Сварка неплавящимся электродом

Сварка неплавящимся электродом наиболее часто ведется  дугой, горящей между вольфрамовым электродом и изделием в среде  инертного газа. Угольные электроды  применяются при сварке неответственных  соединений. Газ, подаваемый в зону сварки, — аргон, гелий или их смеси, выполняет две функции: он ионизируется, образуя плазму столба дуги, и защищает электрод, сварочную  ванну, поверхность шва, конец присадочной  проволоки, если она применяется, от окисления и азотирования. Сварка ведется в диапазоне токов от одного до нескольких сотен ампер в зависимости от толщины свариваемого металла.

При сварке неплавящимся электродом энергия, выделяющаяся в  сварочной дуге, расходуется на нагрев, плавление и испарение материала  изделия, присадочной проволоки, вольфрамового  электрода и лучевые потери от столба дуги.

Технологические характеристики процесса сварки вольфрамовым электродом зависят главным образом от рода, полярности и значения сварочного тока, длины дуги, формы и размеров торца  вольфрамового электрода.

Сварка постоянным током прямой полярности характеризуется  максимальной проплавляющей способностью и применяется для соединения изделий из малоуглеродистых, углеродистых, легированных сталей, меди, никеля, титана и ряда других металлов и сплавов. Для различных режимов аргонодуговой  сварки на постоянном токе прямой полярности в диапазоне токов до 600 А доля тепловой мощности, вводимой в изделие, составляет 40—90 %, потери на нагрев вольфрамового электрода — примерно 5 %, а лучевые потери от столба дуги 7—35 %. Автоматическая сварка на постоянном токе прямой полярности ограниченно применяется также для соединения алюминиевых сплавов. В этом случае процесс сварки выполняется короткой дугой в гелии с погружением конца вольфрамового электрода внутрь сварочной ванны.

Сварка постоянным током обратной полярности применяется  для стыковых соединений из алюминиевых  сплавов. Потери на нагрев неплавящегося  электрода — анода составляют более 50% общей мощности дуги и в  несколько раз превышают долю мощности, затрачиваемую на нагрев вольфрамового электрода — катода, т. е. знергетически сварка током обратной полярности невыгодна. Концентрация нагрева в этом случае ниже, швы имеют меньшую глубину и большую ширину проплавления, чем при сварке током прямой полярности или переменным током. Преимуществом сварки дугой обратной полярности является то, что катодное пятно постоянно находится на изделии и вследствие катодного распыления происходит эффективное разрушение окисной пленки с обеспечением высокой чистоты поверхности сварочной ванны. Процесс характеризуется высокой стабильностью горения дуги и хорошим сплавлением основного и присадочного металлов даже при нетщательной подготовке поверхности изделия под сварку. Однако значительная тепловая нагрузка на вольфрамовый электрод — анод и опасность попадания материала электрода в шов ограничивают мощность дуги и производительность этого процесса. Как правило, сварка ведется на токах до 150 А. Следует отметить, что низкая концентрация нагрева, блуждание и отклонение столба дуги крайне затрудняют сварку на токе обратной полярности угловых соединений.

Сварка переменным током является наиболее распространенным процессом при изготовлении конструкций  из алюминиевых и магниевых сплавов. Очистка окисной пленки происходит в полупериод обратной полярности, когда основной металл является катодом. Так как разогретый вольфрамовый электрод лучше эмитирует электроны, чем алюминий, то возникает разбаланс токов прямой и обратной полярности; он компенсируется схемой управления источника сварсчного тока., Компенсация постоянной составляющей сварочного тока обеспечивает условия для полного разрушения окисной пленки. При сварке на больших токах, свыше 300 А, допускается несбалансированный сварочный ток, с небольшим значением постоянной составляющей, что снижает жесткость столба дуги и обеспечивает лучшее сплавление присадочного и основного металлов.

При меньшем значении тока полуволны обратной полярности (50—80% от полуволны прямой полярности) снижается тепловая нагрузка на вольфрамовый электрод, становится возможным уменьшить  его диаметр и обеспечивается лучшее формирование шва при сварке угловых соединений.

Газовая защита при  сварке неплавящимся электродом в большинстве  случаев осуществляется аргоном. Применение гелия взамен аргона увеличивает  проплавляющую способность дуги, устраняет пористость и улучшает формирование шва при высоких  скоростях сварки. Высокая стоимость  и дефицитность гелия ограничивают его использование. Для повышения  тепловой мощности дуги при сварке меди применяется азот. Расход газа, необходимый для получения чистых, качественных швов, зависит от ряда факторов: состава основного и  присадочного металлов, формы и размеров сопла, типа соединения и места выполнения сварки (в заводских условиях или  на монтаже). На рис. 6.16 приведена ориентировочная  зависимость между расходом аргона и сварочным током для ручной сварки стыковых соединений алюминия. Расход аргона линейно увеличивается  с ростом сварочного тока.

