ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ И ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕЗКИ 8 глава

2 - флюсовая шайба меньше, чем при сварке в нижнем поло-

жении. Процесс несколько напоминает сварку электрозаклепок. После обрыва дуги и образования достаточной сварочной ванны шпильку быст­ро до упора подают оплавленным концом.

3.2. Типовые режимы сварки под флюсом поворотных стыков труб

ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

Сварку стыков труб под флюсом выполняют только автоматически при нижнем положении шва. Из-за сложности удержания от вытекания из сварочной ванны расплавленных шлака и металла трубы диаметром менее 150 мм этим способом обычно не сваривают. С этой же целью электрод смещают с зенита стыка в зависимости от диаметра труб на­встречу их вращению (табл. 3.2). Для удержания флюса от ссыпания применяют специальные флюсоудерживающие приспособления. Так как на весу под флюсом проварить корень шва практически невозможно, первый слой обычно сваривают вручную покрытыми электродами или механизировано в углекислом газе.

3.5. ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

Сварка в защитных газах нашла широкое применение в промышлен­ности. Этим способом можно соединять вручную, полуавтоматически или автоматически в различных пространственных положениях разнообразные металлы и сплавы толщиной от десятых долей до десятков миллиметров.

Сущность способа. При сварке в зону дуги / через сопло 2 непрерывно подается защитный газ 3 (рис. 3.36). Теплотой дуги расплавляется основной металл 4 и, если сварку выполняют плавящимся электродом, расплавляется и электродная проволока. Рас­плавленный металл сварочной ванны, кри­сталлизуясь, образует шов. При сварке непла-вящимся электродом электрод не расплавля­ется, а его расход вызван испарением металла или частичным оплавлением при повышенном сварочном токе.

Образование шва происходит за счет расплавления кромок основно­го металла или дополнительно вводимого присадочного металла. В каче­стве защитных газов применяют инертные (аргон и гелий) и активные (уг­лекислый газ, водород, кислород и азот) газы, а также их смеси (Аг + Не; Аг + СО₂; Аг + О₂; СО₂ + О₂ и др.). По отношению к электроду защитный газ можно подавать центрально или сбоку (рис. 3.37). Сбоку газ подают при больших скоростях сварки плавящимся электродом, когда при цен­тральной защите надежность защиты нарушается из-за обдувания газа неподвижным воздухом. Сквозняки или ветер при сварке, сдувая струю защитного газа, могут резко ухудшить качество сварного шва. В некото­рых случаях, особенно при сварке вольфрамовым электродом, для полу-

Рис. 3.36. Дуговая сварка в защитных газах

СУЩНОСТЬ И ТЕХНИКА СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Рис. 3.37. Подача защитных газов в зону сварки:

а - центральная одним концентрическим потоком; б - центральная двумя

концентрическими потоками; в - боковая; г - в подвижную камеру (насадку);

/ - электрод; 2 - защитный газ; 3,4- наружный и внутренний потоки защитных

газов; 5 - насадка; б — распределительная сетка

чения необходимых технологических свойств дуги, а также с целью эко­номии дефицитных и дорогих инертных газов используют защиту двумя концентрическими потоками газа.

Для сварки тугоплавких и активных металлов, часто выполняемой вольфрамовым электродом, для улучшения защиты нагретого и расплав­ленного металлов от возможного подсоса в зону сварки воздуха исполь­зуют специальные камеры (сварка в контролируемой атмосфере). Детали помещают в специальные камеры, откачивают воздух до создания вакуу­ма (до 10^-4 мм рт. ст.) и заполняют инертным газом высокой чистоты. Сварку выполняют вручную (рис. 3.38) или автоматически с дистанцион­ным управлением.

Рис. 3.38. Камера с контролируемой атмосферой для ручной дуговой сварки вольфрамовым электродом:

/ - корпус камеры; 2 - смотровое окно; 3 - рабочие рукава-перчатки сварщика, соединенные с корпусом камеры; 4 - горелка

ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

Для сварки в контролируемой атмосфере крупногабаритных изде­лий находят применение обитаемые камеры объемом до 450 м³. Сварщик находится внутри камеры в специальном скафандре с индивидуальной системой дыхания. Инертный газ, заполняющий камеру, регулярно очи­щается и частично заменяется. Для доступа сварщика в камеру и подачи необходимых материалов имеется система шлюзов. При крупногабарит­ных изделиях используют переносные мягкие камеры, устанавливаемые на поверхности изделия. После их продувки и заполнения защитным га­зом сварку выполняют вручную или механизировано. Для этих же целей используют подвижные камеры (рис. 3.37, 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 высокий 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 про-плавления 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 повышенного его расхода (1,5 ... 3 раза). Углекислый газ по влиянию на форму шва зани­мает промежуточное положение.

