Сварка неплавящимся электродом в инертных газах

Сварка является популярной технологией, при помощи которой можно создать прочные и надежные конструкции из металла. Она используется в разных областях производство, где важно высокое качество и гарантия прочности изготовляемых изделий.

Однако не каждый вид данной технологии позволяет получить прочный и идеальный шов, все зависит от вида металла и используемых материалов. Высокой популярностью среди сварщиков пользуется сварка неплавящимся электродом.

Она достаточно простая и ее могут использовать даже не профессионалы, она может использоваться в непромышленных условиях. Но все же перед тем как к ней приступать стоит рассмотреть ее главные особенности.

Особенности

При дуговой сварке неплавящимся электродом обычно используются неплавящиеся расходные материалы, которые позволяют получить сварные швы высокого качества. Однако стоит учитывать, что у технологии с покрытыми электродами наблюдается низкая производительность.

Главное достоинство сварки в инертных газах неплавящимся электродом состоит в том, что можно производить сплавление черного металла с заготовками, которые могут отличаться от него по структуре, включая изделия из высоколегированных и низкоуглеродистых сталей. Данный метод можно применять для сваривания разнородных по составу металлов.

Сварка, при которой применяются неплавящиеся электроды, обладает несколькими характерными особенностями. Одна состоит в использовании специальных элементов, которые покрывают электроды — из вольфрама, графита и другие виды.

Вторая особенность состоит в использовании инертных газов. Они ограничивают доступ кислорода к области сварки. Также они защищают электрод и сварочную ванну от окисления.

Преимущества и недостатки

Многие начинающие сварщики часто задаются вопросом — что такое дуговая сварка неплавящимся электродом? Это удобная технология, которая позволяет сварить разные металлические заготовки. Она имеет простое проведение, не требует наличия специальных навыков и опыта.

Неплавящиеся электроды могут применяться при проведении сварки в домашних условиях, но их также часто применяют в промышленности для осуществления следующих условий:

• Они могут осуществить качественную сварку тонких металлических листов;
• Они отлично подходят для проведения сварочных работ со сталями всех классов, цветных металлов, а также их сплавов;
• Плавящиеся электроды позволяют получить высококачественные сварные швы при сваривании разных видов металлов.

Кроме этого стоит обратить внимание на то, что сварка неплавящимся электродом в среде аргона имеет некоторые преимущества и недостатки. К положительным особенностям данной технологии стоит отнести:

• Дуга обладает высокой устойчивостью, которая никак не зависит от показателей полярности тока;
• Она предоставляет возможность получить сварные швы с долей участия главного металла от 0 до 100 %;
• Имеется возможность регулирования химического состава и геометрии соединения во время изменения скорости подачи, угла наклона, профиля, марки присадочного материала.

Но не стоит забывать про негативные качества:

• Обладает низкими показателями эффективности используемой электроэнергии;

Требуется использование специальных устройств для обеспечения начального возбуждения дуги;
Наблюдается высокая скорость охлаждения изготовленных швов.

Разновидности электродов

При проведении автоматической или ручной дуговой сварки неплавящимся электродом могут применяться расходные материалы, которые могут обладать разным составом. Они помогают получить качественное и прочное соединение.

Обычно во время сварочного процесса используются следующие виды неплавящихся электродов:

• Из угля;
• Из чистого графита;
• Из вольфрамовой основы.

При этом каждый вид электродов может обладать важными особенностями и качествами, которые обязательно нужно учитывать при проведении сварочного процесса.

Угольные

Угольные расходные материалы часто используются во время проведения воздушно-дугового сварочного процесса. Также они могут применяться для устранения разных дефектов и повреждений, которые имеются на поверхности заготовок.

Ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом, который имеет угольное покрытие, может проводиться в режимах с токами с показателями напряжения 500-600 Ампер. Его вполне хватает для соединения массивных конструкций из стали, для исправления дефектов на литых изделиях.

Сам процесс сваривания может производиться с использованием присадочной проволоки, которая подается в область формирования сварного шва, и также без нее.

