Производительность процесса. Изучением производительности некоторых методов сварки плавящимся электродом на прямой полярности занимались многие исследователи. И. И. Заруба показал, что при сварке на прямой полярности под флюсами ОСЦ-45, АН-348, АН-3 коэффициенты наплавки выше, чем при сварке на обратной полярности. Повышение коэффициентов наплавки на прямой полярности было установлено также при сварке плавящимся электродом в инертных газах и некоторых активных газах (водород, аргоно-азотная смесь, московский отопительный газ).
Детальное изучение влияния полярности на коэффициенты наплавки при сварке в углекислом газе на токах 200-500 а (рисунок справа) показало, что коэффициенты наплавки на прямой полярности в 1,6-1,8 раза больше, чем при сварке на обратной полярности.
Значительное повышение коэффициента наплавки, а следовательно, и скорости плавления электродной проволоки при сварке на прямой полярности указывает на то, что на электроде выделяется значительно больше теплоты, чем при сварке на обратной полярности, когда электрод является анодом. Расчет показывает, что при сварке на прямой полярности количество теплоты, затраченной на плавление электродного металла, почти на 1/3 больше, чем при сварке на. обратной полярности (табл. ниже).
Количество тепла, расходуемого на плавление электродного металла при сварке в углекислом газе на прямой и обратной полярности:
Геометрия шва. При сварке на прямой полярности доля наплавленного металла в шве намного больше, чем при сварке на обратной полярности (рисунок ниже слева). Глубина проплавления, наоборот, при сварке на прямой полярности резко уменьшается (рисунок ниже справа).
Химический состав металла шва. Химический состав металла, наплавленного в углекислом газе на прямой и обратной полярности, приведен в таблице ниже.
Обращают на себя внимание высокие коэффициенты усвоения углерода металлом шва. Это может быть связано с крайне незначительным выгоранием углерода из сварочной ванны при сварке в углекислом газе, а также из электродной проволоки, когда содержание углерода в ней невелико. Последнее подтверждает данные об отсутствии выгорания углерода при его концентрации менее 0,1 %.
Стабильность горения дуги. Наиболее простым способом оценки стабильности горения дуги является, как известно, ее разрывная длина. Приведенные в табл. 37 результаты измерений разрывной длины дуги при сварке в углекислом газе на прямой обратной полярности и для сравнения при сварке под флюсом ОСЦ-45 (обратная полярность) показывают, что разрывная длина дуги на прямой полярности значительно меньше, чем на обратной.
Интересно отметить то обстоятельство, что разрывная длина дуги, горящей в атмосфере углекислого газа на прямой полярности, не меньше разрывной длины дуги при сварке на обратной полярности под флюсом ОСЦ-45.
Опыты показали, что сварка проволокой диаметром 2 мм на прямой полярности на относительно небольших токах (200-300 а) характеризуется пониженной стабильностью горения дуги, большим разбрызгиванием (15-18%) и худшим формированием шва по сравнению со сваркой на обратной полярности. В связи с этим нецелесообразно на этих токах производить сварку на прямой полярности. На более высоких токах (свыше 400 а) дуга горит значительно устойчивее, разбрызгивание заметно уменьшается, формирование шва улучшается. Например, при сварке на прямой полярности током 400 а потери металла на разбрызгивание, угар и испарение снижаются до 8%, а при токе 500 а - до 3-5%.
Причиной образования флокенов является, как известно, водород, растворившийся в металле шва. Водород также может снижать пластические свойства металла. Было установлено, что из швов, сваренных на прямой полярности, выделяется в 3-5 раз больше водорода, чем из швов, сваренных в одинаковых условиях на обратной полярности (таблица ниже).
Количество выделившегося водорода из металла, наплавленного под защитой углекислого газа:
При сварке на обратной полярности избыток электронов, который можно ожидать вблизи поверхности сварочной ванны, сдвигает равновесие реакции влево и препятствует растворению водорода. При сварке на прямой полярности условия поглощения водорода металлом ваяны шва более благоприятны.
Возможен и другой механизм увеличения содержания водорода в шве при сварке на прямой полярности. Количество капель, переносимых через дугу в единицу времени при сварке на прямой полярности значительно больше (рисунок слева), чем при сварке на обратной полярности. В связи с этим увеличивается поверхность их контакта с газами, а следовательно, может увеличиться и содержание водорода в жидком металле.
Увеличение степени осушки углекислого газа (таблица выше) снижает содержание водорода в шве.
Большинство современных сварочных аппаратов имеют в своей конструкции блок выпрямительных диодов, что, в свою очередь, обеспечивает постоянный сварочный ток. Для аппаратов, использующих в качестве сварочного материала проволоку (сварочных полуавтоматов) это является обязательным условием. Для аппаратов же, использующих для работы электроды это уже является опцией, позволяющей использовать практически любые марки электродов для проведения сварочных работ.
Классификация сварочной дуги по полярности постоянного тока:
а - прямая полярность; б - обратная полярность
При работе полуавтоматом необходимо обязательно соблюдать полярность подключения. Так, сварка обычной обмедненной проволокой в среде защитного газа производится током прямой полярности. То есть на изделие подается плюс, а на держак минус (прямая полярность при сварке). При таком подключении ток протекает от проволоки на изделие, в связи с чем нагрев изделия получается выше, нежели сварочной проволоки. И это закономерно. Свариваемые части имеют значительно большую площадь, соответственно, требуют большего нагрева для образования сварочной ванны. Проволока же, имеющая меньшую площадь достаточно легко плавится и в место сварки попадает уже в виде расплавленной капли. Протекающий ток, а он протекает именно от плюса к минусу, захватывает расплавившийся материал, опять же способствуя формированию качественной сварочной ванны.
Судя по комментариям посетителей нашего сайта, возникла небольшая путаница с тем, в каком все таки направлении течет ток в цепи. Давайте попытаемся внести ясность в этот вопрос!
Необходимо понимать, что "направление тока" в электротехнике - это больше условность, принятая для рисования схем. Традиционно, на схемах, принято рисовать от плюса к минусу, как будто движение тока происходит от плюса к минусу, хотя реальное движение носителей заряда в большинстве случаев происходит в обратном направлении! В случае, если проводником выступает металл (провод, электрод и т.п.), реальные носители заряда - электроны, летят от минуса к плюсу (т.к. электроны - отрицательно заряженные частицы). Если проводником выступает ионизированый газ или жидкость с ионами, в таком случае ионы летят в обе стороны.
При работе полуавтоматом без защитной среды газа, используется специальная порошковая (флюсовая) проволока. В этом случае обязательно меняется полярность подключения держака и «массы». То есть на массе «минус», а на держаке плюс (обратная полярность при сварке). Обусловлено это тем, что температура плавления флюса примерно одинакова с температурой плавления металла, однако для получения качественного шва необходимо чтобы флюс сгорел и образовал небольшое газообразное облако в среде которого и будет происходить сварочный процесс. Как уже отмечалось выше, ток течет от минуса к плюсу, поэтому и падение расплавленной капли металла будет несколько более низким, что обеспечит меньший прогрев свариваемого металла, поскольку охлаждение последнего не осуществляется средой защитного газа и формирование сварочной ванны будет примерно таким же, как и при сварке в среде газа.
