Физическая сущность процесса

При сварке в защитных газах расплавленный металл сварочной ванны, электрическая дуга и электрод защищаются от воздействия газов атмосферы защитным газом, подаваемым в зону сварки через специальную сварочную горелку. В отдельных случаях сварку проводят в камерах, заполненных защитным газом. В качестве защитных применяют инертные газы (аргон и гелий) и активные газы (углекислый, азот, водород). Иногда используют смеси инертных и активных газов, например аргона с кислородом или с углекислым газом. Защитный газ выбирают с учётом состава и чувствительности свариваемых металлов к смесям, содержащимся в газе. Сварку в защитных газах можно осуществлять неплавящимся и плавящимся электродом.

А. Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом. При сварке в Ar в качестве неплавящегося электрода применяют вольфрамовый стержень (Т_пл=3370^оС). Диметр вольфрамового электрода 1…6 мм; напряжение при сварке 12…14 В. Аргон охлаждает электрод и предохраняет его от окисления. Для подвода сварочного тока к электроду и обеспечения его защиты служит специальная горелка, схема которой представлена на рис.5.

Сварочная дуга 2 горит между вольфрамовым стержнем 3 и свариваемыми заготовками 1, соединёнными с источником тока сварочной цепью 6. Сварочный ток подаётся к электроду через зажимную втулку 5 из меди или латуни, охлаждаемую водой. Втулка и электрод расположены внутри газовой насадки 4, в которую подаётся инертный газ (обычно аргон). Газовая насадка служит для формирования защитной струи газа, она имеет ряд сеток для более равномерного истечения газа. Насадка изготовляется обычно из керамики или из меди (с водяным охлаждением).

Газ, выходя из нижнего отверстия насадки, вытесняет атмосферный воздух из зоны горения дуги, обдувает вольфрамовый электрод, жидкий и затвердевший металл шва и препятствует их взаимодействию с атмосферой.

По степени механизации процесса различают ручную и автоматическую сварку. При ручной сварке сварщик зажигает дугу, перемещает горелку по свариваемым кромкам, поддерживает заданную длину дуги. При автоматической сварке зажигание дуги и поддержание её стабильного горения, перемещение горелки по шву механизированы.

Сварка тонколистового металла толщиной до 2 мм выполняется без подачи присадочной проволоки (по отбортовке или за счёт расплавления кромок). Если толщина больше 3 мм, то подаётся присадочный металл в виде тонкой проволоки диаметром 0,5…2,5 мм. Длина дуги при этом способе постоянна, так как электрод практически не расходуется.

Дугу зажигают, как и при ручной сварке, путём касания заготовки вольфрамовым электродом. Но при этом загрязняется рабочий торец электрода. Для уменьшения расхода вольфрамового электрода зажигание дуги чаще производят с помощью дополнительного источника тока – осциллятора. Он создаёт в момент зажигания дуги импульсы высокого напряжения, обеспечивающие пробой межэлектродного зазора и ионизацию газа, достаточную для возбуждения дуги.

Сварка неплавящимся электродом в среде аргона применяется главным образом для соединения тонколистовых заготовок толщиной до 2 мм. Сваривать можно практически все конструкционные металлы и сплавы: стали всех марок, тугоплавкие (Mo, Nb, V, Ta) и благородные (Au, Ag) металлы, цветные металлы и их сплавы.

Особенность сварки лёгких сплавов состоит в наличии на их поверхностях тугоплавкой плёнки (Al₂O₃ плавится при 2030^ОС), которая вызывает дефекты шва типа окисных включений. Для разрушения окисной плёнки при сварке этих металлов используется способность дуги очищать место сварки от окислов за счёт эффекта катодного распыления.

Если свариваемая деталь является катодом, то окисные плёнки распыляются под действием дугового разряда за счёт бомбардировки тяжёлыми ионами инертного газа. Для этого алюминиевые и магниевые сплавы сваривают неплавящимися электродом на переменном токе, при котором половину времени сварки изделие является катодом, этого времени достаточно для полного разрушения окисной плёнки. Поскольку дуга переменного тока малоустойчива (способна к угасанию при переходе напряжения на дуге через нулевые значения), при сварке на переменном токе, кроме осциллятора, применяют импульсный стабилизатор дуги, создающий импульсы высокого напряжения при каждом полупериоде, за счёт чего и обеспечивается стабильное горение дуги. Все другие сплавы, не имеющие тугоплавкой окисной плёнки, сваривают на постоянном токе, когда электрод является катодом и меньше нагревается, чем анод. Если электрод будет анодом, то возможно быстрое его разрушение и оплавение. При сварке используют источники с падающей характери­стикой.

Этот процесс применяется для наиболее ответственных сварных конструкций: корпусов ракет, шпангоутов ракет, шасси самолётов, топливных баков ракет, узлов космических аппаратов, ядерных реакторов, деталей вакуумных приборов (мембран, сильфонов, корпусов судов на подводных крыльях и др.).

Б. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. Сварка плавящимся электродом обладает большей производительностью, чем сварка неплавящимся электродом, так как теплота, выделяющаяся на электроде, ускоряет процесс его плавления и способствует увеличению производительности.

Применяют автоматический и полуавтоматический процессы. Схема автоматической сварки плавящимся электродом представлена на рис.6. Сварочная дуга 2 горит между заготовкой 1 и электродной проволокой 4, подаваемой в дугу механизмом подачи 5, который проталкивает её через токопровод 6 и газовую насадку 3, создающую защитную газовую атмосферу 7 в зоне дуги 2 и наплавленного металла 8. В результате нагрева электродная проволока расплавляется и каплями переходит в сварочную ванну. При этом способе применяется ток большой плотности и обеспечи­вается мелкокапельный перенос металла. С электрода жидкий металл стекает тонкой струёй, а в дугу переносится мелкими каплями, поэтому не происходит короткого замыкания. Мелкокапельный перенос жидкого металла уменьшает его разбрызгивание и обеспечивает более устойчивое горение дуги. Для стабильного горения дуги используют автоматы с постоянной скоростью подачи электродной проволоки и источники сварочного тока с жёсткой или возрастающей характеристикой. При изменении длины дуги эти источники обеспечивают большее изменение тока и способствуют быстрейшему восстановлению заданного режима. Режим короткого замыкания для них не опасен, так как электродная проволока имеет малый диаметр и очень быстро расплавляется. Сварка плавящимся электродом в защитных газах обеспечивает большую глубину проплавления. Плотность тока достигает 200…250 А/мм², что обусловливает глубокое проплавления сварочной ванны. При сварке применяют постоянный ток.

Преимущества дуговой сварки в защитных газах: высокое качество сварных соединений; отсутствие необходимости применения флюсов и обмазок, а значит, и последующей очистки швов от шлаков; возможность сварки в любых пространственных положениях (это обеспечивается ускоренным охлаждением газовой струёй малых объёмов жидкого металла); обеспечение неизменности химического состава металла шва при сварке в инертных газах; наличие концентрированного источника теплоты, а следовательно, малой зоны термического влияния и малой деформации изделия; высокая производительность и возможность автоматизации процесса.

Автоматическая сварка в аргоне плавящимся электродом применяется для металла толщиной от 1 до 10 мм во всех пространственных положениях для прямолинейных и круговых швов большей протяженности. Хорошо свариваются этим способом легированные и высоколегированные стали, алюминиевые сплавы, медные и титановые сплавы.