Дуговая сварка в среде защитных газов является одним из широко применяемых технологических процессов в машиностроении.
Сущность процесса сварки в среде защитных газов неплавящимся и плавящимся электродами схематично показана на рис. 204. В первом случае электрическая дуга возбуждается между вольфрамовым или угольным электродом 1 и основным металлом 2 и горит в среде защитного газа 3. Для заполнения разделки в дугу подается присадочная проволока 4.
Рис. 204. Схема процесса сварки в среде защитных газов: а — неплавящимся электродом; б — плавящимся электродом.
При сварке плавящимся электродом электрическая дуга горит в среде защитного газа 3 между сварочной проволокой 1 и основным металлом 2. Проволока подается механически с постоянной скоростью или переменной, зависящей от напряжения дуги.
Установка для сварки в среде защитных газов состоит из источника тока, сварочног автомата и полуавтомата, набора газоэлектрических горелок, очистителя и баллонов с газами. Принципиальные схемы сварочных постов показаны на рис. 205.
Рис. 205. Принципиальные схемы постов для сварки в среде защитных газов: а — схема поста с питанием дуги постоянным током; б — схема поста с очисткой и осушкой газов; в— схема поста с питанием дуги переменным током; 1 — источник сварочного тока; 2— дроссель — регулятор тока; 3— осциллятор; 4 — реостат; 5 — горелка; 6 — амперметр; 7 — вольтметр; 8 — редуктор; 9 — расходомер; 10 — газовый баллон; 11 — осушитель газа; 12 — очиститель газа.
Газоэлектрические горелки для сварки в среде защитных газов разделяются на малые (ток 120 а), средние (ток до 240 — 400, и тяжелые (ток до 400 — 600 а). Горелки предназначаются для крепления электрода, подведения к нему сварочного тока, регулирования расхода газа и направления струи газа. Горелки имеют воздушное или водяное охлаждение. На рис. 206 показана горелка для ручной газоэлектрической сварки неплавящимся электродом, рассчитанная на токи до 200 а.
Рис. 206. Горелка для сварки неплавящимся электродом: 1 — вольфрамовый электрод; 2 — сопло; 3 — цанга; 4 — вентиль.
Для полуавтоматической сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов применяются специальные шланговые полуавтоматы (ПШВ-1); сварочная головка полуавтомата перемещается вдоль шва, опираясь на подаваемую механически присадочную проволоку диаметром 1 — 2 мм.
Для автоматической сварки неплавящимся и плавящимся электродом в среде защитных газов применяются специальные универсальные автоматы (АРК-1 и др.). Головка автомата укреплена вращающейся консоли, что дает возможность производить сварку на нескольких рабочих местах, расположенных вокруг колонны.
В качестве защитных газов применяются чистые аргон и гелий, смеси их между собой, а также смесь с некоторыми активными газами (водородом, кислородом и углекислым газом).
Аргон— инертный газ несколько тяжелее воздуха, надежно защищает дугу и зону сварки. Дуга в аргоне горит очень устойчиво. При сварке алюминиевых сплавов на переменном или постоянном токе обратной полярности происходит разрушение окисной пленки на поверхности металла.
Гелий — инертный газ в 10 раз легче воздуха. Расход гелия при сварке превышает расход аргона на 30 — 40%. При одном и том же сварочном токе дуга в гелии имеет большую тепловую мощность, чем в аргоне, и, следовательно, обладает большей проплавляющей способностью.
Аргоно-гелиевая смесь повышает устойчивость горения дуги и ее тепловую мощность.
При сварке в аргоно-кислородной смеси (95 — 97% Аr и 5º — 3%О2) понижается так называемый критический ток, при котором электродный металл начинает переходить в сварочную ванну не в виде отдельных капель, а в виде конической струи. Кроме того, повышается плотность наплавленного металла и увеличивается скорость сварки. Применение аргоно-водородной смеси (85% Аr + 15% Н2) позволяет увеличить напряжение на дуге, повысить ее тепловую мощность и способствует повышению чистоты и плотности металла шва. Добавление к аргону углекислого газа (90% Аr + 10% СО2) позволяет устранить пористость швов и повышает устойчивость горения дуги и улучшает формирование наплавленного металла. Аргоно-азотная смесь (80 — 70% Аr + 20 — 30% N2) применяется при сварке плавящимся электродом меди и ее сплавов.
Защитные газы хранятся и транспортируются в стандартных баллонах. Начальное давление газа в баллоне равно 150 кГ/см2. Баллоны для аргона окрашиваются в черный цвет с горизонтальной белой полосой, для гелия — в коричневый цвет, для азота — в черный цвет с коричневой полосой, для водорода — в темно-зеленый цвет. Углекислый газ хранится в жидком виде в баллонах черного цвета. Погрузка, хранение и транспортировка баллонов осуществляются в соответствии с «Правилами устройства и безопасности эксплуатации сосудов, работающих под давлением».
Для сварки в инертных газах используются электроды из чистого вольфрама, из вольфрама с добавкой 1,5 — 2% окиси тория и угольные.
Прутки из чистого вольфрама диаметром от 0,5 до 7,0 мм применяются для сварки переменным током. При сварке постоянным током прямой полярности применяются торированные электроды марки ВТ-15. Эти электроды в процессе сварки не оплавляются, благодаря чему сокращается расход вольфрама. Кроме того, введение тория повышает устойчивость дуги.
Выбор рода тока зависит от свариваемого материала и от того, каким электродом производится сварка. Для сварки плавящимся электродом обычно применяют постоянный ток обратной полярности. При сварке неплавящимся электродом применяется переменный и постоянный ток. Для надежного возбуждения дуги переменного тока источник питания должен иметь повышенное напряжение холостого хода (200 ÷ 300 в). При сварке неплавящимся электродом постоянным током прямой полярности дуга отличается высокой устойчивостью.
Малоуглеродистые стали (кипящие и спокойные) и низколегированные свариваются неплавящимся электродом переменным током или постоянным прямой полярности, а плавящимся — постоянным током обратной полярности. Для сварки малоуглеродистых сталей применяется присадочная проволока, содержащая в качестве раскислителей марганец, кремний и титан (Св-08ГС, Св-10СМТ).
Для сварки низколегированных сталей используется присадочная проволока, близкая по составу к основному металлу (Св-18ХМА или Св-18ХГСА для сталей 25XГСА и 30ХГСА).
Нержавеющие и жаропрочные сплавы благодаря наличию в них большого количества легирующих элементов являются хорошо раскисленными. Механические свойства сварных соединений этих сплавов весьма высокие. Сварка вольфрамовым электродом производится переменным и постоянным током прямой полярности. Присадочная проволока выбирается по металлургическим и технологическим свойствам, например сталь 1Х18Н9Т сваривается на теплоотводящих медных подкладках с применением присадочной проволоки Св-06Х 19Н9Т.
Алюминиевые сплавы свариваются неплавящимся электродом без присадочного металла и с присадочным металлом переменным током и плавящимся электродом постоянным током обратной полярности. Применяемые в сварных конструкциях деформируемые алюминиевые сплавы делятся на неупрочняемые термической обработкой (алюминий марки АД1, сплав АМц и АМгЗ) и упрочняемые термической обработкой (сплав марки АД31, АВ и др.). При сварке сплавов в упрочненном состоянии металл около шва разупрочняется и для восстановления его механических свойств после сварки необходима термическая обработка. При сварке этих сплавов присадочная проволока должна соответствовать по составу основному металлу. Перед сваркой требуется очистка поверхности деталей от загрязнений и окисной пленки
Магниевые сплавы хорошо свариваются неплавящимся электродом переменным током. Свариваемые детали подвергаются очистке и удалению окисной пленки. Швы выполняются на подкладках короткой дугой (1 — 2 мм) с наибольшей возможной скоростью. B качестве присадочного материала применяются полоски из основного металла или специальные прутки.
Сварка меди и ее сплавов выполняется постоянным током прямой полярности. Присадочным материалом служит основной металл. Перед сваркой детали подогреваются до температуры 550°С.
Сварка циркония, тантала, ниобия и титана выполняется переменным и постоянным током неплавящимся и плавящимся электродом. Перед сваркой этих сплавов требуется тщательно очистить поверхность деталей от загрязнений и удалить окисную пленку. Швы сваривают на подкладках, служащих для ограничения доступа воздуха под швом, или применяют поддув снизу инертного газа. Присадочным материалом является основной материал.
Типы соединений при сварке в защитных газах приведены в табл. 7.Полуавтоматическая сварка листов малой толщины плавящимся электродом обычно выполняется «углом назад» или «углом вперед» (рис. 207, а и б). Углы наклона горелки по отношению к детали при сварке соединений втавр и внахлестку показаны на рис. 207, в и г. На качество сварки влияет величина вылета электрода. Номинальные вылеты стальной проволоки в зависимости от ее диаметра приведены в табл. 8.
Рис. 207. Схемы сварки в среде защитных газов.Режимы сварки плавящимся электродом в среде инертных газов определяются типом соединения, толщиной и родом материала.
Ниже приведены примеры применения механизированной и автоматической сварки в среде инертных газов.
Пример 1. Механизированная сварка неповоротных стыков труб из нержавеющей стали в среде инертных газов неплавящимся электродом. Диаметр трубы 58 мм, толщина стенки 5 мм, диаметр присадочной проволоки и вольфрамового электрода от 1,6 до 2 мм. Сварка производилась в три слоя постоянным током прямой полярности. Средние значения тока 165 — 180 а. Скорость сварки 13,5 м/час, общий расход газа 24 — 30 л/мин. Схема формирования шва показана на рис. 207, д.
Пример 2. Автоматическая сварка неповоротного стыка трубы из той же стали, что в примере 1 в среде инертных газов плавящимся электродом. Диаметр трубы 63 мм, толщина стенки 5 мм, угол разделки кромок 55°, притупление 0,2 — 0,5 мм, зазор 0,2 — 0,7 мм. Сварка производится в два слоя за два полуоборота (рис 207, е, слева) или за один полуоборот (справа). Индексами Н и К обозначены соответственно начало и конец швов. Сварочный ток 210 а, напряжение на дуге 23 — 25 в, скорость сварки 60 м/час, вылет электрода 10 мм, расход газа 13 л/мин. Схема формирования шва показана рис. 207, ж.
К разновидностям дуговой сварки в среде инертных газов относятся точечная сварка вольфрамовым электродом и полуавтоматическая сварка электрозаклепками плавящимся электродом. В первом случае соединение получается в результате сквозного проплавления верхнего листа. Этим способом свариваются малоуглеродистые и нержавеющие стали, а также титановые сплавы. Сварка точками производится на постоянном токе прямой полярности нитрованным вольфрамовым электродом в любых пространственных положениях, что особенно важно в монтажных условиях. При сварке электрозаклепками полуавтоматическая установка-дополнительно оснащается системой, обеспечивающей возможность регулирования дуги и периодическую подачу электродной проволоки на заданную длину. Электрозаклепками свариваются на постоянном токе прямой полярности стальные листы внахлестку, втавр и встык.
В качестве сварочного оборудования используются так называемые сварочные пистолеты, служащие для закрепления электрода, подачи газа, возбуждения и поддержания горения дуги.
Дуговая сварка в углекислом газе выполняется на полуавтоматических и автоматических установках плавящимся и неплавящимся (угольным или графитовым) электродом. Этим методом удовлетворительно свариваются большинство сталей. Сварка в углекислом газе экономична и характеризуется высокой производительностью.