Сварка цветных металлов, в частности алюминия, производится, как правило, специальным вольфрамовым электродом. В этом случае обычно используют прямую полярность при сварке - минус на электроде. Такой тип подключения позволяет получить большую температуру в зоне нагрева, что особенно критично для того же алюминия, поскольку первоначально необходимо «пробить» оксидную пленку, тем более, что температура плавления у последней гораздо выше, нежели самого металла.
Прямая полярность помимо всего прочего позволяет получить более концентрированную и узкую электрическую дугу, более глубокое проплавление металла, а, соответственно, более качественный шов и, что немаловажно, использовать меньший диаметр дорогостоящего вольфрамового электрода, а также снизить расход не менее дешевого газа.
При подключении вольфрамового электрода в обратной полярности при сварке - с плюсом на держаке - шов получается менее глубоким. Такой способ хорош при сваривании тонких пластин - в этом случае отсутствует опасность прожечь свариваемый материал. Однако ещё одним минусом является эффект «магнитного дутья». В этом случае образующаяся дуга получается блуждающей и шов получается менее красивым и герметичным. Подробности Категория: Сварка
В книге рассмотрены технологические свойства электро сварочных дуг при сварке низкоуглеродистыми электрода ми с различными покрытиями. Показано влияние энергетически: процессов у катода, анода и в столбе дуги па производительность расплавления и проплавляющее действие электродов, а также на перенос металла в дуге и устойчивость ее горения. Установлен характер изменения энергетического состояния отдельных зон дуги при внесении в нее различных веществ.
На основе теории распространения тепла при сварке разработаны способы расчета некоторых технологических характеристик электродов.
Книга рассчитана на инженеров, научных работников и аспирантов, интересующихся вопросами применения дугового разряда и его энергетическими особенностями.
Свойства электрической дуги должны оказывать решающее влияние на особенности процесса сварки электродами. Это связано с тем, что дуга является основным источником тепловой энергии. Другие возможные источники энергии (подогрев электрода током и тепло химических реакций при плавлении покрытия) имеют второстепенное значение. Это подтверждается следующими данными. При нагреве сварочным током стержней диаметром 4-5 мм из низкоуглеродистой стали при плотности тока до 20 ajмм2 в них выделяется лишь около 20% тепла, необходимого для плавления, причем основное количество тепла выделяется в конце расплавления электрода, когда значительно возрастает его омическое сопротивление из-за разогрева . Термический эффект химических реакций для наиболее распространенных промышленных электродов, определенный в работе с помощью специальной методики калориметрирования, не превышает ±8-9% мощности дуги.
Энергетические характеристики сварочных дуг зависят от типа покрытия электрода. Эта зависимость может быть установлена при одинаковом токе I по разнице в напряжении горения дуги Да, так как мощность дуги составляет /Да* Целесообразно сравнивать между собой величины так называемого номинального напряжения горения дуги (напряжение дуги, характерное для данного электрода при оптимальном режиме сварки).
Ниже приведены значения номинального напряжения горения дуги, полученные А. А. Ерохиным для низкоуглеродистой проволоки с различными тонкими покрытиями на постоянном токе прямой полярности (в в):
Без покрытия............................................................18
Тонкий слой жидкого стекла......................................17
Мел и жидкое стекло............................................... 15
Кварцевый песок и жидкое стекло.............................24
Каолин и жидкое стекло...........................................28
Очевидно, что сварочные дуги с более высоким номинальным напряжением при прочих равных условиях будут более мощными. Причина изменения мощности сварочной дуги при нанесении тех или иных покрытий кроется в изменении физических условий существования дугового разряда, вызываемом покрытиями.
В настоящее время характеристики конкретных электрических дуг при сварке различными электродами изучены чрезвычайно слабо. В определенной степени известны лишь явления в столбе дуги. В то же время почти не исследованы процессы в приэлектродных областях, имеющие большое значение для понимания технологической роли электрической дуги в сварочном процессе. Результаты исследовании несварочных электрических дуг дают некоторое представление о явлениях в приэлектродных областях сварочных дуг. Так, в связи с разнообразием типов электрических дуг физиками делались попытки приблизительно классифицировать их по явлениям па катоде.
А. Энгель считает, что самоподдерживающие электрические дуги целесообразно разделить на две группы: дуги, у которых катоды заметно испаряются при температурах, когда термоэлектронная эмиссия еще отсутствует (дуги с «холодным» катодом), и дуги, в которых катоды имеют температуру, достаточную для значительной термоэлектронной эмиссии (дуги с термокатодом).
Основу низкоуглеродистых сварочных электродов составляет железо, температура кипения которого равна примерно 2740° С. Имеющиеся в стали примеси могут приводить к снижению температуры кипения электрода или к избирательному кипению при температуре ниже температуры кипения железа. Например, марганец испаряется уже при 1900° С, потери его при сварке за счет испарения могут быть значительными. Поверхность капель на конце электрода почти всегда покрыта шлаками и окислами, температура кипения которых также может быть ниже температуры кипения железа (А!203-2250е С, Si02- 2230° С и т. д.). Температура железных катодов, покрытых шлаками и окислами в связи с их испарением в дуге и значительными затратами энергии на такое испарение, может не достигать температуры кипения железа
При сравнительно низкой температуре кипения железа и возможных примесей и шлаков заметная термоэлектронная эмиссия с поверхности капель при атмосферном давлении теоретически невозможна и поэтому сварочные дуги с плавящимися электродами должны быть отнесены по классификации Энгеля к дугам с «холодным» катодом. Следует отметить, что разделение дуг, предложенное Энгелем, не является строгим. Исследования показали, что благодаря локальным повышениям давления и температуры в катодной области в дугах с «холодным» катодом, также возможна термоэлектронная эмиссия.
В последнее время появились более тонкие феноменологические градации дуг. Так, В. Финкельнбург и Г. Меккер считают, что существуют дуги без катодного пятна, дуги с весьма сжатым и неподвижным катодным пятном и нестационарные туги с катодным пятном, находящимся в быстром и хаотическом движении. В нестационарных дугах очень мало время существования катодного пятна, которое при своем исчезновении сменяется вновь образующимся подобным пятном (или несколькими пятнами). Эти дуги по своим параметрам (ток, давление, состояние поверхности катода) наиболее близко пот ходят к сварочным дугам с плавящимся электродом.
В работе указывается, что на интенсивность движения шипа существенно влияет материал катода. Найдена связь между интенсивностью испарения катода и перемещением пятна. При плохо испаряющихся катодах пятно перемещается интенсивнее.
Дуга с катодным пятном при некоторых условиях может переходить в дугу без пятна. По мнению В. Вейцеля, в дуге без катодного пятна существенную роль играет термическая эмиссия электронов с катода. В дуге же с катодным пятном в контрагированной плазме у катода образуется облако положительных ионов, вырывающее из него электроны.
Дуга без пятна на переменном токе должна гореть без пиков напряжения в каждый полупериод из-за большой тепловой инерции электродов. В дуге с катодным пятном всегда наблюдается пик напряжения в начале каждого из полупериодов. Энергия, затрачиваемая на этот пик, расходуется на пере ориентацию облака положительных ионов и создание необходимых эмиссионных условий у катода.
