СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Газы, электроды и аппаратура для сварки

Защитные газы. Требования к чистоте аргона и гелия опре­деляются свойствами свариваемых металлов. Для сварки магние­вых и алюминиевомагниевых сплавов нужен аргон чистотой не ниже 99,7%. При сварке деталей из этих сплавов с толщиной стен­ки до 1 мм, когда объем ванны очень мал, даже небольшие включе­ния пленок окислов ухудшают формирование и качество шва. В этом случае к аргону чистотой 99,7% можно добавлять 5—10% водорода, что улучшает процесс сварки. Для сварки сплавов тита­на и циркония необходим аргон чистотой не ниже 99,9%; для свар­ки нержавеющих и низколегированных сталей — аргон чистотой не ниже 99,2%.

Чистый аргон выпускается промышленностью двух составов и содержит по объему в %:

Аргон первого Аргон второго состава состава

TOC o "1-5" h z Аргона не менее.... 99,7 99,2

Азота ие более 0,24 0,55

Кислорода не более... 0,05 0,2

Двуокиси углерода не

более 0,01 0,05

Влаги....................................... Отсутствует Отсутствует

Кроме того, выпускается аргон высокой чистоты, имеющий кон­центрацию 99,99% и содержащий не более 0,005% кислорода.

Кислород является наиболее вредной примесью в аргоне. Если аргон содержит повышенное количество углекислого газа, влаги и кислорода, его можно подвергать дополнительной очистке от этих примесей, пропуская перед поступлением в горелку через очисти­тельные колонки, заполненные: 30%-ным раствором едкого калия (для очистки от С02) и кусками едкого калия (для осушки от вла­ги). Затем аргон пропускают через электропечь с медной стружкой, которая при температуре 650—700° удерживает кислород. Рас­ход аргона при сварке зависит от диаметра электрода и обычно составляет от 120 до 600 л/час.

Электроды. В качестве неплавящихся электродов при сварке применяют вольфрамовые, угольные или графитированные стерж­ни. Вольфрам представляет собой тугоплавкий металл, плавящий­ся при 3350—3600°. Для электрода берется вольфрамовая проволо­ка ВТ-15 диаметром от 0,8 до 6 мм, содержащая до 1,5—2% окиси тория. Добавка к вольфраму тория при сварке на постоянном токе прямой полярности обеспечивает высокую устойчивость дуги, хорошее ее зажигание, позволяет повысить плотность тока в элект­роде при малом расходе вольфрама и уменьшает чувствительность электрода к загрязнениям при коротких замыканиях его на изде­лие. В процессе сварки вольфрам электрода испаряется, что вызы­вает некоторый расход вольфрамовых электродов, равный при токе до 300 а примерно 0,5 г/м шва.

Угольные или графитированные электроды выпускаются в ви­де стержней диаметром 6 мм, конец которых на длине 20—25 мм за­тачивается на конус. Конец электрода затупляется до диаметра 2— 2,5 мм. Угольные электроды можно применять только при сварке
нержавеющих и жароупорных сталей и нельзя использовать при сварке легких сплавов (алюминиевых и магниевых), так как в этом случае на поверхности шва получается темный налет и обра­зуются поры. При сварке угольными электродами не обязательна дополнительная очистка технического аргона от примеси кислоро­да и влаги, так как эти вещества химически связываются углеро­дом электрода и поэтому не оказывают вредного влияния на каче­ство шва. Сварку угольными электродами приходится производить на постоянном токе, поскольку на переменном токе нельзя полу­чить устойчивое горение - дуги.

При сварке плавящимся электродом используется металли­ческая проволока из того же металла, что и свариваемый металл (алюминий, нержавеющая сталь).

