книги из ГПНТБ / Фоминых В.П. Электросварка учеб. для проф.-техн. училищ
.pdfСварка в среде защитных газов
|
|
|
|
|
|
Сварка в среде |
|
|
|||
|
Сварка в |
среде |
|
|
активных |
газов |
(С0 2 , |
N2, |
|||
инертных |
газов |
(Ar, Не) |
|
|
смеси Аг—0-2, Ar — N 2 , |
||||||
|
|
|
|
|
|
Ar—Н2 , Ar—C02 ) |
|
||||
|
Нешіавящимся |
|
|
Плавящимся |
|
|
|
||||
|
электродом |
|
|
электродом |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к |
eg |
се |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\0 |
с- |
ю |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
о |
° |
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
£ |
« |
|
|
|
|
|
|
|
|
° |
S |
8 |
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
m |
|
|
|
|
о |
5 |
к |
га S |
о |
|
|
со |
к |
|
|
о У |
|
|||||
|
>-. |
га |
|
о |
я |
СО 2- |
|
X со |
|||
о. |
с; |
* |
|
|
< |
|
|
|
|
|
|
о |
" |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Без |
присадки |
|
|
С присадкой |
|
|
|
|
|
|
Рис. 91. Классификация способов дуговой сварки в защитных газах
простота наблюдения за процессом сварки; возможность механизации и автоматизации процессов. Иногда применяют двойную защиту сварочной дуги
(комбинированную). Надежность защиты зоны свароч ной 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 пере-
220
носа. 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 меж ду изделием и расплавляемой сварочной проволокой, по
даваемой в зону сварки. При сварке неплавящимся элек тродом (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 являет ся определение диаметра зоны катодного распыления при возбуждении дуги переменного тока между вольфрамо вым электродом и свариваемым металлом. В период, ког да катодом является свариваемый металл, происходит вырывание частиц металла с поверхности сварочной ван ны и соседних зон относительно холодного металла. Сте пень катодного распыления зависит главным образом от массы положительных ионов, которые в процессе сварки бомбардируют катод. Например, в среде аргона наблю дается более интенсивное катодное распыление, чем в среде гелия. По убывающей склонности к катодному распылению металлы располагают в следующем порядке:
Mg, AI, Si, Zn, W, Fe, Ni, Pt, Cu, Bi, Sn, Sb, Pb, Ag, Cd.
Сварочную дугу в защитных газах можно классифи цировать по следующим основным признакам:
применяемому для защиты зоны сварки газу — актив
ному 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 свар ке в защитной среде инертных газов на переменном токе является регулярное восстановление разряда при смене
221
полярности. Потенциал возбуждения и ионизации инерт ных газов аргона и гелия выше, чем у кислорода, азота и паров металла, поэтому для возбуждения дуги пере менного тока требуется источник питания с повышен ным напряжением холостого хода. Сварочная дуга в сре де инертных газов (аргоне или гелии) отличается высо кой стабильностью и для ее поддержания требуется не большое напряжение. Высокая подвижность электронов обеспечивает достаточное возбуждение и ионизацию ней- > тральных атомов при столкновении с ними электронов.
В том случае, когда катодом является вольфрам, ду говой разряд происходит главным образом за счет термо электронной эмиссии благодаря высокой температуре плавления и относительно низкой теплопроводности воль фрама, что обусловливает неодинаковые условия горения дуги при прямой и обратной полярности. При обратной полярности (изделие является катодом — минус) напря жение при возбуждении дуги должно быть больше, чем при прямой полярности. Поэтому из-за значительной раз ницы в свойствах вольфрамового электрода и сваривае мого металла кривая напряжения дуги имеет не симмет ричную форму, а в ней появляется постоянная составляю щая, которая вызывает появление в сварочной цепи по стоянной 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-устойчиво сти. Появление в цепи постоянной составляющей тока не обеспечивает нормального ведения процесса сварки и особенно при сварке алюминиевых сплавов, так как сва рочная ванна даже при небольшом содержании кислоро да и азота покрывается тугоплавкой пленкой окислов и нитридов, которые препятствуют сплавлению кромок и формированию шва.
Очищающее действие сварочной дуги при сварке пере менным током проявляется в те полупериоды, когда като дом является изделие благодаря катодному распылению, так как в этом случае происходит разрушение окисной и нитридной пленок.
При обратой пол-ярности применяют низкие плотности тока, а практически такая дуга не применяется. При пря мой полярности тепла выделяется меньше на электроде, так как его значительная часть расходуется на плавление свариваемого металла.
222
Сварка плавящимся электродом
При дуговой сварке плавящимся электродом в среде защитных газов геометрическая форма сварного шва и его размеры зависят от мощности сварочной дуги, харак тера переноса металла через дуговой промежуток, а так же от взаимодействия газового потока и частиц металла, пересекающих дуговой промежуток, с ванной расплав ленного металла.
В процессе сварки на поверхность сварочной ванны оказывает давление столб дуги за счет потока газов, па ров и капель металла, вследствие чего столб дуги по гружается в основной металл, увеличивая глубину проплавления. Поток газов и паров металла, направляемый от электрода в сварочную ванну, создается благодаря сжимающемуся действию электромагнитных сил. Сила воздействия сварочной дуги на ванну расплавленного металла характеризуется ее давлением, которая будет тем больше, чем концентрированнее поток газа и метал ла. Концентрация потока металла увеличивается с умень шением размера капель, который определяется составом металла, защитного газа, а также направлением и ве личиной сварочного тока.
Сварочная дуга, образованная в результате плавле ния электрода в среде инертных газов, имеет форму ко нуса, столб которой состоит из внутренней и внешней зо ны. Внутренняя зона имеет яркий свет и большую тем пературу.
Во внутренней зоне происходит перенос металла и ее атмосфера заполнена светящимися парами металла. Внешняя зона имеет менее яркий свет и. представляет собой ионизированный газ.
Металлургия сварки в защитных газах
Газы по защитному свойству расплавленного ме талла сварочной ванны от воздействия азота и кислорода воздуха подразделяются на инертные и активные.
Кинертным газам относятся аргон и гелий, которые практически не взаимодействуют с расплавленным ме таллом сварочной ванны.
Кактивным газам относятся углекислый газ, азот, во дород и кислород,
Активные газы по своему химическому взаимодейст вию с расплавленным металлом сварочной ванны могут
223
быть нейтральными и реагирующими. Например, азот по отношению к меди является нейтральным газом, т. е. не образует с медью никаких химических соединений. Ак тивные газы или продукты их распада в процессе дуго
вого разряда, т. |
е. во время сварки, |
могут |
соединяться |
с расплавленным |
металлом сварочной |
ванны |
и раство |
ряться 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 при месями. Например, азот в" углеродистых сталях является вредной примесью (образуются нитриды), из-за чего рез ко снижаются механические свойства сварного шва н стойкость к старению, тогда как в сталях аустенитного класса азот является полезнойдобавкой. При аргонодуговоп сварке углеродистых сталей для поддува можно применять не только аргон или углекислый газ, но и азот, если в сварочную ванну будут введены элементы раскислителн в виде кремния и марганца. Поэтому выбор газа и присадочного материала должны обеспечивать задан ные механические свойства, химический состав и струк туру сварного шва. При сварке в защитной среде инерт ных газов расплавленный металл сварочной ванны изо
лирован |
от воздействия |
кислорода |
и азота |
воздуха, |
|
поэтому |
металлургические |
процессы |
могут |
происходить |
|
между |
элементами, содержащимися |
только |
в |
расплав |
|
ленном |
металле сварочной ванны. |
|
|
|
Так, например, если в сварочной ванне содержится некоторое количество кислорода в виде закиси железа FeO, то при наличии достаточного количества углерода будет образовываться нерастворимая в металле окись углерода СО
[С] + [О] = COf.
Вследствие того, что расплавленный металл сварочной ванны кристаллизуется, а газ выйти не успевает, то в нем будут образовываться поры.
Расплавленный металл сварочной ванны может на сыщаться кислородом, находящимся в инертном газе, в виде свободного кислорода и паров воды. Поэтому для подавления реакции окисления углерода в период кри сталлизации расплавленного металла сварного шва в сварочную ванну через присадочный материал должны
224
быть введены элементы раскислителн 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 раскпслители.
При сварке в защитной среде углекислого газа послед ний, защищая расплавленный металл сварочной ванны от кислорода и азота воздуха, сам в свою очередь, раз лагаясь в дуговом разряде, является окислителем ме талла
' СО, = СО - I - — Оо
+ 1 ' . |
2 |
" |
Реж + у |
О, = |
[FeO], |
С 0 2 -bFe^IFeOJ+CO.
где FeO — закись железа, растворяющаяся в железе. Таким образом, как и при сварке в защитной среде
инертных газов, в этом случае образуется окись углеро да, которая в процессе кристаллизации металла свароч ной ванны создает в нем поры. Для подавления образо вания окиси углерода (СО) через присадочную проволо ку в расплавленный металл, сварочной ванны вводятся элементы раскислителн — кремний и марганец.
В о п р о с ы д л я с а м о п р о в е р к и |
|
|||
1. В чем заключается |
сущность |
дуговой |
сварки в |
защитных |
газах? |
|
|
|
|
2. Как классифицируются |
способы |
сварки в защитных |
газах? |
|
§ 63. СВАРКА В УГЛЕКИСЛОМ |
ГАЗЕ |
|
||
Советскими исследователями К. |
В. Любавским и |
H. М. Новожиловым в начале 50-х годов был разработан способ сварки в защитной среде углекислого газа, кото рый в настоящее время нашел широкое применение во всех странах мира.
Сущность процесса сварки в углекислом газе заклю чается в следующем. Поступающий в зону сварки угле кислый газ защищает ее от вредного влияния атмосферы воздуха. Причем при высокой температуре сварочной
15-569 |
225 |
дуги углекислыйгаз частично диссоциируется на окись углерода и кислород
2 С 0 2 =** 2СО + Оя.
В результате в зоне дуги образуется смесь из трех различных газов: углекислого газа, окиси углерода и кис лорода.
Вследствие того, что температура дуги не везде оди накова, неодинаков и состав газовой смеси в зоне дуги. В центральной части, где температура дуги высокая, уг лекислый газ диссоциирует почти полностью. В области, прилегающей к сварочной ванне, количество углекислого газа преобладает над суммарным количеством кислорода и окиси углерода. Все три компонента газовой смеси за щищают металл от воздействия воздуха, в то же время окисляют его как при переходе капель электродной про волоки в сварочную ванну, так и на поверхности.
Fe + С 0 2 * t FeO + СО; Мп + С 0 2 =Р* М П О + СО;
Si + 2 С 0 2 |
^= Si02 |
+ 2СО; |
2С + |
2 С 0 2 |
2СО + 2СО; |
2Fe |
+ 0 2 ^ ± |
2FeO; |
2Mn + 0 2 |
2MnO; |
|
Si + Oo ч± Si02 ; |
2C + |
202 =** 2C02 |
Порядок и интенсивность окисления элементов зави сят от их химического сродства к кислороду. Вначале окисляется кремний, имеющий большее сродство к кис лороду, чем другие элементы. Окисление марганца также происходит значительно интенсивнее, чем окисление же леза и углерода. Следовательно, нейтрализовать окисли тельный потенциал углекислого газа можно введением в присадочную проволоку избыточного кремния и мар ганца. В этом случае погашаются реакции окисления железа и образования окиси углерода, но сохраняются защитные функции углекислого газа в отношении атмос феры воздуха.