Изучение явлений в катодной области, несомненно, имело бы важное значение и для сварочных дуг, однако для дуг с плавящимся электродом это затруднено, так как малая длина душ наличие втулочки из покрытия и перенос капель металла метают прямым наблюдениям в катодной области.
Несмотря на это, могут быть получены некоторые данные, убеждающие в существенном отличии процессов па катоде у сварочных дуг различных электродов. Например, анализируя сварку на переменном токе по осциллограммам напряжения, можно установить, что дуги различных электродов по характеру возбуждения в каждый полупериод и, следовательно, по характеристикам катодов отличаются друг от друга. В случае электродов ЦМ7, ОММ5 и ЦЦ1 пики напряжения при возбуждениях дуги существуют в каждом полупериоде, и по В. Вейнелю такие дуги могут быть отнесены к дугам с катодным пятом. Наибольшие пики напряжения наблюдаются у электродов ЦЦ1. Электроды с основным покрытием (УОНИ13, СМИ, > 112) при таких же режимах образуют дугу с пиком напряжения только в одном полупериоде (рис. 1).
Отличия имеются и в интенсивности блуждания пятна. Например, как показывает скоростная киносъемка, на электродах с меловым покрытием катодное пятно перемещается медленно, в то время как на электродах с покрытием из плавикового шпата оно быстро передвигается по поверхности капли.
Перемещение пятна непостоянно. Некоторое время оно может находиться в относительном покое и затем внезапно начать двигаться. Пятно может совершать быстрые вращательные движения вокруг капли. По кинокадрам, снятым со скоростью 5000 кадров в 1 сек, трудно судить, является ли перемещение пятен непрерывным или скачкообразным. В случае очень быстрого движения пятна создается впечатление, что оно гаснет и мгновенно вновь возникает в новом более благоприятном месте, которое может находиться даже с другой стороны капли Анодное пятно, подобно катодному, также может интенсивно блуждать. Таким образом, поведение активных пятен сварочной дуги соответствует по классификации В. Финкельнбурга и Г. Меккера третьему типу дуг с нестационарным катодным пятном.
Весьма вероятно, что природа перемещения пятна на жидком катоде при сварке близка к природе блуждания пятна на ртутном катоде, который также относится к катодам «холодного» типа. Катодное пятно на ртути состоит из отдельных ячеек. Перестройка этих ячеек (появление новых и исчезновение старых) приводит к быстрому хаотическому перемещению всего пятна. Размеры ячеек весьма малы. Плотность тока в одной ячейке составляет около 106 а/см2. Дуги с ртутных катодов благодаря ячеистому строению катода могут гореть одновременно с нескольких катодных пятен. Аналогичное явление в ряде случаев наблюдается при скоростной киносъемке сварки низкоуглеродистой проволокой при плотности тока более 18 а/мм2 па прямой полярности.
Таким образом, даже чисто феноменологическое рассмотрение показывает, что электрические дуги при сварке различными электродами имеют существенные отличия в протекающих в них физических процессах. Эти отличия и являются причинами изменения как мощности дуги, так и ее устойчивости при нанесении различных покрытий.
Отличия в физических и энергетических характеристиках луг неизбежно должны приводить к разным технологическим характеристикам электродов. Наблюдения показывают, что сварочные дуги, потребляющие большую мощность, характеризуйются более интенсивным блужданием активных пятен. Впервые па связь между номинальным напряжением дуги и ее устойчивостью обратил внимание Г. М. Тиходеев. Номинальное напряжение связано также со скоростью плавления электрода. Это было установлено И. Д. Давыденко и А. А. Ерохиным.
Несмотря на практическую важность этих фактов, взаимосвязи технологических характеристик электродов с особенностями электрических сварочных дуг посвящено сравнительно мало работ. Можно указать лишь на несколько работ в этом направлении.
Так, К- К- Хренов показал, что вещества с низким потенциалом ионизации, вводимые в дугу даже в небольших количествах, способствуют повышению ее устойчивости и позволяют производить сварку на переменном токе. В этой работе повышение устойчивости дуги связывалось с увеличением степени ионизации плазмы.
А. А. Ерохин установил, что коэффициент расплавления при прямой полярности увеличивается с ростом номинального напряжения дуги. При обратной полярности коэффициент расплавления в меньшей степени зависит от номинального напряжения. Этот результат исследовании А. Л. Ерохина, как будет показано ниже, имеет принципиальное значение.
В ряде работ было показано, что свойства сварочных дуг с плавящимся электродом и технологические характеристики процесса зависят от полярности при сварке, материала электродов, состояния их поверхности и атмосферы дуги. Однако в этих работах в большинстве случаев не делается попыток связать энергию дуги и технологические характеристики электродов.
Исследования в основном посвящены рассмотрению явлений с столбе дуги. Можно указать, например, на характерные в этом отношении монографии К. К. Хренова, A. Я. Броуна и Г. И. Погодина-Алексеева, Г. М. Тиходеева. Однако столб сварочной дуги обычно потребляет незначитечьную долю энергии и не может оказать существенного влияния на взаимен действие дуги и электродов. Значительно большее влияние на это взаимодействие должны оказать малоизученные приэлектродные области дуги.
На большое значение энергии, выделяемой в приэлектродных областях, при оценке теплового действия дуги па электрод обратил внимание Б. Е. Патон, который пишет: Лаши исследования и исследование, проведенное в последнее время в Институте электросварки Д. М. Бабкиным, показали, что основная тепловая энергия, идущая на нагрев и плавление электрода, выделяется в приэлектродной области».
Из работ, посвященных сварочной дуге, можно назвать лишь несколько, в которых плавление электрода исследуется в связи с характеристиками приэлектродных областей. Д. М. Бабкин рассмотрел действие приэлектродных областей мощной сварочной дуги под флюсом па плавление электродной проволоки. Хотя некоторые положения работы Д. М. Бабкина (равное значение электронного и ионного тока на катоде) встречают возражения, им впервые высказана важная идея о необходимости раздельного рассмотрения действия приэлектродных областей на плавление электрода и выполнены соответствующие расчеты. Японский исследователь С. Одзава сделал аналогичную попытку рассмотреть плавление различных электродов в связи с энергией в приэлектродных областях дуги.
Определенное отрицательное влияние на развитие исследований приэлектродных зон сварочной дуги оказало неверное положение К. Комптона о том, что для дуг высокого давления катодное падение напряжения численно равно потенциалу ионизации дугового газа. Это создавало иллюзию возможности расчета падения напряжения в катодной области сварочной дуги по величине потенциала ионизации паров металла электрода без проведения специальных измерений. На основе такой точки зрения, например, была сделана попытка создать модель сварочной дуги, в которой катодное падение напряжения различных дуг с плавящимся электродом из низкоуглеродпстой стали во всех случаях равнялось 8 в, что примерно соответствовало потенциалу ионизации паров железа В действительности катодное падение напряжения сварочном дуги может сильно отличаться в зависимости и от состояния поверхности электрода, типа покрытия или флюса, режима сварки, и такая модель не является обоснованном.