Род тока. На рис. 107 показана схема сварочного поста для аргоно-дуговой сварки на постоянном токе, состоящего из свароч­ного преобразователя 1 с балластным реостатом 5, сварочной го­релки — электрододержателя 4, вольтметра 3, амперметра 2, бал­лона 9 с аргоном и редуктора 8. Расход аргона контролируется расходомером 7. Если требуется дополнительная очистка газа, то применяется очистительная установка 6. Для сварки на постоян­ном токе металлов небольшой толщины используются сварочные преобразователи на 150—200 а, а для сварки металла средней тол­щины — на 400—500 а.

Легкие сплавы (алюминиевые и магниевые) свариваются на по­стоянном токе обратной полярности (катод — свариваемый металл).

В этом случае выбрасываемый катодом мощный поток электронов вызывает непрерывное явление «катодного распыления» на поверх­ности сварочной ванны, что приводит к разрушению пленки окис­лов магния и алюминия, затрудняющих сварку. Таким образом расплавленный металл очищается и легкие сплавы можно свари­вать без флюсов.

Аргоно-дуговая сварка ведется также и на переменном токе. Переменный ток частично выпрямляется в дуге, образующейся в среде аргона между вольфрамовым электродом и свариваемым ме­таллом. Вследствие этого в сварочной цепн появляется так назы­ваемая составляющая постоянного тока, что вызывает уменьшение тепловой мощности дуги и является нежела­тельным, так как приводит к уменьшению глубины провара и пло­щади поперечного сечения шва. При значительной величине со­ставляющей постоянного тока не происходит разрушения окисной пленки при сварке сплавов алюминия и магния, отчего качество шва ухудшается.

Для устранения составляющей постоянного тока при сварке на переменном токе в сварочную цепь последовательно включаются конденсаторы емкостью 100 мкф (микрофарад) на 1 а сварочного тока или аккумуляторная батарея, или активное (омическое) сопро­тивление.

Зажигание дуги в среде аргона затруднено и требует более вы­сокого напряжения. Однако дуга в аргоне горит более устойчиво, чем в воздухе, так как температура вольфрамового катода очень высока и равна 4830°, что значительно увеличивает термоэлектрон­ную эмиссию катода. Возбуждение дуги в аргоне затруднено по­тому, что атомы аргона не образуют отрицательных ионов, вслед­ствие чего необходима более высокая степень ионизации нейтраль­ных частиц. Потери энергии в дуге на диссоциацию молекул и ре­комбинацию атомов отсутствуют, что также повышает устойчивость горения дуги в аргоне.

Для облегчения зажигания и устойчивого горения дуги пере­менного тока в среде аргона напряжение холостого хода должно составлять 90—120 в. Необходимо также применение осциллятора, который включается в сварочную цепь параллельно (см. гл. XVIII, § 4). Схема установки для аргоно-дуговой сварки на перемен­ном токе показана на рис. 108.

В среде аргона на переменном токе' преимущественно сваривают легкие сплавы вольфрамовым электродом. В остальных случаях обычно используют постоянный ток прямой или обратной поляр­ности в зависимости от свойств свариваемого металла.

При сварке плавящимся электродом в атмосфере защитных газов характеристика дуги становится возрастающей. Для поддержания постоянства дуги необходимо применять или специальные регуля­торы длины дуги, или, что более целесообразно, сварочные преоб­разователи с жесткой или возрастающей внешней характеристикой и низким напряжением холостого хода, при которых обеспечивает­ся саморегулирование длины дуги.

Такими преобразователями являются, например, сварочные аг­регаты ПСГ-350 и ПСГ-500. Дуга, питаемая током от этих преобра­зователей, горит устойчиво в аргоне и в углекислом газе (при не­большой длине дуги и малом токе). Применяются также специ­альные приставки, позволяющие в широких пределах регу­лировать вольтамперные характеристики сварочных преобразова­телей постоянного тока в зависимости от условий сварки. Кроме

того, используются выпрямительные полупроводниковые установ - ки для преобразования переменного тока в. постоянный сварочный ток (см. гл. XIX, § 4).

