Механизированная сварка плавящимися электродами в среде защитных газов

Сварка плавящимся электродом в среде защитного газа. Оборудование

Процесс сварки в защитном газе, gas metal arc welding (GMAW), был разработан и стал коммерчески доступен в 1948 году, хотя основные понятия были введены в 20-х годах XX века. Сварка в защитном газе плавящимся электродом, metal inert gas (MIG), была запатентована в США в 1949 году для сварки алюминия. Дуга и сварочная ванна формировались из чистого токопроводящего электрода и защищались гелием. В 1952 году процесс стал популярен в Великобритании. В качестве защитного газа для сварки алюминия стали использовать аргон, а для углеродистых сталей — углекислый газ и смесь аргона с углекислым газом. Углекислый газ относится к активным газам, и, соответственно, процесс стал называться metal active gas (MAG) processes.

GMAW процесс использует как с полуавтоматическим, так и с автоматическим оборудованием. Этим процессом могут свариваться большинство металлов, а при низких энергетических показателях процесса сварка может производиться во всех пространственных положениях. GMAW — экономный процесс, который практически не требует очистки сварного шва. Уменьшаются неровности шва и обработка металла шва минимальная по сравнению со сваркой покрытыми электродами.

MIG/MAG — дуговая сварка плавящимся металлическим электродом (проволокой) в среде инертного/активного газа с непрерывной автоматической подачей электродной проволоки. Зона сварки защищается извне подаваемым газом. GMA сварка с успехом применяется при автоматизированной и роботизированной сварке. Наибольшее распространение получила полуавтоматическая сварка, как наиболее универсальная. Иногда этот метод сварки обозначают GMA (Gas Metal Arc). Применение термина не вполне корректно, поскольку оборудование предусматривает автоматическое саморегулирование дуги и скорость плавления электрода. Единственное ручное управление, требуемое от сварщика при полуавтоматической сварке, — позиционирование и перемещение с определенной скоростью сварочной горелки. Длина дуги и сварочный ток поддерживаются автоматически.

Управление процессом сварки и режимом дуги осуществляется тремя основными элементами установки для сварки в защитном газе:

1) сварочная горелка и подающий рукав;

2) механизм подачи проволоки;

3) источник сварочного тока.

Сварочная горелка и подающий рукав выполняют три функции — подают защитный газ в область горения дуги, подают сварочную проволоку к контактному наконечнику и подводят сварочный ток к контактному наконечнику. На рукоятке горелки имеется выключатель, нажатие на который включает и выключает сварочный ток, подачу проволоки и подачу газа.

Механизм подачи сварочной проволоки и источник сварочного тока для обеспечения автоматического саморегулирования длины дуги соединены обратной связью. Для MIG/MAG сварки применяются два типа источников сварочного тока: источник с постоянным (неизменным) током и источник с постоянным (неизменным) напряжением.

Источник сварочного тока. Источник сварочного тока поставляет электроэнергию дуге, горящей между электродом и заготовкой. В большинстве случаев для GMAW процессов используется постоянный ток обратной полярности, т. е. плюс на электроде, минус на изделии.

Большинство установок MIG/MAG сварки имеет источник сварочного тока с постоянным (неизменным) напряжением и с постоянной скоростью подачи электродной проволоки, т. е. блок питания поддерживает постоянное напряжение в процессе сварки. Основная причина широкого распространения таких источников сварочного тока — самокорректирующаяся длина дуги, присущая этой системе.

Для саморегулирующих систем источник питания должен иметь жесткую, пологопадающую характеристику. Напряжение дуги задается установкой выходного напряжения в блоке питания. Скорость подачи электродной проволоки во время сварки неизменна. Наибольшее распространение этот вид источника питания получил в установках полуавтоматической (ручной) сварки, т. е. когда происходят быстрые и частые изменения длины дуги. При этом даже незначительное изменение длины дуги вызывает, соответственно, незначительное изменение напряжения на дуге, dU. Это, в свою очередь, вызывает значительное изменение сварочного тока, dI, и как следствие изменяется скорость плавления проволоки.