Очевидная связь между явлениями в дуге и технологическими характеристиками сварочных электродов создает определенные возможности по регулированию технологических свойств сварочных щектродов, которое можно осуществлять несколькими путями. Можно в определенных пределах стабилизировать процессы в дуге (улучшить устойчивость горения и уменьшить разбрызгивание) за счет соответствующего выбора электрических параметров источников тока и сварочной цепи. Принцип такого регулирования заключается в подборе правильных обратных связен в системе дуга - сварочная цепь - источник тока, что связано главным образом с установлением определенной формы вольт-амперной характеристики источника тока и его шнамических свойств.
Эти явления подробно исследованы Б. Е. Патоном. В. П. Никитиным, И. Я- Рабиновичем, В. К. Лебедевым и М. Н. Сидоренко, Д Б. Кейта и др. Этот способ можно назвать внешним способом регулирования синологических свойств.
Другой, значительно менее изученный способ регулирования технологических свойств электродов заключается в активном воздействии на энергетические процессы в самой дуге за счет введения в дугу различных веществ, иногда в весьма малых количествах.
Результатам исследования возможности такого регулирования технологических свойств электродов посвящена данная книга.
Электродуговая сварка может осуществляться при помощи оборудования, вырабатывающего постоянный или переменный ток. Если работа на переменном токе не имеет нюансов в вопросе правильного подключения массы и держателя электрода, то при сварке на постоянном токе полярность сварочных электродов имеет большое значение.
Общие понятия
В зависимости от того какой полюс сварочного автомата подключен к держателю, определяется тип и особенности режима сварки:
- Сварка на прямой полярности предполагает подключение положительного полюса к соединяемым заготовкам (массе), и отрицательного к держателю электрода.
- Для выполнения работ при обратной полярности полюса меняются местами (плюс на держатель, минус на массу).
Несмотря на то, какая полярность электродов применяется, сварка на постоянном токе имеет общие особенности по сравнению с применением переменного напряжения:
Сварка на прямой полярности
При таком способе подключения электродов большему нагреву подвергается заготовка, а не электрод . Такой режим характеризуется выделением значительно большего количества тепла.
Поэтому сварка на прямой полярности рекомендована для выполнения следующих операций:
- Резка металла любым типом электродов.
- Сварка заготовок значительной толщины.
- Работа с металлами, имеющими более высокую температуру плавления.
Именно в этих случаях требуется разогрев обрабатываемых деталей до более высоких температур, для выполнения этих работ требуется значительное тепловыделение.
Сварка на обратной полярности
В данном случае большему разогреву подвергается электрод, поэтому на заготовку передается меньшее количество тепловой энергии.
Благодаря этому электроды обратной полярности позволяют выполнять работы в более мягком (деликатном) режиме.
Это актуально во многих случаях, например, сварка нержавеющей или тонкой листовой стали, сплавов, чувствительных к тепловому воздействию.
Так же такое подключение используется для работ в среде защитных газов или под флюсом.
Определение необходимой полярности
О том, как определить полярность электродов при сварке, существует множество споров, при этом каждая сторона приводит правильные, казалось бы доводы. Противники указанной выше версии ссылаются на учебники по технологии сварочного производства, изданные еще в середине прошлого века, считая, что сведения указанные в них наиболее правильные.
Но стоит учитывать то, что с тех пор произошло существенное усовершенствование сварочной техники и расходных материалов. Поэтому основываться на рекомендациях, касающихся устаревших технологий, все-таки не стоит. Наиболее правильным считается именно описанный выше выбор полярности.
Существует еще одна группа сварщиков, считающих, что любые работы лучше (вернее удобней) выполнять исключительно на обратной полярности. Это связано в первую очередь с тем, что в таком режиме электроды меньше липнут и отсутствует риск прожига металла. Но появление инверторной сварочной техники решило и эту проблему.
Стоит обращать внимание и на тип электродов. Существуют марки, которые могут применяться только при прямой или обратной полярности, нарушение рекомендаций производителя может не только усложнить процесс сварки, но и сделать ее невозможной в принципе.
На сегодняшний день производители уже предлагают электроды, способные работать при любом напряжении и различной полярности.
Правильный выбор полярности подключения электродов способствует упрощению сварочного процесса и повышению качества шва.
Механизированная дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитного газа - это разновидность электрической дуговой сварки, при которой электродная проволока подается автоматически с постоянной скоростью, а сварочная горелка перемещается вдоль шва вручную. При этом дуга, вылет электродной проволоки, ванна расплавленного металла и ее застывающая часть защищены от воздействия окружающего воздуха защитным газом, подаваемым в зону сварки.
Главными компонентами этого процесса сварки являются:
Источник питания, который обеспечивает дугу электрической энергией;
- подающий механизм, который подает в дугу с постоянной скоростью электродную проволоку, которая плавится теплом дуги;
- защитный газ.
Дуга горит между изделием и плавящейся электродной проволокой, которая непрерывно поступает в дугу и которая служит присадочным металлом. Дуга расплавляет кромки деталей и проволоку, металл которой переходит на изделие в образующуюся сварочную ванну, где металл электродной проволоки перемешивается с металлом изделия (то есть основным металлом). По мере перемещения дуги расплавленный (жидкий) металл сварочной ванны затвердевает (то есть кристаллизируется), образуя сварной шов, соединяющий кромки деталей. Сварка выполняется постоянным током обратной полярности, когда плюсовая клемма источника питания подключается к горелке, а минусовая – к изделию. Иногда применяется и прямая полярность тока сварки.
В качестве источника питания используются сварочные выпрямители, которые должны иметь жесткую или пологопадающую внешнюю вольт-амперную характеристику. Такая характеристика обеспечивает автоматическое восстановление заданной длины дуги при ее нарушениях, например, из-за колебаний руки сварщика (это, так называемое саморегулирование длины дуги). Более подробно источники питания для сварки МИГ/МАГ изложены в статье .
В качестве плавящегося электрода может применяться электродная проволока сплошного сечения и трубчатого сечения. Проволока трубчатого сечения заполнена внутри порошком из легирующих, шлако- и газообразующих веществ. Такая проволока называется порошковой, а процесс сварки, при котором она используется, - сварка порошковой проволокой.
Имеется довольно широкий выбор сварочных электродных проволок для сварки в защитных газах, отличающихся по химическому составу и диаметру. Выбор химического состава электродной проволоки зависит от материала изделия и, в некоторой степени, от типа применяемого защитного газа. Химический состав электродной проволоки должен быть близким к химическому составу основного металла. Диаметр электродной проволоки зависит от толщины основного металла, типа сварного соединения и положения сварки.
Основное назначение защитного газа – предотвращение прямого контакта окружающего воздуха с металлом сварочной ванны, вылетом электрода и дугой. Защитный газ влияет на стабильность горения дуги, форму сварного шва, глубину проплавления и прочностные характеристики металла шва. Более подробная информация о защитных газах, а также о сварочных проволоках приведена в статье .
Разновидности процесса сварки МИГ/МАГ
В Европе сварка плавящимся электродом в защитных газах носит краткое название MIG/MAG (МИГ/МАГ). MIG (МИГ) означает "Металл Инертный Газ". При этой разновидности процесса используется инертный (неактивный) газ, т.е. такой который не реагирует химически с металлом сварочной ванны, например аргон или гелий. Как правило, при сварке в чистом инертном газе, несмотря на хорошую защиту сварочной зоны от воздействия окружающего воздуха, формирование сварного шва ухудшается, а дуга становится нестабильной. Этих недостатков можно избежать если применять смеси инертных газов с небольшими добавками (до 1 - 2%) таких активных газов, как кислород или углекислый газ (СО 2).