Графитовые

Электроды из чистого графита часто применяются при работе с цветными металлами — алюминием или медью. Также они могут использоваться во время сварки сплавов и данных металлов. Это вид материала неплавящегося материала в отличие от образцов из угля экономичный и его выгодно применять на практике.

Графитовые стержни имеют некоторые важные достоинства:

• Они имеют стойкость к воздействиям высоких температур;
• Обладают хорошей износостойкостью;
• Имеют простую подготовку к рабочему процессу.

Вольфрамовые

Вольфрамовые стержни неплавящегося вида часто применяют при проведении сварочного процесса на производстве и в бытовых условиях. Именно они позволяют осуществить сварку неплавящимся электродом в защитных газах алюминия и других видов металлов, сплавов.

Данный расходный материал изготавливается в виде длинного прутка с покрытием, которые имеют диаметр от 1 до 4 мм. Они обладают тугоплавкой структурой. Показатель температуры плавления у электродов из вольфрамовой основы намного больше показатели для рабочей дуги. Именно это делает стержни универсальными и их можно использовать даже для сваривания нержавейки, которая имеет сложную обработку.

Часто при изготовлении вольфрамовых электродов в их состав добавляются разные компоненты — торий, оксид лантана, иттрий. Каждый стержень с добавлением одного из этих вещества предназначен для определенного вида сварки.

Используемое оборудование

Какое оборудование применяется при проведении ручной, автоматической и аргонодуговой сварки неплавящимся электродом? Все зависит от объема сварочных работ, от размера собираемых конструкций. Обычно сварщики используют оборудование двух видов — универсальное и специальное.

Часто применяется первый класс аппаратов, потому что второй наиболее подходит для больших объемов и зачастую для механизированных. Универсальные ручные и автоматизированные сварочные аппараты имеют простое использование, также их легко обслуживать. По этой причине их часто применяют про проведение сварки в маленьких цехах и на огромных производствах.

Устройства для ручной дуговой сварки неплавящимся электродом в защитных газах имеют следующие компоненты:

• В них установлен источник постоянного или переменного тока. Иногда встречаются устройства, которые могут производить два разных вида тока;
• Горелки различных размеров. Они могут применяться для разных показателей тока;
• Осциллятор, который поджигает первичную дугу;
• Компоненты, которые обеспечивают газовую подачу аргона;
• Элементы, которые управляют сварочным процессом.

Требования к аргонодуговой сварке неплавящимся электродом

Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом часто применяется для сваривания заготовок из разных видов металла. При помощи нее можно получить прочные швы с высокой износостойкостью. Но чтобы в процессе сварки заготовки могли нормально плавиться под воздействием плавящегося электрода и аргона, обязательно нужно выполнять важные требования аргонодугового сварочного процесса.

К главным требованиям аргонодуговой сварки относятся:

