Сущность ручной дуговой сварки

Электроды по отношению к направлению сварки могут быть расположены последовательно или перпендикулярно. При последовательном расположении глубина проплавления шва несколько увеличивается, а при перпендикулярном уменьшается. Второй вариант расположения электродов позволяет выполнять сварку под флюсом при повышенных зазорах между кромками. Изменяя расстояние между электродами, можно регулировать форму и размеры шва. Удобно применение этого способа при наплавочных работах. Однако недостатком способа является некоторая нестабильность горения дуги. При двухдуговой сварке используют два электрода (при многодуговой несколько). Дуги могут гореть в общую или раздельные сварочные ванны (когда металл шва после первой дуги уже полностью закристаллизовался). При горении дуги в раздельные сварочные ванны оба электрода обычно перпендикулярны плоскости изделия. Изменяя расстояние между дугами, можно регулировать термический цикл сварки, что важно при сварке закаливающихся сталей.

Эта схема позволяет вести сварку под флюсом на высоких скоростях, в то время как применение повышенного тока при однодуговой сварке приводит к несплавлениям — подрезам по кромкам шва. При двухдуговой сварке вторая дуга, горящая в отдельную ванну, электродом, наклоненным углом вперед, частично переплавляет шов, образованный первой дугой, и образует уширенный валик без подрезов. Для питания дуг с целью уменьшения магнитного дутья лучше использовать разнородный ток (для одной дуги — переменный, для другой — постоянный). При сварке на переменном токе возникает трехфазная дуга: одна дуга горит между электродами (независимая дуга) и две другие — между каждым электродом и изделием. Все дуги горят в одном плавильном пространстве. Регулируя ток в каждой дуге, можно изменять количество расплавляемого электродного металла или проплавление основного металла. В первом случае способ удобен при наплавочных работах и для сварки швов, требующих большого количества наплавленного металла. Недостаток способа — необходимость точного согласования скоростей подачи электродов. Сварку под флюсом сдвоенным электродом, двумя и большим числом электродов выполняют на автоматах. Влияние параметров режима сварки на форму и размеры шва.

Сущностью и отличительной особенностью дуговой сварки в защитных газах является защита расплавленного и нагретого до высокой температуры основного и электродного металла от вредного влияния воздуха защитными газами, которые обеспечивают физическую изоляцию металла и зоны сварки от воздуха и заданную атмосферу в зоне сварки.

Разновидности сварки в защитных газах можно классифицировать по следующим признакам:

типу электрода — плавящимся и неплавящимся электродами; 
типу защитного газа — инертные, активные, их смеси;  
способу защиты — струйная, в контролируемой атмосфере;  
характеру горения дуги — стационарной, импульсной;  
механизации — ручная, полуавтоматическая, автоматическая.

Классификация разновидностей сварки по типу электрода и степени механизации приведена на рисунке. В качестве плавящегося электрода используют сварочные проволоки, по химическому составу соответствующие свариваемым материалам, описанным далее. Неплавящиеся электроды служат для возбуждения и поддержания горения дуги. В основном используют вольфрамовые, реже угольные и графитовые электроды (при сварке в активных газах). 

Для повышения устойчивости горения дуги и стойкости электрода в состав вольфрамового электрода вводят обычно 1,5—3% окислов активирующих редкоземельных металлов (тория, лантана, иттрия), повышающих эмиссионную способность электрода. 
 
В качестве электродов для сварки применяют вольфрамовые прутки диаметром 0,2—12 мм, выпускаемые промышленностью: вольфрам чистый (ЭВЧ), вольфрам торированный (ЭВТ5, ЭВТЮ, ЭВТ15), вольфрам лантанированный (ЭВЛ10, ЭВЛ20), вольфрам иттрированный (ЭВИЗО). Угольные и графитовые электроды (стержни) изготовляют из электротехнического угля или синтетического графита диаметром 4—18 мм и длиной 250—700 мм. Графитовые электроды имеют лучшую электропроводность и более стойки против окисления при высоких температурах, чем угольные электроды. 

Защитные газы защищают дугу и сварочную ванну от вредного воздействия окружающей среды. В качестве защитных газов применяют инертные и активные газы, а также их смеси. Инертным и называются газы, которые химически не взаимодействуют с металлом и не растворяются в нем. В качестве инертных газов используют аргон (Аг), гелий (Не) и их смеси.  
Инертные газы применяют для сварки химически активных металлов (титан, алюминий, магний и др.), а также во всех случаях, когда необходимо получать сварные швы, однородные по составу с основным и присадочным металлом (высоколегированные стали и др.). Инертные газы обеспечивают защиту дуги и свариваемого металла, не оказывая на него металлургического воздействия.  
Аргон поставляется по ГОСТ 10157—79 «Аргон газообразный и жидкий» следующих сортов с содержанием аргона не менее (%): высшего сорта (99,99), 1-го сорта (99,98), 2-го сорта (99,95), остальное — кислород «0,005), азот «0,004), влага «0,03). Гелий выпускают по МРТУ 51-04-23-64 составов (%): марка I (99,6—99,7), марка II (98,5—99,5), остальное — азот. Аргон и гелий поставляют в баллонах вместимостью 40 л под давлением 15 МПа. Баллон для аргона окрашен в серый цвет, надпись зеленого цвета; баллон для гелия — коричневый, надпись белого цвета. В связи с тем что гелий в 10 раз легче аргона, расход гелия при сварке увеличивается в 1,5—2 раза. По отношению к меди инертным является также азот (N2), и который поставляется по ГОСТ 9293—74 «Азот газообразный и жидкий» в газообразном состоянии четырех сортов (состав, %): высший — 99,9; 1-й —99,5; 2-й — 99,0 и 3-й — 97,0; остальное — примеси. Активным и защитными газами называют газы, вступающие в химическое взаимодействие со свариваемым металлом и растворяющиеся в нем (углекислый газ, водород, пары воды и др.).  
Основным активным защитным газом является углекислый газ, который поставляется по ГОСТ 8050—76 «Двуокись углерода газообразная и жидкая». Для сварки используют сварочный углекислый газ чистотой 99,5%. Углекислый газ хранят и транспортируют в жидком виде преимущественно в стальных баллонах емкостью 40 л под давлением 6,0—7,0 МПа. В баллоне находится 60—80% жидкой углекислоты, а остальное — испарившийся газ. Цвет баллона черный, надпись желтого цвета. Смеси газов обладают в ряде случаев лучшими технологическими свойствами, чем отдельные газы. Например, смесь углекислого газа с кислородом (2—5%) способствует мелко-капельному переносу металла, уменьшению разбрызгивания (на 30—40%), улучшению формирования шва. Смесь из 70% Не и 30% Аг увеличивает производительность сварки алюминия, улучшает формирование шва и позволяет сваривать за один проход металл большей толщины.  
По способу защиты различают местную и общую защиту свариваемого узла (сварку в контролируемой атмосфере).

Основным способом местной защиты является струйная защита шва.

При этом способе защитная среда в зоне сварки создается газовым потоком при центральной, боковой и комбинированной подаче газа. При центральной подаче газа дуга, горящая между электродом и основным металлом, со всех сторон окружена газом, подаваемым под небольшим избыточным давлением из сопла горелки, расположенного концентрично оси электрода. Этот способ защиты является наиболее распространенным.

В ряде случаев с Целью экономии инертных газов, а также получения оптимальных технологических и металлургических свойств защитной среды применяют горелки, конструкция которых обеспечивает комбинированную защиту двумя концентрическими потоками газов. Например, внутренний поток образуется аргоном, а внешний — углекислым газом. При сварке высокоактивных металлов (Ti, Zr, Та, Nb, Mo, W) необходимо защищать не только расплавленный металл, но и зону металла, нагреваемую при сварке до температуры более 300°С с лицевой и обратной сторон шва. Для расширения струйной защиты с лицевой стороны шва применяют дополнительные колпаки-дриставки, надеваемые на сопло горелки (рис. 59, г). Защита обратной стороны шва обеспечивается поддувом защитного газа. Боковую подачу газа применяют ограниченно.

Наиболее эффективная защита металла шва и зоны термического влияния обеспечивается при сварке в камерах с контролируемой атмосферой. Камеры предварительно продувают или вакуумируют, а затем заполняют защитным (инертным) газом заданного состава под небольшим давлением. Преимуществами сварки в защитных газах являются: высокая производительность (приблизительно в 2,5 раза выше, чем при ручной дуговой сварке покрытыми электродами); простота механизации и автоматизации; возможность сварки в различных пространственных положениях; малая зона термического влияния и относительно небольшие деформации изделий в связи с высокой степенью концентрации дуги; высокое качество защиты, отсутствие необходимости применения зачистки швов при многослойной сварке; доступность наблюдения за процессам сварки; возможность сварки металла различной толщины (от де сятых долей миллиметра до десятков миллиметров). 

Недостатками сварки в защитных газах являются открытая дуга, что повышает опасность поражения зрения световым излучением, и необходимость защиты зоны сварки от сквозняков (при струйной защите), что затрудняет применение этого вида сварки в монтажных условиях на открытом воздухе. Ч § 26. Сварка в защитных газах плавящимся электродом __ Сварка в защитных газах плавящимся электродом осуществляется с использованием плавящегося электрода и защитного газа, подаваемого в зону дуги. Для защиты используют инертные и активные газы, а также их смеси (Аг, Не, С02» Аг+С02, СОа+Оа, Аг+0 2 и др.). Основными разновидностями сварки являются сварка в углекислом газе и аргонодуговая сварка. Этот вид сварки является механизированным, выполняют полуавтоматами и автоматами. Схема поста для сварки в защитных газах плавящимся электродом приведена на рисунке.

Высокая плотность сварочного тока обусловливает применение электродной проволоки малого диаметра (обычно э=0,8ч-2,5 мм), что приводит к необходимости применения больших скоростей подачи электродной проволоки. При этих условиях процесс саморегулирования источниками питания с падающими характеристиками не обеспечивается. Поэтому для поддержания стабильной длины дуги и обеспечения процесса саморегулирования длины дуги необходимо применять источники питания постоянного тока с жесткой или возрастающей внешней характеристикой (преобразователи типа ПСГ-500 или выпрямители ВС-300, ИПП-500 и др.). Сварку обычно выполняют на постоянном токе обратной полярности при непрерывной подаче электродной проволоки полуавтоматами и автоматами. Наибольшее применение получили полуавтоматы типов А-547, ПДГ-500 и др. Автоматы для сварки в защитных газах в основном тракторного типа — АДПГ-500, АДГ-500 и др. К основным параметрам режима сварки плавящимся электродом относятся сила тока, полярность, напряжение дуги, диаметр и скорость подачи электродной проволоки, состав и расход защитного газа, вылет электрода, скорость сварки.  
Сварку плавящимся электродом обычно выполняют на 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. Сварочный ток, от которого зависят размеры шва и производительность сварки, зависит от диаметра и состава проволоки; его устанавливают в соответствии со скоростью подачи проволоки. Скорость сварки составляет обычно 15—80 м/ч, ее выбирают с учетом производительности и качества формирования шва. Качественные соединения можно получить при толщине металла для автоматической сварки >0, 5 мм, механизированной 1 мм, обычно сваривают толщины >3 мм.

Техника сварки

Металлы толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок. Для улучшения формирования шва при толщине металла >2—3 мм 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 4—12 мм обычно сваривают за два прохода с двух сторон без разделки, толщиной 15— 20 мм — за два-три прохода с углом разделки 60°. При толщине 20—30 мм применяют двустороннюю разделку кромок с углом 60° и притуплением 2—4 мм. Металлы большей толщины целесообразно сваривать при узкой щелевой разделке кромок за несколько проходов. Механизированную сварку выполняют обычно на меньших силах тока, чем автоматическую. Сварку можно выполнять в различных пространственных положениях с применением приемов удержания сварочной ванны. Техника сварки металла толщиной >2 мм при механизированной сварке аналогична технике при ручной дуговой сварке покрытыми электродами. Сварку швов плавящимся электродом в различных пространственных положениях выполняют проволокой диаметром до 1,2 мм, швов, расположенных в нижнем положении,— 1,2—3,0 мм. Циклограмма сварки в защитном газе плавящимся и не плавящимся электродом показана на рис. 61. Сварка в углекислом газе наряду с другими преимуществами, которые характерны для сварки в защитных газах, характеризуется высокой производительностью и низкой стоимостью. К недостаткам ее относятся повышенное разбрызгивание и не всегда удовлетворительный внешний вид шва. Основной особенностью сварки в углекислом газе плавящимся электродом является необходимость применения электродных проволок с повышенным содержанием элементов-раскислителей кремния и марганца, компенсирующих их выгорание в зоне сварки, предотвращающих дополнительное окисление металла при сварке и образование пор. Для углеродистых сталей в основном используют сварочные проволоки сплошного сечения Св-ЮГС, Св-08Г2С, а также порошковые проволоки, содержащие порошки ферросплавов FeSi, FeMn. Причины окисления и образования пор при сварке в углекислом газе следующие. При сварке углекислый газ диссоциирует в зоне дуги с образованием атомарного кислорода по реакции С0 2С0+0, СО-С+О. Атомарный кислород окисляет железо и легирующие присадки, содержащиеся в стали, Fe+O-^-FeO. В результате этого металл сварочной ванны насыщается кислородом, а его свойства ухудшаются. При охлаждении расплавленного металла углерод, содержащийся в стали, окисляясь, будет способствовать образованию оксида углерода по реакции С+О-^СО, FeO-f C->CO-f Fe. Образующийся при кристаллизации металла шва СО выделяется в виде пузырьков, часть из которых» не успевая выделиться, задерживается в металле шва, образуя поры. В том случае, если сварочная проволока легирована Si и Мп, окислы железа раскисляются не за счет углерода, а в основном за счет Si и Мп из сварочной проволоки, таким образом предотвращается образование окиси углерода при кристаллизации и образование пор. Раскисление окислов железа идет по реакции 2Fe0+Si-*Si02+2Fe, РеО+ +Mn-*MnO+Fe. Окислы кремния и марганца в виде шлака скапливаются на поверхности сварочной ванны. Рассмотрим основные параметры режима сварки в углекислом Тазе. Диаметр сварочной проволоки выбирается в зависимости от толщины металла; устойчивый процесс обеспечивается при высоких плотностях ток, поэтому используют проволоку малого диаметра от 0,5 до 3,0 мм. Сварочный ток определяется в зависимости от диаметра проволоки скоростью ее подачи. Скорость подачи проволоки устанавливают с таким расчетом, чтобы при сварке был устойчивый процесс плавления электродов, без его закорачивания и без обрывов дуги. Напряжение дуги должно быть менее 32 В, так как с увеличением напряжения и длины дуги увеличиваются разбрызгивание и окисление. Обычно Ud=20-^30 В, скорость сварки от 20 до 80 м/ч, расход газа 6—25 л/мин. Вылет электрода и расстояние от сопла горелки до поверхности металла увеличиваются с увеличением диаметра,, электродной проволоки. При сварке с очень малым вылетом, затруднено наблюдение за процессом сварки и происходит частое подгорание газового сопла и токоподводящего контактиого наконечника. С увеличением вылета ухудшаются устойчивость горения дуги и формирование шва, а также увеличивается разбрызгивание металла. 

Сварка в углекислом газе выполняется на постоянном токе обратной полярности. Переменный ток без специальной активации дугового пространства не применяют из-за низкой устойчивости процесса сварки, неудовлетворительного формирования и плохого качества шва. На свойства металла шва влияет качество углекислого газа. При повышенном содержании в нем азота и водорода, а также влаги в швах могут образоваться поры. При сварке в углекислом газе влияние ржавчины незначительно, однако лучшее качество шва обеспечивается зачисткой кромок от ржавчины, загрязнений маслом, влаги. Ориентировочные режимы полуавтоматической сварки в углекислом газе низкоуглеродистой стали приведены в табл. 12. В практике применяется также сварка на повышенных (форсированных) режимах: на увеличенных силе тока, напряжении дуги и скорости сварки, что позволяет увеличить производительность на 25—75%. В массовом производстве, например при производстве шкивов колес автомобилей, находит применение скоростная автоматическая сварка в углекислом газе проволокой диаметром 3—5 мм. В ограниченном объеме применяют сварку в углекислом газе неплавящимся угольным или графитовым электродом бортовых соединений из низкоуглеродистых сталей.

Таким образом, под режимом сварки понимают совокупность контролируемых параметров, определяющих условия сварки. Параметры режима сварки подразделяют на основные и дополнительные. К основным параметрам режима ручной сварки относят диаметр электрода, величину, род и полярность тока, напряжение на дуге, скорость сварки. К дополнительным относят величину вылета электрода, состав и толщину покрытий электрода, положение электрода и положение изделия при сварке.

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины металла, катета шва, положения шва в пространстве.

Примерное соотношение между толщиной металла S и диаметром электрода dэ при сварке в нижнем положении шва составляет:

Сила тока в основном зависит от диаметра электрода, но также от длины его рабочей части, состава покрытия, положения сварки. Чем больше ток, тем больше производительность, т. е. большее количество наплавленного металла: G =aнIсвt, где G - количество наплавленного металла, г; aн - коэффициент наплавки, г/(А • ч); Iсв - сварочный ток, А; t - время, ч.