Сварка в защитных газах – один из ведущих технологических процессов соединения различных металлов.
Широко применяемый в сварочном производстве способ защиты сварочной ванны с помощью однокомпонентных газов (двуокись углерода или аргон) со временем не стал удовлетворять требованиям качества и производительности. Дальнейшим этапом повышения эффективности сварки при изготовлении сварных металлоконструкций стало применение многокомпонентных газовых смесей на основе аргона.
Изменяя состав газовой смеси можно в определенных пределах можно изменять свойства металла шва и сварного соединения в целом. Преимущества процесса сварки в газовых смесях на основе аргона проявляется в том, что возможен струйный и управляемый процесс переноса электродного металла. Эти изменения сварочной дуги – эффективный способ управления ее технологическими характеристиками: производительности, величиной потерь электродного металла на разбрызгивание, формой и механическими свойствами металла шва, а также величиной проплавления основного металла.
Газовые сварочные смеси и рекомендуемая область их применения.
Процентное содержание того или иного газа в смеси принимается исходя из толщины свариваемого металла, степени его легирования и требований, предъявляемых к сварным соединениям в зависимости от условий эксплуатации изделия. Области применения различных газовых смесей при сварке плавящимся электродом приведены в таблице 1, режимы сварки в таблицах 2 и 3.
Данные смеси проверены практикой, что позволяет рекомендовать их применение для получения качественного сварного соединения.
Защитные газовые смеси для сварки неплавящимся вольфрамовым электродом.
Инертная газовая смесь, состоящая из 30% He + 70% Ar дает более эффективный нагрев, чем аргон. Увеличивается проплавление и скорость сварки. Более ровная поверхность шва и, следовательно, меньшее использование сварочной проволоки;
Инертная газовая смесь, состоящая из 50% He + 50% Ar подходит для сварки материалов практически любой толщины;
Инертная газовая смесь, состоящая из 70% He + 30% Ar, наиболее применима для сварки тонких материалов, может существенно понизить пористость, увеличить скорость сварки и уменьшить, или даже устранить, необходимость подогрева.
Сварка неплавящимся электродом с использованием газовых сварочных смесей на основе инертных газов применяется для соединения цветных металлов и легированных сталей.
Таблица 1. Газовые сварочные смеси и рекомендуемая область их применения
| Состав газовой сварочной смеси | Свариваемые материалы | Область применения |
| 80-95% Ar + 20-5% CO2 | Углеродистые и легированные конструкционные стали | Капельный или струйный перенос электродного металла. Стабильность дуги. Сварка металлов широкого спектра толщин. |
| 92% Ar + 6% CO2 + 2% O2 | Углеродистые и легированные конструкционные стали | Капельный или струйный перенос электродного металла. Идеально подходит для сварки металлов малых толщин. |
| 85% He + 13,5% Ar + 1,5% CO2 | Легированные и углеродистые конструкционные стали | Сварка пульсирующей дугой. Дает великолепные чистые швы с гладким профилем с незначительным окислением поверхности. Идеален для тонких материалов, где высокая скорость сварки дает низкий уровень деформации материала. |
| 43% Ar + 55% He + 2% CO2 | Легированные и углеродистые конструкционные стали | Низкий уровень армирования металла шва и околошовной зоны. Подходит для сварки металлов широкого спектра толщин. |
| 60% Ar + 38% He + 2% CO2 | Легированные и углеродистые конструкционные стали | Капельный или струйный перенос электродного металла. Придает стабильность дуге, что обеспечивает низкий уровень разбрызгивания и снижает появление дефектов шва. |
| 70% Ar + 30% He | Цветные металлы и их сплавы. Средне и высоколегированные стали | Инертная газовая смесь. Дает более эффектный нагрев, чем чистый аргон. Увеличивает скорость сварки. Обеспечивает глубокий провар, низкую пористость и ровную поверхность сварного шва. |
| 50% Ar + 50% He | Цветные металлы и их сплавы. Средне и высоколегированные стали | Инертная, наиболее универсальная газовая смесь для сварки материалов любой толщины. |
| 30% Ar + 70% He | Цветные металлы и их сплавы. Средне и высоколегированные стали | Инертная смесь, используется для толстых материалов, что позволяет существенно увеличить скорость сварки, уменьшить пористость и снизить применение необходимости подогрева. Дает ровный сварной шов с более глубоким проплавлением и меньшими дефектами. |
Таблица 2. Рекомендуемые защитные газовые смеси и режимы сварки в зависимости от типа и толщины материала (сварка плавящимся электродом).
| Материал | Толщина, мм | Рекомендуемая смесь | Диам. свар. пров , мм | Скорость сварки, мм/мин | Iсв, А | Uд, В | Скорость подачи проволоки, м/мин |
| Углеродистые конструкционные стали | 1,0 | 92%Ar + 6%CO2 + 2%O2 | 0,8 | 350-600 | 45-65 | 14-15 | 3,5-4,0 |
| 1,6 | 92%Ar + 6%CO2 + 2%O2 | 0,8 | 400-600 | 70-80 | 15-16 | 4,0-5,3 | |
| 3,0 | 92%Ar + 12%CO2 + 2%O2 | 1,0 | 280-520 | 120-160 | 17-19 | 4,0-5,2 | |
| 6,0 | 92%Ar + 12%CO2 + 2%O2 | 1,0 | 300-450 | 140-160 | 17-18 | 4,0-5,0 | |
| 6,0 | 92%Ar + 12%CO2 + 2%O2 | 1,2 | 420-530 | 250-270 | 26-28 | 6,6-7,3 | |
| 10,0 | 92%Ar + 12%CO2 + 2%O2 | 1,2 | 300-450 | 140-160 | 17-18 | 3,2-4,0 | |
| 10,0 | 82%Ar + 18%CO2 | 1,2 | 400-480 | 270-310 | 26-28 | 7,0-7,8 | |
| >10,0 | 82%Ar + 18%CO2 | 1,2 | 300-450 | 140-160 | 17-18 | 3,2-4,0 | |
| >10,0 | 92%Ar + 20%CO2 + 2%O2 | 1,2 | 370-440 | 290-330 | 28-31 | 10-12 | |
| Легированные стали | 1,6 | 85%He + 13,5%Ar + 1,5%CO2 | 0,8 | 410-600 | 70-85 | 19-20 | 6,5-7,1 |
| 3,0 | 55%He + 43%Ar + 2%CO2 | 1,0 | 400-600 | 100-125 | 16-19 | 5,0-6,0 | |
| 6,0 | 55%He + 43%Ar + 2%CO2 | 1,0 | 280-520 | 120-150 | 16-19 | 4,0-6,0 | |
| 6,0 | 55%He + 43%Ar + 2%CO2 | 1,2 | 500-650 | 220-250 | 25-29 | 7,0-9,0 | |
| 10,0 | 38%He + 60%Ar + 2%CO2 | 1,2 | 250-450 | 120-150 | 16-19 | 4,0-6,0 | |
| 10,0 | 38%He + 60%Ar + 2%CO2 | 1,2 | 450-600 | 260-280 | 26-30 | 8,0-9,5 | |
| >10,0 | 38%He + 60%Ar + 2%CO2 | 1,2 | 220-400 | 120-150 | 16-19 | 4,0-6,0 | |
| >10,0 | 38%He + 60%Ar + 2%CO2 | 1,2 | 400-600 | 270-310 | 28-31 | 9,0-10,5 | |
| Алюминий и его сплав | 1,6 | 30%He + 70%Ar | 1,0 | 450-600 | 70-100 | 17-18 | 4,0-6,0 |
| 3,0 | 30%He + 70%Ar | 1,2 | 500-700 | 105-120 | 17-20 | 5,0-7,0 | |
| 6,0 | 30%He + 70%Ar | 1,2 | 450-600 | 120-140 | 20-24 | 6,5-8,5 | |
| 6,0 | 50%He + 50%Ar | 1,2 | 550-800 | 160-200 | 27-30 | 8,0-10,0 | |
| 10,0 | 50%He + 50%Ar | 1,2 | 450-600 | 120-140 | 20-24 | 6,5-8,5 | |
| 10,0 | 50%He + 50%Ar | 1,6 | 500-700 | 240-300 | 29-32 | 7,0-9,0 | |
| >10,0 | 50%He + 50%Ar | 1,2-1,6 | 400-500 | 130-200 | 20-26 | 6,5-8,0 | |