Газовая защита обратной стороны шва при сварке титана, легированных сталей и никелевых  сплавов осуществляется с помощью  аргона. Азот используется для защиты обратной стороны шва при сварке меди. При сварке алюминия газовая  защита обратной стороны шва обычно не применяется.

Время продувки газа после отключения дуги зависит от значения сварочного тока. Оно выбирается в пределах 5—20 с и должно быть достаточным, чтобы предотвратить  окисление поверхности сварочной  ванны и торца вольфрамового  электрода.

Сварочный ток и  скорость сварки определяют необходимое тепловложение и выбираются в зависимости от состава и толщины свариваемого металла. Формирование и размеры шва при сварке неплавящимся электродом зависят от теплового и механического воздействия дуги на сварочную ванну. При сварке на токах до 150 А проплавление достигается главным образом за счет теплопередачи от дуги и конвекции расплавленного металла, влияние же давления дуги незначительно.

Одинаковое проплавление можно получить при изменении  сварочного тока и скорости сварки в широких пределах. При увеличении сварочного тока скорость сварки линейно  растет. Максимально возможная скорость сварки ограничена в связи с появлением подрезов. Несоответствие между сварочным  током и скоростью сварки вызывает чрезмерное проплавление или непровары. Так, листы толщиной 0,35 мм из стали, легированной кремнием (3—4 %), свариваются на медной подкладке в режиме: сварочный ток 50 А, напряжение дуги 10 В, скорость сварки 180 м/ч, расход аргона 15 л/м, диаметр вольфрамового электрода 3 мм, угол заточки 25°. Увеличение сварочного тока на 7 А при той же скорости сварки вызывает увеличение ширины шва от 1,1 до 1,4 мм. Прочность и пластичность шва снижаются. Уменьшение скорости сварки от оптимального значения до 150 м/ч вызывает появление прожогов, а возрастание до 208 м/ч приводит к непроварам. При сварке тонколистовых металлов сварочный ток и скорость сварки (с учетом колебания зазора в стыке до 6 % от толщины металла) должны поддерживаться с точностью до 3 %.

В диапазоне сварочных  токов 250—600 А существенную роль в проплавлении и формировании шва играет механическое воздействие дуги.

На рис. 6.17 показано влияние сварочного тока на параметры  проплавления и силовое воздействие  дуги на сварочную ванну. Зависимости  глубины Н и ширины В проплавления получены при сварке пластин из стали 1Х18Н9Т толщиной 16 мм со скоростью сварки 10 м/ч; диаметр лантанированного электрода 5 мм, угол заточки 60°, диаметр притупления 2 мм, длина дуги 2 мм, расход аргона 15 л/мин.

Допустимая скорость сварки v_max на токах 300, 400, 500, 600 А определилась по характеру формирования сварочной ванны и наличию дефектов в шве, которые выявлялись внешним осмотром, рентгеноконтролем и анализом макрошлифов.

Увеличение сварочного тока от 300 до 600 А приводит к линейному возрастанию силового воздействия дуги F с 6 * 10^-2 до 15*10^-2 Н. В связи с этим сголб дуги углубляется в расплавленный металл, в результате чего уменьшается прослойка жидкого металла под дугой и улучшаются условия теплопередачи в основной металл. Однако глубина проплавления Н увеличивается всего лишь на 40—80 %, а ширина B возрастает почти в два раза. Медленный рост проплавляющего действия дуги связан с тем, чго с увеличением сварочного тока одновременно растет диаметр столба дуги и расширяется пятно нагрева, а плотность теплового потока меняется незначительно.

Область хорошего формирования швов ограничена кривой максимально допустимой скорости сварки v_max. В диапазоне токов до 400 А допустимая скорость сварки снижается плавно, а в диапазоне токов 400—500 А резко падает вниз. При скоростях сварки ниже критической шов формируется равномерно, расплавленный металл заполняет шов по всей ширине. Если скорость сварки превышает допустимую, наблюдается периодическое нависание верхних слоев расплавленного металла над кратером сварочной ванны и захлестывание газов столба дуги с образованием газовых полостей в швах. В корневой части шва иногда образуются непрерывные газовые каналы. Вероятность появления этих дефектов шва снижается при использовании гелия вместо аргона, уменьшении длины дуги или увеличении угла заточки вольфрамового электрода.

Так как увеличение глубины проплавления за счет повышения  сварочного тока при аргонодуговой  сварке сталей связано с ограничением допустимой скорости сварки и необходимостью поддержания параметров режима с  высокой точностью, то стыковые соединения толщиной свыше 4 мм, как правило, выполняются  с разделкой кромок.

Длина дуги является одним из основных параметров, влияющих на формирование шва и проплавляющую  способность дуги. Она выбирается в зависимости от типа соединения, марки и толщины свариваемого металла. Для сварки без присадочной  проволоки длина дуги устанавливается  в пределах 0,5—2 мм, а при использовании  присадочной проволоки длина  дуги может быть увеличена до 3—4 мм. Сварка в различных пространственных положениях обычно выполняется при  минимально возможной длине дуги с целью сокращения объема сварочной  ванны и улучшения ее формирования. С удлинением дуги линейно растет напряжение дуги, увеличиваются ее диаметр и пятно нагрева. Зависимость  глубины проплавления от длины дуги не является постоянной и в значительной степени определяется технологическими условиями сварки. Как правило, глубина  проплавления несколько уменьшается  при увеличении длины дуги, а ширина шва во всех случаях интенсивно возрастает. При сварке кипящей стали и  некоторых алюминиевых сплавов  на токах свыше 300 А длину дуги иногда увеличивают до 5 мм, чтобы предотвратить кипение ванны и интенсивное плавление электрода.

Стабильность проплавления при сварке длинными, свыше 4 мм, дугами снижается вследствие того, что уменьшается  жесткость столба дуги и возможны отклонения и искривления его. Случайные  отклонения столба дуги возникают в  результате магнитного дутья у края пластины или вызываются электромагнитными  силами, возникающими в результате взаимодействия сварочного тока с током  в изделии, направление которого зависит от расположения токоподвода. При сварке длинными дугами ухудшается эффективность газовой защиты.

Сваркой называется процесс получения неразъемных  соединений посредством установления межатомных связей между соединёнными частями при их нагревании и (или) пластической деформировании (ГОСТ 2601 – 84). 
Сварка является одним из основных технологических процессов в машиностроении и строительстве. Основным видом сварки является дуговая сварка. 

    Для обозначения аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом: 
TIG – Tungsten Inert Gas (Welding) – сварка вольфрамом в среде инертных газов 
GTAW – Gas Tungsten Arc Welding – газовая дуговая сварка вольфрамом 
 
Дуга горит между свариваемым изделием и неплавящимся электродом (обычно из вольфрама). Электрод расположен в горелке, через сопло которой дует защитный газ. Присадочный материал подается в зону сварочной ванны навстречу движению горелки и в электрическую цепь не включен. Ручную сварку выполняют наклонной горелкой углом вперёд, угол наклона к поверхности изделия составляет 70- 80 градусов, присадочную проволоку под углом 10-15 градусов. 

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ 

    Большинство металлов сваривают на постоянном токе прямой полярности. Сварка алюминия, магния и бериллия ведут на переменном токе.  
 
При прямой полярности (плюс на изделия, минус на электроде), лучшее условие термоэлектронной эмиссии, выше стойкость вольфрамового электрода и допускаемый придельной ток. Допускаемый ток, при использование вольфрамового электрода диаметром 3мм составляет (ориентировочно) при прямой полярности 140-280 А, обратной полярности - только 20-40 А. Дуга при прямой полярности легко зажигается и горит устойчиво при напряжении 10-15 В в широком диапазоне плотностей тока. 

   При обратной полярности возрастает напряжения дуги, уменьшается устойчивость её горения, резко уменьшается стойкость электрода, повышается его нагрев и расход. Эти особенности и дуги обратной полярности делают её непригодной для непосредственного применения в сварочном процессе. Однако дуга обратной полярности обладает важным технологическим свойством: при её действии с поверхности свариваемого металла удаляются окислы и загрязнения. 
 
    Это явление объясняется тем, что при обратной полярности и поверхности металла бомбардируется тяжелыми положительными ионами аргона, которые перемещаясь под действием электрического поля от плюса (электрод) к минусу (изделие) разрушают окисные плёнки на свариваемом металле, а выходящие с катода (поверхность изделия) электроны способствуют удалению разрушенных окисных плёнок. Этот процесс удаления называют катодным распылением. Аргонодуговой сваркой выполняют швы стыковых, нахлесточных, тавровых и угловых соединений.По окончании сварки дугу постепенно обрывают для заварки кратера. Для защиты охлаждающего металла, подачу газа прекращают через 10-15 сек. после выключения тока. 
 
    Несмотря на кажущуюся простоту, этот вид сварки очень требователен к исполнителю (сварщику) и требует немалого опыта, но качество получаемого сварного соединения многого стоит.