Почему при сварке наплавке в углекислом газе ограничивают напряжение дуги

Обновлено: 24.01.2025

Советскими исследователями К.В.Любавским и Н.М.Новожиловым в начале 50-х годов был разработан способ сварки в защитной среде углекислого газа, который в настоящее время нашел широкое применение во всех странах мира.

Сущность процесса сварки в углекислом газе заключается в следующем. Поступающий в зону сварки углекислый газ защищает ее от вредного влияния атмосферы воздуха. Причем при высокой температуре сварочной дуги углекислый газ частично диссоциируется на окись углерода и кислород 2С02 ↔ 2СО + O2 . В результате в зоне дуги образуется смесь из трех различных газов: углекислого газа, окиси углерода и кислорода.

Вследствие того, что температура дуги не везде одинакова, неодинаков и состав газовой смеси в зоне дуги. В центральной части, где температура дуги высокая, углекислый газ диссоциирует почти полностью. В области, прилегающей к сварочной ванне, количество углекислого газа преобладает над суммарным количеством кислорода и окиси углерода. Все три компонента газовой смеси защищают металл от воздействия воздуха, в то же время окисляют его как при переходе капель электродной проволоки в сварочную ванну, так и на поверхности:

Порядок и интенсивность окисления элементов зависят от их химического сродства к кислороду. Вначале окисляется кремний, имеющий большее сродство к кислороду, чем другие элементы. Окисление марганца также происходит значительно интенсивнее, чем окисление железа и углерода. Следовательно, нейтрализовать окислительный потенциал углекислого газа можно введением в присадочную проволоку избыточного кремния и марганца, В этом случае погашаются реакции окисления железа и образования окиси углерода, но сохраняются защитные функции углекислого газа в отношении атмосферы воздуха.

Качество наплавленного металла зависит от процентного содержания кремния и марганца в сварочной проволоке (при условии наличия необходимого количества углекислого газа). Хорошее качество наплавленного металла при сварке углеродистых сталей гарантируется тогда, когда в составе проволоки соотношение Мn к Si составит

Мn/ Si = 1,5 / 2

Образовавшиеся окислы кремния и марганца не растворяются в жидком металле, а вступают во взаимодействие друг с другом, образуя легкоплавкое соединение, которое в виде шлака всплывает на поверхность сварочной ванны.

Техника и режимы сварки . Прихватку деталей из углеродистых сталей под сварку в углекислом газе осуществляют либо электродами типа Э42 или Э42А, либо полуавтоматической сваркой в углекислом газе. Прихватку деталей из легированных сталей выполняют электродами соответствующего назначения.

Поверхность свариваемых кромок перед прихваткой и сваркой тщательно зачищают от грязи, ржавчины, масла, окалины и шлака. При сборке выдерживают одинаковые зазоры, которые в стыковых соединениях не должны превышать 1,5 мм. Смещение свариваемых кромок относительно друг друга не должно превышать 1 мм для толщин 4—10 мм и 10 % толщины для толщин более 10 мм. Схема общего вида сварочного поста показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема поста полуавтоматической сварки тонкой электродной проволокой в углекислом газе: 1 — держатель; 2 — подающий механизм; 3 — кнопка включения; 4 — защитный щиток; 5 — манометр на 0,6 МПа; 6 — переходной штуцер для установки манометра; 7 — кислородный редуктор с манометром высокого давления; 8 — осушитель газа; 9 — подогреватель газа; 10 — баллон с углекислым газом; 11 — сварочный выпрямитель (или генератор); 12 — пульт управления.

Сварку в углекислом газе выполняют во всех пространственных положениях, вертикальные и потолочные швы выполняют на малых токах и проволокой небольшого диаметра.

Параметрами режима сварки в углекислом газе являются род и полярность тока, диаметр электродной проволоки, величина сварочного тока, напряжение дуги, расход углекислого газа, вылет и наклон электродной проволоки по отношению к свариваемому изделию.

При сварке применяют постоянный ток обратной полярности. Величину сварочного тока и диаметр электродной проволоки выбирают в зависимости от толщины металла и положения шва в пространстве. В табл. 1 показаны приемы перемещения конца электродной проволоки при сварке стыкового соединения в нижнем положении.

Таблица 1. Приёмы перемещения электродной проволоки при сварке соединения в нижнем положении

Слой шва

Приёмы перемещения электродной проволоки

Ориентировочные размеры колебаний электродной проволоки, мм

Техника сварки в углекислом газе

При автоматической и, особенно, полуавтоматической сварке в защитных газах на качество сварных соединений существенное влияние оказывает техника сварки. От расстояния, угла наклона и характера движений горелки относительно свариваемых деталей зависят надежность газовой защиты зоны сварки от воздуха, скорость охлаждения металла, форма шва, условия удаления газовых пузырей и неметаллических включений из сварочной ванны и т. д.

Ниже приведены рекомендации по основным элементам техники сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей в углекислом газе на постоянном токе обратной полярности.

Вытеснение воздуха из зоны сварки. Перед началом сварки необходимо включить газ, отрегулировать его расход, выждать 20-30 сек. для полного вытеснения воздуха из шлангов и обдуть место сварки газом (заполнить разделку шва углекислым газом). Несоблюдение этих правил часто приводит к появлению пор в начале шва.

Зажигание дуги и ее длина. Зажигание дуги при сварке в углекислом газе на токах свыше 200 а не представляет затруднений. Перед зажиганием дуги необходимо следить, чтобы вылет электрода из горелки не превышал 40-45 мм. Зажигание дуги при большем вылете электрода может привести к плохому формированию начала шва и появлению в нем пор.