Сварочные горелки (электрододержатели) для аргоно-дуговой сварки. Эти горелки имеют конструкцию, обеспечивающую одно­временный подвод к электроду сварочного тока и защитной струи аргона. Разрез горелки-электрододержателя ЭЗР-1-54 средней ве­личины для сварки током до 200 а показан на рис. 109. Горелка состоит из корпуса 8 с вентилем 5, трубки 3, сопла 10 и головки 2. Аргон поступает по шлангу, надеваемому на ниппель 7, и через вентиль 5 вдет по трубке в головку.

Выходя через сопло 10, аргон обтекает конец электрода, закреп­ленного в цанге 9. Горелка имеет сменные цанги для крепления электродов диаметром 1,5; 2 и 2,5 мм. Ток к корпусу горелки под­водится по гибкому кабелю 6 и поступает к электроду / через

Рис. 109. Сварочная горелка для аргоно-дуговой сварки

зажимы цанги 9. Расход аргона регулируется вентилем 5, имею­щим маховичок 4 Для защиты руки сварщика от тепла сварочной дуги горелка снабжается щитком // из листовой фибры

Для надлежащей защиты конца электрода и расплавленного металла струей аргона диаметр отверстия и расход аргона должны быть равны-

TOC o "1-5" h z Диаметр вольфрамо­вого электрода, мм 1,5—2 2,5—3 4 6

Диаметр выходного"

отверстия сопла, мм 5—7 7—9 9—12 12—14

Расход аргона, л/мин 2—3 4—5 6—8 10—12

При токе свыше 200 а применяют горелки-электро - додержатели с водяным ох­лаждением.

Для приварки в отдель­ных точках изделий из нер­жавеющей стали, алюми­ния и других металлов ис­пользуются горелки-писто­леты (рис. 110). Они пред­назначены для односторон­ней аргоно-дуговой сварки, которая производится авто­матически при нажатии на вы­ключатель 2 Конец электро­да и сварочная дуга защи­щены мундштуком /, кото­рый во время сварки плотно прижимается к поверхности металла. Мундштук охлажда­ется водой, подводимой ПО - трубкам 3.

§ 3. Технология аргоно-дуговой сварки различных металлов

Аргоно-дуговая сварка тонколистовой. нержавеющей и жаро­упорной аустенитной стали. Производится без использования или с использованием присадочного металла, что зависит от толщины металла и способа подготовки кромок. Присадочный металл вво­дится в сварочную ванну или закладывается в шов до сварки Ти­пы сварных соединений, применяемых при сварке тонколистовой стали, показаны на рис 111. Перед сваркой поверхность кромок должна зачищаться до блеска стальной щеткой, а затем промывать­ся растворителем (дихлорэтаном, ацетоном, авиабензином) для
удаления жира, следы которого вызывают пористость шва и умень­шают устойчивость дуги.

Перед сваркой детали прихватываются через каждые 50—75 мм. При ручной и механизированной сварке нержавеющей стали обычно применяют вольфрамовые электроды, допускающие повышенную плотность тока, вследствие чего увеличивается производительность сварки.

При сварке плавящимся электродом используется проволока

того же состава, что и свариваемый металл.

Рис. 111. Типы соединений, применяемых при аргоно-дуговой сварке тонколистового металла

Аргон, предназначенный для сварки сплавов, содержащих бо­лее 20% хрома, не должен содержать влаги и углекислоты, а содер­жание кислорода в нем не должно превышать 0,05 %.

Сварку ведут справа налево. Угол между присадочным прутком и свариваемым металлом не должен превышать 15—20°. Пруток лучше укладывать на линию шва. В этом случае струя аргона на­дежнее защищает плавящийся металл прутка и изделия. Присадоч­ный металл вводится в ванну равномерно, так как он перемещается по шву впереди горелки. Поперечные движения прутком делать нельзя, так как при этом в зону сварки может попадать кислород и окислять металл.

