История развития сварки в защитных газах

       Содержание

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Введение 

       В 1802 году впервые в мире профессор  физики Санкт-Петербургской медико-хирургической  академии В.В.Петров (1761-1834гг.) открыл электрическую дугу и описал явления, происходящие в ней, а также указал на возможность её практического применения. В 1881 году русский изобретатель Н.Н.Бенардос (1842-1905гг.) применил электрическую дугу для соединения и разъединения стали. Дуга Н.Н. Бенардоса горела между угольным электродом и свариваемым металлом. Присадочным прутком для образования шва служила стальная проволока. В качестве источника электрической энергии использовались аккумуляторные батареи. Сварка, предложенная Н.Н. Бенардосом, применялась в России в мастерских Риго-Орловской железной дороги при ремонте подвижного состава. Н.Н. Бенардосом были открыты и другие виды сварки: контактная точечная сварка, дуговая сварка несколькими электродами в защитном газе, а также механизированная подача электрода в дугу. 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1 Разработка процесса сварки в  защитных газах 

       Идея  сварки в защитном газе была предложена в конце XIX в. Н.Н. Бенардосом. Практическое осуществление данного способа сварки приходится на ХХ в. Дуговая сварка в защитном газе основана на оттеснении воздуха из зоны сварки потоком газа. В качестве защитного газа используют инертные газы: аргон и гелий, активные газы: азот, водород, углекислый газ, а также смеси газов.

       Практически впервые сварку в смесях газов  осуществили в 20-е гг. ХХ в. в США. Первые сообщения о сварке в инертном газе неплавящимся вольфрамовым электродом появились за рубежом в начале 40-х гг. прошлого века. В нашей стране аналогичный способ сварки появился в конце 40-х гг. В 1949 г. в Институте электросварки был разработан способ сварки угольным электродом в углекислом газе.

       Сварка  в инертном газе плавящимся электродом была разработана в нашей стране в это же время. В 1952 г. К.В. Любавский  и Н.М. Новожилов получили положительные  результаты по сварке в углекислом газе плавящимся электродом.

       В настоящее время имеется много  разновидностей сварки в защитных газах, которые получили широкое распространение  в нашей стране и за рубежом.

       Интенсивное развитие сварки в защитных газах  объясняется ее преимуществами по сравнению  с дуговой сваркой покрытыми  электродами:

       - высокая степень концентрации нагрева изделия, позволяющая значительно уменьшить зону термического влияния и коробление изделия после сварки;

       - высокая производительность;

       - возможность получения высококачественных соединений из металлов и сплавов различных марок и толщин при различной конфигурации швов и различном расположении их в пространстве;

       - широкая возможность механизации и автоматизации процесса.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2 Сварка неплавящимся электродом в инертном газе 

       Стабильность  процесса зависит от стойкости неплавящегося  электрода. Первоначально применяли  электроды из чистого вольфрама, однако их стойкость сравнительно мала. Поэтому были разработаны электроды, содержащие определенные добавки для  повышения стойкости: 1,5-2 % окиси  тория, 1-2 % окиси лантана, 1,5-2,3 % окиси  иттрия.

       В 60-е гг. прошлого столетия были проведены  работы, определившие основные направления  увеличения производительности сварки неплавящимися электродами.

       В основе их лежат методы, повышающие тепловое и силовое воздействие  дуги на основной металл. Среди наиболее эффективных вариантов решения  этой проблемы можно выделить следующие:

       - сжатие дугового промежутка;

       - сосредоточение теплового воздействия во времени;

       - заглубление дуги в сварочную ванну;

       - уменьшение размеров активного пятна на поверхности изделия без изменения мощности дуги.

       Практическая  реализация этих решений привела  не только к изменению техники  данного вида сварки, но и к созданию новых сварочных материалов, оборудования и способов соединения металлов. Принудительное обжатие столба дуги подающимся под  давлением газом приводит к повышению  концентрации его тепловой энергии.