Как правило, сварку в углекислом газе следует производить на возможно более короткой дуге. При сварке на токах 200-500 а длина дуги должна находиться в пределах 1,5-4,0 мм. При увеличении длины дуги ее горение становится неспокойным, увеличиваются разбрызгивание жидкого металла и угар легирующих элементов. При сварке следует стремиться к быстрому перемещению горелки. При движении горелки катодное пятно должно находиться не на поверхности сварочной ванны, а по возможности на основном металле или границе сварочной ванны с основным металлом. Расположение и длительная задержка активного пятна дуги на сварочной ванне увеличивают разбрызгивание и могут привести к образованию пор в швах.

Практически длина дуги оценивается по ее напряжению, величина которого выбирается в зависимости от сварочного тока (следует учитывать, что при использовании источников питания с жесткой характеристикой напряжение дуги остается постоянным, а ее длина изменяется в зависимости от величины тока). При сварке в углекислом газе соотношение между током и напряжением дуги можно выбирать по графику, представленному на рисунке справа.

При достаточно высоком содержании элементов-раскислителей в электродной проволоке или основном металле, автоматическую сварку, обеспечивающую минимальные колебания параметров режима, можно производить на повышенном напряжении дуги, выбирая его по верхнему допустимому пределу, указанному на р.

Сварка на повышенном напряжении обеспечивает получение более широких швов с меньшей глубиной проплавления и лучшим внешним видом.

Расстояние от сопла горелки до металла. В практике сварки в углекислом газе и инертных газах расстояние от сопла горелки до изделия обычно выдерживается в пределах 15-25 мм. Приближение горелки к изделию увеличивает ее забрызгивание, а чрезмерное удаление приводит к ослаблению газовой защиты зоны сварки и некоторому снижению устойчивости горения дуги. При сварке глубоких и узких разделок можно применять удлиненные наконечники (токосъемники), выступающие из сопла горелки на 5-10 мм. В этом случае расстояние от наконечника до места сварки целесообразно выдерживать в пределах 20-30 мм.

Наклон и манипулирование горелкой. Манипулирование горелкой при сварке в защитных газах несколько напоминает технику газовой сварки (правый и левый метод). Как правило, при полуавтоматической сварке каждый сварщик имеет свои специфические приемы манипулирования горелкой. Тем не менее для сварки в инертных газах отработаны определенные приемы манипулирования горелкой (техника сварки) при выполнении стыковых и угловых швов в нижнем положении.

Сварка в углекислом газе отличается от сварки в инертных газах с добавками 3-5% кислорода применением более короткой дуги, большим разбрызгиванием жидкого металла, более глубоким кратером (большим давлением газов, отходящим от электрода в столбе дуги), повышенным выгоранием легирующих элементов, приводящим к зарождению в сварочной ванне большего количе

ства газовых пузырей и неметаллических включений и др. особенностями. Оптимальные приемы сварки сталей в углекислом газе, учитывающие вышеуказанные особенности процесса, пока окончательно не отработаны. Имеющиеся по этому вопросу данные советских и зарубежных производственников и исследователей иногда противоречивы.

Имеющийся в настоящее время производственный и лабораторный опыт показал, что исходной базой для обработки оптимальных приемов сварки в углекислом газе могут являться приемы, используемые при сварке в инертных газах.

По литературным данным сварка малоуглеродистых сталей в атмосфере аргона с добавкой 5% кислорода на токах 300-500 а производится двумя способами: «нормальной» или «обычной» техникой и техникой «захлестывания».

При обычной технике сварки стыковых швов угол наклона горелки относительно вертикальной оси (перпендикулярной поверхности изделия) принимается равным 15-30°. Чаще всего сварка производится углом вперед, но в некоторых случаях электрод наклоняется в противоположную сторону (такое положение горелки показано на фигурах пунктиром).

При сварке первого слоя применяется петлеобразное передвижение горелки, а при сварке всех последующих слоев передвижение горелки змейкой (рисунок выше). Для достижения более глубокого провара первый слой подварочного шва выполняют с наклоном горелки назад без поперечных колебаний. Все последующие слои подварочного шва выполняются так же, как и основного.

Сварка угловых швов обычной техникой производится при петлеобразном перемещении горелки. Применяемые при этом углы наклона горелки и размеры петель указаны на рисунке справа. При использовании некоторых электродных проволок обычная техника сварки в инертных газах не обеспечивает получения плотных швов, выполненных на кипящих и полураскисленных сталях. Количество пор при сварке этими проволоками тех же сталей может быть уменьшено путем применения сварки «захлестыванием». Этот способ сварки характеризуется наклоном горелки назад и ее быстрым возвратно-поступательным перемещением вдоль оси шва. Сварка стыковых и угловых швов методом захлестывания иллюстрируется рисунке ниже. Предполагается, что уменьшение количества пор при сварке захлестыванием достигается за счет лучшего перемешивания и замедленного охлаждения металла сварочной ванны при колебаниях горелки вдоль шва, способствующих более полному удалению газов. Применение сварки захлестыванием позволяет получать швы с допустимой пористостью при сварке большинства малоуглеродистых сталей.

Лабораторная проверка показала, что сварка в углекислом газе спокойной и кипящей малоуглеродистой стали марки Ст. 3 проволокой Св-08ГС может производиться как обычной техникой, так и техникой сварки «захлестыванием». В обоих случаях обеспечивается удовлетворительная плотность швов.

В ЦНИИТМАШе, при полуавтоматической и автоматической сварке стыковых и угловых швов в углекислом газе применяется несколько иная техника сварки. Сварка стыковых и угловых швов производится справа налево. При сварке стыковых швов горелка отклоняется от вертикальной оси «углом назад» на 5-15°. Такой наклон горелки обеспечивает по сравнению с вертикальным положением горелки или ее наклоном «углом вперед» лучшую видимость зоны сварки и большие удобства ведения процесса. Горелка перемещается возвратно-поступательно (I) вдоль оси шва (без поперечных колебаний) при наложении первого слоя, по вытянутой спирали (II) при наложении последующих слоев и змейкой (III) при наложении верхнего слоя (рисунки ниже).