• Неплавящийся стержень из вольфрамовой основы при сварке может глубоко проникать в область зазора между заготовками. Для процесса следует использовать короткую дугу. Это позволит провести глубокую плавку, которая может отразиться на качестве соединения. Оно получится небольшим и прочным;
• При механизированной аргонодуговой сварке плавящимся электродом движение стержня должно выполняться по центральной части зазора и посередине. Даже небольшие нарушения могут привести к снижению прочности соединения, они могут негативно отразиться на его внешнем виде;
• Присадочный элемент должен постоянно прибывать в зоне с аргоном, он не должен выходить за пределы свариваемой зоны. Именно это защищает сварную ванну от отрицательного влияния кислорода и азота, которые присутствуют в воздухе. Влияние данных веществ может привести к усилению хрупкости соединения. Данные требования также относятся к неплавящемуся электроду;
• Ни в коем случае не стоит резко подавать присадочную проволоку в область сварной ванны. Это вызовет сильное разбрызгивание металла и в итоге будет его чрезмерный перерасход;
• При проведении ручной сварки присадочный материал должен подаваться под углом. Не должно наблюдаться поперечных нарушений;
• Не стоит при окончании сварочного процесса производить обрыв соединения при помощи отвода электрода из области сваривания. Достаточно погасить дугу реостатом;
• Подача и отключение защитного газа после окончания сварочного должно проводиться через или за 10 секунд. Это защитит неостывшую плавящуюся металлическую основу, которая при контакте с воздухом быстро покрывается оксидной пленкой;
• Перед началом автоматической аргонодуговой сварки неплавящимся электродом нужно подготовить соединяемые заготовки из металлической основы. Все стыкуемые зоны требуется очистить от грязи, ржавчины и других загрязнений. Для очистки рекомендуется использовать железную щетку или болгаркой с металлической щетковидной насадкой. Чистить необходимо до появления металлического блеска. Если имеются пятна из масла или жира, то дополнительно следует провести обработку растворителем;
• Обязательно должно проводиться сопоставление режимов аргонодуговой сварки неплавящимся электродом с показателем толщины стыкуемых заготовок. При этом требуется учитывать диаметр неплавящегося электрода.

Итоги

Проведение сварочных работ с неплавящимся электродом должно быть правильное, от этого зависит качество полученного сварного соединения. В первую очередь стоит разобраться, что такое дуговая сварка в защитном газе неплавящимся электродом и для чего ее проводят.

Этот метод считается популярным среди профессионалов и начинающих сварщиков. При помощи него можно произвести сваривание больших конструкций из разных видов металлов. Этот метод применяется в бытовых и промышленных условиях.

Интересное видео

При сваривании неплавящимся электродом дуга возникает между электродом, находящимся в горелке, из которой подается защитный газ, и изделием. Для образования шва при этом в сварочную ванну подается присадочный материал. Если сварка ручная, то присадка подается непосредственно сварщиком, если автоматическая, процесс происходит без его участия.

Данный способ сваривания используется для сваривания неферромагнитных материалов, среди которых: магний, алюминий, цирконий, никель, титан, бронза, медь, нержавеющая сталь и другие. Этот метод сварки позволяет сварщику тонко чувствовать глубину проплавления металлов, что способствует хорошему качеству шва. При ручной сварке специалист сам управляет горелкой и присадочным материалом, что избавляет изделие от непроваров и других дефектов сварочного шва.

Область применения метода

Этот метод применяется в основном для сваривания тонкостенных цветных металлов. Он используется в производстве велосипедов, изготовлении различных заготовок. С его помощью изготавливаются различные предметы интерьера из нержавеющей стали и других материалов. Последующая обработка шва делает его практически незаметным.

Неплавящиеся электроды и их типы

На сегодняшний день при изготовлении металлоконструкций с помощью описываемого способа используются такие виды электродов:

• вольфрамовые. Наиболее распространенный вид, используемый при сварке неплавящимся электродом. Представляет собой стержень диаметром 1-4 мм. Вольфрам имеет очень высокую температуру плавления, что позволяет применять этот материал для изготовления электродов. Делятся на стандартные, иттрированные, лантанированные, торированные;
• угольные. Часто применяются для сварки изделий из цветных металлов и сталей, имеющих малую толщину стенок и для воздушно-дуговой резки металлов. Используются как с присадкой, так и без, могут складываться по линии сварки или подаваться непосредственно в сварочную ванну. Сварочный процесс при использовании этих материалов проводится на токе величиной не больше 580 А;
• графитовые. Особенно активно эти электроды применяются при работе с кабелями из меди. Отлично приспособлены к обработке, устойчивы к температурному воздействию и не подвержены быстрому износу. Благодаря всем этим качествам, весьма распространены на отечественном рынке.

Схема сварки неплавящимся электродом

Технология, особенности и оборудование необходимое для сварки

Способ сваривания неплавящимся электродом чаще всего применяют для соединения металлов с толщиной не более 5-6 мм, но это не значит, что его нельзя использовать для сваривания более толстостенных металлов. При сварке без применения присадки шов формируют, оплавляя кромки металла, при использовании присадки она подается в место формирования шва по тому же принципу, что и сварочная проволока при газосварке.

