11.6 Способы сварки в защитных газах
Основными способами электродуговой сварки в среде защитных газов являются:
а) сварка неплавящимся электродом (рисунок 11.3 а);
б) сварка плавящимся электродом (рисунок 11.3 б).
Для сварки неплавящимся электродом в защитных газах применяют инертные газы – аргон и гелий или их смеси в различных соотношениях.
При сварке плавящимся электродом применяют для защиты электрической дуги активные газы – углекислый газ, кислород, азот и водород или их смеси с инертными газами.
а – неплавящимся (1 – электрод вольфрамовый; 2 – сопло; 3 – дуга;
4 – металл шва; 5 – изделие); б – плавящимся (1 – электрод; 2 – цанга;
3 – сопло; 4 – дуга; 5 – металл)
Рисунок 11.3 - Схема процесса сварки в защитном газе электродом
Сварка неплавящимся электродом производится на постоянном токе прямой полярности (рисунок 11.3 а). Электрическая дуга 3 возбуждается и горит между вольфрамовым электродом 1 и металлом заготовки 5. Дуга зажигается легко и горит устойчиво при напряжении 10-15 В. В случае использования подключения на обратной полярности возрастает напряжение дуги, устойчивость ее горения падает, резко снижается стойкость электрода. По этим причинам электрическая дуга при сварке неплавящимся электродом обратной полярности является непригодной для ее непосредственного использования при выполнении электродуговой сварки. Защита сварочной дуги производится посредством непрерывной подачи защитного газа в сопло 2. Образующаяся вокруг дуги 3 газовая оболочка в процессе сварки защищает жидкий металл сварного шва 4 от соприкосновения с окружающей свариваемую заготовку средой.
В процессе сварки плавящимся электродом (рисунок 11.3 б) дуга 4 горит между концом непрерывно плавящегося электрода 1 и металлом заготовки 5. Для устойчивого стабильного горения дуги скорость подачи сварочной проволоки должна соответствовать скорости ее плавления. При соблюдении этого условия становится возможным соблюдение постоянства длины дуги в процессе сварки. Токоподвод при этой схеме процесса сварки осуществляется через токоподводящие цанги 2. Защита сварочной дуги от окружающей среды также как и при использовании неплавящегося электрода производится посредством создания газовой оболочки вокруг сварочной дуги 4 при подаче защитного газа в сопло 3.
При использовании плавящегося электрода электрическая сварка в защитных газах обладает следующими преимуществами:
высокая производительность сварочного процесса;
возможность механизации и автоматизации процесса сварки;
возможность получения химического состава металла сварного шва за счет использования определенного состава сварочной проволоки и защитных газов;
возможность значительной локализации зоны термического влияния путем создания высокой плотности тепловой энергии при выполнении сварки.
11.7 Модернизированные виды сварки
В связи с необходимостью выполнения сварки в защитном газе материалов довольно широкого диапазона толщин при обязательном высоком качестве сварных соединений для обеспечения заданной производительности в последнее время создано несколько специальных видов сварки.
Перечень специальных видов сварки включает следующие: а) сварка трёхфазной дугой;
б) сварка вольфрамовым электродом с подогревом присадочной проволоки;
в) многодуговая сварка вольфрамовым электродом;
г) сварка вольфрамовым электродом погруженной дугой;
д) сварка в контролируемой атмосфере;
е) сварка не плавящимся полым катодом в вакууме;
ж) сварка дугой, управляемой магнитным полем;
з) сварка с принудительным формированием шва;
и) сварка электрозаклёпками.
Сварка трёхфазной дугой. Для данного способа отличительной особенностью является защита сварочной ванны струёй инертного газа. Высокая тепловая мощность дуги позволяет обеспечить высокую проплавляющую способность данного процесса сварки, обеспечивая при этом замедленное охлаждение и хорошее рафинирование металла сварного шва. Такое сочетание положительных свойств этого способа сварки обеспечивает, в конечном счёте, повышение прочностных свойств сварных соединений.
Сварка вольфрамовым электродом с подогреваемой присадочной проволокой (рисунок 11.3).
В данном способе сварки реализован принцип интенсификации путём дополнительного привнесения в электрическую дугу тепловой энергии при предварительном подогреве присадочной проволоки. Подогрев присадочной проволоки 1 производится от трансформатора 2, причём конструктивно выполнены изолировано токопровод 3 и механизм подачи проволоки от свариваемого изделия. При использовании данного способа сварки с подогреваемой присадочной проволокой производительность возрастает на 50 – 70%.
Рисунок 11.3 - Схема процесса сварки вольфрамовым электродом с подогреваемой присадочной проволокой
Многодуговая сварка вольфрамовым электродом. Данный способ сварки предусматривает для исключения подрезов и увеличения производительности использование двух- трёхэлектродных горелок. Вольфрамовые электроды располагаются вдоль направления выполнения сварки, причём расстояние между электродами в пределах 10 – 20 мм. Скорость сварки с использованием многодуговой сварки в зависимости от свариваемых металлов, расположения швов в пространстве и толщины заготовок по сравнению с однодуговой сваркой увеличивается в 2 – 3 раза.
Сварка вольфрамовым электродом погруженной дугой. При увеличении подачи защитного газа дуга при сварке вольфрамовым электродом обычно, располагающаяся на поверхности свариваемых торцов заготовки, перемещается, например, при сборке встык без зазора, вглубь металла. Для такого способа сварки используют большой сварочный ток и, естественно, применяют вольфрамовые электроды самых больших диаметров, практически Ø 6 –10 мм. Эффективен этот способ для сварки высоколегированных сталей, сплавов алюминия и титана.
Дуговая сварка в контролируемой атмосфере. Особые условия выполнения сварки вольфрамовым электродом необходимы для защиты жидкого металла сварочной ванны тугоплавких и активных металлов. В этих случаях особо опасным является подсос в зону сварки воздуха, так как эти металлы при нагреве интенсивно поглощают газы – кислород, водород и азот. Для исключения подобных нежелательных явлений сварку активных и тугоплавких металлов (например, таких как Ti, Zr, Mo, Nb и др.) выполняют в специальных камерах.
Для проведения сварки небольших по габаритам деталей используют малогабаритные камеры, в которые до выполнения сварки помещают детали, производят необходимые наладочные работы, затем камеры герметизируются, и происходит откачка воздуха до вакуума 1•10-2 Па.
После этих операций выполняют заполнение камеры инертным газом высшей степени очистки. В зависимости от специализации предприятий, на которых выполняются указанные сварочные работы, сварку производят вручную или автоматически с использованием роботизированных комплексов.
Если необходимо выполнить сварку крупногабаритных деталей и узлов, то в этих случаях используют специальные камеры, заполненные инертными газами, с обеспечением нормальных условий пребывания в них сварщиков в специальных защитных скафандрах с автономным жизнеобеспечением.
Дуговая сварка неплавящимся полым катодом в вакууме. Сварка неплавящимся полым катодом (рисунок 11.4) производится в камере с остаточным давлением от 1,0 до 1,0•10-2 Па.
1 – ствол горелки; 2 – натекатель плазмообразующего газа; 3 – полый термоэлектронный катод; 4 – анод (изделие)
Рисунок 11.4 - Схема дугового разряда с полым катодом в вакууме
Данный вид сварки позволяет получить качественные сварные соединения заготовок из тугоплавких и химически активных металлов толщиной от 0,5 до 20 мм. Процесс сварки осуществляется на постоянном токе при прямой полярности. В качестве электрода применяют полый термоэлектронный катод 3, через который производиться подача инертного газа аргона с рабочим расходом 2 – 4 л/ч на пятно нагрева на аноде изделия 4. Подача аргона производится через ствол горелки 1, а расход регулируется натекателем инертного газа 2.
Данный способ сварки позволяет получать металл сварного шва с минимальным содержанием газов, что позволяет использовать данный способ сварки для изделий ответственного назначения.
Сварка дугой, управляемой магнитным полем. Способ сварки с дугой, управляемой магнитным полем, применяют для сварки штамповок магниевых и алюминиевых сплавов. Этот вид сварки при магнитном воздействии на сварочную дугу позволяет повысить скорость сварки, а также улучшить физико-механические характеристики металла сварного шва, благодаря интенсивному магнитному перемешиванию жидкого металла сварочной ванны. Следует отметить также и тот факт, что не наблюдается при этом способе сварки значительного роста зерна металла в зоне термического влияния.
Сварка с принудительным формированием шва. Выполнение вертикальных швов при сварке заготовок больших толщин представляет собой процесс, связанный с определёнными технологическими трудностями. Для удержания жидкого металла сварочной ванны при данном способе сварки в штатных условиях применяют скользящие охлаждаемые ползуны, т.е. обеспечивают условия принудительной кристаллизации металла сварного шва.
Так как кристаллизация металла идет при искусственной задержке кристаллизации, то необходима система защиты жидкого металла. Такая система конструктивно выполнена на ползунах, причём подача защитного газа производится через специальные сопла, выполненные в теле ползунов. Для выполнения сварки в зависимости от толщины заготовок используют одну или несколько сварочных проволок, подаваемых в зону сварки.
Сварка электрозаклёпками. Разновидностью нахлёсточных соединений является электрозаклёпочное соединение. Сварка производится плавящимся электродом в среде защитных газов листов толщиной до 8 – 10 мм. В одном из листов просверливаются или пробиваются предварительно отверстия, которые затем завариваются по технологическим режимам, разработанным для механизированных способов сварки.