МДК.04.01. Занятие №7«Аппаратура и технология сварки вольфрамовым электродом». Часть 1-я

Дуговой сваркой вольфрамовым электродом можно сваривать разные типы соединений в различных пространственных положе­ниях. Применение этого способа целесообразно для соединения металла толщиной до 5...6 мм, однако его можно использовать и для сварки металла большей толщины. Сварку выполняют без присадочного металла, когда шов формируется за счет расплавле­ния кромок, и с присадочным металлом, подаваемым в зону дуги в виде сварочной проволоки. Как правило, сварку ведут при на­пряжении дуги 22...34 В, при этом длина дуги должна быть 1,5...3 мм. Вылет конца электрода из сопла не должен превышать 3…5 мм, а при сварке угловых швов и стыковых с разделкой — 5…7 мм.

Ручную сварку металла толщиной до 10 мм выполняют «ле­вым» способом (рис. 1). Поток защитного газа должен надежно охватывать всю область сварочной ванны и разогретую часть присадочной проволоки. При уменьшении толщины свариваемо­го металла угол между горелкой и изделием уменьшают. Для свар­ки материала толщиной более 10 мм следует применять «правый» способ сварки, а угол между горелкой и изделием должен быть близок к 90°. Такое положение горелки относительно изделия ре­комендуется и при сварке угловых соединений. Проволоку вводят не в столб дуги, а сбоку, и производят ею возвратно-поступатель­ные движения при сварке тонколистового металла. При сварке многослойных швов отдельные валики рекомендуется выполнять не на всю ширину разделки. Присадочный металл по мере

Рис. 1. Схема ручной сварки вольфрамовым электродом: 1 – сопло горелки; 2 – вольфрамовый электрод; 3 – сварочная дуга; 4 – присадочный металл; v св– скорость сварки

необходимости подается в голов­ную часть сварочной ванны. Сварщик вручную контролирует перемещением сварочной горелки подачу проволоки. Количество присадочного металла, подаваемого в сварочную ванну, выбира­ют из условия обеспечения требуемой доли участия присадочно­го металла в образовании шва.

При сварке стыковых соединений без разделки кромок присадочный металл необходим в основном для создания выпуклости шва.Переход присадочного металла в сварочную ванну, минуя ду­говой промежуток, исключает его разбрызгивание. Сокращаются потери на испарение и ограничивается взаимодействие расплав­ленного металла с газами столба дуги. При сварке на постоянном токе дуга горит без треска, щелчков и жужжания.

Основной недостаток процесса — низкая производительность. Другой недостаток — необходима большая практика и высокая квалификация сварщика. К недостаткам процесса сварки неплавящимся вольфрамовым электродом, по сравнению со сваркой покрытым электродом, относится необходимость применения до­полнительных защитных мер против световой и тепловой радиа­ции дуги.

Сварка неплавящимся вольфрамовым электродом производит­ся на прямой полярности (минус на электроде). Прямая поляр­ность позволяет получить узкую сконцентрированную дугу, обес­печивающую глубокое проплавление и большую скорость сварки. Электрод получает меньшую часть тепловой энергии дуги и будет иметь меньшую температуру, чем при сварке на переменном токе или при сварке на обратной полярности, что, в свою очередь, по­зволяет уменьшить диаметр вольфрамового электрода и снизить расход защитного газа.

При обратной полярности поток электронов также движется от отрицательного электрода к положительному, но в данном случае — от изделия к электроду. Следовательно, больше теплоты сконцентрировано в дуге около вольфрамового электрода. По­скольку электрод получает значительно больше теплоты при свар­ке на обратной полярности, чем на прямой, для предотвращения перегрева электрода приходится использовать электроды увели­ченного диаметра и уменьшать сварочный ток. Свариваемая де­таль при сварке на обратной полярности получает меньше тепло­ты и, следовательно, получается меньшая глубина проплавления.

Некоторые цветные металлы, например алюминий и магний, быстро образуют на поверхности оксидную пленку. Прежде чем сваривать алюминий, необходимо удалить оксидную пленку, тем­пература плавления которой значительно выше температуры плавления основного металла. Удаление оксидной пленки может производиться механически, например щетками, или химически — травлением, но как только пленка удалена, металл тут же снова начинает окисляться, затрудняя сварку.

Оксидную пленку с поверхности металла во время сварки на обратной полярности может удалять сама дуга. Положительно заряженные ионы, которые, двигались от основного металла из­делия к электроду при сварке на прямой полярности, теперь дви­гаются от электрода к изделию. Ударяясь с достаточной силой о поверхность изделия, они дробят и расщепляют хрупкую оксид­ную пленку, тем самым очищая поверхность.

