книги / Сущность и техника различных способов сварки плавлением

Для сварки в контролируемой атмосфере крупногабаритных изделий находят применение обитаемые камеры объемом до 450 м3 Сварщик находится внутри камеры в специальном скафан­ дре с индивидуальной системой дыхания. Инертный газ, запол­ няющий камеру, регулярно очищается и частично заменяется. Для доступа сварщика в камеру и подачи необходимых материалов имеется система шлюзов. При крупногабаритных изделиях исполь­ зуют переносные мягкие камеры, устанавливаемые на поверхности изделия. После их продувки и заполнения защитным газом сварку выполняют вручную или механизированно. Для этих же целей ис­ пользуют подвижные камеры (рис. 37, г), представляющие собой дополнительную насадку на уширенное газовое сопло горелки. Сварка в этом случае обычно выполняется автоматически.

Теплофизические свойства защитных газов оказывают большое влияние на технологические свойства дуги и форму швов. Например, по сравнению с аргоном гелий имеет более вы­ сокий потенциал ионизации и большую теплопроводность при температурах плазмы. Поэтому дуга в гелии более «мягкая». При равных условиях дуга в гелии имеет более высокое напряжение, а образующийся шов имеет меньшую глубину проплавления и большую ширину. Поэтому гелий целесообразно использовать при сварке тонколистового металла. Кроме того, он легче воздуха и аргона, что требует для хорошей защиты зоны сварки повы­ шенного его расхода (1,5-3 раза). Углекислый газ по влиянию на форму шва занимает промежуточное положение.

Широкий диапазон используемых защитных газов, обла­ дающих значительно различающимися теплофизическими свой­ ствами, обусловливает большие технологические возможности этого способа как в отношении свариваемых металлов (практиче­ ски всех), так и их толщин (от 0,1 мм до десятков миллиметров). Сварку можно выполнять, используя неплавящийся (угольный, вольфрамовый) или плавящийся электрод.

По сравнению с другими способами сварка в защитных га­ зах обладает рядом преимуществ: высокое качество сварных со­ единений на разнообразных металлах и сплавах различной тол­ щины; возможность сварки в различных пространственных по­ ложениях; возможность визуального наблюдения за образовани­ ем шва, что особенно важно при полуавтоматической сварке; от­ сутствие операций по засыпке и уборке флюса и удалению шла­

ка; высокая производительность и легкость механизации и авто­ матизации; низкая стоимость при использовании активных за­ щитных газов. К недостаткам способа по сравнению со сваркой под флюсом относится необходимость применения защитных мер против световой и тепловой радиации дуги.

Техника сварки неплавящимся электродом. В настоящее время сварка угольным электродом находит ограниченное при­ менение. В качестве защитного газа в этом случае используют углекислый газ. Хорошие результаты достигаются при автомати­ ческой сварке оплавлением отбортованных кромок при изготов­ лении канистр на специальных установках. Это объясняется об­ разованием окиси углерода (СО) при взаимодействии углекисло­ го газа с твердым углеродом. Окись углерода - эффективный за­ щитный газ, так как он не растворяется в металле и, восстанавли­ вая окислы, улучшает качество металла шва. Следует помнить, что окись углерода очень токсична.

При применении вольфрамового электрода в качестве за­ щитных используют инертные газы или их смеси и постоянный или переменный ток. Лучшие результаты при сварке большинст­ ва металлов дает применение электродов не из чистого вольфра­ ма, а иттрированных или лантанированных. Добавка в вольфрам при изготовлении электродов 1,5-2% окислов иттрия и лантана повышает их стойкость и допускает применение повышенных на 15% сварочных токов. Перед сваркой рабочий конец электрода обычно затачивают на конус с углом 60° на длине двух-трех диа­ метров. Форма заточки электрода влияет на форму и размеры шва. С уменьшением угла заточки и диаметра притупления в не­ которых пределах глубина проплавления возрастает.

