, ориентировочно через 2-4 с после обрыва дуги.

В аппаратах для сварки в защитных газах применяют несколько способов начала и окончания сварки.

Первый способ. Сварку начинают без предварительного закорачивания электрода с изделием, включая газовый клапан и через 1-2 с подавая напряжение источника на электрод и электродвигатель подачи проволоки к изделию. Этот способ обеспечивает хорошее начало только при сварке проволокой диаметром до 1,0 мм при питании от источников с высокими скоростями нарастания силы тока короткого замыкания. При сварке проволокой диаметром 1,2 мм и более для улучшения начала сварки рекомендуется в начале сварки повышать скорости нарастания силы тока короткого замыкания и напряжение источника тока.

Сварку на повышенных значениях силы тока рекомендуется начинать на пониженных скоростях подачи проволоки и только после зажигания дуги увеличивать скорость подачи до заданных режимом значений.

Второй способ. Сварку начинают с предварительного закорачивания электрода на изделие, после чего включают газовый клапан и через 1-2 с на электрод подают напряжение от источника и включают подачу проволоки к изделию. Для улучшения начала сварки рекомендуют вначале повышать скорости нарастания силы тока короткого замыкания и устанавливать напряжение, заданное режимом сварки или большее, а также заострять конец проволоки путем откусывания по косой линии.

Третий способ. Сварку начинают с предварительного закорачивания электрода с изделием, после чего на электрод подают напряжение источника питания и отдергивают электрод от изделия. После зажигания дуги проволоку подают к изделию. Способ пригоден для сварки электродами диаметром 3,0 мм и более. Основан на реверсировании электродвигателя подачи проволоки, поэтому неприемлем для сварки проволокой диаметром 0,8-1,4 мм, так как из-за большой скорости подачи в период реверсирования оплавленная проволока с каплей на конце втягивается в токоподвод горелки и заклинивается там.

Другим вариантом начала сварки проволокой диаметром 3,0 мм и более является начало с закорачиванием электрода на изделие через легкоплавкую вставку. После этого включают газовый клапан и через 1-2 с -- подачу напряжения на электрод и электродвигатель подачи проволоки к изделию.

Устойчивое течение процесса сварки плавящимся электродом обеспечивается как при постоянной скорости подачи проволоки, так и при подаче с автоматическим регулированием, например при связи скорости подачи с напряжением процесса сварки. Стабильный процесс сварки получают также при пульсирующей подаче проволоки и при сварке с вибрацией электрода. Главное для получения стабильного процесса -- постоянство программы изменения скорости подачи, напряжения и силы тока.

Качественное окончание сварки предполагает получение шва с заваренным кратером без дефектов и состояние сварочной аппаратуры, обеспечивающее начало сварки следующего шва без дополнительных настроечных операций. При сварке в С0₂ тонкой проволокой диаметром до 1,2 мм на силе тока до 150 А для заварки кратера не требуется изменение режима. При сварке на большей силе тока для заварки кратера и окончания сварки рекомендуется снижать напряжение и скорость подачи электродной проволоки до 22-25 В и силу тока до 150-180 А. Отключать подачу проволоки, газа и источник тока можно только после заварки кратера и обрыва дуги. При сварке на повышенных значениях силы тока снижение только скорости подачи без снижения напряжения источника питания приводит к повышенному разбрызгиванию.

Аппараты для сварки подразделяют по назначению на станки-автоматы, сварочные установки, самоходные автоматы и полуавтоматы; и по диаметру используемой проволоки -- на аппараты для сварки тонкой проволокой (0,8-1,4 мм), проволокой диаметром 1,0-2,0 мм и диаметром 2 мм и более.

Установки для сварки в защитных газах плавящимся электродом состоят из механизма подачи проволоки, сварочной горелки или горелки с гибким шлангом, катушки с запасом проволоки, блока управления, источника питания дуги и газовой аппаратуры блока перемещения горелки или свариваемого изделия. Рассмотрим конструкции этих узлов.

