Дуговая сварка в инертных газах

Обновлено: 20.09.2024

Защитные газы и их влияние на технологические свойства дуги

В качестве защитных газов при дуговой сварке плавлением ТИГ и МИГ/МАГ применяют инертные газы, активные газы и их смеси. Защитный газ выбирают с учетом способа сварки, свойств свариваемого металла, а также требований, предъявляемых к сварным швам.

Инертными называют газы, не способные к химическим реакциям и практически не растворимые в металлах. Поэтому их целесообразно применять при сварке химически активных металлов и сплавов на их основе (алюминий, алюминиевые и магниевые сплавы, легированные стали различных марок). При сварке ТИГ и МИГ/МАГ используются такие инертные газы как аргон (Ar), гелий (He) и их смеси.

Активными защитными газами называют газы, способные защищать зону сварки от доступа воздуха и вместе с тем химически реагирующие со свариваемым металлом или физически растворяющиеся в нем. При дуговой сварке сталей в качестве защитной среды применяют углекислый газ (СО₂). Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму этот защитный газ используют только при сварке МИГ/МАГ.

К активным газам применяемым при МИГ/МАГ также относятся газовые смеси в состав которых входят аргон (Ar), кислород (О₂), азот (N₂), водород (H₂). Готовые газовые смеси поставляются в баллонах, также они могут быть получены путем смешивания газов составляющих смесь.

Классификация способов сварки в защитных газах приведена на схеме ниже.

Свойства защитных газов

В таблице ниже приведены физические свойства защитных газов.

Краткая характеристика защитных газов

Аргон - наиболее часто применяемый инертный газ. Он тяжелее воздуха и не образует с ним взрывчатых смесей. Благодаря низкому потенциалу ионизации этот газ обеспечивает высокую стабильность горения дуги. Однако, в тоже время, низкий потенциал ионизации является причиной и низкого напряжения на дуге, что снижает тепловую мощность дуги. Будучи тяжелее воздуха, аргон обеспечивает хорошую газовую защиту сварочной ванны (но только в нижнем положении сварки). Однако он может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола. При этом снижается содержание кислорода в воздухе, что может вызвать кислородную недостаточность и удушье у электросварщика. В местах возможного накопления аргона необходимо контролировать содержание кислорода в воздухе приборами автоматического или ручного действия с устройством для дистанционного отбора проб воздуха. Объемная доля кислорода в воздухе должна быть не менее 19%.

Аргон выпускается согласно ГОСТ 10157-79 двух сортов: высшего и первого. Высший сорт рекомендуется использовать при сварке ответственных металлоконструкций из активных и редких металлов и сплавов, цветных металлов. Аргон первого сорта применяют для сварки сталей и чистого алюминия.

Гелий - бесцветный, неядовитый, негорючий и невзрывоопасный газ. Значительно легче воздуха и аргона, что понижает эффективность защиту сварочной ванны при сварке в нижнем положении, но способствует лучшей защите при сварке в потолочном положении. Гелий используется реже, чем аргон, из-за дефицитности и высокой стоимости. Однако, из-за высокого потенциала ионизации, при одном и том же значении тока дуга в гелии выделяет в 1,5-2 раза больше энергии, чем в аргоне. Это способствует более глубокому проплавлению металла и значительно повышает скорость сварки. Для сварки используется гелий трех сортов: марок А, Б и В (по ТУ 51-689-75). Применяют его в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния.

Часто используются смеси аргона и гелия, причем оптимальным составом считается смесь, содержащая 35-40% аргона и 60-65% гелия. В смеси в полной мере реализуются преимущества обоих газов: аргон обеспечивает стабильность горения дуги, гелий – высокую степень проплавления.

При сварке меди используется азот, так как он к ней химически нейтрален, т.е. не образует с ней никаких химических соединений и в ней не растворяется.

Активные газы

Углекислый газ (двуокись углерода) - бесцветен, не ядовит, тяжелее воздуха. При нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0°С) плотность углекислого газа в 1,5 раза выше плотности воздуха. Углекислый газ хорошо растворяется в воде. Жидкая углекислота - бесцветная жидкость, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Вследствие этого она поставляется по массе, а не по объему. При испарении 1 кг жидкой углекислоты в нормальных условиях образуется 509 л углекислого газа.

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. Однако при концентрациях более 5% (92 г/м 3 ) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека. Так как двуокись углерода в 1,5 раз тяжелее воздуха она может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать удушье. Помещения, где производится сварка с использованием двуокиси углерода, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией.