       В результате теплообмена с дугой  газ нагревается, ионизируется и  истекает из сопла в виде плазменной струи. Совершенствование этого  процесса привело к разработке нового способа - плазменной сварки и резки. При сварке тонкостенных конструкций необходимо иметь возможность регулировать тепловложение в металл для обеспечения качественного соединения. В частности, эту задачу удалось решить путем применения импульсно-дуговой сварки, которая разработана в 1961 г. в нашей стране.

       Стабильность  процесса и равномерное формирование шва обеспечиваются специально разработанной  системой поддержания горения дуги. Она заключается в том, что  в промежутках между импульсами рабочей дуги поддерживается дежурная маломощная дуга. Ток дуги пульсирует от минимума во время паузы до максимума  во время импульса. При импульсно-дуговой  сварке шов получается путем расплавления отдельных точек с заданным перекрытием. За счет регулирования соотношения  между токами импульса и дежурной дуги можно изменять усадочные явления  и улучшить качество формирования шва.

       При аргонно-дуговой сварке ряда металлов (титана, ниобия, молибдена, нержавеющих  сталей) улучшение технологических  характеристик источника нагрева  достигается за счет применения бескислородных флюсов и паст, содержащих галоидные  соли щелочных металлов. Подобные флюсы  ограничивают активное пятно, в результате чего увеличивается сосредоточенность  теплового потока, повышается эффективность  нагрева, снижается погонная энергия  и резко уменьшается коэффициент  формы шва.

       Большое значение в развитии сварки в защитном газе имела разработка способов автоматической сварки неповоротных стыков труб. При  сварке вольфрамовым электродом обеспечивается равномерное проплавление и формирование шва. Наиболее часто автоматическая сварка неповоротных стыков труб применяется  при соединении труб диаметром от 8 до 220 мм. Современное оборудование для сварки неповоротных стыков труб (орбитальной сварки) позволяет программировать  режим сварки.

       3 Сварка плавящимся электродом в инертном газе 

       Сварка  плавящимся электродом в инертном газе применяется для соединения цветных  металлов, титановых сплавов, нержавеющих  и жаропрочных сталей и сплавов.

       Применение  и совершенствование этого способа  сварки основаны на знании закономерностей  металлургических процессов и физики дуги. В частности, была установлена  связь между режимом переноса металла и формой проплавления изделия, роль электродинамических сил. При  изготовлении конструкций из цветных  металлов и нержавеющих сталей сварка ведется на повышенных режимах по току, обеспечивающих струйный перенос  металла. Сварка в этом случае отличается высокой стабильностью и качеством  шва.

       Однако  сварку плавящимся электродом в инертном газе можно вести только в нижнем положении. Для выполнения сварки в  других пространственных положениях используют импульсно-дуговую сварку. Разработаны  различные ее варианты, позволяющие  регулировать продолжительность горения  дуги и паузы. Для изменения характеристик  процесса сварки плавящимся электродом в инертном газе разработаны и  применяются различные схемы  его ведения:

       - введение в дуговой промежуток веществ, понижающих или повышающих эффективный потенциал ионизации;

       - изменение давления и состава газа;

       - наложение на электрод, дугу или сварочную ванну магнитных полей разной конфигурации;

       - механические колебания электрода вдоль или поперек оси движения.

       Все эти меры позволяют уменьшить  разбрызгивание, влиять на процессы кристаллизации, изменять форму провара, улучшить формирование шва при выполнении как стыковых, так и угловых соединений. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       4 Сварка в углекислом газе 

       При высокой температуре углекислый газ разлагается на окись углерода и кислород. В целом такая среда  является окислительной по отношению  к большинству компонентов металлов. Поэтому углекислый газ, защищая  расплавленный металл от взаимодействия с воздухом, не может исключить  окисление его компонентов. Сведение к минимуму влияния окислительных  свойств газовой фазы на состав металла  шва и его формирование является основной задачей, решение которой  позволило осуществить промышленное применение данного способа сварки. Первоначально эта задача решалась путем применения угольного неплавящегося  электрода для сварки низкоуглеродистых  сталей.