Рисунок 4 схематически иллюстрирует механизм автокоррекции. Когда сварочная горелка отодвигается от изделия, увеличивается расстояние L между сварочной проволокой и изделием, при этом увеличивается напряжение на дуге.

Желаемая длина дуги выбирается путем регулирования выходного напряжения источника сварочного тока, и никакие другие изменения в процессе сварки не требуются. Скорость подачи проволоки задается сварщиком до начала сварки и может регулироваться в больших пределах.

Некоторые установки GMAW сварки, тем не менее, используют блоки питания с постоянным (неизменным) током. При этом источник сварочного тока имеет крутопадающую характеристику, т. е. незначительное изменение длины дуги вызывает незначительное изменение сварочного тока, но значительное изменение напряжения на дуге. В ответ на изменение напряжения на дуге система изменяет скорость подачи проволоки, увеличивая или уменьшая ее.

Сварочный ток устанавливается соответствующей установкой в блоке питания. Длина дуги и, соответственно, напряжение на дуге управляются и поддерживаются автоматической подачей электродной проволоки. Этот тип сварки лучше всего подходит при сварке электродной проволокой большого диаметра установками автоматической сварки, когда не требуется быстрого изменения скорости подачи проволоки. Система несаморегулирующаяся.

Вольт-амперная характеристика источника сварочного тока имеет наклон. Наклон кривой отражает характеристику блока питания и измеряется в омах, т. е.

Наклон = dU/dI = Ом.

Это уравнение показывает, что наклон вольт-амперной характеристики эквивалентен сопротивлению. Тем не менее, наклон характеристики обычно определяют как изменение напряжения при изменении тока на 100 А. Например, наклон 0,03 Ом представляет изменение напряжения на 3 В при изменении сварочного тока на 100 А.

Наклон характеристики можно вычислить, зная напряжение холостого хода источника питания, сварочный ток и напряжение на зажимах источника питания при сварке, например если напряжение холостого хода Uxx = 48 В, а рабочей точке соответствуют 28 В и 200 А, то наклон: (48 — 28)/200 = 10 В на 100 А.

От наклона вольт-амперной характеристики источника питания зависит ток короткого замыкания: чем больше наклон, тем меньше ток короткого замыкания.

Сварочная горелка. Сварочная горелка предназначена для подачи сварочной проволоки и защитного газа в зону сварки и передачи сварочного тока сварочной проволоке. Существует множество разновидностей горелок, как с воздушным, так и с водяным охлаждением, с прямыми и изогнутыми соплами. Горелки с изогнутыми соплами облегчают выполнение сварных швов в труднодоступных местах и углах.

Основные детали горелок (рис. 5):

• контактная трубка;
• сопло;
• подающий рукав;
• направляющий канал;
• выключатель.

Контактная трубка, обычно выполненная из меди или медного сплава, предназначена для передачи сварочного тока электродной проволоке и направления проволоки к месту сварки. Контактная трубка присоединяется к сварочному кабелю. Поскольку электродная пpoвoлка движется непрерывно, втулка имеет скользящий контакт для передачи сварочного тока с кабеля на электрод. Большое значение имеет качество внутренней поверхности трубки, так как электрод должен легко скользить в ней, но в то же время иметь хороший контакт. Для минимизации нагрева корпуса горелки периодически по мере износа контактной трубки ее необходимо заменять. Для каждого диаметра электродной проволоки предназначена своя контактная втулка.

Сопло равномерно направляет струю защитного газ в зону сварки. Равномерность потока чрезвычайно важна в обеспечении требуемой защиты расплавленного металла сварочной ванны от воздействия атмосферы. Размер сопла выбирают в зависимости от режима сварки, т. е. сопло большого диаметра предназначено для сварки с большой плотностью сварочного тока, когда сварочная ванна имеет большой размер.