Основными примесями углекислого газа, отрицательно влияющими на процесс сварки и свойства швов, являются воздух (азот воздуха) и вода. Воздух скапливается над жидкой углекислотой в верхней части баллона, а вода – под углекислотой в нижней части баллона. Повышенное содержание воздуха и водяных паров в углекислоте может при сварке привести к образованию пор в швах, которые чаще всего появляются в начале и конце отбора газа из баллона. Чтобы снизить содержание влаги в поступающем на сварку углекислом газе до безопасного уровня, на его пути устанавливают осушитель. Для улавливания влаги осушитель заполнен хлористым кальцием, силикагелем или другими поглотителями влаги.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой углекислоты газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого рекомендуется подогревать выходящий из баллона углекислый газ. Для этого используют электрические подогреватели газа, которые устанавливаются перед редуктором.

Углекислый газ оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие. Из легирующих элементов ванны наиболее сильно окисляются алюминий, титан и цирконий, менее интенсивно - кремний, марганец, хром, ванадий и др.

Кислород - это бесцветный нетоксичный газ без запаха. Является сильным окислителем. Накопление кислорода в воздухе помещений создает опасность возникновения пожаров. Поэтому объемная доля кислорода в рабочих помещениях не должна превышать 23 %. В зависимости от содержания кислорода и примесей технический газообразный кислород изготовляют трех сортов. Содержание кислорода в первом сорте должно быть не менее 99,7 об. %, во втором - не менее 99,5 об. % и в третьем - не менее 99,2 об. %.

В сварочном производстве кислород широко применяют для газовой сварки и резки, а также при дуговой сварке как составную часть защитной газовой смеси. Кислород уменьшает поверхностное натяжение металла, и поэтому с увеличением его содержания в смеси на основе аргона критический ток (перехода крупнокапельного переноса в мелкокапельный, см. Сварка плавящимся металлическим электродом в защитных газах (МIG/МАG)) уменьшается. Обычно содержание кислорода в смеси с аргоном не превышает 2-5%. В такой среде дуга горит стабильно. Перенос металла мелкокапельный с минимальным разбрызгиванием.

Азот - бесцветный газ, без запаха, не горит и не поддерживает горение. В сварочном производстве азот находит ограниченное применение. Азот не растворяется в расплавленной меди и не взаимодействует с ней, и поэтому может быть использован при сварке меди в качестве защитного газа. По отношению к большинству других металлов азот является активным газом, часто вредным, и его концентрацию в зоне плавления стремятся ограничить. Азот также применяется при плазменной резке и как компонент газовой смеси при сварке аустенитной нержавеющей стали.

Водород - не имеет цвета, запаха и является горючим газом. Водород редко используют в в качестве защитного газа. Так как смеси водорода с воздухом или кислородом взрывоопасны, при работе с ним необходимо соблюдать правила пожарной безопасности и специальные правила техники безопасности. При работе с водородом необходимо следить за герметичностью всех соединений, т.к. он образовывает с воздухом взрывчатые смеси в широких пределах.

Смеси защитных газов

Иногда является целесообразным употребление газовых смесей. За счет добавок активных газов к инертным удается повысить устойчивость дуги, увеличить глубину проплавления, улучшить формирование шва, уменьшить разбрызгивание, повысить плотность металла шва, улучшить перенос металла в дуге, повысить производительность сварки. Существенное значение при выборе состава защитного газа имеют экономические соображения.

Смесь аргона и гелия. Газовые смеси гелий-аргон применяются в основном для сварки цветных металлов: алюминий, медь, никелевых и магниевых сплавов, а также химически активных металлов. Оптимальным является соотношение 35 - 40% аргона и 60 - 65% гелия. Так в полной мере реализуются преимущества обоих газов: аргон обеспечивает стабильность дуги, гелий - высокую глубину проплавления.

Смеси аргона с кислородом или углекислым газом. Благодаря добавке окислительных газов обеспечивается существенное снижение поверхностного натяжения жидкого металла расплавляемой электродной проволоки, уменьшение размеров образующихся и отрывающихся от электрода капель. Расширяется диапазон токов при сохранении стабильного ведения процесса сварки. Обеспечивается лучшее формирование металла шва и меньшее разбрызгивание, лучшая форма провара и меньшее излучение дуги, по сравнению со сваркой в чистом аргоне, а также в чистом углекислом газе. При добавлении кислорода наблюдается снижение критического тока, при котором крупнокапельный перенос металла переходит в мелкокапельный.

В таблице ниже приводятся основные характеристики газовых смесей для сварки МИГ/МАГ.

Дуговая сварка в инертном газе с неплавящимися вольфрамовыми электродами (TIG)

Дуговая сварка в среде инертного газа с неплавящимся вольфрамовым электродом (TIG или GTAW - газовая дуговая сварка вольфрамовым электродом) - это процесс, в котором тепло, необходимое для сварки, подается электрической дугой, которая поддерживается между неплавящимся электродом и обрабатываемой деталью. Электрод, используемый как проводник тока, состоит из вольфрама или вольфрамовых сплавов. Зона сварки, расплавленный металл и неплавящийся электрод устойчивы к атмосферным влияниям благодаря инертному газу, который подается горелкой. Сварка ТИГ осуществляется с добавлением сварочного материала (сварочной проволоки) или плавкой основного материала с помощью теплового эффекта, производимого электрической дугой.