Оборудование, необходимое для сварки неплавящимся электродом, включает в себя:

• источник сварочного тока, на котором расположен регулятор силы тока, и вольтметр с амперметром для контроля процесса регулирования;
• TIG-горелку и рукав, которые подсоединяются к сварочному источнику. По рукаву на горелку подается защитный газ, в случае с использованием водяного охлаждения подается также охлаждающая жидкость;
• газовый баллон с защитным газом, подсоединенный с помощью рукава к источнику сварочного тока и оборудованный регулятором расхода и расходомером газа;
• обратный кабель для соединения изделия с источником сварочного тока.

При автоматической сварке используются автоматизированные системы для подачи изделий и управления инструментами для сварки.

Аргонная сварка неплавящимся электродом выполнятся переменным (TIG-AC) и постоянным (TIG-DC) токами. При сварке постоянным током может применяться обратная и прямая полярности. Если электрод подключен к плюсовому полюсу источника сварочного тока, то полярность является обратной, и в таком случае для сваривания применяются электроды большего диаметра, чем при прямой. Сваркой на переменном токе пользуются в основном для соединения беррилия, магния и алюминия, имея при этом не такую хорошую стабильность дуги, как на прямом токе, что, впрочем, исправляется наличием режима импульсной сварки на некоторых сварочных аппаратах.

В процессе сваривания длина дуги должна составлять 1,5-3 мм, её напряжение — 22-34 В. Размер вылета неплавящегося электрода не должен быть больше 3-5 мм, а в случае со стыковыми и угловыми швами — не более 5-7 мм.

В роли защитного газа чаще всего используются аргон или смесь аргона с гелием, они немного ухудшают стабильность сварочной дуги, но при этом усиливают её энергию, тем самым увеличивая скорость сварки. Для сваривания изделия толщиной до 10 мм применяют левый тип положения горелки для того, чтобы защитный газ имел прямой доступ к месту формирования шва. Для сварки более толстостенных материалов способ меняют на правый.

Недостатки и преимущества

Среди достоинств данного метода соединения следует указать:

• высокую скорость сварки;
• по окончании сварочных работ шов не требует дополнительной обработки;
• простота освоения техники сваривания при этом методе;
• прочность соединения, благодаря использованию аргона в качестве защитного газа;
• металл не деформируется при сварке, так как прогревается на минимальной площади;
• большое количество свариваемых металлов.

Из недостатков можно отметить:

• неудобство сваривания деталей под острым углом из-за формы сварочной горелки;
• затрудняется выполнение работы при сквозняках или на улице при ветреной погоде, так как нарушается правильная подача защитного газа в зону формирования шва;
• металл перед процессом сварки требует тщательной подготовки.

"ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ В ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ"

При дуговой сварке атмосферный кислород и азот активно взаимодействуют с расплавленным металлом, образуют окислы и нитриды, которые снижают прочность и пластичность сварного соединения. Одним из способов защиты сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха является использование защитных газов.