Технологические свойства дуги в значительной мере опре­ деляются родом и полярностью сварочного тока. При прямой по­ лярности на изделии выделяется до 70% теплоты дуги, что обес­ печивает глубокое проплавление основного металла. При обрат­ ной полярности напряжение дуги выше, чем при прямой поляр­ ности. На аноде-электроде выделяется большое количество энер­ гии, что приводит к значительному его разогреву и возможному оплавлению рабочего конца. Ввиду этого допустимые плотности сварочного тока понижены (табл. 3). Дугу постоянного тока об­ ратной полярности с вольфрамовым электродом в практике ис­ пользуют ограниченно.

Примечание. При применении иттрированных и лантанированных электродов силу сварочного тока допустимо увеличивать на 15%.

При использовании переменного тока полярность электрода и изделия меняется с частотой тока. Поэтому количество тепло­ ты, выделяющейся на электроде и изделии, примерно одинаково. Электропроводность дуги различна в различные полупериоды полярности переменного тока. Она выше в те полупериоды, когда катод на электроде (прямая полярность) и дуговой разряд проис­ ходит в основном за счет термоионной эмиссии ввиду высокой температуры плавления и относительно низкой теплопроводно­ сти вольфрама. В полупериоды, когда катод на изделии, электро­ проводность дуги ниже, напряжение, требуемое для возбуждения дуги, выше, поэтому ее возбуждение происходит с некоторым опозданием (рис. 39).

В соответствии с различным напряжением дуги в разные полупериоды переменного тока различна и величина сварочного тока, т.е. в сварочной цепи появляется постоянная составляющая тока. В данном случае мы имеем дело с выпрямляющим (вен­ тильным) эффектом рассматриваемого типа дуги, вызванным различием теплофизических свойств электрода и изделия. Вели­ чина постоянной составляющей зависит от величины сварочного тока, скорости сварки, свариваемого металла и т.д. Ее наличие ухудшает качество сварных швов на алюминиевых сплавах и снижает стойкость вольфрамового электрода. Для уменьшения величины постоянной составляющей тока применяют различные способы.

На изделии

©©

Рис. 39. Асимметрия дуги переменного тока при сварке вольфрамовым электродом в среде аргона; Uucm- напряжение источника сварочного тока; Uà - напряжение дуги; 1д - ток дуги

Интересной разновидностью применения вольфрамового электрода является сварка погруженной дугой (рис. 40), при ко­ торой используют электрод повышенного диаметра и повышен­ ный сварочный ток. Соединение собирают встык без разделки кромок, без зазора. При увеличении подачи защитного газа (1) через сопло до 40-50 л/мин дуга обжимается газом, что повышает ее температуру. Как и в плазматронах, проходящий через дугу газ, нагреваясь, увеличивает свой объем и приобретает свойства плазмы. Давление защитного газа и дуги (2), вытесняя расплав­ ленный металл (4) из-под дуги, способствует ее углублению в ос­ новной металл (3).

3 2

Рис. 40. Сварка в защитных газах вольфрамовым электродом погруженной дугой

Таким образом, дуга горит в образовавшейся в металле по­ лости. Это позволяет опустить электрод так, чтобы дуга горела ниже поверхности металла (погруженная в металл дуга). Обра­ зующаяся ванна расплавленного металла при кристаллизации об-

металла и его толщины, силы сварочного тока и тока дежурной дуги, скорости сварки и т.д. С увеличением силы тока и длитель­ ности его импульса ширина шва и глубина проплавления увели­ чиваются (рис. 43). Размеры шва в большей степени зависят от силы тока, чем от длительности его импульса. Благоприятная форма отдельных точек, близкая к кругу, уменьшает возможность вытекания расплавленного металла из сварочной ванны (прожо­ га). Поэтому сварку легко выполнять на весу без подкладок при хорошем качестве во всех пространственных положениях.

I_____I__________ I____ I

Рис. 43. Зависимость размеров шва от основных параметров импульсно-дуговой сварки

Представляет определенный интерес использование внеш­ него магнитного поля для отклонения или перемещения непре­ рывно горящей дуги. Внешнее переменное или постоянное маг­ нитное поле, параллельное или перпендикулярное к направлению сварки, создается П-образными электромагнитами. При исполь­ зовании постоянного магнитного поля дугу можно отклонить в любую сторону относительно направления сварки. При отклоне­ нии дуги в сторону направления сварки (магнитное поле также параллельно направлению сварки) наблюдается такой же эффект, как и при сварке наклонным электродом - углом вперед. В этом случае уменьшается глубина проплавления. При отклонении дуги в обратном направлении наблюдается увеличение глубины про­ плавления, как при сварке с наклоном электрода углом назад.