При сварке угловых швов горелка отклоняется от вертикальной стенки на угол (а) 30-45° и углом назад (В) на 5-15°. Перемещение горелки производится по вытянутой спирали (рис. ниже). Автоматическая сварка стыковых швов производится при вертикальном положении горелки. При сварке угловых швов горелка отклоняется от вертикальной стенки на угол (а) 30° и устанавливается перпендикулярно оси шва (В = 0), при этом электрод должен упираться в горизонтальную полку на расстоянии 1 мм от вертикальной стенки.

Необходимо отметить, что по появившимся в последнее время зарубежным данным при сварке в углекислом газе рекомендуется держать горелку по возможности вертикально или с наклоном вперед под углом около 5°. Такое положение горелки обеспечивает более спокойное горение дуги и минимальное разбрызгивание жидкого металла (что подтверждается и нашими данными). Далее указывается, что наклон горелки назад (на сварочную ванну, как при сварке захлестыванием) препятствует выходу газов из сварочной ванны и вызывает появление пор в металле шва. По нашим данным при автоматической сварке стали Ст. 3 проволокой Св-08ГС (диаметр проволоки 2 мм, ток - 400 а, скорость сварки - 25 м/час) изменение наклона горелки вперед и назад на угол до 30° не оказывает заметного действия на пористость металла швов, однако, при наклоне горелки свыше 15° несколько ухудшается устойчивость процесса.

Прекращение сварки. При прекращении сварки рекомендуется заполнить металлом кратер и не отводить горелку от зоны сварки до тех пор, пока полностью не застынет металл сварочной ванны.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Сварка в углекислом газе

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—1,2 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 углекислом газе должна быть не ниже 80 а/мм 2 . При этом потери металла на разбрызгивание не превышают 10—15%.

§ 2. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сварочная проволока. В качестве электрода применяют проволоку марок Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС и др. по ГОСТ 2246—60 в соответствии с маркой основного металла, имеющую повышенное содержание марганца и кремния. Диаметр проволоки берут 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 антикоррозионными веществами, ржавчиной, окалиной и др., повышающими разбрызгивание металла и вызывающими пористость шва. Иногда проволоку подвергают травлению в 20%-ном растворе серной кислоты с последующей прокалкой в печи при 250—280° С в течение 2—2,5 ч. Это обеспечивает получение плотного наплавленного металла с минимальным содержанием водорода. Хорошие результаты дает сварка омедненной проволокой.

На Харьковском тракторосборочном заводе успешно применяют способ подготовки проволоки, предложенный Ю. И. Нихинсоном и Л. Ф. Тесленко — травление 5—10 мин в 10—20%-ном водном растворе соляной кислоты, промывка в холодной воде и пассивирование в смеси водных растворов 5—15% нитрита натрия (NaN0₂) и 1% кальцинированной соды (Na₂C0₃) в течение 10— 15 мин. После пассивирования проволока долго сохраняется. Кроме того, повышается стабильность горения дуги, уменьшается порообразование и расход углекислого газа.

Углекислый газ, применяемый для сварки, должен быть сухим и иметь концентрацию не ниже 98% С0₂, а для сварки ответственных конструкций — не менее 99% СО₂. Пищевой углекислый газ, выпускаемый по ГОСТ 8050—64, содержит: не менее 98,5% С0₂ и не более 0,1% свободной влаги. В нем может содержаться также вода, растворенная в сжиженном С0₂, поэтому при сварке пищевой углекислый газ предварительно пропускают через патрон, заполненный обезвоженным медным купоросом или через силика-гелевый осушитель.

Если углекислый газ содержит влагу, то шов получается пористым, а наплавленный металл менее пластичным.

При использовании неосушенного углекислого газа баллон перед началом сварки нужно поставить на 15—20 мин в вертикальное положение, чтобы влага осела на дно. Первые порции углекислого газа, содержащие наибольшее количество примесей (преимущественно азота), выпускают наружу и затем начинают сварку. Отбор газа заканчивают при остаточном давлении его в баллоне около 4 кгс/см 2 , так как последние порции неосушенного газа будут содержать много влаги.

При расходе газа свыше 20 дм 3 /мин возможно вымерзание влаги в каналах редуктора вследствие охлаждения газа, происходящего при понижении его давления в момент прохождения через клапан редуктора, и закупорка последнего льдом. Для предупреждения этого явления газ отбирают из нескольких баллонов, включенных параллельно, или предварительно подогревают газ перед редуктором. Для подогрева газа используют электрические подогреватели, питаемые током напряжением 36 в. Для сварки выпускается сварочный углекислый газ по ГОСТ 8050—64, отвечающий следующим техническим требованиям:

В отличие от пищевого и технического углекислого газа сварочный углекислый газ испытывается на содержание С0₂ и влаги путем отбора проб из вертикально стоящего баллона (из газовой фазы); при этом влажность определяется конденсационным гигрометром НИИГС.

Сварочным углекислым газом не разрешается наполнять баллоны из-под пищевого и технического газа. Баллоны должны иметь надпись «С0₂ сварочный».

