книги из ГПНТБ / Котвицкий, А. Д. Сварка в среде защитных газов учебное пособие

Г л а в а V

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ В СРЕДЕ АКТИВНЫХ ГАЗОВ

§ 18. СВАРКА В СРЕДЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

О б щ и е с в е д е н и я . Сущность дуговой сварки в среде углекислого газа заключается в том, что электри­ ческая дуга горит в среде активного газа, обладающего окислительными свойствами. Углекислый газ оттесняет от зоны дуги воздух, хотя сам оказывает на металл оки­ слительное воздействие за счет образования атомарного кислорода

С 02^ С 0 + 0 .

Металл шва надежно защищается от азота и кислоро­ да воздуха, но атомарный кислород, выделяющийся при разложении углекислого газа, окисляет металл.

Насыщение металла азотом и кислородом оказывает на шов вредное воздействие, однако процесс раскисления осуществить проще, чем связывание азота. Для этого применяют проволоку с повышенным содержанием элё- ментов-раскислителей — кремния и марганца.

Таким образом, в процессе сварки в среде углекисло­ го газа происходит сложный обмен элементами: углекис­ лый газ защищает дугу от воздействия азота и кислоро­ да воздуха, при этом в результате разложения углекис­ лого газа на угарный газ и атомарный кислород последний оказывает окислительное воздействие на металл, но взаимодействует с раскислителями (кремни­ ем и марганцем) — соединяется с ними и в виде шлака всплывает на поверхность расплавленного металла, засты­ вая в виде тонкой шлаковой корки. Таким образом, окислы выносятся на поверхность металла, что является защитой его от воздействия кислорода.

S i - j - 0 2= S i 0 2;

Mn-J-Oo—M »02;

2FeO-|- Si—2Fe-j- Si02; 2F eO +M n =2F e + MnOs.

Так основной металл освобождается от кислорода и окислов.

Углекислый газ по плотности близок к аргону (гелии 0,1785, аргон 1,7839, углекислый газ 1,9768). Теплофизи­ ческие свойства углекислого газа и других газов даны в табл. 41.

Таблица 41

углекислого газа близка к единице (рис. 37).

Основной причиной пористости при сварке в среде углекислого газа является влажная углекислота. Заво­ ды-изготовители углекислоты одновременно с баллона­ ми, содержащими чистую углекислоту, выпускают и углекислоту с.примесью до 5% влаги. Иногда в баллонах набирается до 200 г воды. Применение такой углекисло­ ты вызывает поры и ведет к снижению пластических свойств металла шва.

Дефекты в швах появляются чаще в начале и конце эксплуатации баллона. Это объясняется тем, что после заполнения баллона газ, находящийся в верхней части баллона над поверхностью жидкой углекислоты, содер­

132

жит наибольшее количество примесей (азота, кислорода, влаги). Только что доставленный баллон, в котором угле­ кислый газ перемешан с влагой, допускает испарение влаги, находящейся на поверхности. Поэтому необходи­ мо дать баллону отстояться. Жидкая влага тяжелее углекислоты и постепенно оседает на дно. Продув бал­

Сварка в более чис­ том углекислом газе обеспечивает повышение пластиче­

ских показателей металла шва: относительное удлинение увеличивается на 4—7%, а ударная вязкость на 1 —

3кГ • м/см2.

§19. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА СВАРКИ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

ПРОЦЕССА И СВОЙСТВА ШВОВ

К о э ф ф и ц и е н т ы н а п л а в к и и р а с п л а в л е - н и я. Производительность процесса сварки в углекис­ лом газе, как и других способов сварки плавящиеся электродом, характеризуется количеством наплавленного электродного металла и расплавленного основногоме­ талла. Производительность процесса наплавки оцениват ется коэффициентом наплавки ,аи(г/А-ч) и коэффициен­ том расплавления электродного металла ар‘(г/А-'ч), ко­ торые определяют соответственно по формулам (количество металла в граммах током в 1А за 1 ч):

133

а„ = -It

G„

It

где Gn, Gp— масса наплавленного электродного и рас­ плавленного металла, г; I — сила сварочного тока, А; t — время сварки, наплавки, ч. Количество проплавлен­ ного металла за час времени определяется по формуле

сварке в углекислом газе коэффициент наплавки а„ и проплавление выше, чем при сварке под слоем флюса. Это объясняется тем, что электропроводность кремниймарганцовистых проволок ниже, чем обычных углероди­ стых, поэтому скорость их плавления выше.

