СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Особенности процесса сварки в среде углекислого газа

В 1952 г. ЦНИИТМАШ была разработана технология дуговой сварки стали плавящимся электродом в защитной среде углекисло­го газа, что явилось крупным достижением советской сварочной техники, направленным на дальнейшее усовершенствование мето­дов сварки. Дуга образуется между концом голой проволоки, яв­ляющейся плавящимся электродом, и свариваемым изделием; го­рение дуги происходит в атмосфере углекислого газа, который подается в зону сварки по наружному мундштуку и защищает расплавленный металл от кислорода и азота окружающего возду­ха.

Преимущество сварки в среде углекислого газа перед сваркой под флюсом состоит в том, что сварщик может наблюдать за ходом сварки и горением дуги, так как ока не закрыта флюсом; отсутст­вие флюса делает ненужными приспособления для его подачи и от­соса, усложняющие сварочное оборудование; отпадает необходи­мость в последующей очистке швов от шлака и остатков флюса, особенно при многослойной сварке.

Коэффициент наплавки при сварке в среде углекислого газа выше, чем при сварке под флюсом. При сварке током прямой поляр­ности этот коэффициент в 1,5—1,8 раза выше, чем при сварке током обратной полярности. Процесс сварки отличается высокой произ­водительностью, достигающей 18 кг/час наплавленного металла. Скорость сварки достигает 60 м/час. Производительность сварки в среде углекислого газа в 2,5—4 раза выше, чем производитель­ность ручной сварки покрытыми электродами, и в 1,5 раза выше, чем при сварке под флюсом.

Стоимость наплавки 1 кг металла при сварке в среде углекис­лого газа в 2—2,5 раза меньше, чем при ручной сварке, и на 10—20% меньше, чем при автоматической сварке под флюсом.

Сварка в защитной среде углекислого газа сейчас широко при­меняется в промышленности и во многих случаях успешно вытес­няет не только ручную, но даже полуавтоматическую и автоматиче­скую дуговую сварку под флюсом.

Наибольшее применение сварка в среде углекислого газа нашла в судостроении, машиностроении, при сварке трубопроводов, в том числе магистральных, при выполнении монтажных работ, изготов­лении котлов и аппаратуры из теплоустойчивых и легированных сталей, заварке дефектов стального литья и прочих областях про­изводства и строительства.

Главным достоинством процесса сварки в защитной среде угле­кислого газа являются:

1. Высокая степень использования тепла сварочной дуги, вслед­ствие чего обеспечивается и высокая производительность сварку.

2. Высокое качество сварных швов.

3. Возможность сварки в различных пространственных положе­ниях и на монтаже с применением аппаратуры для полуавтомати­ческой и автоматической сварки.

4. Низкая стоимость защитного газа.

5. Возможность сварки металла малых толщин и сварки электро­заклепками.

6. Возможность сварки на весу без подкладок.

Металлургические процессы при сварке в среде углекислого

газа имеют свои особенности, состоящие в следующем.

При высокой температуре дуги молекулы углекислого газа рас­щепляются (диссоциируют) на СО и О по уравнению СО г^СО + - j-О. Образующаяся СО в свою очередь диссоциирует на С и О по уравнению СО~*тС + О. Атомарный кислород О обладает вы­сокой химической активностью и способен окислять все элементы, входящие в состав проволоки и основного металла.

Исследования показали, что температура капель жидкого металла в зоне дуги составляет 2150—2350е, а температура газа 2900°. Температуры же в сварочной ванне ниже и составляют: металла 1700° и газа 2300°. Как известно, чем выше температура, тем реакции окисления идут интенсивнее. Поэтому при сварке в среде углекислого газа в большей степени происходит выгорание (окисление) элементов, содержащихся в электродной проволоке и в меньшей степени — элементов основного' металла. При указан­ном распределении температур большая часть углекислого газа (60%) расщепляется на окись углерода и кислород в зоне дуги и меньшая (15%) — в месте контакта с ванной.

В зоне сварки при указанных условиях протекают следующие реакции окисления элементов и восстановления их из окислов:

^ в атмосферу

Fe-fC02^±FeO-fCO(r)

Fe-f 0 = FeO

■ji в атмосферу

FeO + C5±Fe + CO(r)

2 FeO - f Si ^±12 Fe - f Si02(jK)

|f в шлак

FeO - j - Mn Fe - f - МпО (ж)

jfB шлак

Выделение газообразной окиси углерода (СО) из жидкого ме­талла вызывает «кипение» сварочной ванны и приводит к образова­нию пор. При сварке в среде углекислого газа пористость шва мо­жет возникнуть в результате: 1) недостаточного содержания эле­ментов — раскислителей (кремния, марганца и др.) в проволоке; 2) присутствия ржавчины и окалины, попадающих с кромок метал­ла и с проволоки в ванну; 3) повышенного содержания влаги в углекислом газе; 4) попадания в зону сварки азота из воздуха при недостаточной защите дуги углекислым газом.

С целью восполнения марганца и кремния в металле шва, умень­шающихся в результате угара, и для подавления реакции окисления углерода при сварке в среде углекислого газа применяют электрод­ную проволоку с повышенным содержанием марганца и кремния. При сварке мало - и среднеуглеродистых сталей присутствие в метал­ле шва кремния более 0,2% и марганца более 0,4% предупреждает образование пор.

На степень окисления углерода, кремния и марганца при свар­ке в среде углекислого газа сильно влияют напряжение и величина сварочного тока, а также диаметр электродной проволоки. С повы­шением напряжения окисление увеличивается, а при возрастании сварочного тока и уменьшении диаметра проволоки (повышении плотности тока)—уменьшается. Сварка на постоянном токе обратной полярности дает меньшее окисление, чем на токе прямой полярно­сти. При сварке проволокой диаметром 0,5—1,2 мм происходит значительно меньшее окисление элементов, чем при сварке проволо­кой диаметром 1,6—2 мм. Поэтому более тонкая проволока, имею­щая низкое содержание кремния и марганца, обеспечивает получе­ние плотных беспористых швов. Плотность тока при сварке в среде углекислого газа должна быть не ниже 80 а/мм2. При этом потери металла на разбрызгивание не превышают 10—15%.

В качестве электрода применяется проволока различных марок по ГОСТ 2246—60 в соответствии с маркой основного металла. Диаметр проволоки может колебаться в пределах 0,5—2,5 мм в зависимости от толщины свариваемого металла и типа сварочного полуавтомата. Поверхность проволоки должна быть чистой, не за­грязненной смазкой, органическими антикоррозийными веществами, ржавчиной, окалиной и пр., повышающими разбрызгивание и по­ристость швов. Иногда проволоку подвергают травлению в 20%-ном растворе серной кислоты с последующей прокалкой в печи при 250—280° в течение 2—2,5 час. Это обеспечивает получение плотного наплавленного металла с минимальным содержанием водорода. Хорошие результаты дает сварка омедненной (покрытой слоем меди) проволокой.