При сварке без присадочного металла электрод держат по от­ношению к листу под углом 90°. В целях уменьшения расхода воль­фрамовых электродов нельзя прекращать подачу аргона сразу по­сле окончания сварки; это рекомендуется делать спустя 1—1,5 мин, когда конец электрода уже охладится. Дуга зажигается при
касании электродом металла, после чего электрод отводят, поддер­живая длину дуги 1,5—2 мм.

При сварке вольфрамовым электродом на переменном токе для облегчения зажигания дуги в том месте, где начинают сварку, укла­дывают графитовый стержень. Зажженную на этом стержне дугу за­тем переводят на свариваемый металл.

Ручная сварка нержавеющих и жароупорных аустенитных ста­лей вольфрамовым электродом в среде аргона производится на по­стоянном токе прямой полярности; может применяться и перемен­ный ток с использованием осциллятора. Сталь толщиной более 3 мм сваривают плавящимся электродом из проволоки нержавеющей стали на постоянном токе обратной полярности.

Режимы ручной сварки вольфрамовым электродом из тонкой нержавеющей стали в среде аргона приведены в табл. 35. Для свар­ки швов на вертикальной плоскости ток снижают на 10—15%, а для потолочных швов — на 20% против величин, указанных в табл. 35.

Таблица 35

Для защиты обратной стороны шва от воздействия воздуха ис­пользуют медные и стальные подкладки. При этом во время сварки струю аргона подводят также под нижнюю поверхность кромок свариваемых листов, для чего в подкладке делается канавка, рас­положенная вдоль линии шва.

Аргоно-дуговая сварка легких сплавов. Эти сплавы при нагре­вании, склонны к окислению кислородом воздуха. Они покрывают­ся тугоплавкой пленкой окиси, сильно затрудняющей сварку. Маг­ниевые сплавы, кроме того, способны в расплавленном виде погло­щать азот, образуя нитриды магния. Применение для этих спла­вов аргоно-дуговой сварки особенно целесообразно.

При сварке легких сплавов применяются такие же типы соеди­нений, как и при сварке тонколистовой нержавеющей стали (см. рис. 111). Перед сваркой кромки листов должны быть на ширине 25—30 мм очищены шкуркой или щеткой из тонкой проволоки. Кромки деталей из алюминиевых сплавов можно очищать травле­нием в растворе хромовой кислоты. Перед травлением кромки обезжиривают растворителем или теплым раствором каустика. После травления кромки промывают горячей водой и тщательно про­тирают. Сварка должна производиться не позже чем через 8 час после травления, иначе поверхность листов вновь покроется слоем окислов

При ручной сварке легких сплавов толщиной до 5—6 мм при­меняют вольфрамовые электроды. Для сварки магниевых спла­вов следует брать аргон, содержащий не более 0,05% кислоро­да и не более 0,4% азота. В отдельных случаях можно применять аргон даже с большим содержанием азота, но обязательно очищен­ный от следов кислорода и влаги. Алюминиевые сплавы можно сваривать в аргоне, содержащем не более 0,03% кислорода. Для этих сплавов особенно вредной является примесь влаги в аргоне, которую следует удалять тщательной осушкой газа, а также самих баллонов перед наполнением их аргоном.

Присадочным материалом служит проволока или полоски из того же сплава, что и свариваемый. Для сварки термообрабатывае­мых алюминиевых сплавов используют алюминиевую проволоку АК, содержащую до 5% кремния.

Сварка производится в приспособлении, зажимающем сваривае­мые листы в нужном положении. Свариваемые листы укладывают на подкладку из нержавеющей стали, имеющую вдоль линии шва канавку, обеспечивающую формирование обратной стороны шва.

Присадочный пруток во время сварки держат под углом 10—30°, а электрод — 70—80° к плоскости сварки. Поперечные колебания электродом и присадочным прутком не производятся. Сварку сле­дует вести с максимально возможной скоростью, при которой еще происходит нормальное сплавление присадочного металла с кром­ками. При сварке легких сплавов вольфрамовым электродом при­меняется переменный ток и используется осциллятор. Необходимо также указанными выше способами уменьшать величину составляю­щей постоянного тока в дуге и повышать устойчивость горения дуги. Режимы сварки легких сплавов на переменном токе приведе­ны в табл. 36.