Подающий рукав и направляющий канал подключаются к механизму подачи электродной (сварочной) проволоки и подают электродную проволоку от механизма подачи к сварочной горелке. Для уменьшения трения и облегчения скольжения электронной проволоки направляющий канал подающего рукава имеет тефлоновое покрытие. При выполнении сварочных работ не допускается скручивать кольцами подающий рукав и сильно изгибать его. Стандартная длина подающего рукава 3-4 м. Более длинные поставляются по специальному заказу.

При большой длине подающего рукава иногда применяется горелка с небольшим встроенным механизмом подачи проволоки. Такая система позволяет тянуть проволоку от удаленного механизма подачи проволоки.

Электродная проволока. Сварка в защитном газе производится сплошной или порошковой проволокой диаметром 0,5-2,4 мм (в аргоне — до 4 мм). Выбор электродной проволоки производится в зависимости от материала свариваемого изделия и режима сварки. Экономически выгодно использовать предельно допустимый режим сварки. В табл. 10 приведен выбор, а в табл. 11 — краткая характеристика некоторых марок электродной проволоки.

Для GMAW процессов сварки наиболее часто применяется проволока СВ08Г2С (ГОСТ 2246-70), имеющая следующий состав: углерод — 0,05-0,11%; марганец — 1,8-2,10%; кремний — 0,7-0,95%; сера — . Механизм подачи проволоки предназначен для работы в составе сварочных полуавтоматов при проведении сварочных работ в производстве, где необходима сварка деталей, узлов и сборок, изготовленных из углеродистых и легированных сталей.

Конструктивно механизм подачи проволоки выполнен в виде переносного устройства. На передней панели расположены:

• индикатор , сигнализирующий о включении механизма подачи проволоки, исправном состоянии и готовности к работе;

• регулятор для регулирования выходного напряжения сварочного выпрямителя;

• регулятор скорости подачи электродной проволоки;

• переключатель прерывистого/непрерывного режима сварки;

• переключатель для выбора режима управления с кнопки на сварочной горелке (двухтактный или четырехтактный режим);

• кнопка для открывания отсекателя газа и продува шланга подачи газа перед работой;

• выходная розетка для присоединения фидера сварочной горелки.

На боковой панели располагаются ручки управления процессом сварки:

• регуляторы и для регулирования временных параметров прерывистого режима сварки;

• регулятор для установки времени подачи газа перед началом процесса сварки ( );

• регулятор для установки времени подачи газа после завершения процесса сварки ( );

• регулятор для установки времени заварки кратера ( ) .

На задней панели механизма подачи проволоки размещены:

• тумблер выключения питания;

• вилка для подачи питания и осуществления управления источником сварочного тока;

• вилка для подключения выходного кабеля положительной полярности источника сварочного тока;

• отверстие для подачи электродной проволоки с катушки внутрь механизма;

• втулка для присоединения резинового шланга от баллона с защитным газом (на этой втулке с помощью накидной гайки крепится ниппель, на который непосредственно крепится шланг подачи газа) .

На правой боковой стенке под откидной крышкой моноблока расположен люк для осуществления заправки электродной проволоки с катушки через ролики в горелку. Внутри этого люка на стенке расположена кнопка для включения мотора при заправке проволоки в подающий механизм.

Функциональная схема механизма подачи проволоки состоит из трех взаимосвязанных модулей (рис. 6):

• ПУ МПП — пульт управления механизмом подачи проволоки;

• MP — мотор-редуктор;

• ОГ — отсекатель газа.

В зависимости от рабочего состояния механизма подачи проволоки ПУ МПП выдает на индикатор И1 сигнал световой информации о подаче электропитания.

ПУ МПП управляет работой MP и ОГ в зависимости от установок оператора и команд, поступающих от сварочной горелки. ОГ и MP по сигналам ПУ МПП обеспечивают подачу через выходной разъем (BP) и сварочную горелку газа и электродной проволоки. Проволока подается с оптимальным начальным ускорением и установленной оператором необходимой для полуавтоматической сварки рабочей скоростью. С помощью кнопки на сварочной горелке осуществляется управление работой MP и по командам оператора обеспечивается включение и выключение сварочного тока, а также подача газа и электродной проволоки.