При количестве сварочных постов более 20 целесообразно осуществлять централизованное питание их углекислым газом, подаваемым по трубопроводу от рампы баллонов или от газификационной установки. При полуавтоматической сварке проволокой диаметром 1 —1,4 мм и диаметре выходного отверстия сопла 15 мм для надежной защиты зоны горения дуги требуется 400—600 дм 3 /ч углекислого газа, если проволока диаметром 2 мм, а сопло диаметром 25 мм— 1200—1500 дм 3 /ч. Увеличение расхода газа выше этих пределов не улучшает защиту ванны и дуги, но приводит к перерасходу газа, ухудшению процесса сварки и формирования металла шва. Практически при сварке проволокой 1 —1,4 мм током 120—250 а расход газа можно принимать равным 1,2 кг/ч или 0,8 кг на 1 кг наплавленного металла. При сварке проволокой 2 мм расход газа составит 0,6 кг/ч наплавленного металла. Для снижения расхода углекислого газа необходимо давление в магистрали поддерживать минимальным, порядка 0,4—0,6 кгс/см 2 , соответственно количеству работающих постов, регулируя его так, чтобы расход газов на один пост не превышал указанных выше пределов. Сварочные посты следует оборудовать электромагнитными клапанами, позволяющими отключать подачу газа через 2—3 сек после гашения дуги и вновь включать ее за 0,5—1 сек перед возбуждением дуги. Такие же клапаны целесообразно ставить и при питании газом из баллонов. Применение расходомеров для газа обязательно. Все эти мероприятия обеспечивают экономию углекислого газа при сварке.

§ 3. АППАРАТУРА И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ

Комплект оборудования для автоматической сварки в углекислом газе состоит из источника сварочного тока, сварочной горелки, механизма для подачи проволоки в зону дуги, устройства для перемещения горелки или изделия при сварке, баллона или группы баллонов с углекислым газом и газовой аппаратуры (подогревателя, редуктора, расходомера, осушителя).

Давление газа понижают при помощи стандартных кислородных редукторов. Расход газа при сварке контролируют с помощью поплавковых указателей расхода (ротаметров). Применяются ротаметры типов РС-3, РС-3а, ИРКС-6,5 и др.

Схема установки для полуавтоматической сварки в углекислом газе изображена на рис. 163. Применяется ручная горелка — электрододержатель с охлаждением самим углекислым газом (при токе до 250—300 а) или водяным охлаждением (при токе от 300 до 900 а).

Сварка в углекислом газе выполняется на постоянном токе обратной полярности. В качестве источников тока при сварке проволокой диаметром 1,6—2,5 мм током более 200 а служат сварочные преобразователи типов ПСГ-350, ПСГ-500, ПСУ-500 и сварочные выпрямители с жесткой внешней характеристикой.

Чтобы получить плотный, беспористый шов и уменьшить разбрызгивание металла, необходимо поддерживать наиболее короткую дугу. Дуговая сварка в углекислом газе ведется при постоянной скорости подачи проволоки и саморегулировании дуги. Дуга имеет возрастающую вольтамперную характеристику, поэтому она горит более устойчиво и лучше саморегулируется, если источник питания имеет жесткую или возрастающую внешнюю характеристику. Возбуждение дуги происходит при напряжении около 20 в и выше. Более устойчиво дуга горит при обратной полярности тока.

Для получения жесткой внешней характеристики у сварочных преобразователей ПС-500 обмотку возбуждения можно отключить от щеток и концы ее вывести на клеммную доску, подключив питание обмотки от отдельного селенового выпрямителя.

Включение в сварочную цепь постоянного тока индуктивного сопротивления (стабилизатора), например стандартного сварочного дросселя РСТЭ-24, уменьшает разбрызгивание металла в 2— 2,5 раза, повышает устойчивость горения дуги и допускает сварку металла толщиной 2—3 мм в различных пространственных положениях на малых токах проволокой диаметром 1,6—2 мм.

Влияние тока, напряжения, расхода газа и скорости процесса на сварку

Производительность процесса сварки в углекислом газе, так же как и других способов сварки плавящимся электродом, характеризуется количеством наплавленного электродного и расплавленного основного металла.

Производительность процесса наплавки оценивается, как известно, коэффициентом наплавки (а_н), показывающим количество наплавленного электродного металла в граммах за единицу времени током в один ампер. Коэффициент расплавления (а_р) показывает количество расплавленного электродного металла в граммах в единицу времени током в один ампер. Разность а_р - а_н показывает потери металла на разбрызгивание, угар и испарение. а_н и а_р определяются по следующим формулам:

где G_н и G_p - вес наплавленного электродного и, соответственно, расплавленного металла в г;

I - сварочный ток в а;

t- время горения дуги в час. Количество проплавленного основного металла за 1 час горения дуги определяется по следующей формуле:

где F₀ - площадь зоны проплавления основного металла в мм 2 ; у_o- удельный вес металла в г/см 3 ; v_cв- скорость сварки в м/час. Определение коэффициентов расплавления и наплавки, а также количества проплавленного дугой основного металла производилось при автоматической сварке в углекислом газе проволокой Св-08ГС на токах 200-500 а. Для сравнения определялась производительность автоматической сварки под флюсом ОСЦ-45 на тех же режимах. Приведенные на рисунках ниже данные показывают, что при сварке в углекислом газе как коэффициент наплавки, так и количество проплавленного основного металла в изучаемом диапазоне токов выше, чем при сварке под флюсом. С увеличением тока эта разница растет.

Электросопротивление проволоки Св-08ГС, а, следовательно, и скорость плавления за счет легирования кремнием и марганцем будут выше, чем малоуглеродистой проволоки Св-08А, обычно применяющейся при сварке малоуглеродистой стали под флюсом. Поэтому производительность процесса сварки под флюсом проволокой Св-08А, как показали опыты (см. фиг. 26), будет еще ниже.

Более высокая производительность процесса сварки в углекислом газе указывает на то, что затраты тепла дуги на расплавление электродной проволоки и основного металла в этом случае будут больше, чем при сварке под флюсом.

Количество тепла, расходуемого за 1 сек. на расплавление электродного и основного металла, образующих шов, определяется по формулам:

где Q_н и Q_о-количество тепла, расходуемого соответственно на расплавление электродного и основного металла за 1 сек.;

С_н и С₀-теплосодержание наплавленного и основного металла в точке плавления в кал/г.

Теплосодержание стали определяется из следующего выражения:

где С₁ - средняя удельная теплоемкость от 0° С до температуры плавления; для малоуглеродистой стали она составляет 0,155 кал/г° С;

Т₁ - температура плавления малоуглеродистой стали (1524°С);

Т₂ - температура, до которой охлаждается металл шва (20°С);

S - теплота плавления малоуглеродистой стали (63,9 кал/г).