Сварка в струе защитных газов былаизобретена русским изобретателем Николай Николаевичем Бенардосом (26.06.1842 – 21.09.1905) в 1883 году. Защита от воздуха, по его предложению, осуществлялась светильным газом. Но этот метод Бенардоса нашел применение лишь спустя почти пол века и был необоснованно назван американцами «способом Александера». В период Второй мировой войны в США получила развитие сварка в струе аргона или гелия неплавящимся вольфрамовым электродом и плавящимся электродом. Этим способам сварки присвоена аббревиатура TIG и MIG. TIG (Tungsten Inert Gas) – сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде инертного защитного газа, например так называемая аргонодуговая сварка. MIG (MechanicalInertGas) – механизированная (полуавтоматическая или автоматическая) сварка в струе инертного защитного газа. Вскоре эта технология пришла и в Европу. Сначала применялись только инертные газы или аргон, содержащий лишь небольшие доли активных компонентов (например, кислорода), поэтому такая технология сокращенно называлась S.I.G.M.A. Эта аббревиатура означает «shielded inert gas metal arc» – «дуговая сварка металлическим электродом в среде инертного газа». В настоящее время сварка в струе различных газов – аргона, гелия, азота – применяется во многих отраслях техники от небольших мастерских до крупных предприятий. В России с 1953 года вместо дорогостоящих инертных газов стали использовать при сварке активный газ, а именно углекислый газ (CO2). Коллективами Центрального научно-исследовательского института технологий машиностроения и Института электросварки имени Е.О. Патонова разработана и в 1952 году внедрена полуавтоматическая сварка в углекислом газе. Это стало возможным благодаря изобретению проволочных электродов, при использовании которых учитывались большие потери легирующих элементов при сварке в активном газе. Авторы сварки в углекислом газе плавящимся электродом К.М. Новожилив, Г.З. Волошкевич, К.В. Любавский и др. удостоены Ленинской премии.

2. Защитные газы, применяемые при сварке

При ручной сварке неплавящимся электродом в качестве основного газа применяется аргон – инертный газ, не способный к химическим реакциям и практически не растворим в металлах. Аргон считается наиболее доступным и сравнительно дешевым среди инертных газов. Будучи тяжелее воздуха, он хорошо защищает дугу и зону сварки. Дуга в аргоне отличается высокой стабильностью. Аргонодуговую сварку применяют для соединения легированных сталей, цветных металлов и их сплавов, ее выполняют постоянным и переменным током плавящимся и неплавящимся электродами. Аргон является основной защитной средой при сварке алюминия, титана, редких и активных металлов. Газообразный аргон хранится и транспортируется в стальных баллонах (по ГОСТ 949–73). Баллон с чистым аргоном окрашен в серый цвет, с надписью «Аргон чистый» зеленого цвета. Употребление газовых смесей вместо технически чистых газов аргона или гелия в некоторых случаях повышает устойчивость горения сварочной дуги, уменьшает разбрызгивание металла, улучшает формирование шва, увеличивает глубину противления, а также воздействует на перенос металла

Смесь из 90% аргона и 10% водорода употребляется при сварке тонкого металла, обеспечивая увеличение скорости сварки, уменьшение зоны термического влияния, количества выгораемых легирующих элементов и остаточных деформаций. Смесь аргона с 10 – 12% азота позволяет избежать предварительной термообработки, обеспечивая коррозионную стойкость металла шва. Добавка к аргону небольшого количества кислорода или другого окислительного газа существенно повышает устойчивость горения дуги и улучшает качество формирования сварных швов. Для улучшения борьбы с пористостью к аргону иногда добавляют кислород в количестве 3–5%. При этом защита металла становится более активной. Чистый аргон не защищает металл от загрязнений, влаги и других включений, попавших в зону сварки из свариваемых кромок или присадочного металла. Кислород же, вступая в химические реакции с вредными примесями, обеспечивает их выгорание или превращение в соединения, всплывающие на поверхность сварочной ванны. Это предотвращает пористость.

Применение смеси аргона и углекислого газа (обычно 18–25%) эффективно при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей. По сравнению со сваркой в чистом аргоне или углекислом газе более легко достигается струйный перенос электродного металла. Сварные швы более пластичны, чем при сварке в чистом углекислом газе. По сравнению со сваркой в чистом аргоне меньше вероятность образования пор. Газовая смесь аргона с кислородом обычно используется при сварке легированных и низкоуглеродистых сталей. Добавление к аргону кислорода позволяет предотвратить пористость. Наличие кислорода в дуге способствует мелкокапельному переносу электродного металла.

