Файл: Котвицкий, А. Д. Сварка в среде защитных газов учебное пособие.pdf

В столбе реальной сварочной дуги, кроме газа, име­ ются всегда пары металла с низким потенциалом иони­ зации. Введение в атмосферу дуги элементов с низким потенциалом ионизации снижает температуру столба дуги, но повышает устойчивость ее горения. Влияние та­ ких компонентов увеличивается с уменьшением их тем­ пературы кипения (т. е. испарения). При этом растет летучесть материала и дуговой промежуток больше за­ полняется этим элементом., улучшая перенос зарядов.

Устойчивость горения дуги в значительной мере зави­ сит от свойств защитного газа. Тепло, поглощенное за­ щитным газом при его поступлении в зону дуги, может расходоваться на нагрев газа, его диссоциацию (разло­ жение на атомы) *, ионизацию (разложение атома на заряженные частицы: ионы и электроны), а также на химические реакции газа с другими элементами.

Теплофизические свойства газов влияют на устойчи­ вость дуги, а следовательно, и ее температуру, что вы­ зывается различной охлаждающей способностью этих газов, т. е. количеством тепловой энергии, поглощаемой единицей объема газа в столбе дуги.

§2. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ

ВСРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

Сварку в среде защитных газов разделяют в' зависи­ мости от рода используемого газа на сварку в инертных

и сварку в активных газах. Инертные газы не участвуют

вметаллургических процессах, а активные газы энергич­ но взаимодействуют с металлом шва. Особенно отрица­ тельно действуют на расплавленный металл кислород,

азот. Влияние водорода сказывается в меньшей степени. Для большинства металлов химическая активность водо­ рода является благоприятным фактором, способствуя созданию эффективной защитной атмосферы.

Независимо от рода защитного газа сварка может выполняться тремя способами: неплавящимся электро­ дом дугой косвенного действия (рис. 2, а), неплавящимся электродом дугой прямого действия (рис. 2, б), плавя­ щимся электродом дугой прямого действия (рис. 2, в).

* Одноатомные элементы не диссоциируются.

10

Рис. 3. Классификация дуговой сварки в среде защитных газов

Однако ее удерживают на торце электрода силы поверх­ ностного натяжения, уменьшающиеся с повышением температуры. С увеличением количества расплавленного металла капля соединяется с электродом сужающимся перешейком.

Затем происходит замыкание каплей дугового проме­ жутка при соприкосновении ее с поверхностью сварочной ванны. Плотность тока на зауженном участке перешейка растет, металл становится более жидкотекучим и отры­ вается от торца электрода. Пары металла и газов приво­ дят к частичному разбрызгиванию металла капли, кото­ рое с увеличением тока увеличивается. Так осуществля-

12

ется к р у п и о к а п е л ь и ы й п е р е н о с металла в дуге. При таком характере переноса переносится 30—60 капель в секунду.

Крупнокапельный перенос металла обычно осуще­

Рис. 4. Формы переноса металла в дуге:

а — крупнокапельный, б — мелкокапельный, в — струйный

н ы м (до нескольких сот капель в секунду — рис. 4, б). Мелкие капли из-за малых размеров не в состоянии зам­ кнуть дуговой премежуток и пролетают через него, почти не разбрызгиваясь.

При мелкокапельном и струйном (рис. 4, в) переносе металла повышается стабильность горения дуги, умень­ шается разбрызгивание и повышается качество шва.

При крупнокапельном переносе величина тока харак­ теризуется эмпирической зависимостью / св (45-=-50) е?э, т. е. составляет 45—50 А на каждый миллиметр диамет­ ра электрода, а при мелкокапельном переносе плотность тока достигает ЮОч-ЗОО А/мм 2. Материал электрода мо­ жет иметь различные теплофизические данные — темпе­ ратуру плавления, теплоемкость, удельное сопротивле­ ние току. Эти свойства электрода влияют на тепловыде­ ление, а следовательно, и на скорость его плавления.