Сварку плавящимся электродом из проволоки того же сплава, что и свариваемый, ведут на постоянном токе обратной полярности.

Аргоко-дуговая сварка меди. Сварка производится воль­фрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности. В качестве инертного газа вместо аргона лучше применять гелий.

личивается в два-три раза по сравнению с ручной сваркой, расход вольфрамовых электродов снижается на 15—20%, улуч­шается качество наплавленного металла и внешний вид шва.

Для механизированной сварки плавящимся электродом в среде аргона (или гелия) применяют специальные полуавтоматы и авто-

маты, по своему устройству близкие к полуавтоматам и сварочным тракторам, используемым при сварке под флюсом

Комплект оборудования для сварки плавящимся электродом включает: источник сварочного тока, сварочную головку, меха­низм для перемещения головки вдоль шва (или для перемещения изделия при неподвижной головке), баллон с защитным газом и газовую аппаратуру Аргоно-дуговая сварка плавящимся электро­дом производится на постоянном токе обратной полярности В ка­честве источников сварочного тока применяют низковольтные гене­раторы постоянного тока типов: ПСГ-350, ПСГ-500, АЗД 7,5/30, ЗП-7,5/30, ГСР-9000 и др., а также сварочные полупроводни­ковые выпрямители, имеющие пологопадающую или возрастающую

внешнюю характеристику. Для сварки проволокой диаметром более 2 мм можно использовать обычные сварочные преобразова­тели с падающей внешней характеристикой Данные об источниках тока приведены в главе XIX.

Для полуавтоматической сварки легких сплавов проволокой диа­метром 1,6—2,5 мм током до 300 а применяют полуавтоматы ПШПА-6 и ПШПА-7, состоящие из переносного пульта управления, механиз­ма подачи проволоки с кассетой и электрододержателя пистолет­ного типа. В электрододержателе имеются ролики, которые про­тягивают проволоку через шланг из каесеты к контактам электродо­держателя Ролики вращаются механизмом подачи через гибкий валик.

Для сварки металла малых толщин проволокой диаметром 0,5— 1,2 мм током до 180 а применяется ранцевый полуавтомат ПШП-9. Механизм подачи проволоки у него расположен в электрододержа - 'геле и имеет малогабаритный электродвигатель Проволока протя­гивается через шланг из кассеты, находящейся в ранце за спиной сварщика.

'Полуавтоматической сваркой плавящимся электродом в среде аргона можно сваривать металл большой толщины многослойными швами

Этим способом можно, например, сваривать изделия из алюми­ния с толщиной стенки 100 мм и выше, а также заваривать дефекты в литье из алюминиевых и магниевых сплавов.

На рис. 112, а в качестве примера показана установка типа УДПГ-300 для автоматической сварки в среде защитных газов, а на рис. 112, б —сварочная головка для этой установки.

Универсальная установка УДС-58 служит для газодуговой сварки цветных и черных металлов плавящимся электродом в сре­де аргона, гелия, а также углекислого газа; она разработана ВНИИАвтогеном (рис. 113). Установка имеет два варианта комплек­товки: УДС-1-58 для ручной и механизированной сварки и второй— УДС-2-58 только для ручной сварки.

Сварочная головка (пистолет) установки УДС-1-58 для подачи проволоки снабжена легким, малогабаритным тянущим механиз­мом, что позволяет пользоваться как жесткими, так и мягкими проволоками различных диаметров. Кассету с проволокой крепят на пульте управления или на заплечном ранце.

Технические данные установки УДС-58 следующие:

Ток, а..............................

Диаметр проволоки, мм Расход газа, л/мин. .

Скорость подачи проволоки, м/мин.... 2 — 15

Бес пистолета, кг