Следует отметить, что средняя температура металла в сварочной ванне выше температуры его плавления. Однако тепло перегретого в сварочной ванне металла расходуется на теплоотвод и дополнительное расплавление основного металла. Это позволяет принять для расчетов теплосодержание при температуре плавления. Полагая, что понижение температуры плавления кремнемарганцевой проволоки (0,72% кремния; 1,17% марганца), используемой в этих опытах, невелико по сравнению с температурой плавления малоуглеродистой стали, на которую производилась наплавка, и что теплоемкость металла, легированного кремнием и марганцем, изменяется незначительно, можно принять теплосодержание наплавленного электродного и проплавленного основного металла одинаковыми, т. е.

С_н = С₀ = 0,155 (1524 - 20) + 63,9 = 297 кал/г.

Результаты подсчета количества тепла, расходуемого на расплавление электродного и основного металла при сварке в углекислом газе и под флюсом, приведены в таблице ниже.

Расход тепла на расплавление металла при сварке в углекислом газе и под флюсом ОСЦ-45:

В таблице указана тепловая мощность дуги, подсчитанная по формуле

где I_cв - сварочный ток в а;

U_д - напряжение на дуге в в и расход теплоты на плавление электродного и основного металла в процентах, рассчитанный по формулам:

Сопоставление коэффициентов наплавки при сварке в углекислом газе проволокой диаметром 1,6; 2,0 и 2,5 мм (рисунок справа) одинакового химического состава (0,09% углерода, 0,72% кремния и 1,17% марганца) показывает, что производительность процесса наплавки возрастает с уменьшением диаметра проволоки, т. е. с увеличением плотности тока. Количество тепла, расходуемого на расплавление электродного и основного металла в шве, с увеличением плотности тока увеличивается (рисунки ниже). Таким образом, увеличение плотности тока при сварке в углекислом газе, так же как при сварке в инертных газах и под флюсом, приводит к увеличению производительности процесса сварки в целом. При этом нием плотности тока увеличивается (см. рисунки ниже). Таким образом, увеличение плотности тока при сварке в углекислом газе, так же как при сварке в инертных газах и под флюсом, приводит к увеличению производительности процесса сварки в целом. При этом

Увеличение глубины проплавления с увеличением тока при сварке в углекислом газе, так же как и при других процессах электродуговой сварки, связано с более интенсивным вытеснением жидкого металла из-под электрода вследствие увеличения давления дуги. Однако при сварке в углекислом газе глубина проплавления будет больше, чем например, при сварке под флюсом на тех же режимах. Это может объяснено отсутствием дополнительного давления на металл сварочно ванны, имеющегося при сварке под флюсом (за счет веса флюса и жидкого шлака, а также избыточного давления внутри газового пузыря, в котором горит дуга) и затрудняющего вытеснение жидеого металла из основания столба дуги.

Влияние напряжения на процесс сварки

Увеличение напряжения на дуге при сварке в углекислом газе, так же как и при ручной сварке электродами с качественным покрытием и сварке под флюсом, приводит к уменьшению коэффициентов наплавки и расплавления.

Снижение коэффициента расплавления при возрастании напряжения на дуге объясняется уменьшением предварительного подогрева конца электродной проволоки, который при неизменном расстоянии от поверхности изделия до мундштука уменьшается. Кроме того, на снижение коэффициента расплавления при сварке в углекислом газе существенное влияние оказывает увеличение потерь тепла дуги в окружающее пространство при ее удлинении излучением и конвекцией. Уменьшение коэффициента расплавления, а также возрастание потерь металла на разбрызгивание, угар и испарение, приводит к тому, что при увеличении напряжения на дуге снижается и коэффициент наплавки.

При повышении напряжения на дуге несколько снижается площадь наплавки и растет площадь проплавления (рисунок выше), что приводит к незначительному снижению доли наплавленного металла в шве.

Химический состав металла и.ва при сварке с различными значениями напряжения на дуге:

Примечание. I_св = 400 a; υ_св = 15,6 м/час расход газа 1000 л/час.

Химический состав наплавленного металла существенно изменяется при изменении напряжения на дуге (табл. выше), что связано, главным образом, с изменением выгорания легирующих элементов и, в значительно меньшей степени, с изменением соотношения наплавленного и основного металла. Посмотреть точное наличие легирующих элементов в металле - марки стали и сплавов, также обращаем внимание, что на нашем портале есть специальный металлический калькулятор, на котором можно посчитать вес по длинне или наоборот длину металлопроката по его весу.

Расчет коэффициентов усвоения показал значительное снижение усвоения марганца и особенно кремния металлом шва при повышении напряжения на дуге и, наоборот, увеличение усвоения углерода. Увеличение коэффициента усвоения углерода с увеличением напряжения на дуге связано при сварке стали с процессами, протекающими в столбе душ. Это подтверждается тем, что при наплавке в углекислом газе на медь (таблица ниже) коэффициент усвоения углерода не повышается, а, наоборот, понижается (с 0,69 при напряжении на дуге 30 в до 0,50 при напряжении 45 в). Отсюда следует, что повышение коэффициента усвоения углерода при сварке стали вызывается при увеличении напряжения на дуге уменьшением выгорания углерода из сварочной ванны.

Сравнение коэффициентов усвоения легирующих элементов показывает, что выгорание кремния и марганца в дуге и общем процессе усиливается с увеличением напряжения на дуге.

Химический состав металла и коэффициенты усвоения углерода, кремния и марганца при наплавке в углекислом газе на медь:

Отметим, что если надо, то мировые цены на медь и другие цветные металлы можно узнать на нашем портале - лондонская биржа цветных металлов lme.