Природа защитного газа также влияет на характер переноса металла из-за изменения температуры столба дуги.

13

При сварке на постоянном токе прямой полярности и даже на переменном токе можно изменить характер переноса металла, применяя проволоки, на поверхность которых нанесен слой окислов кальция, цезия, тория, ба­ рия и некоторых других элементов.

Аналогичное действие на характер переноса металла оказывает добавление к инертным газам небольшого ко­ личества (0,5—5,0%) кислорода или углекислого газа, которые вызывают появление на поверхности металла окисных пленок, повышающих электронную эмиссию катода и приводящих к мелкокапельному переносу ме­ талла.

При сварке в углекислом газе разбрызгивание возра­ стает с увеличением содержания углерода в электродной проволоке и основном металле. Род тока и полярность при сварке в среде защитных газов выбирают в зависи­ мости от способа сварки и вида свариваемого материала. Процесс сварки ведут на постоянном токе прямой (минус на электроде) и обратной полярности (плюс на электро­ де), а также и на переменном токе. Производительность и область применения этих процессов различны. Сварку неплавящимся электродом выполняют переменным то­ ком и постоянным током прямой полярности, а сварку плавящимся электродом преимущественно на постоян­ ном токе обратной полярности, обеспечивающем лучшую устойчивость дуги, меньшее разбрызгивание и мелкока­ пельный перенос металла.

§ 4. ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

Сварка должна обеспечить получение высоких проч­ ностных и пластических характеристик металла шва и всего сварного соединения. Выполнение этих требований во многом зависит от металлургических процессов, вза­ имодействия жидкого металла сварочной ванны с защит­ ными газами.

При выборе способа сварки необходимо определить род защитного газа и характер его взаимодействия с расплавленным металлом. Инертные газы в процессе сварки почти не взаимодействуют с металлами. Актив­ ные газы энергично взаимодействуют со свариваемым металлом и растворяются в нем, образуя химические сое­ динения. Условия сварки способствуют интенсивному

14

растворению активных газов в расплавленном металле, затрудняют их выделение и приводят к образованию пор.

Пористость зарождается в период кристаллизации металла вследствие растворения и последующего выде­ ления газов в сварочной ванне. В среде инертных газов по сравнению с активными газами интенсивность выде­ ления газов значительно ниже, а скорость охлаждения металла шва повышенная.

Получение высококачественных сварных соединений без пор достигают подбором защитного газа, использова­

в плохо раскисленных сталях является реакция выгора­ ния углерода. Элементы-раскислители, находящиеся в сварочной ванне, подавляют реакцию выгорания углеро­ да, и образование пор не происходит. Большую пори­ стость также вызывает водород, который попадает в зо­ ну сварки в основном из влаги. При наличии водорода в составе сварочной атмосферы дуга становится мало­ устойчивой, ухудшается формирование шва.

Действие кислорода на сварочную ванну также неудовлетворительное, хотя в некоторых случаях присут­ ствие небольшого количества кислорода способствует уменьшению пористости шва. Это объясняется свойством кислорода уменьшать поверхностное натяжение жидкого металла, что способствует образованию более мелких капель при переносе металла.-

Повышенное значение парциального давления кисло­ рода в защитной среде способствует подавлению процес­ са выделения газов из расплавленного металла свароч­ ной ванны. В зону сварки может попасть и азот из заг­ рязнений, смазок и т. п. Азот вызывает пористость при сварке нержавеющих сталей типа Х18Н9Т. Поры появляются при сварке в техническом аргоне при наличии 10—15% азота в газовой смеси. При сварке низкоугле­ родистых сталей количество азота в защитной среде не должно превышать 0,5%. К меди, никелю азот инертен.

Присутствие ржавчины в зоне сварки приводит к об­ разованию пор в шве, что связано с дополнительным по­ паданием в шов кислорода и водорода. Кислород в шве частично нейтрализуется большим количеством элемен­ тов раскислителей (например, марганец, кремний) в

15