Широкий диапазон используемых защитных газов, обладающих зна­чительно различающимися теплофизическими свойствами, обусловливает большие технологические возможности этого способа как в отношении свариваемых металлов (практически всех), так и их толщин (от 0,1 мм до десятков миллиметров). Сварку можно выполнять, используя неплавя-щийся (угольный, вольфрамовый) или плавящийся электрод.

По сравнению с другими способами сварка в защитных газах облада­ет рядом преимуществ: высокое качество сварных соединений на разнооб­разных металлах и сплавах различной толщины; возможность сварки в различных пространственных положениях; возможность визуального на­блюдения за образованием шва, что особенно важно при полуавтоматиче­ской сварке; отсутствие операций по засыпке и уборке флюса и удалению шлака; высокая производительность и легкость механизации и автоматиза­ции; низкая стоимость при использовании активных защитных газов.

К недостаткам способа по сравнению со сваркой под флюсом отно­сится необходимость применения защитных мер против световой и теп­ловой радиации дуги.

СУЩНОСТЬ И ТЕХНИКА СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Техника сварки неплавящимся электродом. В настоящее время сварка угольным электродом находит ограниченное применение. В каче­стве защитного газа в этом случае используют углекислый газ. Хорошие результаты достигаются при автоматической сварке оплавлением отбор­тованных кромок при изготовлении канистр на специальных установках. Это объясняется образованием окиси углерода (СО) при взаимодействии углекислого газа с твердым углеродом. Окись углерода - эффективный защитный газ, так как он не растворяется в металле и, восстанавливая окислы, улучшает качество металла шва. Следует помнить, что окись углерода очень токсична.

При применении вольфрамового электрода в качестве защитных ис­пользуют инертные газы или их смеси и постоянный или переменный ток. Лучшие результаты при сварке большинства металлов дает применение электродов не из чистого вольфрама, а иттрированных или лантаниро-ванных. Добавка в вольфрам при изготовлении электродов 1,5 ... 2 % оксидов 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 диаметров. Форма заточки электрода влияет на форму и размеры шва. С уменьшением угла заточки и диаметра притупления в некоторых пре­делах глубина проплавления возрастает.

Технологические свойства дуги в значительной мере определяются родом и полярностью сварочного тока. При прямой полярности на изделии выделяется до 70 % теплоты дуги, что обеспечивает глубокое проплавление основного металла. При обратной полярности напряжение дуги выше, чем при прямой полярности. На аноде - электроде выделяется большое количе­ство энергии, что приводит к значительному его разогреву и возможному оплавлению рабочего конца. Ввиду этого допустимые значения сварочного тока понижены (табл. 3.3). Дугу постоянного тока обратной полярности с вольфрамовым электродом в практике используют ограниченно.

При использовании переменного тока полярность электрода и изде­лия меняется с частотой тока. Поэтому количество теплоты, 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 происходит в основном за счет термоионной эмиссии вви­ду высокой температуры плавления и относительно низкой теплопровод­ности вольфрама. В полупериоды, когда катод на изделии, электропровод­ность дуги ниже, напряжение, требуемое для возбуждения дуги, выше, поэтому ее возбуждение происходит с некоторым опозданием (рис. 3.39).

ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

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

Рис. 3.39. Асимметрия дуги

переменного тока при сварке

вольфрамовым электродом

в среде аргона:

U_ист - напряжение источника

сварочного тока;

U_д - напряжение дуги;

I_д - ток дуги

СУЩНОСТЬ И ТЕХНИКА СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

В соответствии с различным напряжением дуги в разные полупе­риоды переменного тока различна и сила сварочного тока, т.е. в свароч­ной цепи появляется постоянная составляющая тока. В данном случае мы имеем дело с выпрямляющим (вентильным) эффектом рассматриваемого типа дуги, вызванным различием теплофизических свойств электрода и изделия. Величина постоянной составляющей зависит от силы 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 постоянной состав­ляющей тока применяют различные способы.