Изменение напряжения на дуге при сварке в углекислом газе существенно влияет на механические свойства металла швов. С увеличением напряжения на дуге относительное удлинение и сужение, а также ударная вязкость металла шва падают (табл. 27); пределы прочности и текучести также имеют тенденцию к понижению.

Механические свойства металла однопроходных швов, сваренных при различном напряжении на дуге:

Механические свойства металла швов зависят от ряда факторов: содержания в металле швов газов, химического состава швов, скорости охлаждения наплавленного металла и т. д. Указанные факторы в различной степени могут влиять на механические свойства шва.

Поскольку скорость охлаждения металла шва зависит, в основном, от толщины свариваемого металла и погонной энергии, то в данном случае она не может оказать решающего воздействия на механические свойства шва, так как в описываемых опытах толщина металла была постоянной, а погонная энергия изменялась в сравнительно узких пределах.

Незначительное увеличение содержания углерода в шве (от 0,13 до 0,15%) в условиях этих опытов при возрастании напряжения на дуге от 30 до 40 в не может заметно повлиять на механические свойства металла шва. Снижение содержания в наплавленном металле кремния (с 0,45 до 0,21%) и марганца (с 0,93 до 0,70%) должно способствовать понижению его прочностных и улучшению пластических свойств и, следовательно, не может явиться причиной резкого падения относительного удлинения, сужения и ударной вязкости.

Основной причиной снижения пластических свойств и ударной вязкости металла шва могут быть растворившиеся в нем газы.

Известно, что увеличение напряжения на дуге, т. е. ее удлинение, сопровождается при ручной дуговой сварке увеличением содержания в металле шва кислорода и азота.

Повышение в швах содержания кислорода и азота с увеличением напряжения на дуге подтвердилось также и при сварке в углекислом газе результатами анализа газов в этих швах (табл. ниже).

Попадание в металл шва азота указывает на наличие в составе газовой фазы, контактирующей с жидким металлом, воздуха, проникающего через защитный слой углекислого газа. Можно предположить также, что увеличение содержания газов связано с увеличением времени взаимодействия их с каплями металла при удлинении дугового промежутка.

Содержание кислорода и азота в металле швов, сваренных с различными напряжениями на дуге:

Таким образом, проведенные опыты указывают на необходимость строгого контролирования расхода газа и напряжения на дуге. Оптимальные значения напряжения на дуге при сварке в углекислом газе на обратной полярности проволокой диаметром 2 мм (расход газа на 1000 л/час) приведены ниже.

Сварка с напряжением на дуге более 35 в не может быть рекомендована при данном расходе газа вследствие заметного снижения пластических свойств металла шва.

Влияние расхода углекислого газа на сварку

С увеличением расхода углекислого газа коэффициенты наплавки и расплавления снижаются (рисунок справа). Заметное снижение этих коэффициентов наблюдается при увеличении расхода газа от 0 до 2000 л/час. При дальнейшем увеличении расхода газа коэффициенты практически не изменяются. По-видимому снижение коэффициентов наплавки и расплавления при увеличении расхода газа связано с увеличением степени охлаждения столба дуги вновь поступающими порциями холодного углекислого газа.

Изменение расхода углекислого газа в широких пределах оказывает некоторое влияние на химический состав металла шва. При увеличении расхода газа несколько уменьшается содержание в шве марганца и кремния (таблица ниже). Это связано главным образом с более интенсивным окислением содержащихся в проволоке элементов и подтверждается данными химического анализа металла, наплавленного в медную форму (табл. ниже), позволяющую исключить влияние

Однако при уменьшении расстояния от сопла до изделия, естественно, уменьшается вылет электродной проволоки, что оказывает существенное влияние на коэффициент наплавки. Например, при увеличении вылета проволоки от 20 до 55 мм коэффициент наплавки (рис. слева) возрастает с 14,5 до 25 г/а • час (диаметр проволоки 2 мм, ток 400 а, напряжение на дуге 30-32 в; расход газа 1000 л/час). Это объясняется увеличением степени предварительного подогрева конца электродной проволоки проходящим через нее током. Таким образом, увеличенный вылет электродной проволоки при сварке является эффективным средством повышения производительности процесса. Поэтому сварку в углекислом газе целесообразно производить, при максимально допустимом вылете, выбрав при этом такой расход газа, который обеспечивал бы надежную защиту наплавленного металла. Опыты показали, что при сварке в лабораторных условиях на токе 400 а с расходом газа 1000 л/час и расстоянии от изделия до сопла 32 мм в металле шва поры не обнаруживались, а при увеличении этого расстояния до 35-40 мм в швах появлялись поры даже при увеличенном расходе газа (1200-1250 л/час).

Влияние скорости сварки

При возрастании скорости сварки коэффициенты наплавки и расплавления несколько снижаются (рисунки ниже), а потери металла на разбрызгивание, угар и испарение уменьшаются. Площади наплавки и проплавления с повышением скорости сварки заметно уменьшаются (рисунок справа), причем уменьшение площади наплавки происходит намного быстрее, чем площади проплавления.

В связи с этим, снижается доля наплавленного металла, чем объясняется возрастание при повышении скорости сварки содержания углерода в металле шва и снижение содержания кремния (табл. ниже).

Химический состав металла шва при сварке с различной скоростью:

Результаты механических испытаний (табл. ниже) показывают, что с увеличением скорости сварки прочностные свойства шва несколько повышаются, а пластические незначительно снижаются. Это связано, по-видимому, с увеличением скорости охлаждения металла шва и ухудшением газовой защиты зоны сварки.

Механические свойства металла однопроходного шва при сварке с различной скоростью:

Сварка полуавтоматом в среде углекислого газа для начинающих

Основной особенностью сварки в среде СО2 является вытеснение воздуха при сваривании частей. Это позволяет добиться высокого качества шва. Необходимо учитывать, что железо и углерод, находящиеся в составе заготовок, вступая в химическую реакцию с СО2, окисляются. Для предотвращения окисления следует использовать специализированную проволоку, имеющую в своем составе большое количество кремния и марганца.