Применение механизма подачи проволоки при проведении сварочных работ обеспечивает:

• плавное регулирование скорости подачи электродной проволоки;

• стабильность процесса подачи электродной проволоки;

• простоту заварки кратера сварного шва с использованием режима ;

• возможность работы в продолжительном режиме, а также в режиме регулируемых коротких швов;

• возможность двухтактного (путем нажатия и удержания кнопки управления в течение сварочного цикла) и четырехтактного (кратковременным включением и выключением кнопки управления в начале и в конце каждого сварочного цикла) управления процессом подачи проволоки.

Перед началом сварки, сварщик должен выбрать размер электрода (диаметр сварочной проволоки), проверить соответствие контактного наконечника горелки выдранному диаметру проволоки, установить напряжение, интенсивность газового потока, скорость подачи электродной проволоки. До ввода сварочной проволоки в горелку необходимо проверить, что подающий ролик, направляющий канал и токоподводящее сопло соответствуют выбранной проволоке. Усилие прижима проволоки должно быть таким, чтобы выходящая через горелку проволока допускала легкое торможение пальцами. Вылет электрода устанавливается в зависимости от диаметра электродной проволоки.

При полуавтоматическом MIG/MAG способе сварка производится сплошной или порошковой проволокой в среде защитного газа. Конструктивно аппараты состоят из выпрямителя с жесткой внешней характеристикой и механизма подачи сварочной проволоки, выполненных или в одном корпусе (компактное решение), или раздельно. В качестве сварочных материалов применяются защитные газы и сварочная проволока соответствующего химического состава (как правило, в катушках). Способ отличается высокой производительностью. Возможна сварка углеродистых и легированных сталей, алюминиевых сплавов и нержавеющей стали.

Современные установки для качественной MIG/MAG сварки обеспечивают:

Механизированная сварка в среде защитных газов

Механизированной (полуавтоматической) дуговой сваркой называется дуговая сварка, при которой подача плавящегося электрода или присадочного металла или относительное перемещение дуги и изделия выполняется с помощью механизмов.

При механизированной сварке в качестве плавящегося электрода используется проволока сплошного сечения, порошковая и самозащитная порошковая проволока. В случае применения проволоки сплошного сечения или порошковой проволоки для защиты сварочной дуги и наплавленного металла применяются защитные газы. Защитный газ, обтекая зону дуги, защищает её от окружающей среды. При отсутствии специальных защитных мер химический состав и механические свойства наплавленного металла резко ухудшаются. Теплотой дуги расплавляется основной и присадочный металл. Расплавленный металл сварочной ванны, кристаллизуясь, образует шов. Схема подачи защитного газа показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема подачи защитного газа в зону сварки: 1 – сопло; 2 – электрод; 3 – зона дуги; 4 – защитный газ; 5 – расплавленный металл сварочной ванны; 6 – свариваемое изделие

Сварка в среде защитных газов согласно AWS АЗ.О «Термины и определения» обозначается как GMAW – gas metal arc welding.

В качестве защитных газов применяют инертные (аргон и гелий) газы. Данный вид сварки обозначается как MIG (metal inert gas). А также активные (углекислый газ, водород, кислород и азот) газы или их смеси (Аг + Не, Аг + С02, Аг + 02, СОг + 02 и др.). Данный вид сварки обозначается как MAG (metal active gas). Выбор защитного газа зависит от свариваемого материала и применяемого электрода.

В инертных газах (аргоне, гелии) и их смесях сваривают нержавеющие, жаропрочные и другие стали, цветные металлы (титан, никель, медь, алюминий). Инертные газы не взаимодействуют с расплавленным металлом и его окислами, они только защищают зону дуги и жидкую сварочную ванну от кислорода и азота воздуха.