Интересной разновидностью применения вольфрамового элек­трода является сварка погруженной дугой (рис. 3.40), при которой ис­пользуют электрод повышенного диаметра и повышенный свароч­ный ток. Соединение собирают встык без разделки кромок, без зазора. При увеличении подачи защитного газа / через сопло до 40 ... 50 л/мин дуга обжимается газом, что повышает ее температу­ру. Как и в плазмотронах проходя­щий через дугу газ, нагреваясь, увеличивает свой объем и приобретает свойства плазмы. Давление защитного газа и дуги 2, вытесняя расплав­ленный металл из-под дуги, способствует ее углублению в основной ме­талл 3.

Таким образом, дуга горит в образовавшейся в металле полости. Это позволяет опустить электрод так, чтобы дуга горела ниже поверхности металла (погруженная в металл дуга). Образующаяся ванна расплавлен­ного металла при кристаллизации образует шов. Этим способом можно сваривать титан, алюминий, высоколегированные стали и другие метал­лы толщиной до 36 мм с двух сторон (чем меньше плотность свариваемо­го металла, тем больше толщина). Шов при этом имеет специфическую бочкообразную форму, определяемую тем, что дуга горит ниже верхней плоскости металла.

Сварку погруженной дугой можно осуществлять и в вертикальном положении на подъем. В этом случае расплавленный металл сварочной ванны, стекая вниз, удерживается кристаллизатором (медным охлаждае­мым водой кокилем), который и формирует принудительно шов. Сварка

Рис. 3.40. Сварка в защитных газах

вольфрамовым электродом

погруженной дугой

ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

возможна с одной стороны с неполным проплавлением или за два прохо­да с двух сторон с неполным проплавлением в каждый проход. При свар­ке пофуженной дугой применяют входные и выводные планки для выво­да дефектных начального (неполный провар) и конечного (усадочная ра­ковина) участков шва.

Другой разновидностью свар­ки вольфрамовым электродом яв­ляется сварка полым вольфрамо­вым электродом в вакууме (рис. 3.41). Возбуждение и поддержание дуги в вакууме 10-3 мм рт. ст. пред­ставляет определенные трудности, так как тлеющий разряд переходит на стенки камеры. Подача в рас­сматриваемом способе сварки до­зируемого количества газа в по­лость электрода стабилизирует катодное пятно на внутренней по­верхности электрода. Перемеще­ние катода по внутренней полости

Рис. 3.41. Сварка полым

вольфрамовым электродом

в вакууме:

/ - полый катод; 2 — вакуумная камера;

3 - дозирующее устройство;

4 - баллон с инертным газом;

5 - насос; б - дуга; 7 - свариваемое изделие; 8 - источник тока

вызывает разогрев электрода до яркого свечения. При силах тока свыше 50 А дуга представляет собой голубоватый разряд, цилиндрический по форме на всей длине дуги.

Газ, подаваемый в полость электрода, ионизируясь, приобретает свойства плазмы. Количество газа, подаваемое в полость электрода, должно обеспечивать давление газа в камере меньше 50 мм рт. ст. При больших давлениях катодное пятно выходит на торец электрода и хаоти­чески перемещается по нему. Давление в камере 10^-2 ... 10^-4 мм рт. ст. при расходе газа 0,01 ... 0,1 л/мин создает наилучшие условия повыше­ния концентрации дугового разряда. Применение подобного способа сварки имеет определенные металлургические преимущества, так как способствует удалению газов из расплавленного металла и уменьшает угар легирующих элементов. Этим способом можно сваривать различные металлы и сплавы толщиной до 15 мм или производить наплавку.

Для сварки тонколистового металла находит применение импульс­ная дуга. Основной металл расплавляется дугой, горящей периодически отдельными импульсами постоянного тока (рис. 3.42, а) с определенны­ми интервалами во времени. При большом перерыве в горении дуги (t_п) дуговой промежуток деионизируется, что приводит к затруднению в по­вторном возбуждении дуги. Для устранения этого недостатка постоянно

СУЩНОСТЬ И ТЕХНИКА СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Рис. 3.42. Изменение сварочного тока и напряжения при импульсно-дуговой сварке вольфрамовым электродом (а):

/_св - сварочный ток; /_деж - ток дежурной дуги; t_п - время паузы;

t_и - время сварки (t_и+ t_п = t_ц- время цикла); швы в плоскости (б) и продольном сечении (в)

поддерживается вторая, обычно маломощная дежурная дуга от самостоя­тельного источника питания. На эту дугу и накладывается основная им­пульсная дуга. Дежурная дуга, постоянно поддерживая термоэлектрон­ную эмиссию с электрода, обеспечивает стабильное возникновение ос­новной сварочной дуги.

Шов в этом случае состоит из отдельных перекрывающих друг дру­га точек (рис. 3.42, б, в). Величина перекрытия зависит от толщины ме­талла, силы сварочного тока и тока дежурной дуги, скорости сварки и т.д. С увеличением силы тока и длительности его импульса ширина шва и глубина проплавления увеличиваются (рис. 3.43). 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 (про­жога). Поэтому сварку легко выполнять на весу без подкладок при хоро­шем качестве во всех пространственных положениях.

Представляет определенный интерес использование внешнего маг­нитного поля для отклонения или перемещения непрерывно горящей ду­ги. Внешнее переменное или постоянное магнитное поле, параллельное или перпендикулярное к направлению сварки, создается П-образными электромагнитами. При использовании постоянного магнитного поля дугу можно отклонить в любую сторону относительно направления свар­ки. При отклонении 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 проплавления, как при сварке с наклоном электрода углом назад.

ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

Рис. 3.43. Зависимость размеров шва от основных параметров импульсно-дуговой сварки

При переменном внешнем магнитном поле дуга колеблется с часто­той внешнего магнитного поля. В результате изменяются условия ввода теплоты в изделие и, в частности, ее распределение по поверхности. При колебании дуги поперек направления сварки увеличивается ширина шва и уменьшается глубина проплавления. Это позволяет сваривать тонколи­стовой металл. Удобно использовать этот способ для сварки разнородных металлов (например, меди и стали и др.) небольшой толщины при отбор-товке кромок.

Колебания, сообщаемые расплавленному металлу сварочной ванны, изменяют характер его кристаллизации и способствуют измельчению зерна. В результате улучшаются свойства наплавленного металла. По­этому этот способ используют при сварке металлов, характеризующихся крупнозернистым строением металла шва, таких как алюминий, медь, титан и их сплавы. Имеется положительный опыт использования способа и при сварке высокопрочных 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 присадки, когда шов фор­мируется за счет расплавления кромок, и с дополнительным присадоч­ным металлом, предварительно уложенным в разделку или подаваемым в зону дуги в виде присадочной проволоки. Угловые и стыковые швы во всех пространственных положениях выполняют вручную, полуавтомати­чески и автоматически.

СУЩНОСТЬ И ТЕХНИКА СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

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

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

Качество шва в большой степени определяется надежностью оттес­нения от зоны сварки воздуха. Необходимый расход защитного газа ус­танавливают в зависимости от состава и толщины свариваемого металла, типа сварного соединения и скорости сварки. Соединения на рис. 3.44, а и б для достаточной защиты требуют нормального расхода газов. Типы соединений на рис. 3.44, ваг требуют повышенного расхода защитного газа, поэтому при сварке этих соединений рекомендуется применять экра­ны, устанавливаемые сбоку и параллельно шву. Поток защитного газа при сварке должен надежно охватывать всю область сварочной ванны, разогре­тую часть присадочного прутка и электрод. При повышенных скоростях сварки поток защитного газа может оттесняться воздухом. В этих случаях следует увеличивать расход защитного газа.

При сварке многопроходных швов с V- или Х-образной разделкой кромок первый проход часто выполняют вручную или механизировано без присадочного металла на весу. Разделку заполняют 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 под-

Рис. 3.44. Расположение границы защитной струи газа при сварке соединений различных типов

ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

Рис. 3.45. Подкладки для защиты от воздуха обратной стороны шва при сварке:

а - односторонней; б - двусторонней; 1 - медная подкладка;

2 - канал для подачи защитного газа; 3 - свариваемый металл;

4 - зажимное приспособление

кладок. При сварке активных металлов необходимо не только получить хороший провар в корне шва, но и обеспечить защиту от воздуха с об­ратной стороны расплавленного и нагретого металлов. Это достигается использованием медных или других подкладок с канавками, в которые подается защитный инертный газ (рис. 3.45). Эта же цель в некоторых случаях достигается при использовании флюсовых подушек.