Технология накладывания сварного шва в углекислоте

Еще одной особенностью полуавтоматической сварки в газовой среде является возможность применения как прямой, так и обратной полярности. Использование обратной полярности прямого тока отлично подходит для начинающих сварщиков. Такой метод дает возможность легко удерживать дугу. Прямая полярность применяется при необходимости наплавления металла.

Сварка полуавтоматом возможна в различных режимах. Настройку аппарата необходимо производить исходя из толщины металла свариваемых деталей и диаметра проволоки. При повышении сварочного тока увеличивается глубина провара. Так, чем больше толщина металлических частей, тем большую силу тока необходимо установить в настройках.

Подготовка металла к сварке в среде углекислого газа

Зачистка металла перед сваркой

Листы из углеродистой или низколегированной стали хорошо свариваются в углекисло-газовой среде. При толщине листов от 0.6 до 1.0 мм рекомендуется проводить отбортовку кромок. Если отбортовка не выполняется, тогда зазор между подлежащими сварке кромками не должен быть более 0.3-0.5 мм.

При толщине листов от 1 до 8 мм кромки можно не разделывать. Максимальный зазор, который можно при этом допускать — не более 1.0 мм. Для листов толщиной от 8 до 12 мм принято делать V-образную разделку, а при толщине более 12 мм — Х-образную разделку.

До начала сварочного процесса необходимо зачистить на кромке краску, окалину, масло, грязь, или другие загрязнения. Это можно сделать вручную, либо с использованием пескоструйной обработки.

Характеристики сварки в углекислом газе

Газ, применяемый для сваривания полуавтоматом, имеет более высокую плотность, чем воздух. Благодаря этому он вытесняет воздушную массу из сварочной ванны. Он бесцветен и не имеет запаха. К аппарату СО2 подается из баллона, в котором он находится в жидком состоянии под давлением. Подключение баллона осуществляется через специализированный редуктор. Он поддерживает требуемое давление в системе.

Спаивание в среде СО2 можно выполнять на двух видах оборудования:

Выпрямитель. Полуавтоматический аппарат, применяется для дугового сваривания различных заготовок, в том числе и из нержавеющей стали.
Инвертор. Является преобразователем переменного тока в постоянный. Преобразованный ток используется для создания дуги.

Электродом при выполнении полуавтоматической сварки в среде углекислого газа является специализированная проволока. В зависимости от толщины деталей, диаметр и состав проволоки может отличаться.

Какие особенности у этого метода

Уникальность метода в том, что сварка полуавтоматом в среде углекислоты работает на обратной полярности постоянного тока, а это значит, что удержание дуги становится проще. Новичкам будет легче освоить этот способ. Если использовать прямую полярность, то такой шаг приведет к обильному распылению металлических частиц и удержание дуги будет проблематично. Но при многослойных швах, где необходимо сделать дополнительную наплавку, нужно применить прямую полярность, так как эффективность возрастает в два раза.

При выставлении режимов сварки, необходимо обратить внимание на несколько факторов. Напряжение дуги прямо пропорционально диаметру проволоки и толщине свариваемого металла. Чем толще деталь, тем больше требуется диаметр прутка, а следовательно, и увеличение напряжения дуги, чтобы этот металл расплавить. Скорость подачи проволоки тоже будет увеличиваться, этот параметр нужно настроить, отталкиваясь от горения сварочной дуги.

Характеристики углекислого газа для полуавтоматического режима

Углекислота не имеет ни запаха, ни цвета, ни вкуса. Она не является опасной для здоровья мастера, если ее применять в количествах, необходимых для сварки. Также она тяжелее воздуха, что способствует его вытеснению из сварочной ванны.

Под высоким давлением в разжиженном состоянии его пакуют в баллоны по 10,20 и 40 литров. Чтобы удалить излишнюю влагу, рекомендуется баллон перевернуть в вертикальное положение на некоторое время. После этого газ готов для сварочных работ. В аппаратах предусмотрен контроль для подачи углекислоты. Перед покупкой поинтересуйтесь у продавца о возможности дозаправки газа.

Для сварочных работ в среде углекислого газа предусмотрены два вида оборудования:

выпрямители, где ток инвертируется из переменного в постоянный. Такие полуавтоматы используются для любых видов дуговой сварки с помощью разнообразных электродов. Доступно соединение различных металлов, за исключением алюминия;
инверторы. Работают от источника в 220В, они способны преобразовывать переменный ток (на входе) в постоянный, для лучшего удержания дуги.

Подготовительные работы

Для того чтобы получить качественный шов, необходимо подготовить заготовки и настроить оборудование. Спаиваемые части следует предварительно очистить от ржавчины, окислений, лакокрасочных покрытий и т. д.

Настройка оборудования перед работой

Окислы и посторонние примеси могут привести к разбрызгиванию электрода и нарушению качества сварного шва. Для очистки используется наждачная бумага, абразивный камень или пескоструйная обработка. При сваривании тонких листов следует предварительно отбортовать кромки заготовок.

Помимо подготовки деталей перед началом сварки полуавтоматом в среде СО2, необходимо настроить оборудование. Все составляющие подключаются в строгом соответствии с определенной схемой. Для нормальной работы устройства нужно исключить утечку вещества из системы.

После включения полуавтомата в электрическую сеть осуществляется его настройка. В зависимости от толщины металла устанавливается сила тока. При выборе скорости подачи электрода нужно опираться на скорость горения сварочной дуги.

Перед началом работы нужно изучить правила техники безопасности во время выполнения сварочных работ полуавтоматическим сварочным аппаратом в среде углекислого газа. Во время работы используются специализированные средства индивидуальной защиты.