Сварка в инертных газах применяется в тех случаях, когда сварка другими методами дает худшие результаты или вообще не может быть использована.

Механизированная дуговая сварка в среде С02 плавящимся электродом относится к MAG сварке, получила широкое распространение в промышленности при сварке углеродистых, низколегированных и других сталей.

Наибольшее применение сварка в С02 нашла в судостроении, машиностроении, строительстве трубопроводов, при выполнении монтажных работ, изготовлении котлов и аппаратуры различного назначения и т.д.

• – высокая производительность сварки, которая достигается вследствие хорошего использования тепла сварочной дуги;
• – высокое качество сварных швов;
• – возможность сварки в различных пространственных положениях с применением полуавтоматической и автоматической сварки;
• – низкая стоимость защитного газа;
• – возможность сварки на весу без подкладки.
• – требуется менее квалифицированный персонал по сравнению с ручной сваркой.

Какие факторы влияют на степень окисления:

При сварке в среде СO2 под воздействием высокой температуры дуги молекулы СO2 диссоциируют полностью по реакции:

Поэтому при сварке в среде СO2 происходит окисление атомов элементов (С , Fe, Mn , Si и др.), содержащихся в электродной проволоке и в основном металле.

Выделение газообразной окиси углерода из жидкого металла вызывает «кипение» сварочной ванны и приводит к образованию пор.

Для повышения количества марганца и кремния в металле шва, уменьшающегося в результате угара, и подавления реакции окисления углерода при сварке в углекислом газе применяют электродную проволоку с повышенным содержанием марганца и кремния.

На степень окисления углерода, кремния и марганца при сварке в углекислом газе влияют: напряжение, величина и полярность 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 – 1,0 мм происходит значительно меньшее окисление элементов, чем при сварке проволокой больших диаметров. Поэтому более тонкая проволока обеспечивает получение плотных швов.

Борьба за качество сварного шва: автоматическая и механизированная сварка в среде защитных газов

Расплавленный высокотемпературный металл в сварочной ванне активно взаимодействует с газами из окружающей среды. В результате нежелательных химических реакций образуются:

Газы защитные против атмосферных

Один из способов решения этих проблем — создание искусственной прослойки в виде защитных газов между жидким металлом в сварном шве и окружающим воздухом. Инертные или активные газы через сварочные горелки плотной струей под давлением подают в зону сварного соединения. Они создают благоприятную среду для устойчивого горения электрической дуги и протекания под ее воздействием качественных металлургических процессов.

Невидимые защитники

Для этих целей ГОСТом 19521-74 предусмотрено применение:

Двуокись углерода

Газ СО2 (ГОСТ 8050-85) получил наибольшее распространение из-за невысокой стоимости (выделяется как побочный продукт при коксовании углей, обжиге известняка). Является активным. Оттесняя от сварочной ванны вредные газы из окружающей среды, сам способен вступить в химическую реакцию с металлом шва.

При высоких температурах в зоне дуги распадается на окись углерода и свободный кислород. Его нейтрализуют, используя сварочную проволоку или присадочный материал с повышенным содержанием марганца и кремния (ГОСТы 2246-70, 10543-98). Окислы этих элементов выходят на поверхность сплава в виде шлаков.

Сварку в среде углекислого газа применяют для соединения деталей из низколегированных и углеродистых сталей.

Аргон и гелий

Аргон (ГОСТ 10157-79) и гелий (ГОСТ 20461-75) — инертные газы. Они не взаимодействуют с жидким металлом в сварочной ванне.

Аргон, являясь более тяжелым по отношению к воздуху, создает плотную защиту от азота и кислорода из окружающей среды. Используется для получения высококачественных сварных швов углеродистых и высоколегированных сталей, а также для сварки цветных металлов и их сплавов.

Гелий применяется в тех же целях, что и аргон, но значительно реже из-за его высокой стоимости. Чаще используют в виде смеси с аргоном.

Азот и водород

Активные газы азот (ГОСТ 9293-74) и водород (ГОСТ 3022-70) применяются в высокотемпературных процессах с металлами, не вступающими с ними во взаимодействие.