Сварочная цепь

1. Источник питания

Назначение источника питания - питание электрической дуги, которая создается между основным материалом и вольфрамовым электродом, благодаря подаче тока, достаточного для поджига дуги. Внутри источника питания обычно присутствует устройство, регулирующее сварочный ток, механическое (магнитный шунт) или электронное (тиристор или инверторная система). Различают два типа источников питания:

а) источник питания переменного тока

Выходной ток/напряжение из источника питания принимает форму квадратной волны, которая изменяет полярность через регулярные интервалы времени с частотой от 20 до 200 Герц или более, в зависимости от типа источника питания. Это достигается с помощью одного или двух устройств, назначение которых - преобразование тока/напряжения синусоидальной волны из распределительной сети в подходящий переменный сварочный ток/напряжение.

б) источники питания постоянного тока

Выходной ток источника питания имеет форму непрерывной волны, которая достигается с помощью устройств, способных преобразовывать ток/напряжение из переменного в постоянный. Если сварочная цепь состоит из источника питания постоянного тока, то она может быть далее классифицирована в соответствии с методом подключения полюсов источника питания к свариваемому материалу или с видом сварочного тока:

постоянный ток с соединением прямой полярности

В случае с соединением с прямой полярностью, горелка и ее кабель подсоединяются к отрицательному полюсу, а свариваемый материал к положительному полюсу источника питания; в этом случае электроны текут от электрода к детали, вызывая плавку.

Это наиболее часто используемый тип тока при сварке TIG. Он обеспечивает хорошую свариваемость почти всех видов металлов, поддающихся сварке, и сплавов, за исключением алюминия. Постоянный ток с прямой полярностью создает узкую глубокую сварочную ванну, а также обеспечивает лучшее проникновение, чем в случае с обратной полярностью.

В этом случае горелка с кабелем подсоединяется к положительному полюсу, а деталь - к отрицательному полюсу источника питания. Этот тип питания используется редко, поскольку он производит мелкую сварочную ванну и плохое проникновение. Обратная полярность сама по себе вызывает чрезмерный перегрев электрода, и чтобы предотвратить электрод от возгорания, нужно использовать слабые токи. В этом причина ограниченного использования этого типа соединения.

Существует еще одна группа источников питания, известных как источники питания постоянного тока вне зависимости от типа соединения и называемых модулированными или импульсными источниками постоянного тока. Модулированный источник тока - это источник питания постоянного тока, оснащенный специальными устройствами для изменения силы сварочного тока. Модулированный или импульсный ток достигается путем наложения на постоянный основной ток следующей компоненты, обычно квадратной волны, для получения эффекта периодической пульсации дуги. При такой системе получается сварочный шов, состоящий из непрерывного наложения точечных сварок, которые последовательно образуют единый шов. Этот метод типичен для сварки тонких материалов, когда необходимо контролировать количество тепла для предотвращения перфорации детали без уменьшения проницаемости сварки.

2. Горелка со связкой проводов

Горелка для ТИГ-сварки - это инструмент, который включает в себя вольфрамовый электрод и подсоединяется к пучку проводов, которые в свою очередь подсоединены к источнику питания. Ее назначение - подавать электроэнергию и создавать газовую защиту. В зависимости от типа использования, горелки могут охлаждаться естественным образом через газовую защиту, если требуется использование слабых токов, или с помощью системы водного охлаждения, когда используется сильный ток (200-500А) и частая сварка.

3. Сварочная проволока

Толщина материала, тип соединения и желаемые характеристики сварки влияют на определяют необходимость применения металлического сварочного материала и его добавления в сварочную ванну. Добавление металлического сварочного материала при ручной сварке достигается введением проволоки в зону дуги со стороны сварочной ванны. Используемый металл часто такой же, как и основной, и часто включает ограниченное количество раскислителя или других компонентов для улучшения свойств области плавки.

4. Газовый баллон с редуктором

Газовый баллон с редуктором состоит из:

баллона с защитным газом/ами
манометра, показывающего количество газа в баллоне
регулятора газа
электромагнитного клапана (если горелка оснащена кнопкой и контролируется ею, открывая и закрывая поток газа в соответствии с потребностями сварщика).

5. Зажим с заземляющим кабелем

Зажим с заземляющим кабелем используется для создания электрического соединения между источником питания и основным материалом. Сечение и длина кабеля зависят от максимального тока (в амперах) сварочного источника питания.

