Для сварки углеродистых сталей в качестве защитного газа используют углекислый газ, смеси инертного газа с кислородом или углекислым газом; реже инертные газы (аргон).
Сварку в атмосфере инертных газов вольфрамовым электродом применяют для металла толщиной до 2 мм. Часто для исключения присадочной проволоки сваривают соединения с отбортовкой кромок.
Сварку плавящимся электродом применяют для металла толщиной более 0,8 мм. Диаметр электродной проволоки выбирают, в зависимости от толщины свариваемого металла в пределах 0,5-3 мм.
В качестве защитного газа используют в основном аргон; для повышения стабильности горения дуги, улучшения формирования шва и понижения чувствительности процесса к пористости из-за водорода применяют аргон с добавкой кислорода (до 5%) или углекислого газа (до 10 %).
Сварку в атмосфере углекислого газа широко используют при изготовлении изделий из углеродистых сталей. В зависимости от толщины свариваемого металла применяют или неплавящийся - угольный или графитовый электрод (для толщин до 2 мм), или плавящийся электрод (для толщин свыше 0,8 мм).
Углекислый газ обеспечивает защиту металла в зоне сварки от воздуха, но в то же время окисляет защищаемый металл. Окисление жидкого металла происходит в результате непосредственного взаимодействия металла с углекислым газом:
Fe + СO2 = FeO + СО,
а также с кислородом, образующимся в результате диссоциации углекислого газа:
2СO2 = 2СО + O2; 2Fe + 02 = 2FeO.
Роль непосредственного окисления металла углекислым газом с повышением температуры понижается, поскольку с повышением температуры степень термической диссоциации углекислого газа увеличивается. В результате в газовой смеси возрастает концентрация кислорода, которая, например, при температуре 3000 К достигает 20 %.
Окисление жидкого металла вызывает большие потери легирующих элементов из капель электродного металла, приводит к повышению содержания кислорода в металле сварочной ванны. В результате возрастает вероятность образования пор из-за выделения оксида углерода в процессе кристаллизации и снижаются механические свойства металла шва.
Образование пор из-за выделения оксида углерода при сварке углеродистых сталей предотвращается, если металл шва содержит до 0,12—0,14 % С, не ниже 0,17—0,20 % Si, не ниже 0,5— 0,8 % Мп. При этом металл шва характеризуется малой склонностью к образованию горячих трещин и достаточно высокими механическими свойствами. Увеличение содержания углерода приводит к повышению вероятности образования горячих трещин. Повышение содержания кремния сверх 0,45 % понижает пластические свойства металла шва и также увеличивает вероятность образования горячих трещин. Вероятность их образования снижается при повышении содержания марганца до 1,2 %.
В большинстве случаев при сварке низкоуглеродистых сталей беспористые швы указанного выше состава получают при применении кремнемарганцовистых электродных проволок Св-08Г2С и Св-08ГС, обеспечивающих малую загрязненность металла шва оксидными включениями. Содержание оксидных включений при сварке низкоуглеродистой стали проволокой Св-08ГС составляет 0,014 %, а проволокой Св-08Г2С 0,009 %. Меньшая загрязненность металла шва оксидными включениями при сварке низкоуглеродистой стали проволокой Св-08Г2С обусловлена более рациональным содержанием кремния и марганца в металле шва (0,23 % Si, 0,72 % Мn), при котором продукты раскисления формируются в гаде жидких силикатов.
Процесс дуговой сварки в атмосфере углекислого газа менее чувствителен к ржавчине на свариваемых кромках по сравнению со сваркой под флюсом. Это обусловлено оттеснением газовой струей влаги, испаряющейся при сварке из ржавчины, и окислительными свойствами газовой среды. Однако подобный эффект достигается при использовании углекислого газа с малым содержанием паров воды. Использование углекислого газа с повышенным содержанием паров воды может привести к образованию пор в швах и снижению пластических свойств металла шва. В подобных случаях необходима предварительная осушка газов. Обычно для этой цели используют поглотители (хлористый кальций, силикагель и др.).