Очищающее действие дуги при сварке на обратной полярно­сти наилучшим образом подходит для сварки алюминия, магния и их сплавов.

Основным требованием для зажигания и горения дуги являет­ся ионизация газа в дуговом промежутке. Ионизированный газ является хорошим проводником электрического тока. Ионизацией называется процесс, при котором из нейтральных атомов и моле­кул образуются положительные и отрицательные ионы. В обыч­ных условиях воздух, как и все газы, обладает слабой электропро­водностью. Это объясняется малой концентрацией свободных электронов и ионов, поэтому для того, чтобы вызвать в воздухе или газе мощный электрический ток, т.е. электрическую дугу, необходимо ионизировать воздушный промежуток (или другую газообразную среду) между электродами.

Ионизацию можно произвести, если приложить к электродам высокое напряжение, тогда имеющиеся в газе (в малом количе­стве) свободные электроны будут разгоняться электрическим по­лем и, получив большие энергии, смогут разбить нейтральные атомы и молекулы на ионы.

При сварке в защитном газе теплоты, выделяемой дугой, дос­таточно для ионизации газа. Однако при сварке на переменном синусоидальном токе при переходе тока через нулевое значение теплоты, выделяемой дугой, становится недостаточно, и она гас­нет. Для устранения этого явления при сварке на переменном синусоидальном токе и для начального зажигания дуги без корот­кого замыкания электрода на деталь применяют осцилляторы. Они представляют собой источники высокого напряжения и вы­сокой частоты, способные вызывать искровой разряд между элек­тродом и деталью. Для пробоя межэлектродного промежутка дли­ной 1 мм в воздухе требуется напряжение около 1...3 кВ.

Как правило, при сварке на переменном токе длина дуги дол­жна быть равна диаметру электрода. При сварке на постоянном токе прямой полярности заостренным концом электрода длина дуги может быть значительно меньше диаметра электрода.

Для того чтобы обеспечить нужный газовый охват зоны свар­ки, выходной диаметр сопла должен быть не менее трех диамет­ров вольфрамового электрода.

Вылет электрода — это расстояние, на которое выступает из сопла вольфрамовый электрод. Электрод может выступать из тор­ца сопла, но не более выходного диаметра сопла. При большем вылете появляется вероятность прикосновения к сварочной ван­не, сварочной проволоке, подаваемой сварщиком, или к боковой поверхности углового шва. Общее правило — начинать сварку нужно с вылета, равного одному диаметру электрода. При свар­ке корня стыковых и угловых швов вылет электрода увеличивают.

Зажигание дуги. Современные установки позволяют произво­дить контактный высокочастотный поджиг дуги и контактное за­жигание дуги. Бесконтактное зажигание дуги производится при сварке на переменном токе, контактное — на постоянном токе.

Для бесконтактного зажигания дуги необходимо приблизить электрод горелки к детали, но не касаться его; нажать кнопку включения триггера (при этом произойдут ионизация дугового промежутка и возбуждение дуги). Если в течение 1 с дуга не за­горится, то электронная схема отключит осциллятор. Отпустив кнопку триггера и повторно нажав ее, будет сделана вторая по­пытка возбуждения дуги. В большинстве случаев возбуждение дуги облегчается, если прикоснуться краем сопла к изделию.

При контактном зажигании дуги электрод приближается к де­тали в месте начала сварки и на 1...2 с слегка касается поверхно­сти детали; при этом происходит разогрев заостренного конца электрода. Затем электрод медленно приподнимается вверх. Разогретый конец вольфрамового электрода является хорошим ис­точником электронов. Происходят ионизация дугового промежут­ка и возбуждение дуги. Дуга формируется, когда электрод поднят.

Режим контактного зажигания имеет ограничение сварочного тока при касании электродом изделия. Эго предохраняет вольф­рамовый электрод от перегрева и прилипания, а металл сварного шва — от загрязнения.

Описанный метод контактного зажигания дуги требует опреде­ленного навыка. Более простой метод представлен на рис. 2.

Рис. 2. Контактное зажигание дуги: 1... 4 – последовательность действий

Для зажигания дуги нужно слегка прикоснуться к изделию (1) и на­жать на кнопку триггера; при этом начнет подаваться защитный газ и небольшой ток пойдет через электрод. Затем следует мед­ленно наклонить горелку так, чтобы сопло коснулось изделия (2), и продолжить наклон, чтобы электрод оторвался от изделия; дуга зажигается (3). После этого надо приподнять горелку; ток подни­мется до заданного уровня в течение заданного времени нараста­ния (4).

