594704

свариваемое изделие является катодом. Таким образом, при сварке вольфрамовым электродом на переменном токе в определенной степени реализуются преимущества дуги прямой и обратной полярностей, т.е. обеспечиваются устойчивость электрода и разрушение поверхностных оксидов на изделии.

Аргонодуговая сварка может выполняться вручную или автоматически. На рисунке 14.4 показаны циклограммы процессов для различных вариантов сварки.

а	б

Рис. 14.4. Циклограмма процесса сварки в защитном газе: а – неплавящимся вольфрамовым электродом; б – плавящимся электродом; I – сварочный ток; Uд – напряжение дуги; Vсв – скорость сварки; Q – расход защитного газа; Vпп – подача проволоки; Uосц – напряжение осциллятора

Защитный газ подают за 10–15 с до начала горения дуги. Дуга возбуждается кратковременным разрядом осциллятора или замыканием электрода и основного металла угольным стержнем. Ручную сварку производят наклонной горелкой углом вперед, угол наклона к поверхности изделия составляет 70–80º. Присадочную проволоку подают с передней стороны сварочной ванны под углом 10–15º к поверхности изделия. По окончании сварки дугу обрывают постепенно подъемом электрода для заварки кратера. Для защиты охлаждающегося металла подачу газа прекращают через 10–15 с после выключения тока.

Примерный режим ручной аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом стыкового соединения из высоколегированной стали толщиной 3 мм: диаметр вольфрамового электрода 3–4 мм, диаметр присадочной проволоки 1,6–2 мм, сварочный ток 120–160 А, напряжение дуги 12–16 В, расход аргона 6–7 дм3/мин. Ручную аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом применяют главным образом для соединения металла относительно небольшой толщины (до 3 мм), при небольшой протяженности швов, имеющих сложную форму или расположенных в труднодоступных местах. Конструкции, имеющие протяженные швы, изготовляют автоматической сваркой неплавяшимся вольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки, выбранной в зависимости от мощности дуги или диаметра вольфрамового электрода

191

dп=(0,5…0,7)×d.

(14.1)

При сварке вольфрамовым электродом используют источники питания с крутопадающими вольтамперными характеристиками.

14.5. РАЗНОВИДНОСТИ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКИ ВОЛЬФРАМОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ

Основным недостатком способов сварки со свободногорящей дугой является их невысокая производительность. Разработано несколько разновидностей сварки вольфрамовым электродом, основанных на увеличении проплавляющей способности дуги за счет увеличения интенсивности теплового и силового воздействия дуги на свариваемый металл. К этим разновидностям относятся сварка погруженной дугой, с применением флюса, при повышенном давлении защитной среды, импульснодуговая, плазменная сварка.

Сварка погруженной дугой. С увеличением диаметра электрода и силы тока увеличивается давление дуги и удельное количество вводимой в металл теплоты. Под давлением дуги происходит оттеснение под электродом жидкого металла. Дуга при этом погружается в сварочную ванну, а поддержание заданного напряжения (длины дуги) достигается опусканием электрода ниже поверхности свариваемого металла. Глубина проплавления достигает 10–12 мм и выше, расход аргона составляет 15–20 л/мин.

Сварка с применением флюса. Нанесение на поверхность свариваемых кромок слоя флюса небольшой толщины (0,2–0,5 мм), состоящего из соединений фтора, хлора и некоторых оксидов, способствует повышению сосредоточенности теплового потока в пятне нагрева и увеличению проплавляющей способности дуги. При этом благодаря высокой концентрации тепловой энергии повышается эффективность проплавления и снижается погонная энергия при сварке.

Сваркаприповышенномдавлениизащитнойсреды. Мощностьдуги возрастает с увеличением давления окружающей зону сварки защитной атмосферы при неизменной силе тока и длине дуги. Дуга при этом сжимается, благодаря чему увеличивается ею проплавляющая способность примерно на 25–60 %. Этот способ может использоваться при сварке в камерах с контролируемой средой, с применением общей защиты.

Импульсно-дуговая сварка вольфрамовым электродом. Заклю-

чается в применении в качестве источника теплоты импульсной дуги с целью концентрации во времени теплового и силового воздействия дуги на основной и электродный металл. При стесненном теплоотводе полнее используется теплота дуги на расплавление основного металла, чем при сварке постоянной дугой. Проплавляющая способность импульсной

192

дуги наиболее эффективно проявляется при сварке тонколистового металла толщиной до 2–3 мм. Дуга пульсирует с заданным соотношением импульса подачи тока и паузы (рис. 14.5).

а

б

Рис. 14.5. Изменение силы тока и напряжения дуги при импульсной аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом и формирования шва:

а – изменение параметров режима; б – формирование шва

Сплошной шов получается расплавлением отдельных точек с определенным перекрытием (рис 14.5, б). Повторные возбуждения и устойчивость дуги обеспечиваются благодаря горению маломощной дежурной дуги (10–15 % от силы тока в импульсе). Основной сварочный ток подается в виде отдельных импульсов (рисунок 14.5, а) большой силы. Наряду с силой тока, напряжением, скоростью сварки к основным параметрам импульсно-дуговой сварки относится длительность импульса tсв

и паузы tП, длительность цикла сварки
Т=tCВ+tП,	(14.2)
шаг точек
S=V(tCB+tП),	(14.3)
где VСВ – скорость сварки.

Отношение tП/tСВ=G называют жесткостью режима. Жесткость режима при заданной энергии импульса и длительности цикла характеризует проплавляющую способность дуги. Изменяя параметры режима импульсно-дуговой сварки, можно в широких пределах изменять кристаллизацию металла шва и таким образом влиять на свойства сварных соединений. Технологические преимущества сварки импульсной дугой вольфрамовым электродом в наибольшей степени проявляются при сварке тонкого материала – отсутствуют дефекты формирования шва, провисания и подрезы, улучшаются условия формирования шва в различных пространственных положениях, снижаются требования к квалификации сварщика. Так, при сварке металла определенной толщины требуется значительно меньшая погонная энергия, существенно снижаются деформации и прожоги тонколистовых деталей.

193

Сварка сжатой дугой. Сварка сжатой дугой отличается от обычной дуговой сварки вольфрамовым электродом сжатием дуги в канале сопла горелки потоком плазмообразующего газа. Основные преимущества сжатой дуги – более высокая стабильность ее горения и повышенная концентрация энергии в пятне нагрева (10–105 Вт/см2).

Сварка сжатой дугой осуществляется переменным или постоянным током прямой полярности. Возбуждают дугу с помощью осциллятора. Для облегчения возбуждения дуги прямого действия используют дежурную дугу, горящую между соплом горелки и электродом. Для питания плазмообразующей дуги требуются источники питания сварочного тока с рабочим напряжением до 126 В и более.

Сжатой дугой можно сваривать практически все металлы в нижнем и вертикальном положениях. В качестве плазмообразующего газа используют аргон и гелий, которые также могут быть и защитными, расход их составляет 0,2–1,5 л/мин. Плазменная сварка обладает высокой производительностью, малой чувствительностью к колебаниям длины дуги. Без скоса кромок можно сваривать за один проход металл толщиной до 15 мм. Сжатой дугой сваривают стыковые и угловые швы. Стыковые соединения на металле толщиной до 2 мм можно сваривать с отбортовкой кромок, при толщине деталей свыше 10 мм рекомендуется делать скос кромок. При необходимости можно использовать присадочный металл.

14.6. СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

Основными разновидностями сварки плавящимся электродом в защитных газах являются аргонодуговая сварка и сварка в углекислом газе.

Сварка в защитных газах плавящимся электродом имеет ряд особенностей. Так, устойчивое горение дуги обеспечивается при высокой плотности тока в электроде (100 А/мм2 и выше) при возрастающей вольтамперной статической характеристике. Стабильность параметров сварного шва (глубина проплавления и ширина (зависит от постоянства длины дуги, которая обеспечивается за счет процесса саморегулирования дуги при постоянной скорости подачи электродной проволоки. При этом соблюдается условие равенства скорости плавления электрода и его подачи. Так как процесс ведется на режимах с высокими плотностями сварочного тока, то обычно применяют электродную проволоку небольшого диаметра (d ≈ 0,8…2,5 мм), с большими скоростями ее подачи. В этих условиях процесс саморегулирования не может обеспечиваться при использовании источников питания с падающими характери-

194

стиками. Поэтому применяют источники питания с жесткой или возрастающей вольтамперной характеристикой. Сварку обычно ведут на постоянном токе обратной полярности. При прямой полярности скорость расплавления в 1,4–1,6 раза выше, чем при обратной, однако дуга горит менее стабильно с интенсивным разбрызгиванием.