На свойства металла шва (образование пор, механические свойства) большое влияние оказывают также загрязнения, имеющиеся на поверхности электродной проволоки: технологическая смазка (чаще всего мыло), антикоррозионная смазка (обычно нитрит натрия), ржавчина. Наиболее рациональный способ удаления поверхностных смазок - прокалка проволоки при температуре 150-250 °С в течение 1,5-2 ч. Ржавчину удаляют травлением или зачисткой перед прокалкой.
Образование пор при сварке в углекислом газе возможно при нарушении газовой защиты: при чрезмерном удлинении дуги, наличии сквозняков, значительных зазоров в соединениях. Нарушение защиты приводит к повышению содержания кислорода и азота в металле шва и образованию пористости.
Если по условиям сварки не обеспечивается достаточная защита зоны сварки углекислым газом, то для предотвращения образования пор и получения металла шва с высокими пластическими свойствами рационально использовать специальную проволоку, содержащую нитридообразующие элементы, Св-15ГСТЮЦА или Св-20ГСТЮА (проволока разработана для дуговой сварки без защиты). В подобных случаях возможно также применение порошковой проволоки, создающей дополнительную защиту расплавленного металла шлаком, поскольку сердечник порошковой проволоки содержит не только элементы-раскислители, но и шлакообразующие компоненты.
Для сварки в углекислом газе используют проволоки рутил-флюоритпого (ПП-АН4, ПП-АН9 и др.) и рутилового (ПП-АН8 и др.) типов. Применение порошковой проволоки взамен проволоки сплошного сечения позволяет также повысить устойчивость горения дуги, уменьшить разбрызгивание электродного металла, повысить пластические свойства металла и улучшить формирование швов. При применении порошковой проволоки необходимо иметь в виду, что увлажнение материала сердечника проволоки может привести к образованию пор. Прокалка проволоки при температуре 240-250 °С позволяет предотвратить развитие указанных дефектов. При этом обеспечивается также удаление с поверхности проволоки технологической смазки.
Сварку в атмосфере углекислого газа угольным или графитовым электродом выполняют на постоянном токе прямой полярности. При сварке на обратной полярности наблюдается науглероживание металла шва. Сварку плавящимся электродом выполняют на постоянном токе обратной полярности. При сварке на прямой полярности снижается стабильность горения дуги и повышается разбрызгивание электродного металла.
При сварке в углекислом газе наблюдается повышенное по сравнению с другими способами сварки разбрызгивание электродного металла (даже при сварке на обратной полярности при достаточной плотности тока). Некоторая часть капель расплавленного металла, вылетающих из зоны сварки, прилипает или сплавляется со свариваемой деталью, соплом горелки и токоподводящим мундштуком. Налипание капель на поверхность сопла и токоподводящего мундштука может нарушить равномерную подачу электродной проволоки, ухудшить газовую защиту, поэтому необходимо периодически очищать сопло и токоподводящий мундштук от рбрызг.
В некоторых случаях требуется удаление прилипших капель с поверхности изделия. Снижению разбрызгивания электродного металла способствуют параметры режима, уменьшающие размер капель: увеличение силы тока, снижение диаметра электродной проволоки, а также уменьшение длины дугового промежутка - уменьшение напряжения на дуге. Другим направлением является воздействие на величину поверхностного натяжения жидкого металла за счет введения активирующих добавок: щелочных и щелочно-земельных элементов (цезия, рубидия, калия, натрия, бария и др.), снижающих поверхностное натяжение.
Благодаря этому при сварке в углекислом газе па прямой полярности обеспечивается струйный перенос электродного металла. Активирующие добавки или вводят в состав проволоки, или наносят на ее поверхность. Для уменьшения прилипания капель к деталям горелки и поверхности свариваемого изделия иногда применяют противопригарные смазки, например, алюминиевую пудру, замешанную на жидком стекле, или смесь циркона с жидким стеклом и др.