| >10,0 | 70%He + 30%Ar | 1,2-1,6 | 450-700 | 300-500 | 32-40 | 9,0-14 |
Таблица 3. Рекомендуемые режимы сварки в смесях газов Ar + 12 ~ 18%CO2 (сварочная проволока СВ08Г2С ГОСТ 2246-70)
| Uд, В | G, кг/ч | Lэл, мм | D эл, мм | Ψ, % | |
| 250-260 | 23-24 | 3,80 | 20 | 1,6 | 2,7 |
| 300-310 | 26-27 | 4,50 | 1,2 | ||
| 350-360 | 29-30 | 5,20 | 0,7 | ||
| 400-410 | 31-32 | 5,40 | 0,5 | ||
| 400-410 | 30-31 | 5,30 | 25 | 2,0 | 0,8 |
| 450-460 | 32-33 | 6,50 | 1,1 |
Сравнительная оценка технологических характеристик сварочной дуги и механических свойств наплавленного металла, таблица 4 и 5, наглядно показывают эффективность применения газовых смесей по сравнению с СО2. Аналогичные сравнительные показатели эффективности гигиенической оценки процесса сварки, таблица 6.
Таблица 4. Сравнительные технологические характеристики
| Защитный газ | Iсв, А | Uд, В | Q, кг/ч | Y, % | aнб, % |
| СО2 | 200-210 | 22-23 | 2,3 | 4,7 | 1,5 |
| 300-310 | 30-33 | 4,3 | 6,7 | 2,0 | |
| 97%Ar + 3% O2 | 200-210 | 21-22 | 3,0 | 1,4 | 0,2 |
| 300-310 | 29-30 | 4,7 | 0,5 | — | |
| 82%Ar + 18% CO2 | 200-210 | 24-25 | 3,0 | 3,8 | 0,3 |
| 300-310 | 30-31 | 5,3 | 2,9 | 0,3 | |
| 78%Ar + 20% CO2 + 2% O2 | 200-210 | 25-26 | 3,7 | 3,2 | 0,2 |
| 300-310 | 30-31 | 5,3 | 2,9 | 0,2 | |
| 86%Ar + 12% CO2 + 2% O2 | 200-210 | 21-22 | 3,1 | 1,4 | 0,2 |
| 300-310 | 29-30 | 5,2 | 0,5 | — |
В таблице приведены средние значения коэффициентов по данным трех замеров. Сварка образцов произведена проволокой марки Св-10ГСМТ, d 1,4 мм.
Таблица 5. Механические свойства наплавленного металла
| Защитный газ | sт, МПа | sб, МПа | d, % | Y, % | KCU, Дж/см2 | |
| СО2 | 401 | 546 | 27,0 | 62,4 | + 20°С | — 40°С |
| 97% Ar +3% O2 | 385 | 590 | 28,0 | 60,0 | 14,1 | 8,4 |
| 82% Ar + 18% CO2 | 395 | 580 | 30,0 | 65,0 | 20,0 | 12,0 |
| 78% Ar + 20% CO2 + 2% O2 | 392 | 583 | 29,5 | 63,5 | 24,0 | 16,0 |
| 86% Ar + 12% CO2 + 2% O2 | 390 | 585 | 29,0 | 63,0 | 23,5 | 15,3 |
- В таблице приведены средние значения коэффициентов по данным трех замеров;
- Сварка образцов произведена проволокой марки Св-10ГСМТ, d 1,4 мм.