При сварке труб или закрытых сосудов газ пропускают внутрь сосу­да. Инертные газы, увеличивая поверхностное натяжение расплавленного металла, улучшают формирование корня шва. Поэтому их поддув ис­пользуют при сварке сталей на весу. При сварке на весу, особенно без присадочного металла, следует тщательно поддерживать требуемый за­зор между кромками.

При соединении встык металла толщиной до 10 мм ручную сварку ведут справа налево (левый способ) (рис. 3.46). При сварке металла меньшей толщины угол между горелкой и изделием устанавливают рав­ным 60°. При сварке изделий больших толщин применяют правый спо­соб; угол между горелкой и изделием, так же как и при сварке угловых соединений, устанавливают равным 90°.

Рис. 3.46. Расположение горелки

и присадочного прутка при ручной аргонодуговой сварке:

/ - электрод;

2 - присадочный пруток;

3 - защитный газ; 4 - сопло

132 СУЩНОСТЬ И ТЕХНИКА СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Присадочный пруток при ручной сварке тонколистового материала вводят не в столб дуги, а несколько сбоку возвратно-поступательными движениями; при сварке металла большей толщины - поступательно-поперечными перемещениями. При сварке многослойных швов отдель­ные валики рекомендуется выполнять не на всю ширину разделки (мно­гопроходными).

При автоматической и полуавтоматической сварке электрод распо­лагают перпендикулярно к поверхности изделия. Угол между ним и при­садочной проволокой (обычно диаметром 2 ... 4 мм) должен прибли­жаться к 90°. В большинстве случаев направление сварки выбирают та­ким, чтобы присадочный пруток находился впереди дуги (подавался в головную часть сварочной ванны).

Однако при сварке по криволинейному контуру такая схема подачи присадочной проволоки неудобна из-за сложности образования шва на разворотах. В этом случае применяется вертикальная подача присадоч­ной проволоки в сварочную ванну. При этом криволинейные участки шва сваривают без разворота сварочной горелки. Однако при этом уменьша­ется глубина проплавления и шов несимметричен, так как присадочная проволока на различных участках криволинейного контура вводится в различные части сварочной ванны (головную, боковую, хвостовую).

При автоматической и полуавтоматической сварке вертикальных швов на спуск, если сварочная ванна имеет значительные размеры, воз­можно затекание расплавленного металла под вольфрамовый электрод, что резко уменьшает глубину проплавления и может привести к корот­кому замыканию. Вылет конца электрода из сопла не должен превышать 3 ... 5 мм, а при сварке угловых швов и стыковых с глубокой разделкой -5 ... 7 мм. Длина дуги должна поддерживаться в пределах 1,5 ... 3 мм. Для предупреждения непровара в начале и конце шва рекомендуется применять выводные планки.

В настоящее время при сварке толстолистового металла находит применение щелевая разделка кромок. За счет сокращения количества наплавляемого металла значительно повышается производительность процесса сварки. Однако при этом сложно проваривать кромки шва, где могут образовываться несплавления. В этом случае может использовать­ся вольфрамовый электрод с отогнутым концом и поворотом его в зазоре.

Другая схема (рис. 3.47) предусматривает использование 2 электро­дов. Обрывать дугу следует постепенным ее удлинением, а при автома­тической сварке - уменьшением силы сварочного тока. Для предупреж­дения окисления вольфрама и защиты расплавленного металла в кратере

ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

Рис. 3.47. Схема сварки сканирующим

вольфрамовым электродом

по щелевому зазору:

/ - присадочная проволока; 2 - электроды

после обрыва дуги защитный газ выключают через 5 ... 10 с. Включают защитный газ за 15 ... 20 с до возбуждения дуги для продувки шлангов от воздуха.

Техника сварки плавящимся электродом. В зависимости от сва­риваемого металла и его толщины в качестве защитных газов используют инертные, активные газы или их смеси. В силу физических особенностей стабильность дуги и ее технологические свойства выше при использова­нии постоянного тока обратной полярности. При использовании посто­янного тока прямой полярности количество расплавляемого электродно­го металла увеличивается на 25 ... 30 %, но резко снижается стабиль­ность дуги и повышаются потери металла на разбрызгивание. Примене­ние переменного тока невозможно из-за нестабильного горения дуги.