       Как показали исследования, проведенные  в ИЭС им. Е.О. Патона, при сварке низкоуглеродистой стали на постоянном токе прямой полярности происходит незначительное выгорание углерода, что обеспечивает близость химического состава и  свойств металла шва к полученному аргонно-дуговой сваркой. Это и ряд других сварочно-технологических характеристик позволили очертить первоначальную область применения этого способа сварки: тонкостенные изделия или трубы малого диаметра.

       В основном применялась сварка с отбортовкой кромок или стыковых швов. Во всех этих случаях сварка тонкого металла угольной дугой обеспечивала удовлетворительное формирование шва в любом пространственном положении, так как объем жидкой ванны мал. Изучение металлургических процессов позволило распространить сварку угольным электродом в углекислом газе на нержавеющие стали и комбинированные соединения (низкоуглеродистая сталь + высоколегированный сплав).

       Применение  плавящихся электродов для сварки в  углекислом газе сдерживалось тем, что  наличие окислительной атмосферы  приводило к выгоранию углерода и легирующих компонентов из металла, а также к появлению пор в шве. Также такой процесс сопровождался повышенным разбрызгиванием металла.

       Таким образом, для предотвращения указанных  выше недостатков необходимо было подавить окислительный потенциал газовой  фазы. Это было достигнуто путем  применения проволоки, легированной марганцем  и кремнием, которые являются хорошими раскислителями. Введение дополнительного количества раскислителей в зону дуги подавляет окисление углерода и выгорание других элементов из металла, что устраняет образование пор и обеспечивает получение швов с достаточно высокими механическими свойствами.

       Сотрудниками  ЦНИИТМАШ в середине 50-х гг. ХХ в. были разработаны технологические рекомендации по сварке в углекислом газе проволоками диаметром 1,6-2,5 мм углеродистых, нержавеющих и ряда конструкционных сталей. Новый способ сварки обеспечивал более высокую производительность по сравнению с ручной дуговой сваркой, но мог быть использован только для выполнения швов в нижнем положении металла средних и больших толщин.

       В это же время в Институте электросварки  при непосредственном участии Б.Е. Патона был разработан процесс сварки в СО₂ тонкой проволокой диаметром 0,5-1,2 мм, протекающий с принудительными короткими замыканиями. По своей физической природе данный процесс является импульсно-дуговым. Данный вариант сварки применяется для соединения углеродистых и нержавеющих сталей малых толщин, выполнения швов, расположенных в вертикальном, горизонтальном и потолочном положении.

       Для реализации этих способов разработана  специальная аппаратура для автоматической и полуавтоматической сварки. Полуавтоматическая сварка в СО₂ отличается большой маневренностью, простотой поддержания стабильного режима и техники выполнения швов.

       В то же время при использовании  серийной проволоки Св-08Г2С процесс  сварки сопровождался разбрызгиванием  до 15%. Исследованиями российских ученых установлено, что потери на разбрызгивание существенно зависят от соотношения  между напряжением и током  сварки, чистоты поверхности проволоки, магнитного дутья, динамических свойств  источника питания, техники выполнения сварки и квалификации сварщика.

       Одним из путей уменьшения разбрызгивания при сварке в углекислом газе является введение в дугу ряда веществ: солей  щелочных и щелочноземельных металлов, оксидов титана, легирующих элементов. Наиболее широкое распространение  получил способ введения различных  веществ в дугу при сварке в  углекислом газе за счет использования  порошковой проволоки. Основу шихты  порошковых проволок, используемых для  сварки в СО₂ , составляют шлакообразующие, раскислители и легирующие. Наиболее широкое применение нашли рутиловые и рутил-флюоритные порошковые проволоки.