Способы газоэлектрической сварки

Способы сварки в среде защитных газов определены ГОСТом 14771-76:

• неплавящимися электродами без присадочного (ИН) и с присадочным металлом (ИНп) в инертных газах;
• плавящимися электродами в СО2 (УП) и инертных газах (ИП).

1. Металлические.
2. Неметаллические.

Металлические — вольфрамовые (ГОСТ 23949-80). Используют для сварки сталей и цветных металлов на постоянном, переменном или импульсном (пульсирующим по заданной программе) токе.

Примерная стоимость вольфрамовых электродов на Яндекс.маркет

Сварку с применением этих электродов называют TIG (английский) или WIG (немецкий вариант).

Неметаллические — угольные и графитовые. Применяют в основном для сварки меди, латуни, бронзы и чугуна.

Примерная стоимость угольных электродов на Яндекс.маркет

• проволочные (сплошные и порошковые);
• ленточные (сплошные и порошковые).

Если при сварке неплавящимися электродами для заполнения шва металлом в основном используют присадочный материал, то в случае плавящихся — присадкой служат сами электроды.

Содержание химических элементов в материале электрода и порошкового наполнения подбирают в соответствии с составом свариваемых деталей.

Плавящаяся стальная проволока для сварки в защитных газах (ГОСТ 2246-70) предназначена для работы с углеродистыми и низколегированными сталями. Проволочные электроды из цветных металлов (титана, меди, алюминия и сплавов на их основе), как более дорогие, используют, согласно технологическим картам для соединений аналогичных цветных металлов и их производных.

Технологические особенности и оборудование

Сварочные работы в среде защитных газов производятся:

• полуавтоматами (ГОСТ 18130-79);
• автоматами (ГОСТ 8213-75);
• сварочными тракторами.

Газоэлектрическую сварку в среде СО2 осуществляют плавящимся электродом. Преимущественно — на постоянном токе (до 500А) с подключением электрода к плюсу, а свариваемых деталей — к минусу. Требования к источникам питания регламентирует ГОСТ 25616-83.

Сварка в среде аргона производится неплавящимися и плавящимися электродами как на постоянном, так и на переменном токе.

Для плавящихся электродов на постоянном токе, как и в предыдущем случае, используют обратную полярность.

При постоянном токе с вольфрамовым электродом на него подают минус, на детали — плюс. Применение прямой полярности позволяет поддерживать устойчивое горение дуги. Использование переменного тока для этой цели требует наличия стабилизаторов напряжения.

Помимо источника питания, в состав оборудования входят:

• механизм подачи сварочной (присадочной) проволоки;
• горелка;
• баллон с газом;
• измерительные приборы;
• дополнительное вспомогательное оборудование.

Примерная стоимость баллона СО2 на Яндекс.маркет

Плюсы и минусы газоэлектрической сварки

К основным преимуществам относят:

• повышение качественных характеристик металла шва;
• возможность производить работы при любом положении сварных швов (в отличие от сыпучих флюсов);
• высокая производительность (при механизации скорость достигает 120 м/час, а при автоматизации – 200 м/час);
• отсутствие шлакового слоя, что позволяет зрительно контролировать процесс сварки;
• применение для сварки цветных и тугоплавких металлов;
• для производства высокоточных работ;
• благодаря огромной номенклатуре выпускаемых полуавтоматов и автоматов, возможно использование как в промышленных масштабах, так и штучном производстве.

Минусы этого вида сварочных работ:

• работа с газами требует повышенных мер техники безопасности;
• высокая стоимость инертных газов.

Источники:

http://penzaelektrod.ru/svarka-plavyashhimsya-elektrodom-v-srede-zashhitnogo-gaza/
http://studwood.ru/1691762/tovarovedenie/mehanizirovannaya_svarka_srede_zaschitnyh_gazov
http://elsvarkin.ru/texnologiya/vidy/svarnoi-shov/