Гелий используется сравнительно реже. Гелий может применяться в качестве инертного защитного газа при сварке нержавеющих сталей, цветных металлов и сплавов, химически чистых и активных материалов. Гелий легче воздуха, что усложняет защиту сварочной ванны, и, следовательно, требует большего его расхода на защиту. По сравнению с аргоном он обеспечивает более интенсивный нагрев зоны сварки. Он обладает высокой теплопроводностью, имеет высокий потенциал ионизации, поэтому при сварке в гелии увеличивается температура дуги, напряжение и её проплавляющая способность, в связи с чем его иногда используют для проплавления больших толщин или получения специальной формы шва. Часто используется смесь 70% аргона и 30% гелия.Газообразный гелий хранится и транспортируется в стальных баллонах (согласно ГОСТ 949–73). Баллон окрашен в коричневый цвет, с надписью «Гелий» белого цвета.

При сварке меди защитным газом служит азот, так как по отношению к меди он является инертным газом.

3. Область применения и преимущества аргонодуговой сварки

Основная область применения аргонодуговой сварки неплавящимся электродом – соединения из легированных сталей и цветных металлов. При малых толщинах аргонная сварка может выполняться без присадки. Способ сварки обеспечивает хорошее качество и формирование сварных швов, позволяет точно поддерживать глубину проплавления металла, что очень важно при сварке тонкого металла при одностороннем доступе к поверхности изделия. Он получил широкое распространение при сварке неповоротных стыков труб, для чего разработаны различные конструкции сварочных автоматов. В этом виде сварку иногда называют орбитальной. Сварка неплавящимся электродом – один из основных способов соединения титановых и алюминиевых сплавов.

Аргоновая сварка плавящимся электродом используется при сварке нержавеющих сталей и алюминия. Однако объем ее применения относительно невелик.

4. Недостатки аргонодуговой сварки

Недостатками аргонодуговой сварки являются невысокая производительность при использовании ручного варианта. Применение же автоматической сварки не всегда возможно для коротких и разноориентированных швов.

5. Технология ручной сварки неплавящимся электродом в инертных газах

Аргонная сварка может быть ручной, когда горелка и присадочный пруток находятся в руках сварщика, и автоматической, когда горелка и присадочная проволока перемещаются без непосредственного участия сварщика.

В отличие от сварки плавящимся электродом, зажигание дуги не может быть выполнено путем касания электродом изделия. Касание изделия вольфрамовым электродом приводит к его загрязнению и интенсивному оплавлению. Поэтому при аргонной сварке неплавящимся электродом для зажигания дуги параллельно источнику питания подключается устройство, которое называется «осциллятор».

Осциллятор для зажигания дуги подает на электрод высокочастотные высоковольтные импульсы, которые ионизируют дуговой промежуток и обеспечивают зажигание дуги после включения сварочного тока. Если аргонная сварка производится на переменном токе, осциллятор после зажигания дуги переходит в режим стабилизатора и подает импульсы на дугу в момент смены полярности, чтобы предотвратить деионизацию дугового промежутка и обеспечить устойчивое горение дуги.

Технологические свойства дуги в значительной мере определяются родом и полярностью сварочного тока. При прямой полярности на изделии выделяется до 70% теплоты дуги, что обеспечивает глубокое проплавление основного металла. При обратной полярности напряжение дуги выше, чем при прямой полярности. На аноде – электроде выделяется большое количество энергии, что приводит к значительному его разогреву и, как следствие, повышенному его расходу.

Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности практически не применяется. Легированные стали, медные и титановые сплавы свариваются на постоянном токе прямой полярности. При сварка алюминиевых и магниевых сплавов применяется переменный ток. Применение переменного тока производит очищающее действие на сварочную ванну. В полупериоды обратной полярности тяжёлые положительные ионы ударяясь о поверхность металла разрушают и распыляют оксидную пленку (так называемый эффект катодного распыления).

При ручной аргонодуговой сварке на постоянном токе прямой полярности конец вольфрамового электрода затачивают на конус. Длина заточки, как правило должна быть равна двум-трем диаметрам электрода. При сварке на переменном токе рабочий конец вольфрамового электрода затачивают в виде полусферы.