Дуговая сварка в защитных газах

Способы электродуговой сварки в защитных газах в настоящее время являются основными при изготовлении и сборке-сварке различных деталей и агрегатов ЛА.

Сущностью и отличительной особенностью этого вида дуговой сварки является защита расплавленного и нагретого до высокой температуры основного металла от вредного влияния воздуха защитными газами.

Защитные газы изолируют сварочную дугу и металл сварочной ванны от вредного воздействия окружающей среды. Используются инертные (Аr, Не) и активные (СO₂, N₂, H₂) газы, а также их смеси.

Инертные газы применяют для сварки химически активных металлов (титан, алюминий, магний и др.), а также во всех случаях, когда необходимо получать сварные швы, однородные по химическому составу с основным и присадочным металлом (например, при сварке высоколегированных сталей). Инертные газы обеспечивают защиту дуги и свариваемого металла, не оказывая на него металлургического воздействия. Активные защитные газы, в отличие от инертных, вступают в химическое взаимодействие со свариваемым металлом, растворяются в нем и оказывают на него металлургическое воздействие. Основным активным газом, используемым для защиты зоны сварки, является углекислый газ (CO₂). Смеси газов в ряде случаев обладают лучшими технологическими свойствами, чем отдельные газы. Например, смесь углекислого газа с кислородом (2...5%) способствует мелкокапельному переносу металла, уменьшению разбрызгивания (на 30...40%), улучшению формирования шва. Применение смеси из 70% Не и 30% Аr позволяет увеличивать производительность при сварке алюминия, улучшает формирование шва и позволяет сваривать за один рабочий ход металл большей толщины.

На рис.2.9 представлена схема дуговой сварки в среде защитных газов.

Электрическая дуга 1 возбуждается между вольфрамовым электродом 2 и свариваемым изделием 3 и защищается от окружающей атмосферы струей газа (как правило, аргона) 4, подаваемого через сопло 5 сварочной горелки (рис.2.9 а) Вольфрамовый электрод находится внутри сопла горелки, что обеспечивает его охлаждение струей защитного газа и повышение стойкости против термического разрушения. Формирование металла шва может происходить как за счет оплавления кромок соединяемых деталей, так и за счет дополнительного введения в зону сварочной дуги присадочной проволоки. Защитный газ начинают подавать за 10...15 с до начала сварки. Электрическая дуга возбуждается кратковременным разрядом тока высокой частоты и напряжения с помощью осциллятора. По окончании сварки дугу обрывают постепенно для заварки кратера. Для защиты охлаждающегося металла подачу газа прекращают через 10... 15 с после выключения сварочного тока.

В ряде случаев с целью экономии инертных газов, а также по­вышения технологических свойств защитной среды применяют горелки, конструкция которых обеспечивает комбинированную защиту двумя концентрическими потоками различных газов (рис.2.9 б). Например, внутренний поток 1 образуется аргоном, а внешний 2 углекислым газом. При сварке высокоактивных металлов (Ti, Zr, Та, W, Mo, Nb) необходимо защищать не только расплавленный металл, но и зону соединения, нагревающуюся при сварке до температуры более 300°С. Для этого применяют дополнительный насадок 1 (рис.2.9 в) с распреде­лительной сеткой 2 для выхода защитного газа по длине шва. Наиболее эффективная защита металла шва и зоны термического влияния обеспечивается при сварке в камерах с контролируемой атмосферой. Камеры предварительно вакуумируются, а затем заполняются защитным газом (как правило, инертным) под небольшим давлением.

Аргонодуговая сварка - это процесс дуговой сварки, при котором в качестве защитного газа используется аргон. Применяют аргонодуговую сварку неплавящимися вольфрамовым или плавящимся электродами. В качестве плавящихся электродов используют сварочные проволоки, по химическому составу соответствующие свариваемым материалам.

Неплавящиеся электроды служат для возбуждения и поддержания горения сварочной дуги. Используют вольфрамовые электроды (стержни). Для повышения устойчивости горения дуги, стойкости электрода и его эмиссионной способности в состав вольфрамового электрода вводят обычно 1,5…3% окислов активирующих редкоземельных металлов (тория, лантана, иттрия).

Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродомможет быть ручной и автоматической, с подачей и без подачи присадочной проволоки. Процесс применяется главным образом для металлов толщиной не более 5 мм. Большинство материалов сваривают на постоянном токе прямой полярности, а сварку алюминия, магния бериллия и ряда высоколегированных сталей - на переменном токе.

При сварке на прямой полярности (минус на электроде) создаются лучшие условия для термоэлектронной эмиссии, обеспечивается достаточно высокая стойкость вольфрамового электрода и используются большие сварочные токи. Сварочная дуга при прямой полярности легко возбуждается и горит устойчиво при напряжении 10…15 В в широком диапазоне сварочных токов.

При обратной полярности (минус на изделии) возрастает напряжение на дуге, уменьшается устойчивость ее горения, резко уменьшается стойкость вольфрамового электрода против термической эрозии, повышается температура его нагрева и расход. Однако сварочная дуга при обратной полярности обладает важными и положительными технологическими свойствами. При ее воздействии на свариваемый металл с его поверхности легко удаляются окислы и загрязнения. Это объясняется тем, что при обратной полярности поверхность свариваемого металла бомбардируется тяжелыми положительно заряженными ионами аргона, которые, перемещаясь под действием электрического поля от плюса (электрод) к минусу (изделие), разрушают окисные пленки на поверхности свариваемого металла, а выходящие с катода (поверхности изделия) электроны способствуют удалению разрушенных окисных пленок. Этот процесс разрушения и удаления окисной пленки с поверхности свариваемого металла называется катодным распылением. Данное свойство сварочной дуги обратной полярности используют при сварке Al, Be, Mg и их сплавов, на поверхности которых всегда присутствуют химически активные и механически прочные окисные пленки.

Следует отметить, что при сварке на постоянном токе обратной полярности стойкость вольфрамового электрода против термической эрозии и разрушения недостаточна, поэтому сварку Al, Be, Mg и их сплавов чаще ведут на переменном токе. При этом разрушение и удаление окисной пленки, т.е. процесс катодного распыления, происходит в те полупериоды, когда свариваемое изделие является катодом. Таким образом, при сварке неплавящимся электродом на переменном токе в определенной степени реализуются преимущества дуги прямой и обратной полярности, т.е. обеспечиваются и стойкость вольфрамового электрода, и разрушение окисных пленок.

Аргонодуговая сварка плавящимся электродом применяется для сварки цветных металлов (Al, Mg, Cu, Ti и их сплавов) и легированных сталей. Этот вид сварки является механизированным, её выполняют на автоматах и полуавтоматах. Сварка в защитных газах плавящимся электродом осуществляется, как правило, на постоянном токе обратной полярности, что позволяет максимально использовать теплоту сварочной дуги и увеличить глубину проплавления на единицу сварочного тока. К основным параметрам режима сварки плавящимся электродом относятся: сила тока, его полярность, напряжение на дуге, диаметр и скорость подачи электродной проволоки, состав и расход защитного газа, скорость сварки. Сварочный ток, сила которого определяет размеры шва и производительность процесса, зависит от диаметра проволоки и устанавливается в соответствии со скоростью её подачи.

Механизированную сварку выполняют обычно при меньшей силе тока, чем автоматическую. Сварку плавящимся электродом можно выполнять в различных пространственных положениях, используя проволоку диаметром до 2 мм. Сварка швов, расположенных в нижнем положении, выполняется проволокой диаметром 1,2...3,0 мм.

Отличительной особенностью сварки в углекислом газе плавящимся электродом является необходимость применения электродных проволок с повышенным содержанием элементов-раскислителей (кремния и марганца), компенсирующих их выгорание в зоне сварки и предотвращающих дополнительное окисление металла шва и образование в нем пор. Для углеродных сталей в основном используют сварочные проволоки марок Св-10ГС, Св-08Г2С. Причины возможного окисления и образования пор при сварке в углекислом газе следующие. Под действием теплоты сварочной дуги углекислый газ диссоциирует с образованием атомарного кислорода по реакции:

СО₂↔СО+О; СО↔С+О

Атомарный кислород окисляет железо и легирующие элементы, содержащиеся в стали

Fe(Me)+O→FeO (Ме_mО_n)

В результате этого металл сварочной ванны насыщается кислородом, а его свойства ухудшаются. При охлаждении расплавленного металла углерод, содержащийся в стали, окисляясь, способствует образованию окиси углерода по реакциям:

С+О→СО; FeO+C→Fe+CO

Образующийся при кристаллизации металла шва углекислый газ выделяется в виде пузырьков, часть из которых, не успевая покинуть металл сварочной ванны, остается в металле шва, образуя поры.

В том случае, если сварочная проволока легирована кремнием и марганцем, окислы железа раскисляются не за счет углерода, а в основном за счет этих элементов, в результате чего предотвращается образование окиси углерода и образование пор. Разложение окислов железа идет по реакциям:

[FeO]+[Si; Mn]→[Fe]+[SiO₂; MnO]

Окислы SiO₂ и MnO в виде шлака скапливаются на поверхности сварочной ванны, а после её кристаллизации - на поверхности металла шва.

Сварка в углекислом газе характеризуется высокой производительностью и низкой стоимостью. К недостаткам её относятся: повышенное разбрызгивание расплавленного металла и не всегда удовлетворительный внешний вид сварного шва.

Основные преимущества сварки в защитных газах:

• высокая производительность (примерно в 1,5...2 раза выше, чем при автоматической дуговой сварке под флюсом) за счет использования большой плотности тока на единицу поперечного сечения электродной проволоки и отсутствия необходимости зачистки поверхности шва от шлака;

• высокое качество шва за счет надежной защиты зоны сварки от взаимодействия с окружающей средой;

• возможность сварки в различных пространственных положениях, получение соединений практически любой формы и конфигурации;

• узкая зона термического влияния и относительно небольшие деформации изделий ввиду высокой концентрации теплоты сварочной дуги;

• возможность сварки металлов различной толщины (от долей миллиметра до десятков миллиметров);

• широкие возможности механизации и автоматизации процесса сварки;

• возможность наблюдения и корректирования процесса сварки.

Недостатками сварки в защитных газах является открытая дуга, что повышает возможность поражения оператора-сварщика световым излучением, и необходимость защиты зоны сварки от сквозняков (при местной защите), что осложняет применение этого способа сварки в монтажных условиях на открытом воздухе.