К основным параметрам сварочного режима относятся сила тока, напряжение дуги, скорость сварки, диаметр и скорость подачи электродной проволоки, расход защитных газов. Сварочный ток зависит от диаметра и состава электрода, его устанавливают в соответствии со скоростью подачи электродной проволоки. Скорость сварки обычно 15–80 м/ч, ее выбирают с учетом производительности и качества формирования шва. Выбор параметров режима обычно производят по экспериментальным табличным данным. Для улучшения формирования шва сварку проводят на медной подкладке с формирующей канавкой или на остающейся подкладке из основного металла. Для сварки тонколистового металла используют проволоку диаметром 0,5–1,2 мм. Металл толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок. При сварке с двух сторон можно сваривать без разделки кромок металл толщиной до 12 мм. При больших толщинах применяют разделку кромок.

Аргонодуговая сварка плавящимся электродом в основном приме-

няется для сварки цветных металлов (алюминий, магний, медь, титан и их сплавы) и легированных сталей. Сварка производится на режимах с мелкокапельным и струйным переносом электродного металла. При струйном переносе глубина проплавления увеличивается. Критическое значение сварочного тока, при котором капельный перенос сменяется струйным, для каждого металла различно и зависит от диаметра проволоки. Так, при сварке сталей это происходит при плотности тока от 60 до 120 А на 1 мм2 сечения электрода, при сварке алюминия – 70 А. Например, для электродной проволоки из стали марки Св-12Х18Н9Т для разных диаметров при горении дуги в среде аргона критический ток имеет значения, приведенные в таблице 14.2.

Таблица 14.2

Критический ток для электродной проволоки Св-12Х18Н9Т при горении дуги в среде аргона

Диаметр электрода, мм	1	2	3
Критический ток, А	190	280	350

При сварке сталей в качестве защитного газа в основном используют аргон с добавками углекислого газа или кислорода (1–5 % по объему). Введение активных газов стабилизирует горение дуги, снижает раз-

195

брызгивание. Наряду с этим окислительная среда повышает стойкость швов против водородной пористости.

При импульсном питании дуги сварочным током появляется дополнительная возможность управления процессом плавления и переноса электродного металла. В этом случае используют тот же принцип питания дуги, что и при сварке вольфрамовым электродом при импульснодуговой сварке. От источника небольшой мощности питается дуга, формирующая каплю жидкого металла на электроде, которая сбрасывается в момент подачи импульса тока большого значения. За счет возникающих электродинамических сил капле придается строгая направленность перемещения в сварочную ванну, чем предотвращается разбрызгивание и обеспечивается возможность сварки швов в различных пространственных положениях.

При аргонодуговой сварке плавящимся электродом предъявляются более жесткие требования к качеству сборки деталей, чем при сварке вольфрамовым электродом. Перед сваркой необходима тщательная очистка кромок свариваемых деталей и электродной проволоки.

Сварка плавящимся электродом в углекислом газе. Этим способом можно сваривать большинство сталей, удовлетворительно сваривающихся другими видами сварки. В первую очередь сваривают углеродистые и низколегированные стали толщиной более 3 мм проволокой диаметром 0,8–2 мм. Некоторое применение этот способ находит при сварке конструкций из высоколегированных сталей.

Наряду с другими преимуществами, характерными для сварки в защитных газах, сварка в углекислом газе характеризуется высокой производительностью и низкой стоимостью. Процесс экономичен, защитный газ не дефицитен, обеспечивает достаточно высокое качество металла швов. Механизированная сварка в углекислом газе, как более производительный процесс, успешно конкурирует с ручной дуговой сваркой покрытыми электродами по своей универсальности. К недостаткам ее следует отнести повышенное разбрызгивание и более грубое формирование швов.

При сварке в углекислом газе происходит окисление металла и потеря легирующих элементов. Поэтому основной особенностью этого способа является необходимость применения электродных проволок с повышенным содержанием элементов-раскислителей (кремния, марганца), компенсирующих их выгорание в зоне сварки, предотвращающих окисление металла в ванне и образование пор. Для углеродистых сталей в основном используют сварочные проволоки сплошного сечения СВ-10ГС, Св-08Г2С, а также порошковые проволоки, содержащие в наполнителе порошки ферросплавов кремния и марганца.

196

Автоматическая и механизированная сварка в углекислом газе ведется на постоянном токе обратной полярности. Устойчивый процесс обеспечивается при высоких плотностях тока, поэтому используют проволоки малых диаметров 0,8–2,5 мм, а питание дуги производят от источников с жесткой внешней характеристикой. При сварке в углекислом газе, даже на высоких плотностях сварочного тока, практически не удается добиться струйного переноса металла электрода. Сварочный ток устанавливают и определяют скоростью подачи проволоки. Напряжение дуги должно быть не больше 32–34 В, так как с увеличением напряжения и длины дуги увеличивается разбрызгивание и окисление. Обычно UД=20…30 В – скорость сварки от 20 до 80 м/ч, расход газа 6–25 л/мин. Например, при механизированной сварке низкоуглеродистой стали толщиной 8 мм сварку можно выполнять проволокой диаметром 2 мм, на силе тока 260–280 А, при напряжении 28–30 В, расходегаза16–20 л/минза один проход без разделки кромок. Наряду с СО2 также используют защитные смеси газов СО2+Аr, СО2+О2 и др. При этом улучшается капельный перенос, уменьшается разбрызгивание, улучшается формирование швов.

14.7.СВАРКА С ИМПУЛЬСНОЙ ПОДАЧЕЙ ЭЛЕКТРОДНОЙ ПРОВОЛОКИ

ВСМЕСИ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

Одним из способов осуществления управляемого переноса электродного металла является использование устройства с импульсной подачей сварочной проволоки.

В основу процесса дуговой сварки с импульсной подачей сварочной проволоки положено использование дополнительной силы (силы инерции, действующей в период торможения электрода), которая, прикладываясь к капле, резко изменяет характер плавления и переноса электродного металла аналогично импульсу электродинамической силы при импульсно-дуговом процессе.

Одним из путей повышения эффективности применения сварки с импульсной подачей сварочной проволоки является использование смеси (Ar+CO2). Это позволит обеспечить лучшее формирование шва и меньшую величину разбрызгивания электродного металла, чем при сварке вчистом углекислом газе.

Наименьшая величина разбрызгивания (ψразб.) достигается при содержании Ar (70 %±3 %)+СО2 (30 %±3 %). При величине тока в пределах от 100А до 140А осуществляется управляемый перенос. С увеличением сварочного тока свыше 140 А для указанного механизма перенос неуправляемый.

197

Рис. 14.6. График зависимости величины разбрызгивания (ψразб.) от величины сварочного тока

Процесс сварки с импульсной подачей электродной проволоки в смеси газов протекает в четыре этапа.

1. Этап формирования капли (рис. 14.7): происходит формирование капли за счет плавления электродной проволоки.

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

13

14

15	16	17
	Рис. 14.7. Этап формирования капли

2. Этап движения электродной проволоки (рис. 14.8): под действием упругих сил, благодаря использованию механизма импульсной пода-

198

чи, происходит перемещение электродной проволоки с находящейся на ее торце жидкой каплей в направлении металлической ванны.

18

19

20

Рис. 14.8. Этап движения электродной проволоки

3. Этап торможения капли: происходит торможение подачи сварочной проволоки в результате достижения штоком конца угла опускания. При этом, в силу определенной инерционности жидкого металла, капля, находящаясянаторцеэлектрода, продолжаетдвижение(рис. 14.9).

21

22

23

24

25

26

Рис. 14.9. Этап торможения капли

4. Этап короткого замыкания: происходит соприкосновение жидкой капли, находящейся на торце электрода и металлической ванны, образование перемычки и переход металла капли в сварочную ванну

(рис. 14.10).

27

28

29

30

31

32

Рис.14.10. Этап короткого замыкания, утончения и разрыва перемычки

Синхронизированный график скорости подачи электродной проволоки представлен на рисунке 14.11.

199

Рис. 14.11. График скорости подачи электродной проволоки:

1 – этап формирования капли; 2 – этап движения электродной проволоки; 3 – этап торможения капли; 4 – этап короткого замыкания

Во время первых трех этапов дуговой промежуток большую часть времени горит при токе меньше действующего значения.

И только во время короткого замыкания ток повышается до максимального значения.

Так как время короткого замыкания и перехода капли электродного металла в сварочную ванну меньше других этапов каплепереноса, то соответственно и время действия максимального тока значительно меньше.

В связи с этим при рассмотрении процессов сварки с постоянной и импульсной подачей, даже при одинаковой производительности процесса, тепловложения восновной металлбудет различным (рис. 14.12, а, б).

Для достижения одинаковых значений геометрических размеров шва необходимо уменьшить значение энергетических параметров для сварки с импульсной подачей электродной проволоки в СО2 на 20–30 % по сравнению с постоянной подачей в СО2. В свою очередь, для сварки в смеси газов значение величины тока и напряжения необходимо уменьшить на 10–15 %.

Газовая среда, в свою очередь, влияет на значение эффективного КПД нагрева изделия сварочной дуги:

для дуговой сварки и наплавки в углекислом газе, 0,72–0,92; для дуговой сварки и наплавки в аргоне, 0,7–0,8.

Изменение эффективного КПД нагрева изделия сварочной дуги влечет за собой изменение эффективной тепловой мощности сварочной дуги (рис. 14.12, б, в).

200