6. Система водного охлаждения

Система водного охлаждения - это устройство, используемое для охлаждения горелки, чтобы предотвратить чрезмерный перегрев, в случае применения сильных сварочных токов. Посредством насоса этот аппарат непрерывно подает воду, которая циркулирует в пределах горелки и контролирует перегрев с помощью системы охлаждения.

Защитные газы

Основное назначение газовой защиты - вытеснение воздуха из области сварочной ванны, электрода и конца сварочной проволоки (если она используется) для предотвращения риска загрязнения вредными веществами в окружающем воздухе. Физические и химические свойства газовой защиты могут по-разному влиять на сварку, в зависимости от типа металла. Газы используемые для защиты при сварке TIG - это аргон, гелий, аргонно-гелиевые или аргонно-водородные смеси. Очень важно, чтобы газы были как можно более чистыми, поскольку даже незначительный процент примесей может оказать влияние на качество сварки и сделать его неприемлемым. Во время сварки с использованием аргонной газовой защиты дуга довольно стабильная, но сварочная ванна более холодная, поэтому этот газ больше подходит для сварки тонких материалов.

Аргон - широко применяется, поскольку он намного дешевле гелия; это основной фактор выбора газовой защиты.

Дуга с гелиевой защитой производит больше тепла, чем с аргонной; таким образом его использование рекомендовано при сварке материалов с высокой теплопроводностью, позволяя в этом случае повысить качество и скорость сварки. Поскольку гелий легче воздуха, его расход для обеспечения достаточной защиты сварочной ванны выше, чем аргона.

Смеси аргона и гелия используются для обеспечения газовой защиты с промежуточными характеристиками.

Неплавящиеся электроды

На рынке представлены различные виды неплавящихся электродов:

Они используются со слабыми токами и переменным током, поскольку в этом случае дуга более стабильна. По цене эти электроды самые экономичные.

Они выдерживают сильные токи. Дуга легко поджигается и остается довольно стабильной. Эти электроды рекомендуются для сварки стали постоянным током с прямой полярностью.

Они используюстя для ручной сварки алюминия, магния и его сплавов со средне-низкой силой тока.

Они отличаются высоким выделением электронов и дают хорошее проникновение с удовлетворительной износостойкостью.

Системы поджига дуги:

Подготовительный разряд поставляется высокочастотным генератором, который налагает высоковольтный импульс на сварочное напряжение; мощность этого устройства минимальная, но в то же время достаточная для поджига электрической дуги на расстоянии. Высоковольтный поджиг требует использования особой сварочной горелки, оснащенной кнопкой контроля поджига.

В этом случае дуга поджигается между вольфрамовым электродом и вспомогательным электродом, который может представлять из себя кольцо, прикрепленное к соплу горелки. Пилотная дуга поджигается высокочастотной искрой, которая входит в цепь поджига пилотной дуги. После поджига вспомогательное зажигание отключается, поскольку основная дуга зажигается самопроизвольно простым разрядом вольфрамового электрода, который становится раскаленным в ионизированой газовой атмосфере. Такой тип поджига в основном используется в автоматизированных устройствах.

поджиг LIFT (плавный поджиг дуги с подъемом)

Достигается с помощью устройства, которое подает слабый ток (чтобы не повредить конец вольфрамового электрода), когда электрод входит в контакт со свариваемым материалом. Когда электрод отрывается от детали, создается искра, которая заставляет дугу поджигаться; затем источник питания увеличивает сварочный ток до достижения установленных значений. Поскольку высокие частоты не используются, поджиг с подъемом не создает электромагнитных помех; однако, контакт, устанавливаемый между кончиком электрода и основным материалом, загрязняет сварочную ванну.

поджиг царапаньем / чирканьем / касанием

Этот поджиг осуществляется путем проведения по свариваемой детали вольфрамовым электродом, что заставляет дугу поджигаться. Контакт между электродом и свариваемой деталью приводит к появлению включений вольфрама в начале шва, что снижает качество сварки.

Материалы, свариваемые TIG

Эта процедура в основном используется для сварки нержавеющей стали, алюминия и его сплавов, никеля, меди, титана и их сплавов.

Нержавеющая сталь сваривается постоянным током с электродом отрицательной полярности. Можно сваривать материалы толщиной до 2.5мм без добавления сварочного материала; более толстые требуют скашивания краев и использования сварочной проволоки, материал которой должен подходить для качества свариваемой нержавеющей стали.

Перед продолжением сварки рекомендуется произвести очистку щеткой из нержавеющей стали.

Алюминий и его сплавы следует сваривать переменным током и, для получения шва хорошего качества, использовать источник питания высокой частоты. В случае сильного окисления, его можно удалить щеткой или травлением (химическая процедура для удаления окисления).

В этом случае также возможно сваривать материалы до 2.5мм без добавления сварочного материала; для сварки более толстых, края нужно скосить и использовать сварочную проволоку.

Сварка в атмосфере аргона с использованием вольфрамового электрода также применяется в случае с мягкими сталями и стальными сплавами, медью и ее сплавами, титаном и благородными металлами. Для всех этих металлов и сплавов используется постоянный ток с прямой полярностью.

Свойства сварочной дуги в инертных газах – аргоне и гелии

В статье «Электрическая дуга» подробно рассказано, что такое сварочная дуга. В данной статье речь пойдет о свойствах сварочной дуги в среде инертного газа – аргоне или гелии.

Характеристики сварочной дуги различны в зависимости от выбранного защитного газа. Любой дуговой заряд поддерживается благодаря тому, что между электродами заключено ионизированное пространстве, в котором наблюдается движение ионов и электронов от одного электрода к другому.

В среде двухатомных газов электроны при своем движении теряют больше энергии, чем при движении в среде аргона или гелия, так как при этом происходит много неупругих столкновений. Это и ведет к большой потере энергии, ионизация молекул сопровождается их диссоциацией. Данный процесс одновременно обусловливает и меньшую подвижность свободных электронов. Подвижность их в среде инертного газа в несколько раз больше чем в среде активных газов, что увеличивает вероятность возбуждения и ионизации нейтральных частиц газа. При разряде в среде двухатомного газа в дуговом промежутке образуются отрицательные ионы, которые затрудняют движение электронов из-за увеличения электрического сопротивления, чего не наблюдается в среде инертных газов.

Отсутствие отрицательных ионов снижает коэффициент рекомбинации, что ведет к увеличению стабильности разряда. В аргоне и гелии меньше вероятность самопроизвольного прекращения разряда, чем в других газах, так как первые обладают меньшими потенциалами зажигания самостоятельного разряда. Катодное падение напряжения минимально, поэтому для поддержания разряда требуется минимальное напряжение. Нахождение атомов аргона и гелия в метастабильном состоянии облегчает ступенчатую ионизацию газов, а это ведет к тому, что потенциал горения дуги оказывается ниже ионизационного потенциала газов.

Обычно потенциал возбуждения и ионизации инертных газов выше соответствующих потенциалов паров металла, азота и кислорода, что затрудняет зажигание дуги переменного тока при ее питании от обычных трансформаторов. Во время сварки в среде гелия при одинаковой силе тока напряжение дуги на электродах, состоящих из W - Me (металл), Al - Al, Ti - Ti, значительно выше, чем дуги в аргоне. При сварке стали напряжение между железными электродами очень низкое, примерно 8 - 10 В.

Дуга в гелии имеет большую проплавляющую способность и менее концентрирована, она создает более равномерную форму проплавления, чем дуга в аргоне, а последняя обеспечивает большую глубину проплавления в центре. Перепад напряжения в столбе дуги в гелии больше, чем в аргоне, поэтому изменение длины дуги в гелии более заметно сказывается на напряжении и общей тепловой эффективности.

Изменение формы проплавления в зависимости от свойства инертного газа

В зависимости от того, какой инертный газ применяется, меняется поверхностное натяжение на границе металл - газовая фаза. Так, поверхностное натяжение жидких хромоникелевых сталей аустенитной структуры при сварке в гелии заметно меньше, чем в аргоне. Указанное обстоятельство сказывается на формировании поверхности усиления шва. В гелии наблюдается более плавный переход усиления к основному металлу, что иногда ведет к уменьшению концентрации напряжений в этом районе и улучшению работоспособности сварного соединения. Поэтому в ряде случаев становится целесообразным применение аргоно-гелиевых смесей в разных пропорциях смешения.

Дуга, горящая между вольфрамовым электродом и металлом в среде аргона, имеет свои особенности. Статическая характеристика такой дуги в аргоне, как и дуги под слоем флюса, имеет положительный характер. Это объясняется охлаждающим действием газовой струи и высокой плотностью тока на вольфрамовых электродах, которая составляет 10-90 А/мм 2 . На рисунке ниже приведены статические характеристики для вольфрамовой дуги, горящей в аргоне. Можно видеть, что при больших токах и малых дуговых промежутках напряжение на дуге Uд меньше потенциала ионизации Uп.

для аргона Uп = 15,7 В
для гелия Uп = 25,4 В

Минимальное напряжение на дуге приближается к потенциалу возбуждения аргона, метастабильное состояние которого, вероятно, в этом случае играет значительную роль. Градиент напряжения в гелии для больших дуговых промежутков больше, чем для малых промежутков. Обратное явление наблюдается в аргоне. Здесь расход газа и диаметр электрода мало отражаются на характере зависимости напряжения дуги от ее длины, а в гелии, наоборот, напряжение дуги можно изменять, меняя расход газа. Свойства дуги, горящей в аргоне между вольфрамовым электродом и металлом, могут меняться в зависимости от свойств металла и состава газовой смеси.

Статические характеристики вольфрамовой дуги в аргоне для различных длин дуг

Технологические свойства вольфрамовой дуги при сварке ухудшаются из-за выпрямления переменного тока (если он применяется) и появления в цепи составляющей постоянного тока.

Анализ этого явления, проведенный по осциллограммам, показывает, что степень выпрямления тока в дуге зависит от различия термических временных постоянных материала электродов (теплоемкости, умноженной на величину, обратную теплопроводности). Чем больше разность этих постоянных, тем больше степень выпрямления тока в дуге. При разных материалах электродов разность их температур во время горения дуги пропорциональна разности термических временных постоянных. Однако различие температур катода в разные полуциклы горения дуги ведет к появлению составляющей постоянного тока, и степень выпрямления оказывается пропорциональной разности термических временных постоянных материалов электродов. Наряду с различием теплофизических свойств электродов на выпрямляющее действие дуги в аргоне сказывается и изменение геометрической формы электродов. Наибольшее значение составляющей постоянного тока, обусловленное различием теплофизических свойств, наблюдается для дуги, возникающей при использовании электродов системы W - Al.

Uхх – напряжение холостого хода
Uд - напряжение на дуге
Iд – сила сварочного тока

Постоянная составляющая в сварочной цепи переменного тока для дуги системы W – Al в аргоне

В полупериодах, когда катодное пятно расположено на вольфрамовом электроде (прямая полярность), из-за мощной термоэлектронной эмиссии катода создаются благоприятные условия для возбуждения и горения дуги при низком напряжении. В полупериодах, когда катодное пятно находится на алюминии (обратная полярность), катод холодный и термоэлектронная эмиссия затруднена. В данном случае для возбуждения дуги требуются более высокие максимальные (пиковые) значения напряжения, а горение дуги будет происходить при большем значении напряжения, чем в предыдущий полупериод. При сварке на малых токах возбуждение дуги в полупериоды обратной полярности может не произойти вообще, и дуга станет «выпрямительным вентилем». Это ведет к резкому ухудшению стабильности ее горения. При наличии постоянной составляющей и значительно увеличивается сопротивление магнитопровода трансформатора и понижается мощность, отдаваемая дуге. При уменьшении тока в полупериоды обратной полярности затрудняется катодная очистка свариваемых кромок и поверхности сварочной ванны от тугоплавких окисных пленок. Поэтому установки для сварки вольфрамовой дугой (особенно алюминия и его сплавов) должны содержать специальные устройства (стабилизаторы, импульсные возбудители, батареи конденсаторов, полупроводниковые вентили), либо подавать импульсы в полупериод обратной полярности для облегчения зажигания дуги или частичного (полного) подавления возникшей постоянной составляющей тока.

Дуговая сварка в защитном газе: суть процесса

Дуговая сварка в защитном газе сегодня считается одним из самых популярных способов соединения металлов. Такой повышенный спрос объясняется экономичностью, высокой производительности и отличным качеством в результате работ.

Но подобная технология, как и любая другая, имеет свои нюансы. Никаких особых сложностей в принципе тут нет, однако общее понимание методики в любом случае необходимо каждому, кто решил опробовать в деле такой способ сварки.

Суть процесса дуговой сварки в среде защитных газов

Данный вид сварки предназначен для защиты соединяемой зоны от неблагоприятных воздействий.

ГОСТ дуговой сварки в среде защитных газов от 1976 года устанавливает основные нормы процесса: ключевые типы стыков, конструктивное исполнение и размеры. Также ряд характеристик регулирует ГОСТ 16037-80.

Профессионализм специалиста, безусловно, влияет на прочность скрепления деталей. Однако внешние условия не менее важны. Если второстепенные элементы попадут на спайку, это отразится на качестве промышленного изделия.

Дуговую сварку в защитном газе классифицируют по двум признакам:

по активному или нейтральному газу, применяемому для защиты зоны сварки;
по плавящемуся или неплавящемуся электроду, применяемому для сварки.

В каких областях промышленности используют защищенную газами сварку?

Данный метод востребован. Область применения обширна: производство частей электроэнергетических установок, в том числе атомных, корпусов химического оборудования и емкостей для агрессивных, едких веществ, получение узлов летательных аппаратов, прокладка трубопроводов, работа с металлом – цветным, черным и легированным.

Технология сварки в среде защитных газов

Дуговая сварка в защитных газах – это современный, высокорезультативный способ. Специалист должен внимательно ознакомиться со стандартами работы, так как технология имеет ряд особенностей.

На первом этапе металл необходимо подготовить к сварке: выровнять стыковочную плоскость, очистить от ржавчины, удалить зазубрины. Если мастер не выполнит данные манипуляции, возможен сварной брак.

Далее рекомендуется изучить толщину и тип материала, тщательно настроить оборудование. После полной подготовки мастер разжигает дугу, подпаливая пламя горелки. Ряд разновидностей сварки требует прогрева заготовки и предварительной обработки металла горелкой.

Вокруг дуги образовывается сварочная ванна, в этот момент с помощью специального устройства с определенной скоростью начинают подачу проволоки в зону расплава. Технология особенно удобна, если необходимо сделать продолжительный шов. Неплавкий электрод поддерживает дугу в течение длительного времени.

При выборе необходимого режима сварки сложнее всего учесть характеристики подаваемого тока. Неплотные металлические листы требуют минимальных значений, важно обратить внимание на расположение деталей.

Для удержания дуги и предотвращения растекания металла требуется делать вертикальный шов особенно аккуратно.

Если в сварочном процессе используют постоянный ток, у него должна быть обратная полярность. Для чего это нужно? С одной стороны, сокращается вероятность разбрызгивания, с другой – увеличивается расход металла. В отличие от прямой полярности, коэффициент наплавления снижается в полтора раза.

При условии, что специалист работает правой рукой, ванну следует вести слева направо. Это позволит видеть, как формируется шов. При создании шва нужно вести аппарат по одной линии и на постоянной скорости. Важно выполнять все действия по направлению к себе.

Если сварка движется слева направо, дуга отрывается от заготовки справа налево. В ряде случаев такая технологическая манипуляция требует дополнительного прогрева. Вот и все особенности дуговой сварки в защитных газах.

Для улучшения качества и увеличения скорости работ, вы всегда можете воcпользоваться нашими верстаками собственного производства от компании VTM.

Группы защитных газов

Инертные и химические защитные газы создают условия для дуговой сварки.

Инертные

Чаще всего для работы используют гелий и аргон. Другие варианты химически стабильных газов, как правило, не применяются из-за высокой стоимости.

Химически активные металлы, а также магниевые, алюминиевые сплавы соединяют при помощи более дорогого в сравнении с аргоном гелия. Гелий легче воздуха, в гелиевой атмосфере выброс энергии дуги наружу в два раза больше.

Аргон применяется для сварки стали и чистого алюминия. При этом газ не растворяется в плавящемся металле.

Азот также классифицируют как инертный газ. Сварщики знают, что он не может вступать во взаимодействие с медью.

Химические

В разряд химических, или химически активных, газов входит азот. Исключение составляет сварка медных изделий. При азотной сварке специалисты могут использовать трансформатор с любыми подходящими по остальным параметрам характеристиками, а не обязательно однофазный, как указано в теории.

В сварке не используют горючий и взрывоопасный кислород, однако он может входить в состав смесей.

Никель, некоторые марки нержавеющей стали и толстые детали варят только в водородной атмосфере. Водородная среда обеспечивает высокую текучесть металла и чистоту поверхности, однако воздействует на углеродистые стали, увеличивая их хрупкость. В сварке не рекомендуют использовать водород, если марка металла неизвестна.

Наиболее экономически выгодно варить в углекислоте. Высокая температура в активной области разлагает материю на три газа: оксид углерода, окись углерода и кислород.

Для защиты поверхности от окисления в проволоку обязательно добавляют марганец и кремний. Эти вещества при реакции образуют всплывающий на поверхность шлак, который легко удаляется и не влияет на защитные показатели.

Мастера используют углекислоту для варки чугуна, стойкой к коррозии стали слабого легирования, сталей с малым и умеренным углеродным вхождением.

Применение смесей защитных газов

Сварщики часто практикуют смешивание активных и инертных газов. Газовые смести помогают увеличить устойчивость дуги, глубину проплавления, формируют более качественный и плотный шов, уменьшают разбрызгивание, улучшают перенос металла в дуге, повышают производительность сварочного процесса.

Выбор вида смеси защитного газа обусловлен экономической эффективностью.

Смесь аргона и гелия

Смесь, состоящая из 35-40 % аргона и 60-65 % гелия, используется для работы с алюминием, медью, химически активными металлами, магниевыми и никелевыми сплавами. Пропорция идеальна для того, чтобы аргон обеспечил стабильность дуги, а гелий сохранил высокую глубину проплавления.

Смеси аргона с кислородом или углекислым газом

Добавка кислорода или углекислого газа снижает поверхностное натяжение жидкого металла расплавляемой электродной проволоки, уменьшает размеры капель, образующихся и отрывающихся от электрода. Также окислительные газы способствуют расширению диапазона токов при поддержании стабильного ведения процесса сварки.

Если сравнивать сварку в чистом аргоне или углекислом газе со сваркой с применением смесей, можно выделить следующие преимущества: лучшее формирование металла шва, уменьшение разбрызгивания, лучшая форма провара, меньшее излучение дуги.

При сварке с добавлением кислорода снижается критический ток, при котором происходит переход крупнокапельного переноса металла в мелкокапельный.

