Профессия Сварщик дуговой сварки неплавящимся электродом в защитном газе
Технология сварки неплавящимся электродом в защитном газе
Сварку в защитных газах можно выполнять неплавящимся электродом (рис. 7.3), при этом дуга горит между неплавящимся электродом и изделием. Электрод в процессе сварки не расплавляется и не попадает в шов. Дуга, передвигаемая вдоль свариваемых кромок, оплавляет их. По мере удаления дуги расплавленный металл затвердевает, образуя шов, соединяющий кромки детали.
Основными параметрами процесса ручной аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом являются: ток дуги, расход защитного газа и скорость сварки.
Охлаждающая жидкость (холодная)
Рис. 7.3. Схемы процессов сварки неплавящимся электродом в защитных газах
Дуговой сваркой вольфрамовым электродом можно сваривать разные типы соединений в различных пространственных положениях. Применение этого способа целесообразно для соединения металла толщиной до 5…6 мм. Однако его можно использовать и для сварки металла большей толщины. Сварку выполняют без присадочного металла, когда шов формируется за счет расплавления кромок, и с присадочным металлом, подаваемым в зону дуги в виде сварочной проволоки. Как правило, сварку ведут при напряжении дуги 22…34 В, при этом длина дуги должна быть 1,5… 3 мм. Вылет конца электрода из сопла не должен превышать 3…5 мм, а при сварке угловых швов и стыковых с разделкой — 5…7 мм.
Ручную сварку металла толщиной до 10 мм выполняют левым способом. Поток защитного газа должен надежно охватывать всю область сварочной ванны и разогретую часть присадочной проволоки. При уменьшении толщины свариваемого металла угол между горелкой и изделием уменьшают. Для сварки материала толщиной свыше 10 мм следует применять правый способ сварки, а угол между горелкой и изделием должен быть близким к 90°. Такое положение горелки относительно изделия рекомендуется и при сварке угловых соединений. Проволоку вводят не в столб дуги, а сбоку, и выполняют ею возвратно-поступательные движения при сварке тонколистового металла. При сварке многослойных швов отдельные валики рекомендуется выполнять не на всю ширину разделки.
Основной недостаток процесса — низкая производительность. Другой недостаток — необходима большая практика и высокая квалификация сварщика. К недостаткам процесса сварки неплавящимся вольфрамовым электродом по сравнению со сваркой покрытым электродом относится необходимость применения дополнительных защитных мер против световой и тепловой радиации дуги.
Прямая полярность позволяет получить узкую, сконцентрированную дугу, обеспечивающую глубокое проплавление и большую скорость сварки. Электрод получает меньшую часть тепловой энергии дуги и будет иметь меньшую температуру, чем при сварке на переменном токе или при сварке на обратной полярности, что, в свою очередь, позволяет уменьшить диаметр вольфрамового электрода и снизить расход защитного газа.
При обратной полярности поток электронов также движется от отрицательного электрода к положительному, но в данном случае от изделия к электроду. Следовательно, больше тепла сконцентрировано в дуге около вольфрамового электрода. Поскольку электрод получает значительно больше тепла при сварке на обратной полярности, чем на прямой, для предотвращения перегрева электрода приходится использовать электроды увеличенного диаметра и уменьшать сварочный ток. Свариваемая деталь при сварке на обратной полярности получает меньше тепла и как результат — меньшая глубина проплавления.
Некоторые цветные металлы, например алюминий и магний, быстро образуют на поверхности оксидную пленку. Прежде чем сваривать алюминий, необходимо удалить оксидную пленку, температура плавления которой значительно выше температуры плавления основного металла. Удаление оксидной пленки может производиться механически, например щетками, или химически — травлением, но, как только пленка удалена, металл снова начинает окисляться, затрудняя сварку.
Оксидную пленку с поверхности металла во время сварки на обратной полярности может удалять сама дуга. Положительно заряженные ионы, которые, двигаясь от основного металла изделия к электроду при сварке на прямой полярности, теперь двигаются от электрода к изделию. Ударяясь с достаточной силой о поверхность изделия, они дробят и расщепляют хрупкую оксидную пленку, проводя тем самым очистку поверхности.
Дуга обратной полярности обладает важным технологическим свойством: при ее воздействии на поверхность свариваемого металла происходит очистка поверхности металла, удаление поверхностных оксидов. Процесс удаления поверхностных оксидов получил название катодного распыления (катодной очистки). Указанное свойство используют при сварке переменным током алюминия, магния, бериллия и их сплавов, имеющих на поверхности прочные оксидные пленки. Удаление пленки происходит в полупериод с обратной полярностью сварочного тока, когда свариваемое изделие является катодом. Таким образом, при сварке вольфрамовым электродом на переменном токе реализуются преимущества дуги прямой и обратной полярностей и обеспечиваются устойчивость электрода и разрушение поверхностных оксидов на изделии.
Основным требованием для зажигания и горения дуги является ионизация газа в дуговом промежутке. Ионизированный газ является хорошим проводником электрического тока. Ионизацией называется процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положительные и отрицательные ионы.
Ионизацию можно произвести, если приложить к электродам высокое напряжение, тогда имеющиеся в газе (в малом количестве) свободные электроны будут разгоняться электрическим полем и, получив большие энергии, смогут разбить нейтральные атомы и молекулы на ионы.
В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью, что объясняется малой концентрацией свободных электронов и ионов. Следовательно, чтоб вызывать в воздухе или газе мощный электрический ток, т.е. электрическую дугу, необходимо ионизировать воздушный промежуток между электродами.
При сварке из соображений безопасности нельзя пользоваться высоким напряжением, поэтому для ионизации используют явление термо- и автоэлектронной эмиссии, в результате которых в металле в большом количестве появляются свободные электроны. Обладая достаточной кинетической энергией, они переходят в газовую среду межэлектродного пространства и способствуют ее ионизации.
При сварке в защитном газе теплоты, выделяемой дугой, достаточно для ионизации газа. Однако при сварке на переменном синусоидальном токе при переходе тока через нулевое значение теплоты, выделяемой дугой, становится недостаточно, и дуга гаснет.
Для устранения этого явления при сварке на переменном синусоидальном токе и для начального зажигания дуги без короткого замыкания электрода на деталь применяют осцилляторы. Они представляют собой источники высокого напряжения и высокой частоты, способные вызывать искровой разряд между электродом и деталью. Для пробоя межэлектродного промежутка длиной 1 мм в воздухе требуется напряжением около 1… 3 кВ; в аргоне напряжение пробоя снижается.
Серийные осцилляторы и возбудители изготавливают на напряжением 2… 20 кВ. Ток разряда достигает 1… 10 А, а его энергия — ионизации, благодаря чему возникает дуга от основного источника. Частота разряда у серийных осцилляторов и возбудителей составляет от 16 кГц до 1 МГц. При такой частоте высокое напряжение безопасно для сварщика, поскольку высокочастотный ток протекает по поверхности участка тела, не вызывая электролиза крови и не повреждая жизненно важных органов.
Как правило, при сварке на переменном токе длина дуги должна быть равна диаметру электрода. При сварке на постоянном токе прямой полярности заостренным концом электрода длина дуги может быть значительно меньше диаметра электрода.
Выходной диаметр сопла, чтобы обеспечить нужный газовый охват зоны сварки, должен быть не менее трех диаметров вольфрамового электрода.
Вылет электрода – это расстояние, на которое электрод выступает из сопла. Электрод может выступать из торца сопла, но на величину не более выходного диаметра сопла. При большем вылете появляется вероятность прикосновения к сварочной ванне, сварочной проволоке, подаваемой сварщиком, или к боковой поверхности углового шва. Общее правило: сварку начинают с вылета, равного одному диаметру электрода. При сварке корня стыковых и угловых швов вылет электрода увеличивают.
Зажигание дуги. Современные установки позволяют производить высокочастотный поджиг дуги и контактное зажигание дуги. Бесконтактное зажигание дуги производится при сварке на переменном токе, контактное – на постоянном токе.
Для бесконтактного зажигания дуги необходимо приблизить электрод горелки к детали, не касаясь его, нажать кнопку включения триггера (при этой произойдут ионизация дугового промежутка и возбуждение дуги). Если в течение 1 с дуга не загорится, электронная схема отключает осциллятор. Отпустив кнопку триггера и повторно нажав ее, делают вторую попытку возбуждения дуги. В большинстве случаем возбуждение дуги облегчается, если прикоснуться краем сопла к изделию.
При контактном зажигании дуги электрод приближают к детали в месте начала сварки и ненадолго, на 1… 2 с, касаются им поверхности детали, при этом происходит разогрев заостренного конца электрода. Затем электрод медленно поднимают вверх. Разогретый конец вольфрамового электрода является хорошим источником электронов. Происходит ионизация дугового промежутка и возбуждение дуги; дуга формируется, когда электрод поднят.
В режиме контактного зажигания ограничивается сварочный ток при касании электродом изделия. Это предохраняет вольфрамовый электрод от перегрева и прилипания, а металл сварного шва – от загрязнения.
Описанный метод контактного зажигания дуги требует определенного навыка. Значительно более простой способ показан на рисунке ниже. Для зажигания дуги нужно слегка прикоснуться к изделию (1), нажать кнопку триггера. При этом начнет подаваться защитный газ, и небольшой ток пойдет через электрод. Далее надо медленно наклонить горелку так, чтобы сопло коснулось изделия (2), после чего продолжать наклон, чтобы электрод оторвался от изделия. Дуга зажигается (3). Затем следует приподнять горелку. Ток повысится до заданного уровня в течение заданного времени нарастания (4).
Получение сварного шва. После зажигания дуги нужно держать горелку перпендикулярно к поверхности изделия и совершать небольшие круговые движения, пока не сформируется сварочная ванна. После того как сформируется сварочная ванна необходимого размера, надо наклонить горелку под углом 75 градусов к поверхности изделия и начать медленно и равномерно перемещать вдоль сварного шва. Скорость перемещения выбирается такой, чтобы сварного шва. Скорость перемещения выбирается такой, чтобы сварочная ванна все время оставалась яркой и жидкой; никаких колебаний или других перемещений кроме устойчивого движения вперед не производится.
Переместить горелку на задний край сварочной ванны и добавить металл присадочной проволоки можно быстрым касанием проволокой внешнего края сварочной ванны; присадочную проволоку при этом нужно держать под углом 15 градусов к поверхности детали.
Далее следует удалить присадочную проволоку и переместить дугу на внешний край сварочной ванны. Когда сварочная ванна вновь станет яркой и жидкой, надо повторить операцию по добавлению присадочного металла. Высота и ширина валика сварного шва зависит от скорости сварки (продольного поступательного движения), поперечного перемещения горелки и количества присадочного металла, вводимого в сварочную ванну.
В процессе сварки горячий конец присадочной проволоки не должен выходить из зоны охвата защитного газа. После прекращения сварки еще некоторое время в среде инертного газа должны находиться не только электрод и сварочная ванна, но и горячий конец присадочной проволоки.
Сварка стыкового шва без разделки кромок в нижнем положении. Сварка стыкового шва в нижнем положении производится по описанной методике получения сварного шва. При выполнении сварки необходимо следить, чтобы дуга все время располагалась по линии стыка. Скорость сварки определяется нужной глубиной проплавления. Заканчивая шов, чтобы заварить кратер, нужно уменьшить угол наклона горелки и увеличить количество присадочного металла.
Сварка соединения внахлестку в нижнем положении. Возбудив дугу, надо сформировать сварочную ванну так, чтобы она перекрывала торец верхнего листа и поверхность нижнего листа, образуя равносторонний треугольник. Поскольку расплавленная поверхность края верхнего листа стремится стечь с образованием подреза, очень важно подобрать правильный угол наклона горелки. Присадочная проволока подается в передний край сварочной ванны через каждые 5… 6 мм в количестве, достаточном для образования полнопрофильного шва. Следует заканчивать сварной шов так, чтобы не было кратера, как и в случае стыкового соединения.
Сварка углового шва таврового соединения в нижнем положении. При сварке следует учитывать, что боковая (вертикальная) поверхность нагревается сильнее и быстрее начинает плавиться. Угол наклона горелки должен быть таким, чтобы большая часть теплоты приходилась на горизонтальную поверхность. В целях удержания короткой дуги и получения возможности провара корня шва необходимо увеличить вылет электрода. Присадочную проволоку подают на край сварочной ванны в точку, где начинается плавление металла. Корректировка в процесса сварки угла наклона горелки и размещения присадочной проволоки помогает избежать подрезов. Кроме того, впадина сварочной ванны во избежание вогнутости шва должна заполняться присадочной проволокой.
Сварка углового соединения в нижнем положении и “в лодочку”. Выполнение шва в “лодочку” рассмотрим на примере сварки обратной стороны углового стыка в нижнем положении. Оба края примыкающих деталей должны плавиться, а сварочная ванна должна проходить по средней линии. Присадочный металл добавляют в количестве, достаточном для получения выпуклого шва. При сварке тонких материалов можно обходиться без присадочного материала, сплавляя кромки стыкуемых деталей.
Независимо от типа соединения и его положения в пространстве в процессе сварки все внимание должно быть сконцентрировано на сварочной ванне. В сварочной ванне происходят расплавление и слияние металлов. Управление сварочной ванной и глубиной проплавления имеет первостепенное значение при сварке в любом пространственном положении.
Правила для выполнения качественного соединения в любом пространственном положении остаются теми же, что и при сварке в нижнем положении. Основные правила: чистота свариваемой поверхности, хорошая сборка под сварку, предварительный нагрев (если требуется), достаточный поток защитного газа и правильно выбранной сварочный ток. Кроме того, при сварке (кроме нижнего положения) следует использовать большой сварочный ток и наплавлять большой валик сварного шва.
Направлять дугу следует так, чтобы не допускать перегрева свариваемых деталей. Перегрев приводит к свисанию металла шва или прожогу. Размер валика сварного шва и порядок действий по добавлению присадочного металла должны быть такими, чтобы гарантировалось полное слияние порций добавленного металла.
Сварка в горизонтальном положении. При сварке в горизонтальном положении зажигать дугу нужно на краю стыка, затем следует спозиционировать горелку: наклон от горизонтали вниз 15 градусов, отклонение назад (от направления сварки) 15 градусов. После формирования сварочной ванны необходимо подвести сварочную проволоку на внешний край сварочной ванны к верху детали, затем переместить горелку по ходу сварки. Правильно выбранная длина дуги и соответствующая ей скорость сварки предотвратят прожоги и сквозное плавление.
Сварка в вертикальном положении. При сварке в вертикальном положении – снизу верх – сварку начинают внизу соединения с добавлением присадочного металла сверху. Необходимо попытаться создать “полочку” и с каждым прикосновением сварочной проволокой поднимать ее выше. Все время должна быть площадка наложения следующей порции присадочного металла. Если сварной шов широкий, надо создать “полочку” с одной стороны шва, затем с другой и соединить их перемычкой.
При сварке стыкового шва с разделкой кромок нужно увеличить вылет электрода, торец сопла может опираться на край шва. Горелкой совершают небольшие колебания вверх и вниз. Эта техника сварки обеспечивает устойчивость рук, но затрудняет наблюдение за сварочной ванной.
При сварке сверху вниз используют поверхностное натяжение расплавленного металла и давление дуги, удерживающие расплавленный металл в сварочной ванне. Сварка сверху вниз в вертикальном положении применяется преимущественно для тонкого металла.
Освоение сварки стыковых швов как без разделки кромок, так и с разделкой в вертикальном положении существенно помогает сварщику освоить сварку труб, поскольку почти все трубы свариваются по этой же технологии.
Сварка в потолочном положении. Сварка в потолочном положении для большинства сварщиков наиболее трудная. Как и при сварке в вертикальном положении, сила тяжести, заставляющая вытекать расплавленный металл из сварочной ванны, усложняет сварку. В отличие от сварки снизу вверх в вертикальном положении, когда можно создать полочку и, постепенно ее наращивая, получать сварной шов, при сварке в потолочном положении приходится полагаться только на поверхностное натяжение расплавленного металла сварочной ванны, давление дуги, а также правильный выбор сварочного тока и скорости сварки.
При сварке стыковых швов без разделки кромок и угловых швов в потолочном положении можно увеличить вылет электрода и опираться торцом сопла горелки об одну или обе стороны стыка. В процессе сварки сварщик может опираться несколькими пальцами руки или всей руки, держащей горелку или присадочную проволоку, на поверхность свариваемой детали, что придаст руке устойчивость.
Уровень тепловложения в сварочную ванну при сварке в потолочном положении чрезвычайно важен. Тепловложение в сварной шов должно быть меньше, чем при сварке в горизонтальном и нижнем положениях, т.е. необходимо уменьшить сварочный ток на 5…10%. Это обеспечивает меньший размер сварочной ванны и тем самым предотвращает вытекание из сварочной ванны расплавленного металла сварного шва. Кроме того, меньшая сварочная ванна более управляема.
Поток защитного газа, наоборот, нужно увеличить. Несомненно, сварка в потолочном положении очень трудна и утомительна для сварщика. Процесс сварки занимает много времени. При сварке в потолочном положении попытайтесь принять комфортную непринужденную позу. Это поможет держать устойчиво и ровно горелку и манипулировать присадочной проволокой.
Сварка труб. Сварка труб неплавящимся вольфрамовым электродом позволяет получить самые высококачественные швы с минимальной деформацией. Только освоив сварку стыковых швов во всех пространственных положениях, можно качественно выполнить сварку труб.
Поскольку в большинстве случаем сварка труб производится с зазором, необходимо защищать сварной шов. Это можно сделать надеванием на трубу концевой заглушки с подачей внутрь защитного газа. Можно просто закрыть торец трубы бумагой и уплотнить скотчем, обязательно подав внутрь защитный газ.
Для сварки труб необходимо применять только вольфрамовые электроды с содержанием 1,5% лантана или 2% тория. Кроме того, коническая заточка электрода должна иметь притупление диаметром 0,5 мм; такая небольшая плоская поверхность помогает равномерно распределить дугу на совмещаемых краях стыка.
Наиболее популярная техника сварки – опирание сопла на края сварного соединения. Эта техника использует специфический способ манипулирования горелкой с комбинацией чрезвычайно больших газовых сопел и позволяет хорошо сформировывать сварной шов при минимальной усталости сварщика. При сварке секций трубопровода между ними оставляется зазор, который должен быть меньше диаметра присадочной проволоки. Проволока должна опираться на кромки зазора, не проскальзывая внутрь.
Для корневого прохода необходимо опираться газовым соплом на обе кромки сварного шва, слегка поворачивая горелку от одной стороны к другой. После формирования сварочной ванны следует совершать небольшие медленные перемещения горелки вперед-назад, постепенно продвигаясь по ходу сварки.
Сварочную проволоку не погружают периодически в сварочную ванну, а постоянно держат на ее переднем крае. Когда корневой проход завершен, на горелку устанавливают большее сопло так, чтобы оно опиралось на кромки зазора и на поверхность шва корневого прохода. Во время сварки совершают небольшие медленные перемещения горелки вперед-назад, постепенно продвигаясь по ходу сварки. Сварочную проволоку держат на переднем кран сварочной ванны, не окуная ее в расплавленный металл. Последующие проходы выполняют так же.
Методика сварки труб с опиранием сопла на кромки шва требует увеличенного вылета электрода, но электрод не должен касаться расплавленного металла сварочной ванны.
По окончании процесса сварки дугу следует обрывать понижением сварочного тока или ее постепенным удлинением.
Сварка импульсной дугой. При сварке вольфрамовым электродом дуга может гореть как при практически постоянной силе сварочного тока, так и при ее изменении по определенной программе. Этот способ находит применение при сварке металла толщиной от долей миллиметров до 3….4 мм. Использование тока, достаточного для стабильного горения дуги и включаемого периодически, с частотой до 25 импульсов в секунду, уменьшает размеры сварочной ванны. Шов образуется из отдельных расплавленных ванн. В перерыве между импульсами тока сварочная ванна частично кристаллизуется, что снижает вероятность прожогов. Однако при больших перерывах между импульсами дуговой промежуток теряет носителей зарядов (ионы); повторное возбуждение дуги затрудняется. Для уменьшения влияния данного фактора в паузах между импульсами поддерживается дежурная дуга с уменьшенным током.