Сварочные горелки предназначены для подвода к месту сварки электродной проволоки, тока и защитного газа. Сварочная горелка -- сменный инструмент, конфигурация, размеры и устройство которого должны соответствовать типоразмеру свариваемого изделия. Универсальные горелки менее удобны в работе. При сварке в С0₂ на силе тока до 400 А обычно применяют горелки без охлаждения, и только при сварке на больших токах -- горелки с водяным охлаждением, повышающим ресурс сопла и токоподвода.

Простейшая горелка для сварки в С0₂ тонкой проволокой состоит из двух медных трубок, вставленных друг в друга с зазором, по которому газ попадает в сопло, стальной сменной спирали 7, концевых втулок 8 и 9, токоподвода 1 и газового сопла 2. Для надежной подачи тонкой проволоки необходимо, чтобы внутреннее отверстие спирали 7 было в 1,5-2 раза больше диаметра проволоки. Для получения стабильного процесса и небольшого разбрызгивания необходимо обеспечить постоянство вылета электрода и исключить прихватывание проволоки к токоподводу. Для поддержания постоянного вылета электрода необходимо обеспечить контакт проволоки с токоподводом в одном месте (рис. 43). Этого достигают за счет пружинящих свойств самой проволоки или с помощью специальных прижимов.

В изогнутых горелках со снятым токоподводом проволока на выходе должна загибаться в кольцо, при этом токоподвод с сапожком обеспечивает ее выравнивание и точное направление. В автоматах применяют сварочные горелки, газовые сопла которых расположены под углом к электродной проволоке, а постоянство места токоподвода обеспечивается изогнутым токоподводящим рычагом. Такие горелки имеют высокий ресурс работы и применяются при наплавке в С0₂. Для автоматической сварки тонкой проволокой, когда требуется высокая точность направления электрода к месту сварки, используют токоподводящие наконечники с двумя токоподводами.

Для обеспечения контакта проволоки с прямыми токоподводами оси отверстий в токоподводе и горелке смещают относительно друг друга. Но такие токоподводы обычно быстро изнашиваются. Токоподводы из металлокерамики имеют больший ресурс работы. Однако до сих пор актуальна разработка конструкций простых устройств, принудительно прижимающих проволоку к токоподводу, что намного повышает ресурс работы токоподвода и снижает разбрызгивание при сварке.

Надежность газовой защиты в значительной степени определяется конструкцией горелки. Струя газа должна истекать из сопла сплошным равномерным потоком. С этой целью в горелке для сварки тонкой проволокой отверстия для прохода газа в сопло располагают равномерно по окружности, перпендикулярно к оси горелки. На пути газа в сопло устанавливают рассекатели или сетки. Сопла для С0₂ делают цилиндрическими или слегка конусными. Металлические сопла изолируют от токоведущих частей. Водяное охлаждение горелки и сопла уменьшает налипание брызг.

Держатели для механизированной сварки в С0₂ соединяются с механизмом подачи проволоки гибким шлангом, по которому подаются к держателю проволока, защитный газ и ток. Промышленность серийно выпускает держатели вместе с гибкими шлангами, рассчитанные на силу тока 150-630 А.

В серийно выпускаемых держателях А547-16 используют гибкие шланги двух типов. В шланге токоведущая часть набрана из нескольких медных плетенок, натянутых на стальную спираль, внутри которой помещена сменная спираль для подачи электродной проволоки. Токоведущая часть, провода управления от кнопки «Пуск» и газовая трубка помещены в общий резиновый шланг. Этот шланг гибкий и легко ремонтируется. Может быть изготовлен на силу тока 150, 200, 315, 400 и 500 А.

Большинство применяемых гибких шлангов выполнены в виде монолитного кабеля, внутри которого находятся каналы для подачи электродной проволоки и защитного газа, а также провода управления от кнопки «Пуск», размещенной в ручке держателя.