Необязательно пользоваться готовыми газовыми смесями. Специалист самостоятельно может произвести смешивание на посту сварки.

Состав смеси, подаваемой в горелку, увеличивается или уменьшается изменением расхода газов. Критерий расхода координируется редуктором и измеряется ротаметром РС-3.

Сварка плавящимися и неплавящимися электродами

Дуговая сварка в защитном газе использует в технологии два подхода: неплавящимся и плавящимся электродом. Дуговая сварка в защитном газе плавящимся электродом делает сварной спай при помощи расплавления углов сплава.

Во втором случае переплавленный стержень играет роль главного вещества для интеграции.

Работа с неплавящимся электродом

Сварщики используют данный способ для неферромагнитных веществ. Чаще всего неплавкий электрод делают из вольфрама. Но также могут применять электротехнический уголь или графит. Профессионал отлично чувствует глубину, на которую проплавляется металл.

В сочетании с самостоятельным управлением горелкой и присадочным материалом можно исключить появление непроваренных участков швов и другие отклонения от нормы.

Дуговая сварка неплавящимся электродом в защитном газе в основном предназначена для тонкостенных металлических изделий. Если же изделие выполнено из толстого листа металла, возможны трудности в процессе.

Сварка плавящимся электродом особенно популярна среди мастеров, которые, проявляя творчество и фантазию, создают декоративные изделия из нержавеющей стали.

Работа с плавящимся электродом

Плавящийся электрод более доступен и прост в эксплуатации, чем его неплавкий аналог. Он позволяет использовать менее дорогостоящее оборудование и обработать больше типов металла.

Используя данный метод, сварщик может работать в труднодоступных местах, гибко определять свою позицию в пространстве, планировать расположение техники, деталей и конструкций.

Из недостатков этого способа дуговой сварки в защитных газах можно выделить:

выброс агрессивных и опасных веществ в атмосферу;
кропотливость и сложность работы даже для специалистов с существенным опытом;
низкую скорость;
повышенное влияние магнитных полей на дугу.

В углекислотной среде сварщики могут использовать и порошковую проволоку. Если для изделия действуют повышенные требования качества, перед сваркой проводят специальные испытания проволоки.

Оборудование для сварки

Технология дуговой сварки в защитных газах предполагает использование в качестве источника питания инверторов с широкой регулировкой величины сварочного тока.

В комплект оборудования входят устройство подачи сварочной проволоки и газовая система с баллонами, понижающими редукторами, шлангами. Сварку плавящимся электродом ведут постоянным или импульсным высокочастотным током.

Ток, силу которого можно менять в зависимости от свариваемых материалов, напряжение для зажигания и стабильного горения дуги, скорость подачи и толщина проволоки – это параметры которые характеризуют оборудование дуговой сварки в защитных газах.

Сварку полуавтоматом можно производить при помощи разных режимов.

Преимущества и недостатки дуговой сварки в среде защитных газов

Расскажем о преимуществах дуговой сварки в среде защитных газов, которые отличают этот метод от других:

высокие характеристики шва;
бюджетная цена большинства элементов;
обеспечение высококлассной защитой;
простота освоения технологии, доступность использования методики на крупном производстве;
возможность модернизации, переноса в автоматический порядок и адаптации к любым внешним условиям;
сварка металла любой толщины;
высокая производительность;
возможность сварки металлов, наделенных устойчивостью к коррозии: алюминия, цветных металлов и других.

Следует обратить внимание на ряд недостатков:

сварка в открытом пространстве грозит выветриванием газообразных смесей и требует идеальной герметичности камеры;
при сварке в закрытом пространстве необходимо наличие мощной системы вентиляции в помещении.

В целом, дуговая сварка в защитном газе – простая, эффективная, экономически выгодная методика.

Использование в сварке баллона с газом может доставлять неудобства при перемещении с места на место. Однако в этом случае сварщик использует специальную тележку, что значительно упрощает процесс. Затраты на газ, например, аргон, проволоку и полуавтомат минимальны.

Важно, что в результате мы получаем отличное качество шва, возможность работать на открытом воздухе и в закрытом помещении, варить тонколистовой и толстолистовой металл.

Сварщик не обязан быть профессионалом высокого класса. Процесс максимально прост, так как проволока в дуговой сварке в защитном газе подается автоматически, а полуавтоматы, даже бюджетные, оснащены специальными функциями.

Все это поможет новичку попробовать свои силы в одном из видов дуговой сварки в защитных газах. Выполните ровный шов с применением защитного газа и получите полезный навык, который пригодится вам в работе и в быту.

Дуговая сварка в защитных газах

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. Классификация способов дуговой сварки в защитных газах приведена на рисунке.

Классификация видов дуговой сварки в защитных газах

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.

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.

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.

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.

Читайте также: