ЗАО "Сварочные технологии"

При дуговой сварке кромки свариваемого металла и электродная (присадочная) проволока расплавляются благодаря теплу, выделяющемуся электрической дугой. Расплавленный основной и электродный металл перемешивается в сварочной ванне и по мере продвижения дуги вдоль свариваемых кромок быстро остывает и, затвердевая, образует сварной шов.

Электрическая дуговая сварка подразделяется на сварку неплавящимся (угольным или вольфрамовым) и плавящимся (металлическим) электродами (рис. 1). Сварка неплавящимся электродом может осуществляться как без присадки (например, при сварке соединений с отбортовкой), так и с присадкой металлического прутка соответствующего состава. Этим способом в настоящее время преимущественно сваривают медь, алюминий, тонколистовую нержавеющую сталь и наплавляют твердые сплавы.

(рис. 1) Схема дуговой сварки металлическим (а) и угольным (б) электродами

Наибольшее применение в промышленности нашел способ дуговой сварки плавящимся металлическим электродом, который осуществляется как вручную, так и при помощи специальных автоматов и полуавтоматов.

В качестве плавящихся электродов при ручной дуговой сварке применяют прутки диаметром 2—10 мм из соответствующего металла со специальным покрытием. При таком способе сварщик вручную возбуждает дугу, поддерживает постоянство ее длины, подавая электрод в зону сварки по мере его расплавления, и перемещает электрод вдоль свариваемых кромок.

При автоматической сварке возбуждение дуги в начале процесса, подача электродной проволоки в зону сварки, а также продвижение дуги вдоль свариваемых кромок осуществляются специальными сварочными автоматами. Обязанностью сварщика при автоматической сварке является включение и выключение автомата в начале и конце процесса.

При полуавтоматической дуговой сварке электродная проволока подается в зону сварки автоматически, а продвижение дуги вдоль свариваемого соединения осуществляется вручную. Проволока подается внутри стальной спирали, вделанной в резиновый гибкий шланг, в связи с чем этот способ называют полуавтоматической шланговой сваркой.

В зависимости от способа защиты зоны сварки от окружающей среды сварочная дуга может быть открытой или закрытой. При открытой дуге сварочная ванна может быть не защищена от соприкосновения с воздухом (сварка непокрытым электродом или электродом с меловым покрытием) или защищена слоем шлака и струей газа (сварка по флюсу, сварка электродами с толстым шлакогазообразующим покрытием, порошковой проволокой либо в струе защитного газа — аргона, гелия, углекислого газа и др.), подаваемого в зону сварки под небольшим давлением. К сварке закрытой дугой относится автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом.

Сварка в защитных газах может быть выполнена плавящимся и неплавящимся электродами.

Сварку неплавящимся вольфрамовым электродом или плавящимся металлическим электродом в защитной струе аргона называют аргонодуговой, а в струе гелия — гелиедуговой сваркой. Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом выполняется без присадки и с присадкой металлического стержня (рис. 2). Этим способом сваривают преимущественно детали толщиной до 2 мм из высоколегированных сталей и цветных металлов.

(рис. 2) Схема способов сварки в защитных газах: а - плавящимся электродом, б - неплавящимся электродом дугой прямого действия, в - неплавящимися электродами дугой косвенного действия, г - неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки в зону сварки; 1 - наконечник мундштука горелки, 2 - электродная проволока, 3 - дуга, 4 - защитный газ, 5 - свариваемое изделие, 6 - неплавящийся электрод, 7 - присадочная проволока, 8 - сварной шов

Одним из перспективных с точки зрения повышения производительности является способ электрошлаковой и дуговой автоматической сварки и наплавки с дополнительным электрическим подогревом сварочной проволоки непосредственно перед ее подачей в зону сварки. Дополнительный подогрев проволоки может быть получен путем увеличения вылета (длины) электрода при том же сварочном токе либо путем введения дополнительного тока, подводимого к проволоке при помощи специальных контактов от того же источника или от самостоятельного источника тока низкого напряжения (рис. 3). При сварке с увеличенным вылетом вылет электрода может быть более 150 мм. Одним из основных недостатков применения увеличенного вылета электрода является трудность точного ведения дуги по разделке свариваемых кромок.

(рис. 3) Схема сварки дополнительно подогреваемой проволокой: 1 - подающие ролики, 2 - сварочная проволока, 3 - контакты тока подогрева, 4 - низковольтный источник подогрева сварочной проволоки, 5 - свариваемое изделие, 6 - сварочный генератор (выпрямитель)

При сварке с подогревом от источника тока вылет электрода, как правило, такой же, что и при обычных методах автоматической, электрошлаковой, дуговой сварки под флюсом и газоэлектрической сварки. Этот способ рационально применять при скоростной однопроходной однодуговой сварке стыковых соединений с зазором металла толщиной до 10—14 мм для получения хорошей формы шва (рис. 4), при многодуговой сварке металла больших толщин, а также при необходимости снизить до минимума долю основного металла в металле шва (например, при сварке высококремнистых аустенитных сталей) без уменьшения производительности сварки. В последнем случае, чтобы уменьшить глубину проплавления, сварочный ток устанавливают минимальным; требуемые коэффициент наплавки и стабильность горения дуги обеспечиваются дополнительным подогревом проволоки.

(рис. 4) Макрошлифы сварных соединений стали 08X18HI0T толщиной 4 мм, выполненных газоэлектрической сваркой проволокой диаметром 1,2 мм со скоростью 100 м/ч: а - с дополнительным подогревом проволоки, б - без дополнительного подогрева

Разновидностью аргонодуговой сварки является способ сварки плазменной дугой. Отличительная особенность этого способа по сравнению с обычной аргонодуговой сваркой заключается в более высокой температуре столба дуги вследствие сжатия дуги потоком аргона, пропускаемого через сопло ограниченного диаметра. В связи с этим сварку данным способом иногда называют сваркой высокотемпературной дугой, сжатой газовым потоком.

При обычной аргонодуговой сварке неплавящимся вольфрамовым электродом на прямой полярности (минус на электроде) столб дуги имеет вид конуса (рис. 5, а). Температура такой дуги составляет 6000—7000°С. Если специальными приемами (например, уменьшением диаметра сопла горелки) помешать дуге принять естественную форму и принудительно ее сжать (рис. 5, б), то температура дуги значительно повысится. Используя сопла различного диаметра и регулируя расход защитного газа и режим сварки, можно изменять форму и температуру дуги до 20 000—30 000°С и, следовательно, уменьшать или увеличивать глубину провара и ширину шва. С уменьшением диаметра сопла и увеличением расхода газа при неизменном токе глубина проплавления возрастает. Благодаря высокой температуре сжатой дуги можно увеличить скорость сварки, что открывает широкие возможности для внедрения этого способа вместо обычной аргонодуговой сварки при массовом и серийном производстве изделий из тонколистовой нержавеющей стали.

На рис. 5, в схематически показаны сварочная горелка и процесс сварки плазменной дугой. Защитный газ, подаваемый внутрь горелки и вытекающий через сопло, дополнительно сжимает столб дуги и изолирует его от стенок. Чтобы медное сопло не расплавилось, его охлаждают проточной водой. Расход аргона при этом способе значительно меньший, чем при обычной аргонодуговой сварке и для металла толщиной до 2 мм составляет 0,2—0,5 л/мин. Сварка выполняется с присадкой проволоки. Сварка плазменной дугой может выполняться автоматически и полуавтоматически.

(рис. 5) Схемы процесов обычной аргонодуговой сварки: а - неплавящимся электродом, б - дугой, сжатой газовым потоком; 1 - вольфрамовый электрод, 2 - цанга, 3 - сопло для создания защитной газовой струи, 4 - дуга, 5 - свариваемое изделие; в - неплавящимся электродом сжатой дугой с плавящейся автоматически подаваемой присадкой; 1 - присадочная проволока, 2 - сопло для защитной газовой струи, 3 - сопло для создания рабочей газовой струи, 4 - мундштук для подачи присадочной проволоки, 5 - токоподвод, 6 - цанга, 7 - подвод и отвод охлаждающей воды, 8 - вольфрамовый электрод, 9 - корпус горелки, 10 - подкладка, 11 - подвод защитного газа, 12 - свариваемое изделие

Дешевым и производительным является способ сварки в защитной среде углекислого газа. Сварка в углекислом газе может быть выполнена неплавящимся угольным и плавящимся металлическим электродами.

К сварке открытой дугой относится также сварка порошковой проволокой без внешней защиты. Защита капель электродного металла и сварочной ванны от воздействия воздуха, а также раскисление и, при необходимости, легирование металла шва осуществляются с помощью шлако- и газообразующих веществ, а также соответствующих ферросплавов, вводимых в сердечник порошковой проволоки. Сварка порошковой проволокой без внешней защиты может выполняться как автоматом, так и полуавтоматом. Этот метод оказался весьма эффективным при выполнении монтажных работ в строительстве. В Институте электросварки им. Е. О. Патона разработаны порошковые проволоки для сварки некоторых конструкционных сталей и нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т.

В технике начинают применяться металлы: молибден, вольфрам, тантал, ниобий и др. Попытки сварить такие металлы обычными методами не имели успеха из-за загрязнения металла шва азотом, кислородом и водородом. Причем даже незначительное содержание этих газов в металле шва ухудшает свойства сварных соединений настолько, что преимущества чистых металлов сводятся к нулю. Поэтому чистые металлы соединяют электроннолучевой сваркой, выполняемой специальными сварочными электронными «пушками» в вакууме. Сущность этого способа заключается в следующем.

Свариваемое изделие помещают в герметичную камеру, в которой обеспечивается высокая степень разрежения (давление не более 10^-4 мм рт. ст.) благодаря непрерывной работе системы высокопроизводительных вакуумных насосов. Специальное устройство — электронная сварочная пушка, находящаяся в камере, — создает остро сфокусированный электронный пучок, который излучается катодом и ускоряется в вакууме дополнительным напряжением до 100 кВ. Скорость электронов может достигать 160 ООО км/с. Кинетическая энергия электронов при торможении на поверхности металла (анода) превращается в тепловую, расходующуюся на плавление свариваемых кромок.

Электроннолучевая сварка, являясь разновидностью широко используемой в технике сварки плавлением, вместе с тем отличается от всех ранее известных методов сварки. Эти отличия обусловлены двумя главными факторами: применением нового мощного источника тепла и практически полным отсутствием газов, окружающих зону сварки.

Из механизированных способов соединения металлов наиболее широкое распространение нашел способ автоматической и полуавтоматической сварки закрытой дугой под флюсом (рис. 6, а). При сварке этим способом электрическая дуга горит между торцом электродной проволоки и свариваемым изделием под слоем гранулированного порошка специального состава, называемого флюсом. Во время сварки вокруг дуги образуется газовая полость, состоящая из паров флюса и металла, а также продуктов химических реакций между жидким флюсом и металлом. Расплавленный флюс, окружая газовую полость, защищает дугу и расплавленный металл от соприкосновения с воздухом, вследствие чего содержание кислорода (и особенно азота) в металле шва оказывается минимальным.

Способ сварки под флюсом очень производительный. Как известно, производительность сварки, определяемая количеством расплавленного металла в единицу времени, зависит от величины сварочного тока. Чем больше сварочный ток, тем больше производительность сварки. При сварке под флюсом вылет электрода значительно меньше, чем при ручной сварке. Вследствие этого можно, не опасаясь перегрева электрода, значительно увеличивать сварочный ток и тем самым повышать производительность процесса сварки.

Толстый металл соединяют электрошлаковой сваркой (рис. 6, б). Сварка этим методом выполняется при вертикальном положении свариваемого соединения. На свариваемых деталях кромки не скашивают, стыки собирают с обязательным зазором. Чтобы предотвратить вытекание жидких металла и шлака из плавильного пространства и обеспечить нормальное формирование шва, по обе стороны зазора стыка располагают медные пластины-ползуны, охлаждаемые проточной водой. При сварке в пространстве, создаваемом кромками свариваемого металла и формирующими пластинами, образуются жидкие металлическая и шлаковая ванны. Одна или несколько электродных проволок подаются в плавильное пространство механизмом подачи с заданной скоростью. Электрический ток, проходящий между электродами и основным металлом через шлаковую ванну, нагревает расплав и поддерживает в нем высокую температуру благодаря выделению тепла. Тепло, выделяющееся в шлаковой ванне, расплавляет погруженные в нее электроды, а также кромки свариваемого изделия. Расплавляемый металл пополняет металлическую ванну. Вследствие отвода тепла в основной металл и медные ползуны металл ванны охлаждается и в нижней части затвердевает, образуя сварной шов, соединяющий кромки изделия. Механизм для подачи электродной проволоки и формирующие ползуны соединены с подвижной частью электрошлаковой установки и по мере заполнения зазора электродным металлом перемещаются вверх со скоростью сварки.

(рис. 6) Схема автоматической сварки: а - под флюсом: 1 - основной металл, 2 - сварочная проволока, 3 - образующаяся капля, 4 - электрическая дуга, 5 - газовый пузырь, 6 - сварочная ванна, 7 - слой расплавленного флюса, 8 - слой нерасплавленного флюса, 9 - закристаллизовавшаяся корка флюса, 10 - закристаллизовавшийся металл шва; б - электрошлаковой сварки; 1 - основной металл, 2 - медные формирующие ползуны, 3 - сварной шов, 4 - металлическая ванна жидкого металла, 5 - шлаковая ванна, 6 - электроды

Таким образом, при электрошлаковом процессе свариваемые кромки и присадочный металл расплавляются теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока через расплавленный флюс — шлак (при отсутствии электрической дуги).

Способ электрошлаковой сварки по сравнению со всеми существующими способами сварки плавлением — процесс наиболее производительный. Коэффициент плавления (количество электродного металла, расплавляемого за 1 ч током 1 А) при этом способе в 2—4 раза больше, чем при ручной сварке, и примерно в 1,5 раза больше, чем при сварке под флюсом.