Техника сварки неплавящимся электродом

В настоящее время сварка угольным электродом находит ограниченное применение. В качестве защитного газа в этом случае используют углекислый газ. Хорошие результаты достигаются при автоматической сварке оплавлением отбортованных кромок при изготовлении канистр на специальных установках. Это объясняется образованием окиси углерода (СО) при взаимодействии углекислого газа с твердым углеродом. Окись углерода – эффективный защитный газ, так как он не растворяется в металле и, восстанавливая окислы, улучшает качество металла шва.

При применении вольфрамового электрода в качестве защитных используют инертные газы или их смеси и постоянный или переменный ток. Перед сваркой на постоянном токе рабочий конец электрода обычно затачивают на конус с углом 60° на длине двух-трех диаметров.

Технологические свойства дуги в значительной мере определяются родом и полярностью сварочного тока. При прямой полярности на изделии выделяется до 70 % теплоты дуги, что обеспечивает глубокое проплавление основного металла. При обратной полярности напряжение дуги выше, чем при прямой полярности. На аноде - электроде выделяется большое количество энергии, что приводит к значительному его разогреву и возможному оплавлению рабочего конца. При использовании переменного тока полярность электрода и изделия меняется с частотой тока. Поэтому количество теплоты, выделяющейся на электроде и изделии, примерно одинаково.

Другой разновидностью сварки вольфрамовым электродом является сварка полым вольфрамовым электродом в вакууме (рис. 3.41). Возбуждение и поддержание дуги в вакууме 10^{-3 мм рт. ст. представляет определенные трудности, так как тлеющий разряд переходит на стенки камеры. Подача в рассматриваемом способе сварки дозируемого количества газа в полость электрода стабилизирует катодное пятно на внутренней поверхности электрода. Перемещение катода по внутренней полости вызывает разогрев электрода до яркого свечения. При силах тока свыше 50 А дуга представляет собой голубоватый разряд, цилиндрический по форме на всей длине дуги. Газ, подаваемый в полость электрода, ионизируясь, приобретает свойства плазмы.}

Применение подобного способа сварки имеет определенные металлургические преимущества, так как способствует удалению газов из расплавленного металла и уменьшает угар легирующих элементов. Этим способом можно сваривать различные металлы и сплавы толщиной до 15 мм или производить наплавку.

Для сварки тонколистового металла находит применение импульсная дуга. Основной металл расплавляется дугой, горящей периодически отдельными импульсами постоянного тока (рис. 3.42, а) с определенными интервалами во времени. При большом перерыве в горении дуги (t_n) дуговой промежуток деионизируется, что приводит к затруднению в повторном возбуждении дуги. Для устранения этого недостатка постоянно поддерживается вторая, обычно маломощная дежурная дуга от самостоятельного источника питания.

На эту дугу и накладывается основная импульсная дуга. Дежурная дуга, постоянно поддерживая термоэлектронную эмиссию с электрода, обеспечивает стабильное возникновение основной сварочной дуги.

Шов в этом случае состоит из отдельных перекрывающих друг друга точек. Величина перекрытия зависит от толщины металла, силы сварочного тока и тока дежурной дуги, скорости сварки и т.д. Размеры шва в большей степени зависят от силы тока, чем от длительности его импульса. Данным способом сварку легко выполнять на весу без подкладок при хорошем качестве во всех пространственных положениях.

Сварка вольфрамовым электродом обычно целесообразна для соединения металла толщиной 0,1... 6 мм. Однако ее можно применять и для больших толщин. Сварку выполняют без присадки, когда шов формируется за счет расплавления кромок, и с дополнительным присадочным металлом, предварительно уложенным в разделку или подаваемым в зону дуги в виде присадочной проволоки. Угловые и стыковые швы во всех пространственных положениях выполняют вручную, полуавтоматически и автоматически.

При сварке активных металлов необходимо не только получить хороший провар в корне шва, но и обеспечить защиту от воздуха с обратной стороны расплавленного и нагретого металлов. Это достигается использованием медных или других подкладок с канавками, в которые подается защитный инертный газ (рис. 3.45). Эта же цель в некоторых случаях достигается при использовании флюсовых подушек.

При сварке труб или закрытых сосудов газ пропускают внутрь сосуда. Инертные газы, увеличивая поверхностное натяжение расплавленного металла, улучшают формирование корня шва. Поэтому их поддув используют при сварке сталей на весу. При сварке на весу, особенно без присадочного металла, следует тщательно поддерживать требуемый зазор между кромками.

При соединении встык металла толщиной до 10 мм ручную сварку ведут справа налево (левый способ) (рис. 3.46). При сварке металла меньшей толщины угол между горелкой и изделием устанавливают равным 60°. При сварке изделий больших толщин применяют правый способ; угол между горелкой и изделием, так же как и при сварке угловых соединений, устанавливают равным 90°.

Присадочный пруток при ручной сварке тонколистового материала вводят не в столб дуги, а несколько сбоку возвратно-поступательными движениями; при сварке металла большей толщины - поступательно-поперечными перемещениями. При сварке многослойных швов отдельные валики рекомендуется выполнять не на всю ширину разделки (многопроходными).

При автоматической и полуавтоматической сварке электрод располагают перпендикулярно к поверхности изделия. Угол между ним и присадочной проволокой (обычно диаметром 2... 4 мм) должен приближаться к 90°. В большинстве случаев направление сварки выбирают таким, чтобы присадочный пруток находился впереди дуги (подавался в головную часть сварочной ванны).

Техника сварки плавящимся электродом. В зависимости от свариваемого металла и его толщины в качестве защитных газов используют инертные, активные газы или их смеси. В силу физических особенностей стабильность дуги и ее технологические свойства выше при использовании постоянного тока обратной полярности. При использовании постоянного тока прямой полярности количество расплавляемого электродного металла увеличивается на 25... 30 %, но резко снижается стабильность дуги и повышаются потери металла на разбрызгивание. Применение переменного тока невозможно из-за нестабильного горения дуги.

При сварке плавящимся электродом шов образуется за счет проплавления основного металла и расплавления дополнительного металла – электродной проволоки. Поэтому форма и размеры шва помимо прочего (скорости сварки, пространственного положения электрода и изделия и др.) зависят также от характера расплавления и переноса электродного металла в сварочную ванну. Характер переноса электродного металла определяется в основном материалом электрода, составом защитного газа, плотностью сварочного тока и рядом других факторов.

При традиционном способе сварки можно выделить три основные формы расплавления электрода и переноса электродного металла в сварочную ванну. Процесс сварки с периодическими короткими замыканиями характерен для сварки электродными проволоками диаметром 0,5... 1,6 мм при короткой дуге с напряжением 15... 22 В. После очередного короткого замыкания (1 и 2 на рис. 3.48, а) силой поверхностного натяжения расплавленный металл на торце электрода стягивается в каплю. В результате длина и напряжение дуги становятся максимальными.

Во все стадии процесса скорость подачи электродной проволоки постоянна, а скорость ее плавления изменяется и в периоды 3 и 4 меньше скорости подачи.

Поэтому торец электрода с каплей приближается к сварочной ванне (длина дуги и ее напряжение уменьшаются) до короткого замыкания (5). При коротком замыкании резко возрастает сварочный ток и как результат этого увеличивается сжимающее действие электромагнитных сил, совместное действие которых разрывает перемычку жидкого металла между электродом и изделием. Во время короткого замыкания капля расплавленного электродного металла переходит в сварочную ванну. Далее процесс повторяется.

Увеличение плотности сварочного тока и длины (напряжения) дуги ведет к изменению характера расплавления и переноса электродного металла, перехода от сварки короткой дугой с короткими замыканиями к процессу с редкими короткими замыканиями или без них. В сварочную ванну электродный металл переносится нерегулярно, отдельными крупными каплями различного размера (рис. 3.48, б), хорошо заметными невооруженным глазом. При этом ухудшаются технологические свойства дуги, затрудняется сварка в потолочном положении, а потери электродного металла на угар и разбрызгивание возрастают до 15 %.

Для улучшения технологических свойств дуги применяют периодическое изменение ее мгновенной мощности - импульсно-дуговая сварка (рис. 3.49).

Теплота, выделяемая основной дугой, недостаточна для плавления электродной проволоки со скоростью, равной скорости ее подачи. Вследствие этого длина дугового промежутка уменьшается. Под действием импульса тока происходит ускоренное расплавление электрода, обеспечивающее формирование капли на его конце. Резкое увеличение электродинамических сил сужает шейку капли и сбрасывает ее в направлении сварочной ванны в любом пространственном положении.

С целью управления характером переноса электродного металла предпринимаются попытки воздействовать на него импульсной подачей электродной проволоки. Это нестационарный процесс. Он сопровождается соответствующим изменением сварочного тока и напряжения дуги. Импульсная подача позволяет расширить диапазон значений рабочих токов, в том числе при сварке с короткими замыканиями. Частота коротких замыканий может быть увеличена в 3... 5 раз по сравнению с непрерывной подачей проволоки. Однако промышленное применение этого способа затруднено из-за отсутствия надежных механизмов импульсной подачи проволоки.

При достаточно высоких плотностях постоянного по величине (без импульсов или с импульсами) сварочного тока обратной по­лярности и при горении дуги в инертных газах может наблю­даться очень мелкокапельный перенос электродного металла. Название «струйный» он получил потому, что при его наблюде­нии невооруженным глазом создается впечатление, что расплав­ленный металл стекает в сварочную ванну с торца электрода непрерывной струей (рис. 47, в). Изменение характера переноса электродного металла с капельного на струйный происходит при увеличении силы сварочного тока до «критического» для данного диаметра электрода.

Величина критического тока уменьшается при активировании электрода (нанесении на его поверхность тем или иным способом некоторых легкоионизирующих веществ), увеличении вылета электрода. Изменение состава защитного газа также влияет на величину критического тока. Например, добавка в аргон до 5% кислорода снижает значение критического тока. При сварке в угле­кислом газе без применения специальных мер получить струй­ный перепое электродного металла невозможно. Он не получен и при использовании тока прямой полярности.

Более перспективным является способ управляемого переноса расплавленного металла с использованием быстродействующего инверторного сварочного источника. При традиционном способе сварки перенос электродного металла осуществляется сериями коротких замыканий, имеющих хаотичный характер. Процесс отделения образующейся капли происходит при высоком уровне сварочного тока. Это обусловливает нестабильность процесса и повышенное разбрызгивание. При управляемом процессе переноса по изменению напряжения дуги электронный микропроцессорный модуль управляет быстродействующим инверторным источником сварочного тока. В течение всего цикла переноса капли сила сварочного тока жестко зависит от фазы ее формирования и перехода в сварочную ванну. В момент контакта капли расплавленного металла, находящейся на торце электрода, с поверхностью сварочной ванны (напряжение дуги близко к нулю) сварочный ток уменьшается до минимума (до 10 А). Поэтому в перемычке капли не возникает больших электромагнитных сжимающих сил (меньше разбрызгивание) и она просто переливается в сварочную ванну. Процесс сварки проходит спокойно.