Получение сварного шва. После того как загорится дуга, нуж­но держать горелку перпендикулярно поверхности изделия и со­вершать небольшие круговые движения, пока не сформируется сварочная ванна. После того как сформируется сварочная ванна необходимого размера, следует наклонить горелку под углом 75° к поверхности изделия и начать медленно и равномерно переме­щать ее вдоль сварного шва. Скорость перемещения выбирается такой, чтобы сварочная ванна все время оставалась яркой и жид­кой. Никаких колебаний или других перемещений, кроме устой­чивого движения вперед, производить не следует.

Затем переместить горелку на задний край сварочной ванны и добавить металл присадочной проволоки быстрым касанием про­волокой внешнего края сварочной ванны. Присадочную проволо­ку нужно держать под углом 15° к поверхности детали.

После этого нужно удалить присадочную проволоку и переме­стить дугу на внешний край сварочной ванны. Когда сварочная ванна вновь станет яркой и жидкой, следует повторить операцию по добавлению присадочного металла. Высота и ширина валика сварного шва зависит от скорости сварки (продольного поступа­тельного движения), поперечного перемещения горелки и количе­ства присадочного металла, вводимого в сварочную ванну.

В процессе сварки горячий конец присадочной проволоки не должен выходить из зоны охвата защитного газа. После прекра­щения сварки еще некоторое время в среде инертного газа дол­жны находиться не только электрод и сварочная ванна, но и го­рячий конец присадочной проволоки.

Сварка стыкового шва без разделки кромок в нижнем поло­жении. Сварку стыкового шва в нижнем положении производят по описанной методике (получение сварного шва). При выполне­нии сварки необходимо следить, чтобы дуга все время располага­лась по линии стыка. Скорость сварки выбирают такой, чтобы получить нужную глубину проплавления. Заканчивая шов, чтобы заварить кратер, нужно уменьшить угол наклона горелки и дать больше присадочного металла.

Сварка соединения внахлестку в нижнем положении. Возбу­див дугу, нужно сформировать сварочную ванну так, чтобы она перекрывала торец верхнего листа и поверхность нижнего листа, образуя равносторонний треугольник. Поскольку расплавленная поверхность края верхнего листа стремится стечь с образовани­ем подреза, очень важно подобрать правильный угол наклона го­релки. Присадочная проволока подается в передний край свароч­ной ванны через каждые 5...6 мм в количестве, достаточном для образования полнопрофильного шва. Заканчивать сварной шов, чтобы не было кратера, следует так же, как и в случае стыково­го соединения.

Сварка углового шва таврового соединения в нижнем поло­жении. При сварке следует учитывать, что боковая (вертикаль­ная) поверхность нагревается сильнее и быстрее начинает пла­виться. Угол наклона горелки должен быть таким, чтобы большая часть теплоты приходилась на горизонтальную поверхность. Для того чтобы держать короткую дугу и иметь возможность для про­вара корня шва, необходимо увеличить вылет электрода. Приса­дочную проволоку подают на край сварочной ванны в точку, где начинается плавление металла. Корректировка в процессе сварки угла наклона горелки и размещения присадочной проволоки по­могает избежать подрезов. Кроме того, впадина сварочной ванны во избежание вогнутости шва должна заполняться присадочной проволокой.

Сварка углового соединения в нижнем положении и «в ло­дочку». Выполнение шва «в лодочку» рассмотрим на примере сварки обратной стороны углового стыка в нижнем положении. Оба края примыкающих деталей должны плавиться, а сварочная ванна должна проходить по средней линии; присадочный металл добавляют в количестве, достаточном для получения выпуклого шва. При сварке тонких материалов можно обходиться без при­емного материала, сплавляя кромки стыкуемых деталей.

В процессе сварки, независимо от типа соединения и его по­ложения в пространстве, все внимание должно быть сконцентри­ровано на сварочной ванне. Сварочная ванна — это зона, в кото­рой происходит расплавление и слияние металлов. Управление сварочной ванной и глубиной проплавления имеет первостепен­ное значение при сварке в любом пространственном положении.