Количество тепла, затраченного на расплавление электродного и основного металла, и, следовательно, эф­ фективность использования тепла дуги больше, чем при сварке под флюсом.

С увеличением тока при сварке в углекислом газе потеря металла на угар и разбрызгивание снижается. Например, при 200 А А а= ар—а „= 14 — 16%, при 400 А Да = 8—10%. при 500 А Да = 2—3%. Это связано с изме­ нением характера переноса металла в дуге — от крупно­ капельного при 200 А к мелкокапельному при 500 А.

Производительность процесса наплавки возрастает с уменьшением диаметра электродной проволоки или с уве­ личением плотности тока. Это — общее положение для всех других видов сварки (в защитных газах, под флю­ сом, ручной электродуговой и т. п.). Удельный расход электроэнергии на 1 кг наплавленного металла снижается.

При увеличении тока возрастают площади поперечно­ го сечения наплавки и проплавления. Однако рост пло­ щади проплавления происходит быстрее, чем рост пло­ щади наплавки, в связи с чем доля наплавленного метал­ ла в шве с увеличением тока снижается (например., при токе 200 A Fu —52—55%), а при 500 A Fu= 38—42%).

134

При сварке в углекислом газе изменение тока оказы­ вает влияние на глубину проплавления — она будет боль­ ше, чем при сварке под флюсом на тех же режимах.

Изменение тока оказывает также влияние на химиче­ ский состав металла шва, что связано с уменьшением до­ лм наплавленного металла в шве (табл. 42).

Т а б л и ц а 42

Влияние тока на химический состав шва

(I/д=28-ь32 В, Оси= 18 м/ч, полярность обратная)

Как .видно из этих данных, с увеличением тока растет производительность процесса, повышается устойчивость горения дуги и уменьшается разбрызгивание, но одно­ временно появляется нежелательная тенденция к сниже­ нию доли наплавленного металла в шве и увеличению в нем содержания углерода, что препятствует использова­ нию повышенных токов при сварке на обратной полярно­ сти. Для сварки в углекислом газе низкоуглеродистых и. низколегированных сталей на постоянном токе обратной

135

При всех видах дуговой сварки в среде защитных га­ зов для получения мелкокапельного переноса металла пользуются электродными проволоками диаметром не бо­ лее 2,5 мм. Сварка в среде углекислого газа позволяет сваривать металл проволокой малого диаметра (0,8; 1,0; 1,2 мм) на постоянном токе от источников тока с жесткой характеристикой, в том числе от сварочных выпрямите­ лей.

уменьшению коэффициентов наплавки и расплавления, так как с удлинением дугового промежутка увеличивают­ ся потери на угар и разбрызгивание, потери тепла конвек­ цией и излучением.

С увеличением напряжения на дуге снижается пло­ щадь наплавки и растет площадь проплавления, что при­ водит к некоторому снижению доли наплавленного метал­ ла в шве.

Химический состав наплавленного металла существен­ но изменяется при изменении напряжения на дуге, что связано главным образом с изменением степени выгора­ ния легирующих элементов и, значительно в меньшей сте­ пени, с изменением соотношения наплавленного и основ­ ного металла. С повышением напряжения на дуге снижа­

136

Изменение напряжения на дуге при сварке в углекис­ лом газе существенно влияет на механические свойства металла шва. С увеличением напряжения относительное удлинение и сужение, а также ударная вязкость металла шва падают, пределы прочности и текучести также пони­ жаются (табл. 45).

На механические свойства сварных швов повлияло из­ менение химического состава, наличие газов в металле, а также изменения структурного характера из-за различ­ ной скорости охлаждения металла. Больше всего на ме­ ханические показатели шва влияет поглощение газов рас­ плавленным металлом.

В связи с изложенным напряжение выше 35 В при сварке в углекислом газе не используется. Может быть рекомендовано следующее соотношение между силой то­ ка и напряжением при сварке на постоянном токе обрат­ ной полярности.