При переменном внешнем магнитном поле дуга колеблется с частотой внешнего магнитного поля. В результате изменяются

условия ввода теплоты в изделие и, в частности, ее распределе­ ние по поверхности. При колебании дуги поперек направления сварки увеличивается ширина шва и уменьшается глубина про­ плавления. Это позволяет сваривать тонколистовой металл. Удобно использовать этот способ для сварки разнородных метал­ лов (например, меди и стали и др.) небольшой толщины при от­ бортовке кромок.

Колебания, сообщаемые расплавленному металлу сварочной ванны, изменяют характер его кристаллизации и способствуют измельчению зерна. В результате улучшаются свойства наплав­ ленного металла. Поэтому этот способ используют при сварке металлов, характеризующихся крупнозернистым строением ме­ талла шва, таких как алюминий, медь, титан и их сплавы. Имеет­ ся положительный опыт использования способа и при сварке вы­ сокопрочных сталей и сплавов.

Сварка вольфрамовым электродом обычно целесообразна для соединения металла толщиной 0,1-6 мм. Однако ее можно применять и для больших толщин. Сварку выполняют без при­ садки, когда шов формируется за счет расплавления кромок, и с дополнительным присадочным металлом, предварительно уло­ женным в разделку или подаваемым в зону дуги в виде приса­ дочной проволоки. Угловые и стыковые швы во всех пространст­ венных положениях выполняют вручную, полуавтоматически и автоматически.

Для получения качественной сварки, особенно тонколисто­ вых конструкций, следует обеспечивать точную подготовку и сборку кромок прихватками вручную вольфрамовым электродом или в специальных сборочно-сварочных приспособлениях.

Загрязнение рабочего конца электрода понижает его стой­ кость (образуется сплав вольфрама с более низкой температурой плавления) и ухудшает качество шва. Поэтому дугу возбуждают без прикосновения к основному металлу или присадочной прово­ локе, осциллятором или замыкая дуговой промежуток угольным электродом. При правильном выборе силы сварочного тока рабо­ чий конец электрода расходуется незначительно и долго сохраня­ ет форму заточки.

Качество шва в большой степени определяется надежно­ стью оттеснения от зоны сварки воздуха. Необходимый расход

защитного газа устанавливают в зависимости от состава и тол­ щины свариваемого металла, типа сварного соединения и скоро­ сти сварки. Соединения на рис. 44, а и б для достаточной защиты требуют нормального расхода газов. Типы соединений на рис. 44, в и г требуют повышенного расхода защитного газа, поэтому при сварке этих соединений рекомендуется применять экраны, уста­ навливаемые сбоку и параллельно шву. Поток защитного газа при сварке должен надежно охватывать всю область сварочной ван­ ны, разогретую часть присадочного прутка и электрод. При по­ вышенных скоростях сварки поток защитного газа может оттес­ няться воздухом. В этих случаях следует увеличивать расход за­ щитного газа.

Рис. 44. Расположение границы защитной струи газа при сварке соединений различных типов

При сварке многопроходных швов с V- или Х-образной раз­ делкой кромок первый проход часто выполняют вручную или механизированно без присадочного металла на весу. Разделку за­ полняют при последующих проходах с присадочным металлом. Для формирования корня шва можно использовать медные или стальные съемные подкладки, флюсовую подушку. В некоторых случаях возможно применение и остающихся подкладок. При сварке активных металлов необходимо не только получить хоро­ ший провар в корне шва, но и обеспечить защиту от воздуха с об­ ратной стороны расплавленного и нагретого металлов. Это дос­ тигается использованием медных или других подкладок с канав­ ками, в которые подается защитный инертный газ (рис. 45). Эта же цель в некоторых случаях достигается при использовании флюсовых подушек.