Правила для выполнения качественного соединения в любом пространственном положении остаются теми же, что и при свар­ке в нижнем положении. Основные правила: чистота свариваемой поверхности, хорошая сборка под сварку, предварительный на­грев, если он требуется, достаточный поток защитного газа и правильно выбранный сварочный ток. Кроме того, при сварке (кроме нижнего положения) следует использовать большой сва­рочный ток и наплавлять большой валик сварного шва. Направ­лять дугу следует так, чтобы не допускать перегрева свариваемых деталей. Перегрев приводит к свисанию металла шва или прожо­гу. Формирование валика сварного шва и порядок действий по до­бавлению присадочного металла необходимо выполнять правиль­но, чтобы гарантировать полное слияние между порциями добав­ленного металла.

Сварка в горизонтальном положении. При сварке в горизон­тальном положении зажигать дугу нужно на краю стыка. Затем следует спозиционировать горелку (наклон от горизонтали вниз — 15°, отклонение назад (от направления сварки) — 15°).

После того как сварочная ванна сформирована, нужно подвести сварочную проволоку на внешний край сварочной ванны к верху детали, затем переместить горелку по ходу сварки (рис. 3). Правильно выбранная длина дуги с соответствующей ей скоростью сварки предотвратит прожоги и сквозное плавление.

Рис. 3. Сварка в горизонтальном положении: 1 – горелка; 2 – присадочная проволока; 3 – шов 4 – свариваемые детали

Рис. 4. Положение горелки 1 и присадочной проволоки 2 при сварке в вертикальном положении

Сварка в вертикальном положении. При сварке в вертикаль­ном положении снизу вверх сварка начинается внизу соединения с добавлением присадочного металла сверху. Необходимо попытаться создать «полочку» и с каждым прикосновением сварочной проволокой поднимать ее выше и выше. Все время должна быть площадка для наложения следующей порции присадочного метал­ла. Если сварной шов широкий, то создают «полочку» сначала с одной стороны шва, затем с другой и соединяют их перемычкой.

При сварке стыкового шва с разделкой кромок нужно увели­чить вылет электрода, а торец сопла может опираться на край шва. Горелкой совершаются небольшие колебания вверх и вниз. Эта техника сварки способствует устойчивости руки, но затруд­няет наблюдение за сварочной ванной.

При сварке сверху вниз используют поверхностное натяжение расплавленного металла и давление дуги, заставляющей держать расплавленный металл в сварочной ванне. Сварка сверху вниз в вертикальном положении применяется преимущественно для сварки тонкого металла. На рис. 4. показано положение горелки и присадочной проволоки при сварке в вертикальном положении.

Сварка в потолочном положении. Сварка в потолочном поло­жении наиболее трудная. Как и при сварке в вертикальном поло­жении, сила тяжести, заставляющая вытекать расплавленный металл из сварочной ванны, усложняет сварку.

В отличие от сварки снизу вверх в вертикальном положении, когда можно создать «полочку» и, постепенно ее наращивая, по­лучать сварной шов, при сварке в потолочном положении прихо­дится полагаться только на поверхностное натяжение расплавлен­ного металла сварочной ванны, давление дуги и комбинацию уменьшения сварочного тока и скорости сварки.

При сварке стыковых швов без разделки кромок и угловых швов в потолочном положении можно увеличить вылет электро­да и опираться торцом сопла горелки об одну или обе стороны стыка. В процессе сварки сварщик может опираться несколькими пальцами руки или всей рукой, держащей горелку или присадоч­ную проволоку, на поверхность свариваемой детали, чтобы при­дать устойчивость руке.

Уровень тепловложения в сварочную ванну при сварке в пото­лочном положении чрезвычайно важен. Тепло вложение в свар­ной шов должно быть меньше, чем при сварке в горизонтальном и нижнем положении, т.е. необходимо уменьшить сварочный ток на 5...10%.

Это дает меньший размер сварочной ванны и тем са­мым предотвращает вытекание и падение из сварочной ванны расплавленного металла сварного шва. Кроме того, меньшая сва­рочная ванна является более управляемой. Поток же защитного газа, наоборот, нужно увеличить. На рис. 5. показано положение горелки и присадочной проволоки при сварке в потолочном положении. Несомненно, сварка в потолоч­ном положении очень трудна и утомительна для сварщика, поэто­му процесс сварки медленный и долгий. Большинство неопытных сварщиков считают сварку в потолочном положении неудобной, поэтому при сварке в потолочном положении желательно принять комфортную позу. Эго поможет держать горелку устойчиво, ров­но и манипулировать присадочной проволокой.

Рис. 5. Положение горелки и присадочной проволоки при сварке в вертикальном положении: 1 – шов; 2 – присадочная проволока; 3 – горелка; 4 – свари­ваемые детали

Вопросы и задания

1. Выполните таблицу следующей формы: