Сущность процесса дуговой сварки в защитном газе

Свар­ка в за­щит­ном га­зе яв­ля­ет­ся од­ним из спо­собов ду­говой свар­ки. При этом в зо­ну ду­ги по­да­ет­ся за­щит­ный газ, струя ко­торо­го, об­те­кая элек­три­чес­кую ду­гу и сва­роч­ную ван­ну, пре­дох­ра­ня­ет рас­плав­ленный ме­талл от воз­действия ат­мосфер­но­го воз­ду­ха, окис­ле­ния и азо­тиро­вания. Пре­иму­щес­тва дан­но­го спо­соба:

§ вы­сокая про­из­во­дительность;

§ вы­соко­эф­фектив­ная за­щита рас­плав­ленно­го ме­тал­ла, осо­бен­но при ис­пользо­вании инер­тных га­зов;

§ воз­можность ви­зу­ально­го наб­лю­дения за сва­роч­ной ван­ной и ду­гой;

§ ши­рокий ди­апа­зон тол­щин сва­рива­емых за­гото­вок (от де­сятых до­лей мил­ли­мет­ра до де­сят­ков мил­ли­мет­ров);

§ воз­можность свар­ки в раз­личных прос­транс­твен­ных по­ложе­ни­ях;

§ от­сутс­твие не­об­хо­димос­ти за­чищать швы при мно­гос­лойной свар­ке;

§ уз­кая зо­на тер­ми­чес­ко­го вли­яния.

Су­щес­тву­ют раз­но­вид­ности ду­говой свар­ки в за­щит­ном га­зе: свар­ка в инер­тных од­но­атом­ных га­зах (ар­гон, ге­лий), в нейтральных дву­хатом­ных га­зах (во­дород) и в уг­ле­кис­лом га­зе. На­ибо­лее ши­рокое прак­ти­чес­кое при­мене­ние по­лучи­ли ар­го­ноду­говая свар­ка и свар­ка в уг­ле­кис­лом га­зе. Инер­тный газ ге­лий при­меня­ет­ся очень ред­ко из-за его вы­сокой сто­имос­ти.

Свар­ка в дву­хатом­ных га­зах (во­дород и азот) име­ет ог­ра­ничен­ное при­мене­ние, так как во­дород и азот в зо­не ду­ги дис­со­ци­иру­ют на ато­мы, а ато­мар­ные азот и во­дород ак­тивно вза­имо­действу­ют с большинс­твом ме­тал­лов.

Свар­ка в за­щит­ном га­зе мо­жет быть руч­ной, ме­хани­зиро­ван­ной и ав­то­мати­чес­кой. Руч­ная свар­ка при­меня­ет­ся для со­еди­нения кро­мок за­гото­вок тол­щи­ной до 25…30 мм и при вы­пол­не­нии ко­рот­ких и кри­воли­нейных швов. Ме­хани­зиро­ван­ная и ав­то­мати­чес­кая свар­ка при­меня­ет­ся при се­рийном про­из­водс­тве свар­ных конс­трук­ций с пря­моли­нейны­ми шва­ми.

Ду­говая свар­ка в за­щит­ном га­зе про­из­во­дит­ся как неп­ла­вящим­ся, так и пла­вящим­ся элек­тро­дами. Неп­ла­вящийся элек­трод слу­жит только для воз­бужде­ния и под­держа­ния го­рения ду­ги. Для за­пол­не­ния раз­делки кро­мок в зо­ну ду­ги вво­дят при­садоч­ный ме­талл в ви­де прут­ков или про­воло­ки. Неп­ла­вящийся элек­трод из­го­тав­ли­ва­ют из вольфра­ма. Пла­вящи­еся элек­тро­ды при­меня­ют в ви­де сва­роч­ной про­воло­ки, из­го­тов­ленной по ГОСТ 2246—70 «Про­воло­ка стальная сва­роч­ная. Тех­ни­чес­кие ус­ло­вия» или из ме­тал­ла, по хи­мичес­ко­му сос­та­ву сход­но­му со сва­рива­емым ме­тал­лом.

При ду­говой свар­ке при­меня­ют струйную мес­тную за­щиту и об­щую за­щиту в ка­мерах. Струйная за­щита от­но­сит­ся к на­ибо­лее рас­простра­нен­но­му спо­собу мес­тной за­щиты при свар­ке. Ка­чес­тво струйной за­щиты за­висит от конс­трук­ции и раз­ме­ров соп­ла, рас­хо­да за­щит­но­го га­за и рас­сто­яния от сре­за соп­ла до по­вер­хнос­ти сва­рива­емо­го ме­тал­ла. На прак­ти­ке при­меня­ют три ви­да сопл: ко­ничес­кие, ци­лин­дри­чес­кие и про­фили­рован­ные. Луч­шая за­щита обес­пе­чива­ет­ся при при­мене­нии про­фили­рован­ных сопл.

При свар­ке хи­мичес­ки ак­тивных и ту­гоп­лавких ма­тери­алов, нап­ри­мер ти­тана, воз­ни­ка­ют труд­ности с за­щитой шва от ат­мосфер­ных га­зов. В этом слу­чае при­меня­ют соп­ла с уд­ли­нен­ным ко­зырьком.

С целью эко­номии инер­тных га­зов при­меня­ют за­щиту дву­мя кон­цен­три­рован­ны­ми по­тока­ми га­зов.

 

3.2Схема процесса сварки неплавящимся электродом

Ду­говая свар­ка в за­щит­ном га­зе неп­ла­вящим­ся элек­тро­дом (141 TIG welding with solid filler material, или Gas tungsten arc welding using inert gas and solid filler material, USA — ус­ловное обоз­на­чение про­цес­са сог­ласно ГОСТ Р ИСО 4063—2010) — свар­ка в за­щит­ном га­зе неп­ла­вящим­ся, нап­ри­мер вольфра­мовым, элек­тро­дом.

Свар­ку в за­щит­ных га­зах мож­но вы­пол­нять неп­ла­вящим­ся элек­тро­дом (рис. 3.1), при этом ду­га го­рит меж­ду неп­ла­вящим­ся элек­тро­дом и из­де­ли­ем. Элек­трод в про­цес­се свар­ки не рас­плав­ля­ет­ся и не по­пада­ет в шов. Ду­га, пе­ред­ви­га­емая вдоль сва­рива­емых кро­мок, оп­лавля­ет их. По ме­ре уда­ления ду­ги рас­плав­ленный ме­талл зат­верде­ва­ет, об­ра­зуя шов, со­еди­ня­ющий кром­ки де­тали.

Рис. 3.1.Схема процесса сварки неплавящимся электродом в защитном газе:
1 — свариваемый металл; 2 — присадочная проволока TIG; 3 — дуга; 4 — вольфрамовый электрод; 5 — газовое сопло; 6 — горелка TIG; 7 — охлаждающая жидкость (холодная); 8 — провод с током; 9 — подача защитного газа; 10 — охлаждающая жидкость (теплая); 11 — защитный газ, выходящий из сопла; 12 — защитная атмосфера; 13 — застывший металл; стрелкой указано направление сварки

Ос­новны­ми па­рамет­ра­ми про­цес­са руч­ной ар­го­ноду­говой свар­ки вольфра­мовым элек­тро­дом яв­ля­ют­ся си­ла то­ка ду­ги, рас­ход за­щит­но­го га­за и ско­рость свар­ки.

Руч­ную свар­ку ме­тал­ла тол­щи­ной до 10 мм вы­пол­ня­ют ле­вым спо­собом (рис. 3.2). 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 свы­ше 10 мм сле­ду­ет при­менять пра­вый спо­соб свар­ки, а угол меж­ду го­рел­кой и из­де­ли­ем дол­жен быть близ­ким к 90°. Та­кое по­ложе­ние го­рел­ки от­но­сительно из­де­лия ре­комен­ду­ет­ся и при свар­ке уг­ло­вых со­еди­нений. Про­воло­ку вво­дят не в столб ду­ги, а сбо­ку, и вы­пол­ня­ют ею воз­врат­но-пос­ту­пательные дви­жения при свар­ке тон­ко­лис­то­вого ме­тал­ла. При свар­ке мно­гос­лойных швов от­дельные ва­лики ре­комен­ду­ет­ся вы­пол­нять не на всю ши­рину раз­делки.

Рис. 3.2.Схема ручной дуговой сварки неплавящимся электродом:
1 — дуга; 2 — инертная атмосфера; 3 — сопло; 4 — вольфрамовый электрод (не расходуется); 5 — присадочный пруток; 6 — сварочная ванна; стрелкой указано направление сварки

При свар­ке неп­ла­вящим­ся вольфра­мовым элек­тро­дом от­сутс­тву­ет пе­ренос рас­плав­ленно­го ме­тал­ла че­рез ду­говой про­межу­ток. Это об­легча­ет ус­ло­вия го­рения ду­ги и обес­пе­чива­ет ее бо­лее вы­сокую ста­бильность.

При­садоч­ный ме­талл по ме­ре не­об­хо­димос­ти по­да­ет­ся в го­лов­ную часть сва­роч­ной ван­ны. Свар­щик вруч­ную кон­тро­лиру­ет пе­реме­щение сва­роч­ной го­рел­ки, по­дачу про­воло­ки. В от­ли­чие от свар­ки пла­вящим­ся элек­тро­дом ско­рость плав­ле­ния при­садоч­но­го ме­тал­ла не свя­зана жес­ткой за­виси­мостью с ве­личи­ной сва­роч­но­го то­ка. Ко­личес­тво при­садоч­но­го ме­тал­ла, по­дава­емо­го в 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.

Ос­новной не­дос­та­ток про­цес­са — низ­кая про­из­во­дительность. Еще один не­дос­та­ток — не­об­хо­дима большая прак­ти­ка и вы­сокая ква­лифи­кация свар­щи­ка. Так­же 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). При ус­та­новив­шейся ду­ге по­ток элек­тро­нов дви­жет­ся от от­ри­цательно­го элек­тро­да го­рел­ки к по­ложи­тельно­му элек­тро­ду (де­тали), а по­ток по­ложи­тельно за­ряжен­ных и­онов — к элек­тро­ду. При свар­ке на об­ратной по­ляр­ности при­мер­но 70% теп­ла скон­цен­три­рова­но на ано­де и зна­чительная часть это­го теп­ла пе­реда­ет­ся в зо­ну свар­ки.

Пря­мая по­ляр­ность поз­во­ля­ет по­лучить уз­кую, скон­цен­три­рован­ную ду­гу, обес­пе­чива­ющую глу­бокое проп­лавле­ние и большую ско­рость свар­ки. Элек­трод по­луча­ет меньшую часть теп­ло­вой энер­гии ду­ги и име­ет 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 теп­ла скон­цен­три­рова­но в ду­ге око­ло вольфра­мово­го элек­тро­да. Пос­кольку элек­трод по­луча­ет зна­чительно больше теп­ла при свар­ке на об­ратной по­ляр­ности, чем на пря­мой, для пре­дот­вра­щения пе­рег­ре­ва элек­тро­да при­ходит­ся ис­пользо­вать элек­тро­ды уменьшен­но­го ди­амет­ра и уменьшать си­лу сва­роч­но­го то­ка. Сва­рива­емая де­таль при свар­ке на об­ратной по­ляр­ности по­луча­ет меньше теп­ла, и как ре­зультат — 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 сно­ва на­чина­ет окис­ляться, зат­рудняя свар­ку.

Ок­сидную плен­ку с по­вер­хнос­ти ме­тал­ла во вре­мя свар­ки на об­ратной по­ляр­ности мо­жет уда­лять са­ма ду­га. По­ложи­тельно за­ряжен­ные и­оны, ко­торые, дви­га­ясь 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, про­водя тем са­мым очис­тку по­вер­хнос­ти.

Ду­га об­ратной по­ляр­ности об­ла­да­ет важ­ным тех­но­логи­чес­ким свойством: при ее воз­действии на по­вер­хность сва­рива­емо­го ме­тал­ла про­ис­хо­дит очис­тка по­вер­хнос­ти ме­тал­ла, уда­ление по­вер­хностных ок­си­дов. Про­цесс уда­ления по­вер­хностных ок­си­дов по­лучил наз­ва­ние ка­тод­но­го рас­пы­ления (ка­тод­ной очис­тки). Ука­зан­ное свойство ис­пользу­ют при свар­ке пе­ремен­ным то­ком алю­миния, маг­ния, бе­рил­лия и их спла­вов, име­ющих на по­вер­хнос­ти проч­ные ок­сидные плен­ки. Уда­ление плен­ки про­ис­хо­дит в по­лупе­ри­од с об­ратной по­ляр­ностью сва­роч­но­го то­ка, ког­да сва­рива­емое из­де­лие яв­ля­ет­ся ка­тодом. Та­ким об­ра­зом, при свар­ке вольфра­мовым элек­тро­дом на пе­ремен­ном то­ке ре­али­зу­ют­ся пре­иму­щес­тва ду­ги пря­мой и об­ратной по­ляр­ностей и обес­пе­чива­ют­ся ус­тойчи­вость элек­тро­да и раз­ру­шение по­вер­хностных ок­си­дов на из­де­лии.

Ар­го­ноду­говая свар­ка им­пульсной ду­гой. Си­ла сва­роч­но­го то­ка варьиру­ет­ся меж­ду дву­мя ус­та­нов­ленны­ми зна­чени­ями (пи­ковым и ба­зовым) с час­то­той в пре­делах 0,25…25 Гц. Эта фун­кция от­лично под­хо­дит для свар­ки нер­жа­ве­ющих ста­лей и тон­ко­ли­сто­вых де­талей. Свар­ка им­пульсной ду­гой при­меня­ет­ся для со­еди­нения раз­но­тол­щинных де­талей, поз­во­ля­ет в большей сте­пени кон­тро­лиро­вать про­цесс свар­ки для по­луче­ния бо­лее ка­чес­твен­но­го свар­но­го шва.

Свар­ка вы­соко­час­тотной им­пульсной ду­гой. Сва­роч­ный ток име­ет та­кой же вид, что и им­пульсный, но час­то­та им­пульсов вы­ше (обыч­но в пре­делах 20…500 Гц). Ду­га бо­лее сфо­куси­рован­ная, и, как ре­зультат, зо­на тер­ми­чес­ко­го вли­яния меньше.

За­жига­ние ду­ги. 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. 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.

За­жига­ние ду­ги осу­щест­вля­ют то­чеч­ным ка­сани­ем или с ис­пользо­вани­ем ос­цилля­тора (рис. 3.3).

Рис. 3.3.Способы зажигания дуги точечным касанием (а) и от осциллятора (б)

За­жига­ние ду­ги то­чеч­ным ка­сани­ем поз­во­ля­ет свар­щи­ку за­жечь ду­гу пу­тем плав­но­го от­ры­ва вольфра­мово­го элек­тро­да от из­де­лия. При этом ис­клю­ча­ют­ся на­личие вольфра­мовых вклю­чений в свар­ном шве и под­го­рание неп­ла­вяще­гося элек­тро­да. Так­же эта фун­кция час­то ста­вит­ся в ка­чес­тве оп­ции на ис­точни­ки пи­тания для руч­ной ду­говой свар­ки. Она ис­пользу­ет­ся пре­иму­щес­твен­но в ус­ло­ви­ях, ког­да про­цесс свар­ки про­водит­ся ря­дом с обо­рудо­вани­ем, ко­торое чувс­тви­тельно к элек­тро­маг­нитным по­мехам.

При за­жига­нии ду­ги с ис­пользо­вани­ем ос­цилля­тора элек­трод не ка­са­ет­ся из­де­лия. Вы­соко­вольтный раз­ряд за­жига­ет ду­гу. В этом слу­чае нет опас­ности вклю­чения вольфра­ма в ме­талл сва­роч­но­го шва. Воз­бужде­ние ду­ги с по­мощью ос­цилля­тора ис­пользу­ет­ся для вы­соко­точ­ной и вы­соко­качес­твен­ной ар­го­ноду­говой свар­ки.

 

3.3Режимы дуговой сварки вольфрамовым электродом в защитных газах

В табл. 3.1—3.7 пред­став­ле­ны ре­жимы руч­ной ар­го­ноду­говой свар­ки неп­ла­вящим­ся элек­тро­дом час­то при­меня­емых ма­тери­алов для про­из­водс­тва свар­ных конс­трук­ций.