Мундштук горелки часто выполняют поворотным или съемным, что делает горелку более универсальной и удобной в работе. Для удобства работы размеры и масса держателей должны быть как можно меньше. Во избежание перегрева руки сварщика рукоятку необходимо отделять от токоведущих частей теплоизолирующими втулками и располагать подальше от сопла. Шланг целесообразно делать максимально гибким и компактным. Длину шланга следует выбирать в зависимости от размеров свариваемых деталей. Чрезмерно длинные шланги мешают работе.

Механизм подачи электродной проволоки состоит из привода (электродвигателя с понижающим редуктором) и системы роликов, подающих электродную проволоку. Механизм подачи должен обеспечивать подачу проволоки в заданном диапазоне скоростей с усилием, достаточным для преодоления сопротивления при движении проволоки от катушки с запасом проволоки до выхода из токоподвода. В качестве приводов используют асинхронные электродвигатели переменного тока с понижающим редуктором, обеспечивающие ступенчатое изменение числа оборотов выходного вала, и электродвигатели постоянного тока с понижающим редуктором, обеспечивающие плавное изменение числа оборотов выходного вала. Приводы с асинхронными электродвигателями переменного тока обеспечивают поддержание постоянства скорости подачи проволоки без специальных схем управления. Приводы с электродвигателями постоянного тока часто требуют для этого применения специальных схем. Некоторое исключение составляют приводы, позаимствованные из авиационной техники. Они малогабаритные, легкие и, как показал опыт их применения, обеспечивают плавное регулирование скорости подачи проволоки и стабильную подачу проволоки без специальных электронных схем управления.

На работоспособность полуавтоматов большое влияние также оказывают конструкция и настройка узла механизма подачи электродной проволоки. В аппаратах для сварки проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм и более подающий ролик обычно делают с канавкой, а прижимной -- гладким. Для порошковой проволоки механизм подачи содержит две пары роликов с канавкой, все ролики сделаны ведущими.

В аппаратах типа А547 для сварки проволокой диаметром 0,8-1,4 мм подающий ролик делают без канавки с тупой мелкой насечкой (шаг 0,8 мм), а прижимной гладким. Для предупреждения смещения и сминания проволоки перед роликами и после них устанавливают направляющие трубки, которые располагают как можно ближе к роликам на одной линии, перпендикулярной к оси вращения роликов и касательной к окружности одного из роликов.

3.5 Полуавтоматы -- установки для механизированной сварки

К сварочным полуавтоматам относят аппараты, у которых автоматически поддерживается заданный электрический режим сварки, а включение сварки, перемещение дуги вдоль свариваемых кромок и выключение сварки выполняет сварщик вручную. Под термином «полуавтомат для сварки в защитных газах» подразумевается установка, которая состоит из механизма подачи электродной проволоки с катушкой проволоки, блока управления, держателя с гибким шлангом, источника питания дуги и газовой аппаратуры для обеспечения защитным газом - Полуавтоматы для сварки в защитных газах получили широкое применение благодаря простоте работы, не требующей высокой квалификации сварщика, и возможности сварки швов любой формы во всех пространственных положениях. Производительность механизированной сварки выше, чем ручной сварки покрытым электродом.

Сварочные полуавтоматы подразделяют:

по силе тока сварки -- до 150; до 250; до 350; до 500 и до 630 А;

по диаметру и типу сварочной проволоки -- на полуавтоматы для сварки проволокой диаметром 0,6-1,4; 1,2-1,6 и 1,6-2,4 мм сплошного сечения и порошковой проволокой до 3,2 мм;

по конструктивному исполнению (компоновке) -- на одноблочные, у которых механизм подачи проволоки и источник питания дуги выполнены в общем корпусе; двухблочные, у которых механизм подачи проволоки и источник тока выполнены в отдельных корпусах; и специальные (монтажные, для сварки мягкой проволокой, со сложными механизмами подачи типа «тяни-толкай», с пульсирующей подачей проволоки и др.);

по типу подачи электродной проволоки -- толкающего типа (проволока, зажатая между подающими роликами, проталкивается через гибкий шланг в горелку); тянущего типа (подающие ролики, размещенные на горелке, протягивают проволоку из катушки через гибкий шланг в горелку); и типа «тяни-толкай», имеющие два механизма подачи проволоки: один у катушки с проволокой толкает проволоку в шланг, а второй, размещенный в начальной части шланга, подтягивает проволоку и проталкивает ее в горелку.

В настоящее время полуавтоматы для сварки в защитных газах изготавливают многие фирмы. Однако устройство их в большинстве одинаковое и определяется силой тока сварки и диаметром электродной проволоки. Условные обозначения полуавтоматов оговорены ГОСТ 18130-79. Однако фирмы-изготовители не всегда придерживаются рекомендаций ГОСТ 18130-79 и дают полуавтоматам свои наименования, в которых значения силы тока не соответствуют ПВ=60%.



4. Расчет режимов сварки в углекислом газе проволокой сплошного сечения

В основу выбора диаметра электродной проволоки положены те же принципы, что и при выборе диаметра электрода при ручной дуговой сварке:

Толщина листа, мм	1ч2	3ч6	6ч24 и более
Диаметр электродной проволоки dэ, мм	0,8ч1,0	1,2ч1,6	2,0

Расчет сварочного тока, А, при сварке проволокой сплошного сечения производится по формуле:

где а - плотность тока в электродной проволоке, А/мм² (при сварке в СО₂ а = 110ч130 А/мм² ); d_э- диаметр электродной проволоки, мм.

Механизированные способы сварки позволяют применять значительно большие плотности тока по сравнению с ручной сваркой. Это объясняется меньшей длиной вылета электрода.

Напряжение дуги и расход углекислого газа выбираются в зависимости от силы сварочного тока по табл. 6.1.

Таблица 6.1. Зависимость напряжения и расхода углекислого газа от силы сварочного тока

Сила сварочного тока, А	50ч60	90ч100	150ч160	220ч240	280ч300	360ч380	430ч450
Напряжение дуги, В	17ч28	19ч20	21ч22	25ч27	28ч30	30ч32	32*32
Расход СО2, л/мин	8ч10	8ч10	9ч10	15ч16	15ч16	18ч20	18ч20



При сварочном токе 200ч250 А длина дуги должна быть в пределах 1,5ч4,0 мм. Вылет электродной проволоки составляет 8ч15 мм (уменьшается с повышением сварочного тока).

Скорость подачи электродной проволоки, м/ч, рассчитывается по формуле

где б_р - коэффициент расплавления проволоки, г/А·ч; - диаметр электродной проволоки, мм.

Значение б_р рассчитывается по формуле:

Скорость сварки, м/ч, рассчитывается по формуле:

где б_Н - коэффициент наплавки, г/А·ч;



где ц - коэффициент потерь металла на угар и разбрызгивание. При сварке в СО₂ ц = 0,1ч0,15; F_В- площадь поперечного сечения одного валика, см². При сварке в СО₂ принимается равным 0,3 ч0,7 см².

Масса наплавленного металла, г, при сварке рассчитывается по следующим формулам:

При сварке

Время горения дуги, ч, определяется по формуле:

Полное время сварки, ч, определяется по формуле:

где К_П - коэффициент использования сварочного поста, (К_П=0,6ч 0,7).

Расход электродной проволоки, г, рассчитывается по формуле:



где G_H - масса наплавленного металла, г.

Расход электроэнергии, кВт·ч, определяется по формуле:

где з - КПД источника питания з = 0,6ч0,7; W_О - мощность источника питания, работающего на холостом ходе, кВт. (W_О = 2,0ч3,0 кВт).