Сварочный ток, А . . . 200—250 250—350 350—450 450—500

с увеличением расхода углекислого газа коэффициен­ ты наплавки и расплавления снижаются. Заметное сни­ жение аи и ар отмечается при расходе 0—33 л/мин, даль­ нейшее увеличение расхода не изменяет коэффициентов наплавки и расплавления. Такое явление связано с ох­ лаждающими действиями углекислого газа, что больше

137

сказывается при малых расходах, затем процесс стабили­ зируется (рис. 38);

изменение расхода газа влияет на химический состав металла шва. Увеличение расхода газа способствует уменьшению содержания марганца и кремния в металле шва. Расходы 15—25 л/мин мало изменяют химический состав, поэтому они рекомендуются как наиболее прием­ лемые;

Рис. 38. Влияние расхода защитного уг­ лекислого газа на коэффициенты наплав­ ки и расплавления

повышение расхода газа уменьшает содержание водо­ рода в металле шва;

при автоматической сварке изменение расхода газа от 5,8 до 83,6 л/мин практически не сказывается на механи­ ческих свойствах шва. При пониженных расходах газа (4—4,5 л/мин) в металле появляются поры, что говорит

онедостаточной защите;

сувеличением расстояния между горелкой и металлом защита дуги ухудшается и требует увеличения расхода газа путем повышения давления. Увеличение вылета элек­ трода с 20 до 55 мм приводит к возрастанию коэффициен­

та наплавки ан с 14,5 до 25 г/А • ч при одинаковых усло­ виях сварки: 0 2 мм, /=400 A, UA= 30^-32 В, Q= 16,6

л/мин. Это объясняется предварительным подогревом конца электрода перед плавлением. Рекомендуются вы­ леты до 32 мм, при больших вылетах в металле шва по­ являются поры;

горелками современного типа обеспечивается нормаль­ ный расход углекислого газа 6—8 л/мии, позволяющий

138

надежно защитить металл от воздействия кислорода и азота воздуха.

В л и я н и е с к о р о с т и на п р о ц е с с с в а р к и :

при возрастании скорости-сварки коэффициенты на­ плавки и расплавления снижаются, уменьшаются также потери металла на угар, разбрызгивание и испарение;

площади сечения наплавки и проплавления заметно уменьшаются, причем площадь сечения наплавки Fн уменьшается быстрее, чем площадь сечения проплавления

Л,;

при повышении скорости сварки в металле шва повы­ шается содержание углерода и понижается содержание кремния;

при повышении скорости сварки прочностные свойства швов несколько повышаются, а пластические незначитель­ но снижаются’. Это связано с увеличением скорости ох­ лаждения металла шва и ухудшением газовой защиты.

О с о б е н н о с т и с в а р к и на п р я м о й п о л я р н о ­ сти:

при ручной дуговой сварке под флюсом, сварке в сре­

139

ратной полярности. Глубина проплавления уменьшается, поэтому этот способ используют для наплавочных работ; при сварке на прямой полярности содержание углеро­ да в металле шва уменьшается, а кремния и марганца увеличивается по сравнению со швами, выполненными на обратной полярности. Это связано с изменением соотно­ шения наплавленного и основного металла в металле шва; устойчивость горения дуги определяется ее разрывной длиной. При сварке в углекислом газе разрывная длина дуги на прямой полярности меньше, чем на обратной по­ лярности (табл. 46). При сварке проволокой диаметром 2 мм на токах 200—300. А на прямой полярности понижа­ ется стабильность, увеличивается (до 18%) разбрызгива­ ние; на токах 400 А разбрызгивание составляет около 8%, а при 500 А — 3—5%- Следовательно, процесс вести целе­

сообразно на повышенных токах.

В швах, сваренных на прямой полярности, содержание водорода в шве в 3—5 раз больше, чем в швах, сваренных на обратной полярности, а присутствие водорода снижа­ ет пластические свойства металла. Более высокая степень осушки углекислого газа уменьшает содержание водоро­ да в шве;

механические свойства многослойных швов, получен­ ных наплавкой на прямой полярности, одинаковые;

количество капель, переносимых через дугу в единицу времени при сварке на прямой полярности, значительно больше, чем при сварке на обратной полярности, поэтому увеличивается поверхность их контакта с газами, а следо­

140