- Iсв=250-260А; Uд=23-25В
Гигиеническая оценка процесса механизированной сварки углеродистой стали в СО2 и многокомпонентных смесях на основе аргона
Сопоставление уровня валовых выделений твердой составляющей сварочного аэрозоля (ТССА) для различных сочетаний “защитная среда — проволока” проводились при сварке на режимах с различной погонной энергией, обеспечивающей хорошее качество сварных соединений. При от-боре проб на исследование валовых выделений ТССА применен метод внутренней фильтрации на ткань ФПИ-15 и фильтры АФА-ХА-20 воздушного потока, аспирируемого из укрытия зоны свар-ки. Данные этих опытов приведены в таблице.
По этим результатам можно сделать вывод о том, что благодаря уменьшению окислительного потенциала защитной среды, при сварке в смесях газа на основе аргона обеспечивается уменьше-ние валовых выделений твердой фракции сварочного аэрозоля, а в ней — снижение содержания токсичных выделений окислов марганца и хрома.
Таблица 6. Уровень валовых выделений и химический состав ТССА при сварке в защитных газах
| Защитная среда | Сварочная проволока | Режим сварки | Валовые выделения | ||
| Iсв, А | Uд,В | г/мин | г/кг | ||
| СО2 | Св-10ГСМТ d 1,4 мм (в таблице приведены данные трех замеров) | 230 | 28 | 0,39 | 5,60 |
| 300 | 31 | 0,83 | 9,07 | ||
| 350 | 33 | 0,71 | 5,35 | ||
| Ar + СО2 | 230 | 26 | 0,38 | 5,55 | |
| 300 | 28 | 0,69 | 6,59 | ||
| 350 | 30 | 0,46 | 3,49 | ||
| Ar + СО2 + О2 | 230 | 26 | 0,34 | 4,98 | |
| 230 | 28 | 0,39 | 5,60 | ||
Особенности сварки в смесях газов
Учитывая, что смесь газов на основе аргона легче, чем СО2, то при сварке необходимо соблю-дать некоторые условия:
- Сварку вести, по возможности «углом» вперед;
- Вылет сварочной проволоки должен быть оптимальным в зависимости от диаметра проволоки (15-20мм);
- Исключить подсос воздуха, как в соединениях шлангов, так и сопла с горелкой.
В то же время необходимо отметить, что при сварке в смесях на основе аргона процесс сварки стабилен, по сравнению со сваркой в СО2, даже при некоторой неравномерности подачи свароч-ной проволоки, а также наличия на поверхности проволоки следов технологической смазки и ржавчины.
Требования к исходным газам
Качество сварных соединений в значительной мере зависит от содержания растворенных в металле, так называемых, вредных газов – водорода, азота и их соединений
Поэтому защитные газовые смеси должны иметь в своем составе строго ограниченное количество вредных примесей.
Водород способствует образованию пористости при кристаллизации металла и является одним из главных факторов образования холодных трещин, то есть трещин, которые образуются при 200ºC и ниже в процессе охлаждения сварного соединения.
Водород поступает в металл сварного шва преимущественно через влагу защитных газов.
Азот в большинстве случаев вызывает снижение пластичности металла, пористость и дру-гие дефекты.
Отрицательное воздействие на качество сварного шва оказывает так же и пары воды, содержа-щиеся в защитном газе. При воздействие высоких температур вода разделяется на составляющие водород и кислород. Если кислород выводится в шлаковую фазу, то водород оказывает свое нега-тивное влияние описанное выше.
Поэтому для получения сварочных газовых смесей необходимо использовать газы, которые должны по своему составу соответствовать принятым нормам (см. таблицу 7).
Таблица 7.
|
||||||||||||||||||||||||||