Качество наплавленного металла зависит от процент ного содержания кремния и марганца в сварочной про волоке (при условии наличия необходимого качества уг лекислого газа). Хорошее качество наплавленного метал ла при сварке углеродистых сталей гарантируется тогда, когда в составе проволоки соотношение Ma к Si составит
^Si- = 1,5^2.
Образовавшиеся окислы кремния и марганца не рас творяются в жидком металле, а вступают во взанмодеп-
226
ствие друг с другом, образуя легкоплавкое соединение, которое в виде шлака всплывает на поверхность свароч ной ванны.
Техника и режимы сварки. Прихватку деталей из уг леродистых сталей под сварку, в.углекислом газе осуще ствляют либо электродами типа Э42 или Э42А, либо полу автоматической сваркой' в углекислом газе. Прихватку деталей из легированных сталей выполняют электрода ми соответствующего назначения.
Поверхность свариваемых кромок перед прихваткой и сваркой тщательно зачищают от грязи, ржавчины, мас ла, окалины и шлака. При сборке выдерживают одина ковые зазоры, которые в стыковых соединениях не дол жны превышать 1,5 мм. Смещение свариваемых кромок
относительно друг друга не должно |
превышать 1 мм для |
|||
толщин 4—10 |
мм H 10% |
толщины |
для |
толщин более |
10 мм. |
|
|
|
|
Схема общего вида сварочного поста |
показана на |
|||
рис. 92. |
|
|
|
|
Сварку в углекислом газе выполняют во всех прост |
||||
ранственных |
положениях; |
вертикальные |
и потолочные |
швы выполняют на малых токах и проволокой неболь шого диаметра.
Параметрами режима сварки в углекислом газе яв ляются род и полярность тока, диаметр электродной про волоки, величина сварочного тока, напряжение дуги, рас ход углекислого газа, вылет и наклон электродной про волоки по отношению к свариваемому изделию.
При сварке применяют постоянный ток обратной по лярности. Величину сварочного тока и диаметр электрод ной проволоки выбирают в зависимости от толщины ме талла и положения шва в пространстве.
В табл. 41 показаны приемы перемещения конца электродной проволоки при сварке стыкового соединения в нижнем положении.
Материалы и оборудование. Углекислый газ имеет следующие особенности;
при повышении давления превращается в жидкость; при охлаждении без давления переходит в твердое со
стояние— сухой лед; сухой лед при повышении температуры переходит не
посредственно в газ, минуя жидкое состояние.
Для сварки применяют углекислоту по ГОСТ 8050—64, поставляемую в баллонах в жидком состоянии. При
15* |
227 |
Рис. 92. Схема поста полуавтома -3806 тической сварки тонкой электрод ной проволокой в углекислом газе:
I 1 — д е р жа т е ль . |
2—по |
||
д а ю щ ий |
механизм, |
||
3 — кнопка |
включе |
||
ния. |
4 — защитный |
||
щиток, |
5 — м а н о м е т р |
||
на 6 |
ати. |
6 — пере |
|
ходной |
штуцер |
для |
|
установки |
маномет |
ра, 7—редуктор кис
лородный |
|
с |
мано |
метром |
|
высокого |
|
давления, |
В — осуши |
||
тель газа . |
9 — подо |
||
греватель |
|
с |
газа, |
10 — баллон |
угле |
||
кислым |
|
|
газом, |
II—сварочный |
|
выпря |
|
митель |
(либо |
гене |
|
ратор). |
|
12 — пульт |
управления
Т а б л и ц а 41 Приемы перемещения конца электродной проволоки при сварке соединения в нижнем положении
|
|
Ориентировочные |
|
|
|
размеры колебаний |
|
Приемы |
переме |
электродной |
прово |
локи, мм |
|
||
щения электрод |
|
|
|
ной проволоки |
|
|
|
|
|
а |
Ь |
Возвратно-посту |
3—10 |
— |
|
пательное |
|
|
|
По вытянутой спи |
4—20 |
4—15 |
|
рали |
|
|
|
Змейкой |
3—6 |
10—30 |