ЗАО "Сварочные технологии"

Аргонодуговую сварку применяют при изготовлении изделий из высоколегированных сталей и цветных металлов.

Вместе с тем на некоторых предприятиях, недостаточно освоивших способ сварки в углекислом газе, аргонодуговая сварка неплавящимся электродом используется при изготовлении изделий из легированных сталей с кольцевыми стыковыми соединениями, когда по тем или иным причинам нельзя применять стальные остающиеся и медные (съемные) подкладки. Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом в этом случае позволяет выполнить корень шва с надежным проваром без прожогов. В таких соединениях применяют U-образную разделку кромок с притуплением 1,5-2,0 мм и точным совпадением кромок без зазоров.

В зарубежной практике нашли широкое применение два типа стыковых соединений под аргонодуговую сварку: рюмкообразное одностороннее с выгнутыми кромками в корне соединения и с фигурной кольцевой вставкой из проволоки диаметром 3-4 мм, расплавляющейся в процессе сварки. В отдельных случаях при необходимости предупредить окисление шва с внутренней стороны, а также для улучшения формирования корня шва применяется газовая подкладка. Газовой подкладкой служит аргон, вдуваемый под незначительным давлением внутрь сосуда или трубы.

Хороший провар без прожогов корня шва кольцевого поворотного соединения с V-образной разделкой кромок, с обратным формированием валика шва получается при аргонодуговой автоматической сварке вольфрамовым электродом и автоматической подачей позади дуги стальной тонкой присадочной проволоки требуемого состава с дополнительным ее подогревом от трансформатора переменного тока. Диаметр вольфрамового электрода (от 3 до 4 мм) и присадочной проволоки (1,2-1,4 мм), скорость сварки, скорость подачи проволоки, сила тока и напряжение дуги выбирают в зависимости от толщины стенки свариваемых труб. Полное заполнение разделки можно также выполнять таким же способом.

При толщине стенок труб 8 мм и более целесообразно заполнение разделки выполнять плавящимся электродом (проволокой выбранного для данной стали состава) диаметром 1,6 мм самостоятельным автоматом, расположенным параллельно с первым, с наложением импульсов тока от генератора импульсов, например, ГИД-1, используя его одновременно и для дополнительного подогрева проволоки. Для этого один токоподвод импульсника подключают на 50-70 мм выше контакта основного сварочного тока.

В качестве защитного газа при выполнении вторых слоев шва можно использовать аргон, смесь аргона с 3-5% кислорода, аргона с 15-25% углекислого газа или (при сварке спецсталей и сплавов, не допускающих излишка кислорода в шве) 25÷35% аргона с 75÷65 % гелия.

Если в свариваемом металле имеются примеси редкоземельных металлов, то дуга в аргоне горит неспокойно, блуждает по кромкам.

При аргонодуговой сварке высоколегированных сталей вольфрамовым электродом в качестве присадочного металла применяют электродные проволоки того же состава, что и для дуговой сварки данной стали под флюсом.

Механические свойства сварных швов и соединений из некоторых высоколегированных сталей, выполненных аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом, приведены в табл. 82.

Таблица 82. Механические свойства сварных швов и соединений, выполненных аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом на тонколистовых высоколегированных сталях при умеренных режимах

Высоколегированные стали рекомендуется сваривать плавящимся электродом в смесях аргона с 2-3% кислорода или 3-5% углекислого газа. При этом несколько возрастает выгорание легко окисляющихся элементов из электродной проволоки, но повышается стабильность горения дуги, уменьшается разбрызгивание жидкого металла и вероятность образования пор в шве.

Режим аргонодуговой сварки выбирают в зависимости от толщины и марки свариваемого металла, диаметра и марки электродной проволоки с учетом обеспечения мелкокапельного переноса электродного металла и стабильного горения дуги. Для этого сварочный ток должен быть не меньше критического. При использовании для сварки в аргоне хромоникелевых аустенитных и ферритно-аустенитных проволок принимается критический ток равный 190-200; 240-250 и 280 А при диаметре проволоки 1,0; 1,6 и 2,0 мм соответственно.

При сварке в смеси аргона с кислородом или углекислым газом критический ток может быть несколько меньшим, чем при сварке в чистом аргоне.

В табл. 83 приведены ориентировочные режимы аргонодуговой сварки высоколегированными проволоками.

Таблица 83. Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки высоколегированных сталей плавящимся электродом

Для сварки плавящимся электродом высоколегированных сталей в чистом аргоне используют те же электродные проволоки, что при сварке данной стали под флюсом, а при сварке в смеси аргона с кислородом или углекислым газом - те же, что и для сварки данной стали в углекислом газе.

Механические свойства и стойкость против коррозии полученных соединений практически такие же, как и при сварке под флюсом.

В ряде тяжело нагружаемых конструкций во многих отраслях промышленности стыковые соединения толстолистовой стали различных марок приходится сваривать дуговыми методами сварки, в том числе и аргонодуговой сваркой, причем в последние годы все возрастающее применение находит автоматическая сварка.

Сварку таких соединений выполняют за несколько проходов, что требует широкой разделки для обеспечения провара шва с основным металлом и сплавления между слоями, а при сварке под флюсом облегчает удаление шлака из разделки. С увеличением толщины свариваемого металла возрастает площадь разделки и соответственно количество слоев шва. В связи с большим расходом присадочного металла и затрат труда при сварке таких соединений возникла необходимость сваривать их в узкую (щелевую) разделку дуговой сваркой в аргоне или в смеси газов плавящимся электродом.

Однако при сварке таких соединений встречаются трудности, связанные с несплавлениями металла шва со свариваемыми кромками. Попытка получить сплавление в таких соединениях путем повышения напряжения дуги не приводит к желаемым результатам, так как при этом наблюдается несплавление шва со стенкой у его корня, перемещение дуги на одну кромку разделки, быстрое обгорание проволоки, что не обеспечивает нормального провара и формирования шва.

Для обеспечения провара и хорошего формирования шва сварку стыковых соединений толстого металла в узкую разделку выполняют следующим образом:

1. Сварка двумя последовательно расположенными дугами плавящимися электродами с изгибом каждой проволоки в противоположные углы разделки при помощи специальных искривленных мундштуков.

2. Однодуговая сварка одного шва в один угол разделки при помощи искривленного сопла мундштука, а затем поворот мундштука на 180° при помощи специального механизма и сварка в противоположном направлении стыка во второй угол разделки и т. д. до полного заполнения разделки. При этом в обоих случаях обеспечивается провар в соответствии со схемой (рис. 115, а).

К недостаткам этих приемов сварки следует отнести усложнение техники сварки и сварочного оборудования, а также быстрый износ мундштука.

Основные параметры процесса сварки узкощелевых соединений в Японии, США и ПНР соответственно:

Толщина свариваемого металла, мм - 140; 152; 100;

Ширина разделки (щели), мм - 9-16; 6-11; 7-9;

Диаметр электродной проволоки, мм - 2,5-3,2; 0,8-1,6; 1,6-2,4;

Свободный вылет электрода, мм - 70; 16;40;

Сварочный ток, А - до 1000; до 450; до 600;

Полярность тока - прямая; обратная; обратная;

Статическая характеристика источника питания - падающая; жесткая; жесткая и падающая;

Защитный газ - смесь газов в зависимости от свариваемого металла; -//-; -//-;

Расход защитного газа, л/мин - 25-50; 18; 24;

Скорость сварки, м/ч - 25—35; 50-60; 44-54;

Форма сечения сопла, формирующего поток защитного газа - цилиндр; цилиндр; эллипс.

Для сварки узкощелевых соединений может использоваться двухэлектродная головка шириной 7 мм на режиме: ток сварки 400 А, дополнительный ток 310 А, напряжение на дуге 34 В, скорость сварки 56 м/ч, расход защитного газа 18 л/мин, диаметр элекродной проволоки 1,6 мм.

Более простыми и надежными в практике являются два способа газоэлектрической сварки узкощелевого соединения одной вертикально расположенной плавящейся проволокой от двух параллельно подключенных источников тока: одного постоянного с крутопадающей внешней характеристикой при обратной полярности и второго переменного, но выпрямленного путем пропускания через специальный генератор импульсов. Этот генератор в одном случае (при работе двух тиристоров) только выпрямляет ток, обеспечивая непрерывную его пульсацию, а в другом (при работе одного тиристора) - выпрямляет ток и периодически то пропускает серию импульсов на дугу (факел дуги при этом расширяется и поднимается), то их прерывает (факел сужается).

В момент расширения дуги происходит прогрев стенок разделки, а при сужении обеспечивается образование валика шва и сплавление его с предыдущим слоем шва. Роль непрерывных импульсов при первом способе сварки состоит в стабилизации дуги путем улучшения переноса электродного металла, благодаря чему можно увеличить диаметр сварочной проволоки до 3,0 мм, улучшить провар (рис. 115, б) и формирование шва, а также резко уменьшить разбрызгивание металла и повысить производительность сварки. Для этого способа можно успешно использовать стандартный генератор импульсов для дуговой сварки ГИД-1, подключаемый параллельно с основным генератором постоянного тока с крутопадающей характеристикой при обратной полярности. Основной сварочный ток при этом составляет ориентировочно 340-360 А, напряжение дуги 30-34 В, а вспомогательный ток импульсов - 900-1000 А частотой 50 Гц. В данном случае вполне стабильно горит дуга и хорошо формируется шов при сварке проволокой диаметром 4 мм и более.

(рис. 115) Формирование шва при аргонодуговой сварке щелевого стыкового соединения последовательно выполняемыми слоями направлением дуги в углы разделки (а) и вид шва таких же соединений при сварке с параллельно включенным генератором импульсов (б)

Особо важным при сварке узкощелевых соединений является выбор газовой защиты сварочной зоны для обеспечения требуемого коэффициента формы шва с целью надежного сплавления каждого из слоев шва с обеими свариваемыми стенками. Для этого необходимо обеспечить максимально возможную ширину слоев шва, особенно максимальную ширину и не столь большую глубину проплавления его центра.

Как известно, коэффициент формы шва зависит от режима сварки, полярности сварочного тока, а также от характера используемой защитной среды. Повышение сварочного тока при неизменном напряжении на дуге уменьшает коэффициент формы шва, а повышение напряжения повышает его. При прямой полярности коэффициент формы шва больше, чем при обратной.

Анализ процесса сварки и макроструктур сечения наплавок, выполненных на высоколегированную сталь высоколегированной проволокой газоэлектрической сваркой при использовании различных защитных газов, показал следующее.

При сварке в среде чистого аргона на обратной полярности тока при питании дуги от источника с крутопадающей внешней характеристикой обеспечивается струйный перенос металла и поэтому максимальная стабильность горения дуги. Форма провара получается с глубоким кинжальным проплавлением центра шва. Вследствие резкого (с изгибом) перехода от широкой части шва к центральной (хвостовой) наблюдаются несплавления со стенками щели по ее бокам. Такую форму шва объясняют низкой теплопроводностью аргона, обуславливающей существование при струйном переносе двух зон в дуге: внутренней с весьма высокими температурой и давлением, и наружной с относительно небольшими температурой и давлением. Добавка к аргону одного из таких газов, как кислород, углекислый газ, азот, гелий, водород, обладающих высокой теплопроводностью, приводит к изменению характера переноса электродного металла и распределения температур дуги. При малых количествах этих газов укрепляются размеры капель, повышается критический ток перехода процесса переноса в струйный, температура столба дуги, следовательно, понижается, а диаметр ее возрастает. При больших количествах добавляемых газов струйный перенос электродного металла вообще может не достигаться, температура дуги еще больше понижается, а диаметр ее столба повышается. Это увеличивает коэффициент формы шва.

Наиболее широкий шов почти без хвостовой его части обеспечивается при сварке в чистом гелии, однако при этом наблюдается весьма плохая стабильность горения дуги, несмотря на использование импульсника (при максимальном токе импульса до 900 А).

Еще меньшая глубина провара в центре шва и лишь несколько уже весь валик (верхняя часть) шва получается при сварке в аргоне на прямой полярности, которая, однако, обуславливает плохую стабильность горения дуги и сильное разбрызгивание капель электродного металла.

Лишь немногим меньшая ширина шва, но весьма хороший коэффициент его формы с минимальной глубиной провара в центре, вполне удовлетворительная стабильность горения дуги и незначительное разбрызгивание электродного металла обеспечиваются сваркой в смеси 25% аргона и 75% гелия на обратной полярности тока с наложением непрерывных импульсов частотой 25 Гц.

Хороший коэффициент формы шва, достаточно широкое проплавление в его центре получается при сварке в углекислом газе на обратной полярности тока при питании дуги от источника с крутопадающей внешней характеристикой. Добавка аргона к углекислому газу, не ухудшая стабильности горения дуги, сильно ухудшает коэффициент формы хвостовой части шва. К недостаткам при сварке с использованием как чистого углекислого газа, так и смеси аргона с углекислым газом или кислородом является покрытие поверхности валиков шва окислами, толщина которых естественно возрастает от слоя к слою.

Вполне удовлетворительное формирование валиков шва (рис. 115, б), минимальное окисление их поверхности обеспечиваются при сварке в среде аргона с 5% углекислого газа постоянным током обратной полярности и в среде 25% аргона и 75% гелия с наложением периодических серий из трех-пяти импульсов и непрерывных мощных импульсов частотой 25 Гц, получаемых при помощи переменного тока, выпрямленного специальным отмеченным выше аппаратом с регулируемой частотой импульсов.

При таком количестве импульсов и наличии слабоокислительной или нейтральной защитной газовой среды обеспечиваются хорошая стабильность горения дуги при диаметре проволоки 3,0-3,4 мм, несмотря на крупнокапельный перенос электродного металла, хорошее формирование шва (коэффициент формы более 1) и надежное сплавление его с обеими свариваемыми стенками металла при ширине щели до 12 мм.

Таким образом, выбором защитного газа можно обеспечить требуемую форму шва, а, следовательно, и надежное сплавление его слоем со стенками щелевого соединения. Применение специального генератора импульсов дает некоторое расширение валиков шва, хорошую стабильность горения дуги и перенос электродного металла без разбрызгивания при диаметре электрода 3 мм и более.

Весьма перспективным является автоматическая сварка узкощелевых соединений под флюсом. Однако ее можно будет эффективно применять после разработки флюса, обладающего такими технологическими свойствами, которые бы обеспечивали хорошее формирование шва и удаление шлаковой корки из узкой разделки.