ВНИМАНИЕ: Пренебрежение правилами безопасности может привести к различного рода травмам, ожогам или поражению электричеством!

Технология и методы выполнения работ

После подготовки деталей и правильной настройки оборудования можно приступать к выполнению сварочных работ. При спаивании в среде углекислого газа начальный шов лучше осуществлять при небольшой силе тока. Таким образом удастся избежать деформации спаиваемых заготовок и вероятности возникновения трещин. Подача электрода, независимо от полярности, осуществляется двумя способами:

Углом вперед. С использованием такого метода глубина провара будет небольшой, а шов — широким;
Углом назад. Применяя такой метод, сварщику удается добиться большой глубины провара при малой ширине шва.

Как правильно варить полуавтоматом в углекислоте

По окончании работ сварочная ванна заполняется металлом из проволоки. После того как шов положен, подача проволоки прекращается. Электричество, подаваемое на электрод, следует отключить. Углекислоту, в отличие от напряжения, нужно подавать до полного затвердевания шва. Это дает возможность защитить металл, находящийся под воздействием высокой температуры, от негативного влияния воздушных масс.

После полного затвердевания шва металл кристаллизуется и происходит образование шлака. Для контроля над качеством спаивания необходимо удалить шлак. После остывания он становится хрупким и легко очищается.

Контроль качества спаивания металла

Расход газа при сварке полуавтоматом

Расход защитной среды зависит от следующего:

тип металла или сплава;
собственный диаметр присадочной проволоки;
номинальная величина сварочного тока.

Скорость подачи смеси регулируется при помощи редуктора. Приспособление устанавливают на баллоне с высоким давлением. Существует таблица, согласно, которой происходит настройка оборудования.

При выполнении сварочных работ мастер может снизить потери газовой смеси, для этого необходимо следующее:

производить соединение в закрытом цеху;
применять вентиляцию, предотвратить сквозняки;
привлечение мастеров с высокой квалификацией;
использование смеси защитных веществ.

При снижении количества газа может ухудшиться качество сварочного шва, защитной среды будет недостаточно для защиты от окисления.

Мастер варит полуавтоматом

Расход СО2

Расход газа при спаивании в среде газа СО2 прямо зависит от толщины металлических заготовок, диаметра проволоки и силы тока. На расход влияют и другие факторы. Если работы выполняются на открытом воздухе, то расход газа будет гораздо больше, чем при сваривании в закрытом помещении. Это связано с тем, что ветер сдувает часть газа, подаваемого в сварочную ванну.

Формула расчета

Показатели расхода для сварочной смеси при сварке с полуавтоматом можно выполнить с помощью следующей формулы:

P = Py * T;
Py — показатели удельного расхода газа, о которых заявил производитель;
T — количество основного времени, необходимое, чтобы сварить один проход.

В приведенной ниже таблице указаны нормы потребления газа, на которые оказывают влияние такие показатели: какая в диаметре проволока и какие средние показатели имеет силы тока.

Так как 40-литровый баллон содержит сварочную смесь в количестве 6 000 литров, нетрудно произвести вычисления, сколько времени можно пользоваться одним резервуаром, если процесс сварки происходит непрерывно.

К примеру, расход CO2 при полуавтоматической сварке, когда используется проволока 1 мм в диаметре, составляет от 10 до 11 часов при условии, что процесс происходит непрерывно.

Показатели таких расчетов довольно грубые, ведь здесь не учитывают, сколько газа потребляется при выполнении подготовительных и финишных операций за один проход. Это поможет в определении приблизительной картины. Если потребуются более точные показания, для их проведения может потребоваться расходомер.

Увеличение производительности при работе в среде СО2

Выполняя сварочные работы полуавтоматическим аппаратом в среде углекислого газа, можно повысить производительность несколькими способами:

Увеличить силу тока

При нижнем положении сварки можно увеличить сварочный ток, тем самым повысив КПД. При вертикальном или потолочном положении шва силу тока можно увеличивать только при ускоренной кристаллизации металла.

Увеличение вылета электрода

При применении тонкой проволоки можно повысить производительность, увеличив ее вылет. Такой метод дает возможность повысить скорость плавления электрода. Это увеличивает количество металла, попадающего в сварочную ванну за определенный промежуток времени.

При увеличенном вылете электрода может возникнуть самопроизвольная подача проволоки. Во избежание этого нужно использовать специализированные наконечники. Они изготавливаются из фарфора или керамики.

Режимы полуавтоматической сварки в среде защитных газов

На выбор режима напрямую влияет толщина свариваемого металла. Чем она больше, тем ниже получается скорость сварочного процесса, и тем больше нужна сила тока. Сварочная дуга должна быть как можно более короткой (от 1.5 до 4 мм), иначе она становится неустойчивой, повышается разбрызгивание металла, повышается вероятность насыщения азотом и окисления жидкой ванны.

Сварка в среде защитных газов

Что касается расстояния от мундштука горелки до металла, то оно равняется 7-15 мм при силе тока до 150А, а при значениях до 500А — 15-25 мм.

Преимущества и недостатки

Сварка в углекислом газе СО2 имеет ряд преимуществ. К ним относятся:

Возможность спаивать тонкие листы металла;
Хорошая дуга при выполнении работ. Это особенно удобно для начинающих сварщиков;
Возможна сварка деталей с различными характеристиками;
Металл, находящийся под действием высокой температуры, защищен от влияния воздуха. Это делает шов прочным и не допускает окислений;
Высокое качество места соединения заготовок;
Безопасность в использовании;
Доступность. Приобрести оборудование может любой желающий.

К недостаткам полуавтоматической сварки в среде углекислого газа можно отнести то, что применяемое оборудование более сложное, чем в случае с другими газами.

Из вышеперечисленного следует, что сварка в среде СО2 является доступным способом соединения металлических деталей. Такой способ спаивания отличается высоким качеством и простотой в применении.

Читайте также: