Защитные газы и их влияние на технологические свойства дуги
В качестве защитных газов при дуговой сварке плавлением ТИГ и МИГ/МАГ применяют инертные газы, активные газы и их смеси. Защитный газ выбирают с учетом способа сварки, свойств свариваемого металла, а также требований, предъявляемых к сварным швам.
Инертными называют газы, не способные к химическим реакциям и практически не растворимые в металлах. Поэтому их целесообразно применять при сварке химически активных металлов и сплавов на их основе (алюминий, алюминиевые и магниевые сплавы, легированные стали различных марок). При сварке ТИГ и МИГ/МАГ используются такие инертные газы как аргон (Ar), гелий (He) и их смеси.
Активными защитными газами называют газы, способные защищать зону сварки от доступа воздуха и вместе с тем химически реагирующие со свариваемым металлом или физически растворяющиеся в нем. При дуговой сварке сталей в качестве защитной среды применяют углекислый газ (СО2). Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму этот защитный газ используют только при сварке МИГ/МАГ.
К активным газам применяемым при МИГ/МАГ также относятся газовые смеси в состав которых входят аргон (Ar), кислород (О2), азот (N2), водород (H2). Готовые газовые смеси поставляются в баллонах, также они могут быть получены путем смешивания газов составляющих смесь.
Классификация способов сварки в защитных газах приведена на схеме ниже.
Свойства защитных газов
В таблице ниже приведены физические свойства защитных газов.
| Газ | Плотность кг/м3 | Теплоемкость, Дж/г oС | Теплопроводность, вт/м oС | Энергия диссоциации, эВ | Потенциал ионизации, В | Сечение столкновения, м2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ar | 1,783 | 0,524 | 0,19 | не диссоц. | 15,76 | 2,5∙10-20 |
| He | 0,178 | 5,242 | 1,66 | не диссоц. | 24,58 | 10∙10-20 |
| CO2 | 1,977 | 0,821 | 0,19 | 5,5 | 14,3 | 25∙10-20 |
| H2 | 0,090 | 14,246 | 2,36 | 4,48 | 15,4 | 130∙10-20 |
| O2 | 1,429 | 0,916 | – | 5,08 | 12,5 | 20∙10-20 |
| N2 | 1,251 | 1,039 | 0,29 | 7,37 | 15,5 | 20∙10-20 |
| Воздух | 1,293 | 1,006 | – | – | – | – |
Активные газы
Углекислый газ (двуокись углерода) – бесцветен, не ядовит, тяжелее воздуха. При нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0°С) плотность углекислого газа в 1,5 раза выше плотности воздуха. Углекислый газ хорошо растворяется в воде. Жидкая углекислота – бесцветная жидкость, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Вследствие этого она поставляется по массе, а не по объему. При испарении 1 кг жидкой углекислоты в нормальных условиях образуется 509 л углекислого газа.
Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. Однако при концентрациях более 5% (92 г/м3) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека. Так как двуокись углерода в 1,5 раз тяжелее воздуха она может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать удушье. Помещения, где производится сварка с использованием двуокиси углерода, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией.
Основными примесями углекислого газа, отрицательно влияющими на процесс сварки и свойства швов, являются воздух (азот воздуха) и вода. Воздух скапливается над жидкой углекислотой в верхней части баллона, а вода – под углекислотой в нижней части баллона. Повышенное содержание воздуха и водяных паров в углекислоте может при сварке привести к образованию пор в швах, которые чаще всего появляются в начале и конце отбора газа из баллона. Чтобы снизить содержание влаги в поступающем на сварку углекислом газе до безопасного уровня, на его пути устанавливают осушитель. Для улавливания влаги осушитель заполнен хлористым кальцием, силикагелем или другими поглотителями влаги.
При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой углекислоты газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого рекомендуется подогревать выходящий из баллона углекислый газ. Для этого используют электрические подогреватели газа, которые устанавливаются перед редуктором.
Углекислый газ оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие. Из легирующих элементов ванны наиболее сильно окисляются алюминий, титан и цирконий, менее интенсивно – кремний, марганец, хром, ванадий и др.
Кислород – это бесцветный нетоксичный газ без запаха. Является сильным окислителем. Накопление кислорода в воздухе помещений создает опасность возникновения пожаров. Поэтому объемная доля кислорода в рабочих помещениях не должна превышать 23 %. В зависимости от содержания кислорода и примесей технический газообразный кислород изготовляют трех сортов. Содержание кислорода в первом сорте должно быть не менее 99,7 об. %, во втором – не менее 99,5 об. % и в третьем – не менее 99,2 об. %.
В сварочном производстве кислород широко применяют для газовой сварки и резки, а также при дуговой сварке как составную часть защитной газовой смеси. Кислород уменьшает поверхностное натяжение металла, и поэтому с увеличением его содержания в смеси на основе аргона критический ток (перехода крупнокапельного переноса в мелкокапельный, см. Сварка плавящимся металлическим электродом в защитных газах (МIG/МАG)) уменьшается. Обычно содержание кислорода в смеси с аргоном не превышает 2-5%. В такой среде дуга горит стабильно. Перенос металла мелкокапельный с минимальным разбрызгиванием.
Азот – бесцветный газ, без запаха, не горит и не поддерживает горение. В сварочном производстве азот находит ограниченное применение. Азот не растворяется в расплавленной меди и не взаимодействует с ней, и поэтому может быть использован при сварке меди в качестве защитного газа. По отношению к большинству других металлов азот является активным газом, часто вредным, и его концентрацию в зоне плавления стремятся ограничить. Азот также применяется при плазменной резке и как компонент газовой смеси при сварке аустенитной нержавеющей стали.
Водород – не имеет цвета, запаха и является горючим газом. Водород редко используют в в качестве защитного газа. Так как смеси водорода с воздухом или кислородом взрывоопасны, при работе с ним необходимо соблюдать правила пожарной безопасности и специальные правила техники безопасности. При работе с водородом необходимо следить за герметичностью всех соединений, т.к. он образовывает с воздухом взрывчатые смеси в широких пределах.
Присадочные материалы для сварки сталей
Сварка ТИГ и МИГ/МАГ выполняется с использованием сварочной проволоки сплошного сечения, которая в зависимости от марки проволоки изготавливается из стали, химический состав которой (по сертификату о качестве) должен находится в пределах, приведенных в ГОСТ 2246-70. Для сварки ТИГ, как правило, используют сварочные проволоки диаметром от 1,5 до 4 мм (сплошного сечения), а для МИГ/МАГ – от 0,8 до 1,6 мм.
По назначению проволоки можно разделить на те, которые применяются для:
– сварки (наплавки) в качестве электродной плавящейся проволоки (для сварки МИГ/МАГ) или присадочной проволоки (для сварки ТИГ);
– изготовления покрытых электродов (условное обозначение – Э).
Условное обозначение стальной сварочной проволоки состоит из:
– цифры, означающие диаметр проволоки в мм;
– буквенного индекса “Св” (сварочная);
– цифры, следующие за индексом “Св”, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента;
– затем идут буквенные обозначения химических элементов, которые содержатся в металле проволоки:
Цифры, следующие за буквенным обозначением химического элемента, указывают на среднее содержание элемента в процентах. В конце пишется номер стандарта. Если после буквы цифра отсутствует, то количество данного элемента не превышает 1%. Буква “А” или “АА” конце маркировки свидетельствует о пониженном содержании серы и фосфора, а значит о высоких механических свойствах. Буква “Ш”, “ВД” или “ВИ” означают, что проволока изготовлена из стали, выполненной электрошлаковым или вакуумно-дуговым переплавом или вакуумно-индукционных печах. Пример условного обозначения сварочной проволоки диаметром 3 мм марки Св-08А с неомедненной поверхностью из стали, полученной электрошлаковым переплавом показан на этом рисунке:
Характеристики процесса сварки в среде инертного газа
Таблица электродов для сварки.
Аргон – газ, практически не вступающий в химреакции с расплавами и газами в зоне горения электродуги. Так как аргон – газ более тяжелый, нежели компоненты воздуха, вследствие этого он способен выдавливать воздух из места осуществления работ. Вытесняя воздух, газ обеспечивает надежность изолирования ванны от контактирования с газами атмосферного воздуха.
Аргонодуговая сварка дает возможность проводить крупнокапельный и струйный перенос расплава электрода. При осуществлении крупнокапельного переноса процесс является нестабильным с присутствием большого разбрызгивания.
Теххарактеристики, которые имеет аргоновая сварка, хуже, нежели у сварки в среде углекислоты. Это связано с тем, что при малом давлении в дуге расплав способен формировать капли большой величины.
При осуществлении струйного переноса расплава стабильность сваривания значительно вырастает, а степень разбрызгивания сильно понижается. Недостатком такого переноса является необходимость работы с большими токами, которые достигают 260 А, что часто не соответствует техтребованиям процесса.
Для получения стабильности рекомендуется применять при проведении сваривания импульсные источники электропитания дуги, способные переводить процесс к струйному переносу при токе равном 100 А.
Автоматическая и полуавтоматическая сварка в защитных газах
Режим аргонодуговой сварки выбирают в зависимости от толщины и марки свариваемого металла, диаметра и марки электродной проволоки с учетом обеспечения мелкокапельного переноса электродного металла и стабильного горения дуги.
Для этого сварочный ток должен быть не меньше критического. При использовании для сварки в аргоне хромоникелевых аустенитных и ферритноаустенитных проволок принимается критический ток:
Диаметр проволоки, мм = 1,0 1,6 2,0
Критический ток, А = 190—200 240—250 280
При сварке в смеси аргона с кислородом или углекислым газом критический ток может быть несколько меньшим, чем при сварке в чистом аргоне.
В табл. 83 приведены ориентировочные режимы аргонодуговой сварки высоколегированными проволоками.
Таблица 83. Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки высоколегированных сталей плавящимся электродом.
| Толщина металла,мм | Положение, в котором выполняется сварка, тип соединения и форма разделки кромок | Число проходов | Диаметр проволоки, мм | Iсв А | Uд В | Vсв м/час | Вылет электрода, мм | Расход аргона, л/мин |
| 3 | Нижнее стыковое соединение без разделки кромок | 1 | 1,2 | 180 | 19—20 | 20—30 | 9—11 | 10 |
| 5,0-5,5 | Нижнее стыковое соединение без разделки кромок | 1 | 1,2—1,6 | 190—310 | 20—23 | 20—30 | 9—12 | 14—19 |
| 6,5 и выше | Нижнее стыковое соединение без разделки кромок | 1 и более | 1,6 | 280—350 | 22—23 | 20—30 | 10—12 | 14—19 |
| 6,5-25 | Вертикальное и потолочное | 1—4 | 0,8-1,0 | 110—140 | 17—19 | 20—30 | 6—9 | 9—14 |
| 12—25 | Вертикальное и потолочное | 2—5 | 1,2 | 140—180 | 18—19 | 20—30 | 9—11 | 9—14 |
| 10 | Нижнее стыковое соединение с V-образным скосом кромок (угол разделки 60°) | 2 | 1,6—2,0 | 380—440 | 25—28 | 25 | 10—15 | 16 |
| 12,5 | Нижнее стыковое соединение с V-образным скосом кромок (угол 70°) | 6 | 1,6 | 290—300 | 25—27 | 16—20 | 10—12 | 23,5 |
Для сварки плавящимся электродом высоколегированных сталей в чистом аргоне используют те же электродные проволоки, что при сварке данной стали под флюсом, а при сварке в смеси аргона с кислородом или углекислым газом — те же, что и для сварки данной стали в углекислом газе.
Механические свойства и стойкость против коррозии полученных соединений практически такие же, как и при сварке под флюсом.
В ряде тяжело нагружаемых конструкций во многих отраслях промышленности стыковые соединения толстолистовой стали различных марок приходится сваривать дуговыми методами сварки, в том числе и аргонодуговой сваркой, причем в последние годы все возрастающее применение находит автоматическая сварка.
Сварку таких соединений выполняют за несколько проходов, что требует широкой разделки для обеспечения провара шва с основным металлом и сплавления между слоями, а при сварке под флюсом облегчает удаление шлака из разделки.
- Назад
- Вперед
Аргонодуговая технология
Технология сварки аргоном основана на принципе электродугового воздействия на металл с применением защитного газа. Как уже отмечалось, аргон является инертным газом. К тому же он почти на 40% тяжелее воздуха, поэтому вытесняет его из сварочной зоны, не давая металлу вступать в окислительную реакцию с кислородом
Это особенно важно для цветных металлов, которые сильно подвержены процессу окисления, вследствие чего шов не будет отличаться хорошей надежностью
Вот такой получается качественный шов
Особенностью аргонодугового процесса является подача аргона. Для разных металлов она должна начинаться в разное время, например:
- для сварки алюминия за 1 секунду до начала термического воздействия;
- для сварки титана за 1 секунду до начала термического воздействия. Также титан должен остывать в среде аргона.
Обычно в роли неплавящегося электрода выступает вольфрам, который имеет температуру плавления, превышающую 3000°С. При сварке алюминия вольфрамовый электрод должен непременно остывать в аргоне, иначе он окисляется, и дальнейшие действия с ним невозможны.
Иногда аргон применяют и для работы с черными металлами. В этом случае сварочный цикл отличается от работы с углекислотой. «Аргоновый» шов получается более ровным и эстетичным, данный газ нет смысла применять для потоковой сварки. Если же вас заинтересовала информация про работу с углекислотой, то более подробно о данном процессе можно прочитать в статье: как правильно вести сварку полуавтоматом с углекислотой.
Технология аргонодуговой сварки
Выполнение сварочных работ всегда требовало определенного профильного образования. Но современные технологии позволили настолько упростить этот процесс, что благодаря специальному оборудованию удается получить качественный результат даже в домашних условиях. Принцип работы аргонно-дуговой сварки также отличается простотой, что позволяет использовать его даже непрофессиональным рабочим.
Основное отличие сварки с аргоном от обычного электродного метода заключается в том, что работы проводятся с использование защитного облака создаваемого с помощью аргона. При этом температура в столбе дуги достигает 2000°C, что позволяет использование вольфрамовой неплавящейся проволоки в качестве основного расходного материала.
Другими особенностями технологического процесса являются:
- Электрод необходимо располагать как можно ближе к поверхности обрабатываемого металла. Это позволяет обеспечить необходимую температуру сварочной ванны при аргонно-дуговой сварке и обеспечить необходимую толщину шва и глубину провара. Чем дальше электрод от металла, тем ниже качество наложенного шва.
- Направленность движений – вести электрод необходимо вдоль шва. Отсутствие колебательных движений помогает создать эстетически привлекательный шов. При этом от мастера требуется практика, чтобы создать все необходимые условия для достаточного провара.
- Сущность технологических процессов аргонно-дуговой сварки сводится к тому, чтобы в момент наложения шва на него не воздействовал кислород и азот, выделяющийся во время сгорания металла. Необходимо следить за тем, чтобы электрод и присадочный материал постоянно находились в защитном облаке аргона.
- Скорость подачи проволоки должна быть равномерной. Должны отсутствовать рывки, при которых наблюдается разбрызгивание металла. Техника электродуговой сварки в среде аргона подразумевает последовательность действий мастера: правильно выбранный угол подачи присадочной проволоки впереди горелки, строгое соблюдение направленности нанесения шва и точные настройки относительно интенсивности подачи газа на горелку.
- Скорость сварки – наложение сварного шва осуществляется медленно. При этом необходимо учитывать возможные металлургические процессы, присущие этому методу обработки. К примеру, подача газа на поверхность детали должна начаться на 10-15 сек. раньше, а закончится, спустя 7-10 сек после наложения сварного шва. Заваривание кратера осуществляют с помощью реостата (снижая силу тока на дугу). Расчет расхода аргона при сварке выполняют с помощью специальных таблиц и норм. Основные положения можно узнать в ГОСТ 14771 76.
Большинство нюансов связанных с выполнением работ мастер узнает с помощью практики. Некоторую помощь можно получить из специальных справочников и пособий для проведения сварочных работ в среде защитных газов. Производители оборудования также стараются заинтересовать потенциального покупателя и предоставляют множество полезной информации и расчеты режимов сварки в инструкции по эксплуатации.
Особенности методики аргонно-дуговой сварки заключаются в правильном комбинировании: подачи проволоки, воздействия вольфрамового электрода, интенсивности подачи аргона и скорости наложения шва. Регулировать все эти составляющие станет проще по мере получения опыта.
Смеси защитных газов
Иногда является целесообразным употребление газовых смесей. За счет добавок активных газов к инертным удается повысить устойчивость дуги, увеличить глубину проплавления, улучшить формирование шва, уменьшить разбрызгивание, повысить плотность металла шва, улучшить перенос металла в дуге, повысить производительность сварки. Существенное значение при выборе состава защитного газа имеют экономические соображения.
Смесь аргона и гелия. Газовые смеси гелий-аргон применяются в основном для сварки цветных металлов: алюминий, медь, никелевых и магниевых сплавов, а также химически активных металлов. Оптимальным является соотношение 35 – 40% аргона и 60 – 65% гелия. Так в полной мере реализуются преимущества обоих газов: аргон обеспечивает стабильность дуги, гелий – высокую глубину проплавления.
Смеси аргона с кислородом или углекислым газом. Благодаря добавке окислительных газов обеспечивается существенное снижение поверхностного натяжения жидкого металла расплавляемой электродной проволоки, уменьшение размеров образующихся и отрывающихся от электрода капель. Расширяется диапазон токов при сохранении стабильного ведения процесса сварки. Обеспечивается лучшее формирование металла шва и меньшее разбрызгивание, лучшая форма провара и меньшее излучение дуги, по сравнению со сваркой в чистом аргоне, а также в чистом углекислом газе. При добавлении кислорода наблюдается снижение критического тока, при котором крупнокапельный перенос металла переходит в мелкокапельный.
В таблице ниже приводятся основные характеристики газовых смесей для сварки МИГ/МАГ.
| Толщина металла | Вид переноса | Рекомендуемый защитный газ | Достоинства |
|---|---|---|---|
| Углеродистые стали | |||
| До 2 мм. | С короткими замыканиями | Ar + СО2 Ar + СО2 + О2 | Легкое управление ванной при сварке во всех пространственных положениях. Хорошее проплавление. |
| 2 – 3 мм | Ar + (8…25)% СО2 Ar + He + СО2 | ||
| Более 3 мм | СО2 Ar + (15…25)% СО2 | ||
| Ar + 25% СО2 | Подходит для больших токов и высоких скоростей сварки | ||
| Ar + 50% СО2 | Применяется при сварке во всех пространственных положениях. Обеспечивает глубокое проплавление. Допускает высокие скорости сварки. | ||
| СО2 | Глубокое проплавление и высокая скорость сварки (однако, возможны прожоги). | ||
| Струйный | Ar + (1…8)% СО2 | Высокая стабильность дуги. Хорошее сплавление, внешний вид и форма шва. Легкое управление ванной. | |
| Более 2 мм | Импульсный | Ar + (2…8)% О2 Ar + (5…20)% СО2 | Стабильный управляемый мелкокапельный перенос. |
| Низко- и высоколегированные стали | |||
| До 2,5 мм | С короткими замыканиями | Ar + (8…20)% СО2 | Высокая стабильность дуги. Хорошее сплавление, внешний вид и форма шва. Легкое управление ванной. |
| Более 2,5 мм | Струйный | Ar + 2% О2 Ar + (5…10)% СО2 | Снижение вероятности подрезов. Глубокое проплавление и хорошие механические свойства шва. |
| Импульсный | Ar + 2% О2 Ar + 5% СО2 | Стабильный управляемый мелкокапельный перенос. | |
| Нержавеющая сталь, никель, никелевые сплавы | |||
| До 2 мм | С короткими замыканиями | Ar + (2…5)% СО2 | Легкое управление ванной. Предупреждает возникновения прожогов. |
| Более 2 мм | Ar + (2…5)% СО2 | Низкое содержание СО2 в смеси уменьшает науглероживание, которое может способствовать возникновению межкристаллитной коррозии в некоторых сплавах. Применяется для всех положений сварки. | |
| Струйный | Ar + (1…2)% О2 Ar + (2…5)% СО2 | Хорошая стабильность дуги. Низкая вероятность подрезов. | |
| Более 2 мм | Импульсный | Ar + (1…2)% О2 | Стабильный управляемый перенос в широком диапазоне режимов сварки. |
| Медь, медно-никелевые сплавы | |||
| До 3 мм | С короткими замыканиями | He + 10% Ar He + 25% Ar Ar + He | Хорошая стабильность дуги и легко управляемая сварочная ванна. |
| Более 3 мм | Струйный | He + Ar He или Ar | Высокое тепловложение. Сварка в чистом гелии применяется для больших толщин. |
| Импульсный | He или Ar | Стабильный управляемый мелкокапельный перенос. | |
| Алюминий | |||
| До 12 мм | Струйный, Импульсный | Ar | Стабильная дуга и перенос металла. Разбрызгивание незначительное или отсутствует. |
| Более 12 мм | He + (20…50)% Ar Ar + He | Высокое тепловложение. Хорошее проплавление. Минимальная пористость. | |
| Магний, титан и другие, химически активные металлы | |||
| Весь диапазон толщин | Струйный | Ar | Обеспечивается более стабильная дуга, чем в смесях, где преобладает гелий |
| Ar + (20…70)% He | Более высокое тепловложение и сниженная вероятность возникновения пористости. |