Сущность процесса сварки (автоматической и полуавтоматической) состоит в том, что дуга, возбужденная между электродом и изделием, горит в струе подаваемого через горелку углекислого газа. Под воздействием тепла дуги углекислый газ диссоциирует с образованием активного атомарного кислорода и окиси углерода. Двуокись углерода и окись углерода не растворяются в сварочной ванне. Окислительное действие углекислого газа нейтрализуется путем применения малоуглеродистой сварочной проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния (Св-08ГС, Св-10Г2С). Сварка аустенитных сталей производится электродной проволокой близкой по составу к основному металлу.
Схема поста полуавтоматической сварки в среде защитит газов показана на рис. 208.
Рис. 208. Схемы поста для сварки в углекислом газе: 1 — баллон с жидкой углекислотой; 2 — вентиль; 3 — предредукторный осушитель газа; 4 — подогреватель газа; 5 — редуктор; 6 — регулятор давления (расхода) углекислого газа; 7 — электромагнитный клапан; 8 — реле давления; 9— резиновый рукав для, подачи газа; 10 — газоэлектрическая горелка; 11 — подающий механизм; 12 — шкаф распределительного устройства.
Параметрами режима сварки в углекислом газе являются род, полярность и величина сварочного тока, диаметр электродной проволоки, напряжение дуги, скорость сварки и подачи проволоки и расход газа. Сварка производится постоянным током прямой и обратной полярности, а также переменным током с осциллятором. В качестве источников тока применяются стандартные и специально переоборудованные агрегаты с жесткой или возрастающей характеристикой. Сварка на повышенных режимах (большой ток и напряжение) способствует стабилизации дуги, уменьшению разбрызгивания металла, увеличению глубины проплавления кромок и производительности процесса.
Газоэлектрические горелки имеют водяное охлаждение (токи до 300 а) и воздушное (токи до 200 а). На рис. 209, а показана схема горелки для сварки в углекислом газе с водяным охлаждением.
Рис. 209. Схемы: а — горелки для сварки в углекислом газе; 1 — токопроводящая трубка; 2 — изоляционная шайба; 3 — сменный наконечник; 4 — каналы охлаждающей воды; 5 — сменное газовое сопло; б — положение горелки при автоматической сварке угловых швов: в — положения и перемещения горелки при полуавтоматической сварке угловых швов; г — сечения трубчатых электродов: 1 — металлическая оболочка; 2 — порошковая набивка.
Сварка в углекислом газе выполняется во всех пространственных положениях. При полуавтоматической и автоматической сварке требуется выдерживать определенный вылет электрода, который в зависимости от диаметра проволокиимеет значения, приведенные в таблице 9.Сварка стыковых швов автоматами выполняется в нижнем положении при вертикальном положении электрода, а сварка угловых швов производится, как показано на рис. 209, б. Полуавтоматическая сварка стыковых швов выполняется с наклоном электрода «углом назад» или «углом вперед», а сварка угловьш швов — по схеме, показанной на рис. 209, в.
К разновидностям сварки в углекислом газе относятся сварка электрозаклепками и сварка трубчатым электродом. При сварке электрозаклепками в отличие от сварки под флюсом отпадает необходимость в засыпке и уборке флюса, создается возможность сварки металла большой толщины. Кроме того, сварные швы при сварке в углекислом газе менее чувствительны к ржавчине.
Трубчатые электроды заполняются порошкообразными компонентами (раскисляющими, легирующими, шлакообразующими и ионизирующими). Этими электродами с защитой углекислым газом можно сваривать некоторые легированные стали на более высоких режимах (большой ток и напряжение), чем стандартной проволокой. Трубчатые электроды по сечению делятся на: простые цилиндрические и желобчатые (рис. 209, г).
Для соединения материала небольшой толщины применяется сварка неплавящимся электродом в смеси газов (25% Аr + 75%СО2). Подача газов производится к месту сварки раздельно. Аргон в данном случае предохраняет вольфрамовый электрод от окисления углекислым газом.