MAG (МАГ) означает "Металл Активный Газ". К этой разновидности сварки в защитных газах относится сварка в смесях инертных газов с кислородом или углекислым газом, содержание которых составляет 5 – 30%. При таком содержании кислорода или углекислого газа смесь становится активной, т.е. она влияет на протекание физико-химических процессов в дуге и сварочной ванне. Сварку малоуглеродистых сталей можно производить в среде чистого углекислого газа (СО 2). В некоторых случаях использование чистого углекислого газа обеспечивает лучшую форму проплавления и снижает склонность к порообразованию.
Так как при данном способе сварки электродная проволока подается автоматически, а сварочная горелка перемещается вдоль шва вручную, этот способ сварки называется механизированным, а сварочная установка – механизированным аппаратом (сварочным полуавтоматом). Однако сварку в защитных газах можно выполнять также и в автоматическом режиме, когда используются передвижные тележки или передвижные сварочные головки.
Области применения
Процессы сварки МИГ или МАГ подходят для сварки всех обычных металлов, таких как нелегированные и низколегированные стали, нержавеющие стали, алюминий и некоторые другие цветные металлы. Более того, этот процесс сварки может быть использован во всех пространственных положениях. Благодаря своим многочисленным преимуществам сварка МИГ/МАГ находит широкое применение во многих областях промышленности.
Сварочный механизированный аппарат для сварки МИГ/МАГ
В его состав входят:
Источник питания сварочной дуги;
- механизм подачи электродной проволоки;
- сварочная горелка;
- пульт управления аппаратом (объединенный с источником питания и иногда с механизм подачи электродной проволоки).
Типичный внешний вид сварочного механизированного аппарата для сварки МИГ/МАГ
Источник питания предназначен для обеспечения сварочной дуги электрической энергией, обеспечивающей ее функционирование как источника тепла. В зависимости от особенностей конкретного сварочного процесса источник питания должен обладать определенными характеристиками (требуемой формой внешней вольт-амперной характеристики - ВВАХ, индуктивностью, определенной величиной напряжения холостого хода и тока короткого замыкания, требуемыми диапазонами тока сварки и напряжения дуги, и др.). Для сварки МИГ/МАГ используются источники питания постоянного тока (выпрямители или генераторы) с жесткой (пологопадающей) ВВАХ. Диапазон токов сварки, которые обеспечивают источники питания аппаратов для механизированной сварки, составляет 50 - 500 А. Но, как правило, используются режимы в диапазоне 100 – 300 А. Более подробно об источниках питания для дуговой сварки изложено в Источники питания для дуговой сварки
Механизм подачи электродной проволоки предназначен для подачи в дугу плавящейся электродной проволоки с заданной скоростью. Основные узлы механизма подачи электродной проволоки показаны на рисунке ниже.
Через разъем подключения сварочной горелки и механизма подачи обеспечивается подвод в зону сварки электродной проволоки и защитного газа, а также производится подключение кнопки "Пуск – Стоп" на горелке к схеме управления механизма подачи. Разъем, показанный на рисунке ниже, является стандартным евро-разъемом. На практике могут встретиться и другие типы разъемов.
Обязательным элементом пульта управления механизма подачи является регулятор скорости подачи электродной проволоки. Иногда, для удобства регулирования параметров режима сварки, особенно в случае использования переносных механизмов подачи, на этом пульте может размещаться и регулятор напряжения дуги, как в случае представленном на рисунке.
Для механизированной сварки плавящимся электродом в защитных газах (МИГ/МАГ) используются два типа механизмов подачи:
С 2-х роликовым приводом;
- с 4-х роликовым приводом.
На рисунках ниже слева показан один из 2-х роликовых приводов механизма подачи (верхний ролик – прижимной). Приводы этого типа используются для протяжки только стальной проволоки сплошного сечения. На этом же рисунке справа показан пример механизма подачи с 4-х роликовым приводом, который рекомендуется для протяжки порошковых проволок и проволок из мягких материалов (алюминия, магния, меди), так как он обеспечивает стабильную протяжку проволоки при меньших усилиях прижатия прижимных роликов, что предотвращает смятие проволоки.
В современных приводах механизма подачи, как правило, используются ролики специальной конструкции – с приводной шестерней. Таким образом, после прижатия прижимного ролика к ведущему ролику и ввода их шестерен в зацепление, передача тянущего усилия от привода подачи к электродной проволоке осуществляется через оба ролика.
Профиль роликов механизма подачи (т.е. форма поверхности или канавки) зависит от материала и конструкции сварочной проволоки. Для стальной проволоки сплошного сечения используются прижимные ролики с плоской поверхностью или с насечкой, а также с V-образной канавкой, а ведущие ролики - с V-образной канавкой и иногда с насечкой.
Для проволок из мягких материалов (алюминия, магния, меди) используются ролики с U-образной иди V-образной гладкой канавкой. Ролики с насечкой использовать не допускается, так как они вызывают образование мелкой стружки, которая забивает направляющий канал в горелке.
Для порошковой проволоки используются ролики с V-образной гладкой канавкой (в 4-х роликовых приводах механизма подачи) или с V-образной канавкой с насечкой.
Ролики различаются глубиной канавки в зависимости от диаметра проволоки. Номинальный диаметр электродной проволоки для данного ролика указывается на его боковой поверхности.
Механизмы подачи изготавливают нескольких типов:
- в едином корпусе с источником питания (для компактности)
- размещаемыми на источнике питания (для аппаратов повышенной мощности)
- переносными (для расширения зоны обслуживания сварки)
Механизм подачи электродной проволоки может быть также вмонтирован в горелку. При этом электродная проволока проталкивается стандартным механизмом подачи по шлангу и одновременно вытягивается из него механизмом горелки. Такая система ("тяни-толкай") позволяет использовать горелки со значительно более длинными шлангами.
В некоторых механизмах подачи бобина для электродной проволоки размещается снаружи. Это облегчает процедуру ее замены. Это важно для случаев, когда из-за интенсивного режима работы, проволока в бобине быстро заканчивается.
Предусмотренное в механизмах подачи устройство торможения бобины предотвращает ее самопроизвольное разматывание.
Пульт управления аппаратом предназначен для регулирования скорости подачи электродной проволоки и напряжения холостого хода (напряжения дуги), программирования цикла сварки (времени предварительной продувки газа, времени продувки газа после выключения тока сварки, параметров "мягкого старта" и т.п.), установки параметров импульсного режима сварки, настройки синергетического управления процессом сварки и для других функций.
Пульт управления сварочным механизированным аппаратом с отдельным механизмом подачи электродной проволоки может быть разделенным; часть органов управления размещаются на лицевой панели источника питания (это, в первую очередь, кнопка включения питания, регулятор напряжения дуги и др.), а часть на лицевой панели механизма подачи (например, регулятор скорости подачи электродной проволоки).
Некоторые органы управления (в первую очередь, напряжением дуги и скоростью подачи электродной проволоки), а также индикаторы параметров режима сварки могут размещаться на рукоятке сварочной горелки.
На фото ниже показаны некоторые типы пультов дистанционного управления (от простого к сложному) .
– предназначена для направления в зону дуги электродной проволоки, подвода к ней сварочного тока, подачи защитного газа и управления процессом сварки.
Обычно сварочные горелки для сварки МИГ/МАГ имеют естественное воздушное охлаждение. Однако, для сварки на повышенных режимах используются также горелки с принудительным водяным охлаждением силового кабеля в шланге горелки и головной части сварочной горелки вплоть до газового сопла.
На одном конце шланга горелки установлен разъем для подключения к механизму подачи. Через разъем подключения сварочной горелки и механизма подачи обеспечивается подвод в зону сварки электродной проволоки и защитного газа, подвод тока сварки к дуге, а также производится подключение кнопки "Пуск – Стоп" на горелке к схеме управления механизма подачи. В самом шланге имеется спираль, по которой подается сварочная проволока, сварочный (силовой) кабель, газовый шланг и кабель управления.
Другой конец шланга подключается к рукоятке сварочной горелки, в головной части которой имеется:
Диффузор с отверстиями для защитного газа;
- токоподводящий наконечник;
- газовое сопло.
Токоподводящие наконечники предназначены для подвода тока сварки к электродной проволоки. Они бывают самой разной конструкции и изготавливаются из сплавов на основе меди. Наконечники необходимо подбирать в соответствии с диметром используемой электродной проволоки.
В зависимости от конструкции сварочной горелки газовые сопла также имеют различную форму и размеры.
На рукоятке сварочной горелки находится кнопка "Пуск – Стоп". На некоторых современных типах сварочных горелок там же могут размещаться и некоторые органы управления (в первую очередь, напряжением дуги и скоростью подачи электродной проволоки), а также индикаторы параметров режима сварки.
Расходомеры газа
В сварочных установках используют расходомеры газа поплавкового и дроссельного типа. Расходомеры поплавкового типа или ротаметры состоят из стеклянной трубки с внутренним коническим каналом. Трубка расположена вертикально широким концом кверху. Внутри трубки помещен поплавок, который свободно в ней перемещается. Газ подводят к нижнему концу трубки и отводят от верхнего. При прохождении по трубке газ поднимает поплавок до тех пор, пока зазор между поплавком и стенкой трубки не достигнет такой величины, при которой напор струи газа уравновесит вес поплавка. Чем больше расход газа, тем выше поднимается поплавок.
Каждый расходомер снабжен индивидуальным градировочным графиком, на котором отражена зависимость между делениями шкалы на трубке и расходом воздуха. Переделы расходов, измеряемых ротаметром изменяют путем изменения веса поплавка, изготовляя его из эбонита, дюралюминия, коррозионно-стойкой стали или других материалов.
Расходомер дроссельного типа устроен на принципе изменения перепада давления в камере до и после дросселирующей диафрагмы с отверстием малого размера. При прохождении газа через малое отверстие до и после диафрагмы устанавливается различное давление в зависимости от расхода газа. По этому перепаду давления судят о расходе. На каждый расходомер и газ строят индивидуальный график. Пределы измерения расходов изменяют, меняя диаметр отверстия в диафрагме. На этом принципе построены расходомеры редукторов У-30 и ДЗД-1-59М, которые позволяют измерять расход газа в пределах 2,5-55 л/мин.
Осушители газа
Осушители газа применяют при использовании влажного СО 2 . осушители бывают высокого и низкого давления. Осушитель высокого давления устанавливают до понижающего редуктора. Осушитель имеет малые размеры и требует частой замены влагопоглотителя. Осушитель низкого давления имеет значительные размеры, его устанавливают после понижающего редуктора, он не требует частой замены влагопоглотителя. Такой осушитель одновременно является ресивером газа и повышает равномерность подачи газа. В качестве влагопоглотителя используют силикагель и алюмогель, реже медный купорос и хлористый кальций. Силикагель и медный купорос, насыщенные влагой, поддаются восстановлению путем прокалки при температуре 250-300°С.
Подогреватель газа углекислотный является электрическим устройством и предназначен для подогрева углекислого газа в целях защиты газовых каналов от замерзания. Он устанавливается перед понижающим редуктором. В целях безопасности подогреватели газа обычно делают с питанием от сети низкого напряжения 20 … 36 В и, как правило, подключаются к соответствующему разъему источника питания сварочной установки. Во избежание перегрева газового редуктора его следует отделить от подогревателя переходной трубкой длинной не менее 100 мм.
Газовый клапан
Газовый клапан используют для экономии защитного газа. Клапан целесообразно устанавливать по возможности ближе к сварочной горелке. В настоящие время наибольшие распространение получили электромагнитные газовые клапаны. В полуавтоматах находят применение газовые клапаны, встроенные в ручку держателя. Газовый клапан необходимо включать так, чтобы были обеспеченны предварительная или одновременная с зажиганием дуги подача защитного газа, а также его подача после обрыва дуги до полного затвердевания кратера шва. Желательно иметь возможность также включать подачу газа без включения сварки, что необходимо при настройке сварочной установки.
Смесители газов предназначены для получения смесей газов в случае, когда нет возможности использовать заранее подготовленную смесь нужного состава.
Типы переноса металла при сварке МИГ/МАГ
Процесс сварки МИГ/МАГ, будучи процессом, при котором используется плавящийся электрод, характеризуется переносом электродного металла через дугу в сварочную ванну. Перенос металла осуществляется посредством капель расплавленного электродного металла формирующихся на торце электродной проволоки. Их размер и частота перехода в сварочную ванну зависят от материала и диаметра электродной проволоки, типа защитного газа, полярности и значения тока сварки, напряжения дуги и других факторов. Характер переноса электродного металла определяет, в частности, стабильность процесса сварки, уровень разбрызгивания, геометрические параметры, внешний вид и качество сварного шва.
При сварке МИГ/МАГ перенос металла осуществляется, в основном, двумя формами. При первой форме капля касается поверхности сварочной ванны ещё до отделения от торца электрода, образуя короткое замыкание и вызывая погасания дуги, отчего этот тип переноса получил название переноса с короткими замыканиями. Обычно, перенос металла с короткими замыканиями имеет место при низких режимах сварки, т.е. малом токе сварки и низком напряжении дуги (короткая дуга гарантирует, что капля коснётся поверхности ванны раньше своего отделения от торца электрода).
Благодаря низким режимам сварки, а также тому факту, что в течение части времени дуга не горит, тепловложение в основной металл при сварке с короткими замыканиями ограничено. Эта особенность процесса сварки с короткими замыканиями делает его наиболее подходящим для сварки тонколистового металла. Сварочная ванна малых размеров и короткая дуга, ограничивающая чрезмерный рост капель, обеспечивают лёгкое управление процессом и позволяют осуществлять сварку во всех пространственных положениях, включая потолочное и вертикальное, как показано на этом рисунке.
При использовании сварки с короткими замыканиями применительно к соединениям с большими толщинами могут наблюдаться подрезы и отсутствие проплавления.
При второй форме капля отделяется от торца электрода без касания поверхности сварочной ванны и, поэтому, этот тип переноса называется переносом без коротких замыканий. Последняя форма переноса металла подразделяется на крупнокапельный перенос и мелкокапельный перенос.
Крупнокапельный перенос металла имеет место, когда сварка ведётся на высоких напряжениях дуги (исключающих короткие замыкания) и средних значениях тока сварки. Он, как правило, характеризуется нерегулярным переходом крупных капель расплавленного электродного металла (превышающих диаметр электрода) и низкой частотой переноса (от 1 до 10 капель в секунду). Из-за того, что сила тяжести играет решающую роль в этом типе переноса металла, сварка ограничена только нижнем положением.
При сварке в вертикальном положении некоторые капли могут падать вниз, минуя сварочную ванну (как это видно на этом рисунке на последнем кадре).
Сварочная ванна имеет большие размеры и, поэтому, трудноуправляема с тенденцией стекания вниз при сварке в вертикальном положении или выпадения при сварке в потолочном положении, что также исключает возможность сварки в этих пространственных положениях. Эти недостатки, а также неравномерное формирование сварного шва приводят к нежелательности использования этого типа переноса металла при сварке МИГ/МАГ.
Мелкокапельный перенос металла характеризуется одинаковыми каплями малых размеров (близкими к диаметру электрода), отделяющихся от торца электрода с высокой частотой.
Такой тип переноса обычно наблюдается при сварке на обратной полярности в защитной смеси на базе аргона и при высоких напряжениях дуги и токах сварки. В связи с тем, что этот тип переноса требует использования высокого тока сварки, приводящего к высокому тепловложению и большой сварочной ванне, он может быть применён только в нижнем положении и не приемлем для сварки тонколистового металла. Его используют для сварки и заполнения разделок металла больших толщин (обычно более 3 мм толщиной), в первую очередь при сварке тяжёлых металлоконструкций и в кораблестроении. Главными характеристиками процесса сварки с мелкокапельным переносом являются: высокая стабильность дуги, практическое отсутствие разбрызгивания, умеренное образование сварочных дымов, хорошая смачиваемость кромок шва и высокое проплавление, гладкая и равномерная поверхность сварного шва, возможность ведения сварки на повышенных режимах и высокая скорость наплавки. Благодаря этим достоинствам мелкокапельный перенос металла является всегда желательным там, где его применение возможно, однако, он требует строгого выбора и поддержания параметров процесса сварки.
При сварке МАГ в среде СО 2 возможен только один тип переноса – с короткими замыканиями.
Импульсный перенос электродного металла
При одной из разновидностей сварки МИГ/МАГ используются импульсы тока, которые управляют переходом капель электродного металла таким способом, чтобы мелкокапельный перенос металла осуществлялся на средних токах сварки (Iср) ниже критического значения. При этом методе управления переносом металла ток принудительно изменяется между двумя уровнями, называемыми током базы (Iб) и током импульса (Iи). Уровень тока базы, который примерно равен 50 … 80 А, выбирается из условия достаточности для обеспечения поддержания горения дуги при незначительном влиянии на плавление электрода. Функцией тока импульса, который превышает критический ток (уровень тока, при котором крупнокапельный перенос металла переходит в мелкокапельный), является оплавление торца электрода, формирование капли определённого размера и срыв этой капли с торца электрода действием электромагнитной силы (Пинч-эффект). Сумма длительностей импульса (tи) и базы (tб) определяет период пульсации тока, а её обратная величина даёт частоту пульсации. Частота следования импульсов тока, их амплитуда и длительность определяют выделяемую энергию дуги, а, следовательно, скорость расплавления электрода.
Процесс импульсно-дуговой сварки сочетает в себе достоинства процесса сварки с короткими замыканиями (такие как низкое тепловложение и возможность сварки во всех пространственных положениях) и процесса сварки с мелкокапельным переносом (отсутствие разбрызгивания и хорошее формирование металла шва).
В течение одного импульса тока может быть сформировано и перенесено в сварочную ванну от одной до нескольких капель. Оптимальным является такой перенос металла, когда за каждый импульс тока формируется и переносится лишь одна капля электродного металла, как это показано на рисунке ниже. Для его осуществления необходима тщательная регулировка параметров сварки ИДС, которая в современных источниках тока осуществляется автоматически на основе синергетического управления.
Параметры режима сварки МИГ/МАГ
К параметрам режима сварки плавящимся электродом в защитных газах МИГ/МАГ относятся:
Ток сварки (или скорость подачи электродной проволоки);
- напряжение дуги (или длина дуги);
- полярность тока сварки;
- скорость сварки;
- длина вылета электродной проволоки;
- наклон электрода (горелки);
- положение сварки;
- диаметр электрода;
- состав защитного газа;
- расход защитного газа.
Влияние полярности тока на процесс сварки МИГ/МАГ
Полярность тока сварки существенным образом сказывается на характере протекания процесса сварки МИГ/МАГ. Так, при использовании обратной полярности процесс сварки характеризуется следующими особенностями:
Повышенный ввод тепла в изделие;
- более глубокое проплавление;
- меньшая эффективность плавления электрода;
- большой выбор реализуемых типов переноса - металла, позволяющий выбрать оптимальный (с короткими замыканиями, крупнокапельный, мелкокапельный, струйный, ИДС...).
В то время как при сварке на прямой полярности наблюдается:
Сниженный ввод тепла в изделие;
- менее глубокое проплавление;
- большая эффективность плавления электрода;
- характер переноса электродного металла крайне неблагоприятен (крупнокапельный с низкой регулярностью).
 Повышенный ввод тепла в изделие |
 Сниженный ввод тепла в изделие |
Качественный сравнительный анализ особенностей сварки МИГ/МАГ на обратной и на прямой полярности
Различия свойств дуги при прямой и обратной полярности связано с различием выделения тепла дуги на катоде и аноде при сварке плавящимся электродом; тепла на катоде выделяется больше, чем на аноде. Ниже приведен примерный объем выделения тепла на различных участках дуги применительно к сварке МИГ/МАГ (как произведение падения напряжения в соответствующей области дуги на ток сварки):
В катодной области: 14 В х 100 А = 1,4 кВт на длине ≈ 0,0001 мм;
В столбе дуги: 5 В х 100 А = 0,5 кВт на длине ≈ 5 мм;
В анодной области: 2,5 В х 100 А = 0,25 кВт на длине ≈ 0,001 мм.
Разница в выделении тепла в анодной и катодной областях определяет более глубокое проплавление основного металла на обратной полярности, более высокую скорость расплавления электрода на прямой полярности, а также наблюдаемый на прямой полярности неблагоприятный перенос металла, когда капля имеет тенденцию быть оттолкнутой в противоположную сторону от сварочной ванны. Последнее является результатом действия повышенной силы реакции. Сила реакции возникает в результате реактивного воздействия на каплю струи паров металла исходящего из активного пятна, т.е. участка поверхности капли с наивысшей температурой. Сила реакции препятствует отделению капли от торца электрода, а будучи значительной, она может вызывать перенос металла с характерным отталкиванием капель в сторону от дуги, сопровождаемым большим разбрызгиванием металла. Действие этой силы на порядок ниже на обратной полярности (когда электрод является анодом), чем на прямой (когда электрод является катодом).
На обобщенной диаграмме ниже показаны области рекомендуемых сочетаний напряжения дуги и тока сварки для швов различных типов и разных пространственных положений.
/p>
Влияние положение горелки и техники выполнения сварных швов на формирование сварного шва.
">
Достоинства и недостатки
Главными достоинствами процесса сварки МИГ/МАГ являются высокая производительность и высокое качество сварного шва. Высокая производительность объясняется отсутствием потерь времени на смену электрода, а также тем, что этот способ позволяет использовать высокий ток сварки.
Еще одним достоинством этого способа сварки является низкое тепловложение, особенно при сварке короткой дугой (при сварке с короткими замыканиями), что делает этот способ наиболее подходящим для сварки тонколистового металла, а также для сварки во всех пространственных положениях.
Благодаря этим достоинствам способ сварки МИГ/МАГ особенно хорошо подходит для роботизированной сварки.
К недостаткам этого процесса по сравнению со сваркой покрытыми электродами можно отнести следующее:
Оборудование более сложное и более дорогое;
- сложнее выполнять сварку в труднодоступных местах, так как горелка, как правило, крупнее электрододержателя и должна находиться близко от зоны сварки, что не всегда возможно;
- более сложная взаимосвязь между параметрами сварки;
- предъявляются более высокие требования к подготовке и очистке кромок;
- более сильное излучение от дуги.
Сварка МИГ/МАГ порошковой проволокой
Сварка порошковой проволокой может выполняться на том же оборудовании, что и сварка проволокой сплошного сечения. Сокращенное наименование этого процесса, принятое за рубежом - FCAW (Flux Cored Arc Welding).
Порошковая проволока представляет собой трубку из нелегированной стали, заполненную порошком (флюсом). Конструкция некоторых типов порошковых проволок представлена ниже.
Каждый тип порошковой проволоки имеет свой состав флюса. Через флюс можно изменять характеристики дуги и переноса электродного металла, а также металлургические особенности формирование сварного шва. Благодаря этому удалось преодолеть некоторые недостатки, свойственные процессу сварки МАГ проволокой сплошного сечения. Так например, порошковая проволока позволяет вводить через флюс в металл шва легирующие элементы, что нельзя сделать в случае использования проволоки сплошного сечения, из-за ухудшения характера волочения.
Обычно газовая защита при сварке FCAW обеспечивается за счет газа, подаваемого из вне (Gas-shielded FCAW - FCAW-G). Однако, разработаны проволоки, в которых достаточный объем защитного газа производится при разложении флюса при нагреве; это так называемый процесс сварки самозащитной порошковой проволокой (Self-shielded FCAW - FCAW-S).
В действительности, сварка порошковой проволокой это всего лишь особая разновидность процессов сварки в защитных газах. Поэтому для нее характерны те же особенности, что и для других процессов сварки в защитных газах, так как она также нуждается в эффективной газовой защите зоны сварки. Например, требование поддерживать минимальное расстояние между газовым соплом и изделием также действительно и для сварки FCAW. Необходимо предпринимать меры против сквозняков от открытых дверей и окон, так как они могут отдувать защитный газ в сторону. Тоже самое касается потоков воздуха от вентиляционных систем и даже от воздушных систем охлаждения сварочных установок.
Функции флюса сердечника порошковой проволоки
Состав флюса разрабатывается согласно области применения порошковой проволоки. Основной функцией флюса является очистка металла шва от таких газов как кислород и азот, которые оказывают отрицательное влияние на механические свойства шва. Для того чтобы снизить содержание кислорода и азота в металле шва во флюс проволоки добавляют кремний и марганец, которые являются раскислителями, а также способствуют улучшению механических свойств металла. Такие элементы как кальций, калий и натрий вводятся во флюс с целью придания шлаку свойств, способствующих улучшению защиты расплавленного металла от воздействия атмосферного воздуха при кристаллизации металла.
Кроме того, шлак обеспечивает:
Формирование поверхности шва требуемого профиля;
- удержание ванны расплавленного металла при сварке в вертикальном и потолочном положениях;
- снижение скорости остывания металла сварочной ванны.
Кроме того, калий и натрий способствуют получению более мягкой (стабильной) дуги и снижают разбрызгивание.
Легирующие элементы. Легирование металла шва через флюс порошковой проволоки является более предпочтительным по сравнению с легированием металла шва через проволоку сплошного сечения (вводить в сердечник порошковой проволоки легирующие компоненты технически проще дешевле, чем изготавливать проволоку сплошного сечения из легированного металла). Обычно используются следующие легирующие элементы: молибден, хром, никель, углерод, марганец и др. Добавка этих элементов в металла шва повышает его прочность и пластичность, и в то же время, предел текучести, а также улучшает свариваемость металла.
Состав флюса определяет будет ли порошковая проволока рутилового или основного типа (также как и в случае с покрытыми электродами).
Применяются также порошковые проволоки с повышенным содержанием металлического порошка (металл–корд). Во флюсе порошковых проволок этого типа содержится большое количество железного порошка, а также добавки кремния и марганца, которые обычно содержатся в проволоках сплошного сечения. Некоторые проволоки содержат также до 2% никеля, который повышает ударную вязкость при низких температурах.
Проволоки типа металл–корд применяются для сварки стыковых и угловых швов во всех пространственных положениях. Они обеспечивают высокую производительность наплавки. Сварной шов имеет гладкую поверхность и не покрыт шлаком, а это означает, что можно выполнять несколько проходов без предварительной очистки предыдущего валика.
Области применения
В настоящее время сварка порошковой проволокой применяется там, где раньше использовались покрытые электроды, например, в кораблестроении и других отраслях тяжелого машиностроения применительно к толщинам более 1.5 мм изделий из обычных низкоуглеродистых, жаростойких, коррозионностойких и нержавеющих сталей.
Достоинства сварки порошковой проволокой
Сварка порошковой проволокой характеризуется следующими достоинствами:
Использование этого метода сварки выгодно с экономической точки зрения. Он обеспечивает высокие скорости сварки и длительные интервалы горения дуги без перерывов (так как отсутствует необходимость в частой смене электродов);
- при этом практически отсутствуют потери электродной проволоки;
- метод обеспечивает приемлемое качество при сварке металлов, характеризуемых низкой свариваемостью;
- порошковые проволоки основного типа менее чувствительны к загрязнениям основного металла и обеспечивают получение плотного шва с низкой склонностью к трещинам;
- сварка может выполняться во всех пространственных положениях;
- дуга и сварочная ванна хорошо видимы;
- после окончания сварки шов требует лишь незначительной обработки;
- вероятность образования опасных дефектов сварного шва ниже по сравнению со сваркой сплошной проволокой.
Недостатки процесса сварки FCAW
Некоторые из недостатков сварки порошковой проволокой представлены ниже:
Этот способ сварки очень чувствителен к сквознякам (открытым дверям и окнам), потокам воздуха от вентиляционных систем и даже от воздушных систем охлаждения сварочных установок;
- дополнительные расходы на сооружение укрытия места сварки при работе вне помещений;
- в случае недостаточных знаний сварщика особенностей процесса и взаимосвязи между параметрами режима возможны такие серьезные дефекты сварного шва, как недостаточное проплавление;
- требуются большие капитальные затраты на оборудование;
- при сварке порошковой проволокой, особенно самозащитной, выделяется относительно большое количество дыма.