Сварка в инертных газах

Среди дуговых методов сварки имеются такие, у которых защита металла сварочной ванны от взаимодействия с воздухом осуществляется инертными газами. К ним относятся сварка в аргоне, гелии и в смеси аргона с гелием.

Инертные газы не оказывают какого-либо металлургического воздействия на расплавленный металл, а лишь оттесняют от него воздух. Поэтому, если в металле содержится кислород, то в расплавленном металле ванночки в результате реакций окисления могут появиться поры, вследствие чего сварку в инертных газах не рекомендуется применять для плохо раскисленных металлов.

Сварка в инертных газах может выполняться неплавящимся и плавящимся электродами (рис. 2.20, а, б).

Рис. 2.20. Схема сварки в инертном газе:

а — неплавящимся электродом; б — плавящимся электродом; 1 — горелка;

• 2 — неплавящийся (вольфрамовый) электрод; 3 — присадочная проволока;
• 4 — свариваемая деталь; 5 — электродная проволока (плавящийся электрод);
• 6 — механизм подачи проволоки

В качестве неплавящегося электрода применяется пруток вольфрама, а плавящегося — проволока из основного металла или близкого к нему по химическому составу.

Сварка неплавящимся электродом по способу механизации бывает ручной, полуавтоматической и автоматической. При ручной сварке сварщик самостоятельно подает присадочную проволоку в зону дуги, где она оплавляется, и перемещает горелку вдоль стыка свариваемого изделия. На рис. 2.21 приведена схема поста для сварки (полуавтоматической) в защитном газе плавящимся электродом на положительном токе.

Если механизируется одно из этих перемещений, например подача проволоки в зону дуги, то сварку относят к полуавтоматической, если оба перемещения — к автоматической. На рис. 2.22 приведена схема автомата АДСВ-2 для аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом.

Рис. 2.21. Схема поста для сварки.

Рис. 2.22. Схема автомата АДСВ-2:

• 1 — сварочная горелка; 2 — самоходная тележка; 3 — вольфрамовый электрод; 4 — присадочная проволока; 5 — подающий ролик; 6 — прижимной ролик;
• 7 — барабан для сварочной проволоки; 8 — пульт управления

При сварке вольфрамовым электродом дуга горит очень устойчиво даже при малой плотности тока благодаря высокой термоэмиссионной способности вольфрама. Поэтому удается сваривать небольшие, до ОД мм, толщины металла.

При сварке обычным вольфрамовым электродом плотность тока не может быть большой, так как вольфрам оплавляется. Это снижает производительность сварки. Электроды с добавкой иттрия позволяют существенно увеличить допустимые плотности тока и повысить проплавляющую способность дуги. При сварке вольфрамовым электродом деталей больших толщин применяют более мощные трехфазные дуги.

При сварке плавящимся электродом дуга горит между концом проволоки, непрерывно подаваемой по мере ее оплавления в зону сварки (рис. 2.20, б), и изделием. Сварка плавящимся электродом может быть автоматической и полуавтоматической. В первом случае подача проволоки в дугу, поддержание постоянной длины дуги и передвижение горелки вдоль свариваемых кромок осуществляется автоматически. Во втором случае автоматизирована подача проволоки, а передвижение горелки вдоль шва производится вручную. При сварке плавящимся электродом можно применять ток большой плотности, что повышает проплавляющую способность дуги. Однако механические свойства сварных соединений, особенно из легких сплавов, при сварке вольфрамовым электродом несколько выше, чем при сварке плавящимся электродом, и качество их стабильнее. Поэтому, если требуются высокая прочность и плотность наплавленного металла, то сварка вольфрамовым электродом, чаще всего трехфазной дугой, применяется и для металлов больших толщин.

В авиационной промышленности широко применяется сварка в инертных газах, и прежде всего аргонодуговая. Она является основным методом сварки многих ответственных узлов и конструкций. Это объясняется следующими основными причинами.

1. Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом позволяет сваривать толщины металла порядка 0,1—0,2 мм. Пониженное давление дуги обеспечивает сварку на весу с полным проплавлением стыковых соединений без применения поддерживающих подкладок. На рис. 2.23 в качестве примера приведен сваренный аргонодуговой сваркой сильфон.

Подобные сильфоны необходимы и применяются в конструкциях современных самолетов.

Рис. 2.23. Сварной сильфон для пассажирского самолета. Сварка аргонодуговая.

• 2. Сварка возможна в любых пространственных положениях. Это делает аргонодуговую сварку незаменимой в ряде случаев для соединения трубопроводов летательных аппаратов при их окончательной сборке, где приходится сваривать неповоротные стыки. В настоящее время созданы для этой цели различные устройства, в которых сварочная головка вращается вокруг свариваемого стыка, а само изделие остается неподвижным. Специальные источники питания обеспечивают программированное изменение основных параметров режима в зависимости от пространственного положения головки.
• 3. Аргон как инертный газ обеспечивает высококачественную защиту расплавленного металла. Поэтому при аргонодуговой сварке химический состав шва остается близким по составу к основному металлу. Выгорание легирующих элементов шва будет минимальным. Это способствует широкому применению аргонодуговой сварки при изготовлении силовых узлов из легированных сталей.
• 4. При аргонодуговой сварке алюминиевых, магниевых и бериллиевых сплавов не требуется применять флюсы, так как оксидная пленка, препятствующая образованию шва, активно разрушается в результате катодного распыления.
• 5. Возможна сварка практически всех металлов и сплавов. Кроме названных, аргонодуговой сваркой можно сваривать медь и ее сплавы, тугоплавкие металлы. Однако при сварке последних, а также титановых сплавов, как известно, необходимо обеспечивать улучшенную защиту не только металла сварочной ванны, но и корня шва. Струйной защиты аргоном при помощи обычной горелки в таких случаях недостаточно. В сложных конструкциях создать надлежащую защиту с помощью накладных ползунов и специальных подкладок с поддувом аргона снизу не удается. Решением проблемы является аргонодуговая сварка в контролируемой атмосфере, когда изделие или отдельные узлы помещают в специальные камеры, заполняемые аргоном. Размер камеры зависит от габаритов свариваемых конструкций. При сварке небольших деталей применяются камеры, в которых имеются смотровые люки и люки для рукавов с резиновыми перчатками. Рукава прикреплены герметически к стенкам камеры. Перед откачкой воздуха в камеру помещают свариваемые детали, горелку для сварки и присадочную проволоку. С помощью вакуумных насосов в камере создается разрежение в 1,33—0,133 Па, затем она заполняется аргоном. Для повышения чистоты атмосферы проводят часто вторичную откачку, после чего камера окончательно заполняется аргоном под давлением, немного превышающим атмосферное.

На рис. 2.24 приведена камера для аргонодуговой сварки в контролируемой атмосфере, применяемых на авиационных заводах.

Камера предназначена для ручной сварки, которую проводит один сварщик через люки (показаны в закрытом состоянии).

Рис. 2.24. Камера для сварки в атмосфере аргона.

Повышение производительности может быть достигнуто последовательной работой двух камер (см. рис. 2.24): во время сварки в одной из них в другой идет подготовка к сварке. При наличии мощных вакуумных насосов время подготовки камеры к работе сокращается до 10 мин.

Сварка сложных конструкций и конструкций больших габаритов осуществляется в специальных обитаемых камерах, в которых создается атмосфера аргона. Для производства таких работ сварщик в специальном скафандре через шлюз входит в камеру.

Несмотря на высокое качество защитной атмосферы в подобных камерах, они имеют существенный недостаток: их габариты определяются размерами изделий. В то же время иногда достаточно обеспечить местную защитную атмосферу в камерах аргоном, который подается внутрь их и вытесняет воздух.

Внедрение аргонодуговой сварки в подобных камерах позволило освоить высококачественную сварку трубопроводов с толщиной стенки 0,65—1 мм, диаметром 6—25 мм, деталей шасси и других узлов на ряде пассажирских самолетов, в том числе Як-40, Як-42, Ил-86. Кроме того, это позволило заменить в силовых узлах шасси сталь высокопрочным титановым сплавом.

Еще один способ создания контролируемой атмосферы реализован в мягких камерах. Камера, изготовленная из плотной пленки, складывается. При этом из нее вытесняется воздух. Затем камера заполняется аргоном. Для улучшения чистоты атмосферы камера может складываться еще раз и вновь заполняться аргоном, который распрямляет ее. В камере имеются отверстия для резиновых перчаток, с помощью которых сварщик вручную производит аргонодуговую сварку деталей.

Среди разновидностей аргонодуговой сварки особое место занимает импульсная аргонодуговая сварка. Сущность процесса импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом состоит в том, что на горящую дугу постоянного тока накладываются мощные кратковременные импульсы тока, которые обеспечивают формирование при плавлении электрода капель необходимого размера и улучшают перенос их в сварочную ванну. Характер изменения тока на рис. 2.25, а.

при импульсной сварке показан.

Рис. 2.25. Характер изменения тока при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом в защитных газах [а) и разнополярным импульсом (б):

1_{0 д} — ток основной дуги; /_{и д} — ток импульсной дуги; /_св — сварочный ток; 1_{П П} — ток при прямой полярности; 1_{о п} — ток при обратной полярности; Г_им — время протекания импульса тока Под действием импульса тока, значительно большего по величине, чем ток в постоянно горящей дуге, происходит ускорение оплавления электродной проволоки. Капли металла, образующиеся на конце электрода, сбрасываются в сварочную ванну и (что очень важно) приобретают направленное движение. Направленность движения капли уменьшает разбрызгивание металла, позволяет производить сварку во всех пространственных положениях. Особенностью этого способа является возможность изменения соотношения силы тока основной дуги и импульса, что позволяет менять характер образования и отрыва капель с электрода, регулировать момент образования капли, ее размеры и характер переноса в сварочную ванную по заранее заданной постоянной программе и по программе с автокоррекцией.

Применение автокоррекции позволяет полностью автоматизировать импульсно-дуговую сварку изделий во всех пространственных положениях, обеспечивая при этом высокую производительность и необходимые геометрические размеры и свойства шва.

Импульсное изменение тока оказывает большое влияние на ванночку жидкого металла. С изменением соотношения параметров импульса тока и его частоты меняются форма и размеры швов; условия их кристаллизации при обычной аргонодуговой сварке и при импульсно-дуговой сварке различны. Способ сочетает непрерывное перемещение дуги вдоль шва с прерывистым его плавлением. Изменяя амплитуду, длительность импульсов и пауз между ними, можно существенно влиять на скорость кристаллизации сварочной ванны и ее размеры.

Импульсная дуга благоприятно действует и на структуру околошовной зоны, в том числе уменьшает размеры зоны разупрочнения и деформации.

Благодаря особому характеру электродинамических сил при импульсной сварке происходит увеличение (по сравнению с обычной) глубины проплавления, снижение потребляемого количества электроэнергии.

При импульсно-дуговом способе сварки повышается стабильность горения дуги, что позволяет значительно снизить нижний предел сварочного тока, соответствующий устойчивому горению дуги. Например, при импульсной сварке алюминия в аргоне проволокой диаметром 1,5 мм устойчивое горение дуги обеспечивается при 30 А вместо 250—280 А.

Источники питания для импульсно-дуговой сварки могут применяться в виде обычных сварочных источников тока в блоке со специальными генераторами импульсов.

При импульсно-дуговой сварке вольфрамовым электродом для устойчивости горения дуги между электродом и свариваемым изделием постоянно горит малоамперная «дежурная» дуга, на которую накладывается импульсная дуга. Благодаря наличию «дежурной» дуги катодное пятно не блуждает, а стабилизируется на конце электрода, обеспечивая тем самым необходимую термоэлектронную эмиссию с конца электрода и постоянно поддерживает в ионизированном состоянии дуговой промежуток. В результате этого импульсная дуга легко возбуждается, что обеспечивает стабильность процесса.

Импульсная сварка вольфрамовым электродом прежде всего применяется для сварки тонкого материала, так как кратковременное расплавление небольшой сварочной ванны позволяет избежать прожогов. Условия сварки при импульсном процессе улучшаются, так как уменьшается температурное поле перед дугой, вследствие чего не происходит больших тепловых деформаций сварочных кромок тонкого металла, до того как они будут расплавлены дугой. Такие деформации при сварке постоянно горящей дугой поднимают кромки над подкладкой, повышая вероятность прожогов.

Импульсная дуговая сварка может производиться и на переменном токе. Интересен пример применения аргонодуговой сварки неплавящимся электродом легких сплавов разнополярным импульсом тока. Специальный источник питания позволяет подавать импульсы как прямой, так и обратной полярности. Известно, что при сварке легких сплавов (алюминиевые, магниевые) оксидная пленка разрушается при обратной полярности, когда изделие является катодом, а электрод — анодом. Однако положительно заряженный электрод разрушается при меньшей плотности тока, чем отрицательно заряженный. При сварке разнополярными импульсами амплитуду тока импульса при обратной полярности выбирают поэтому меньше, чем при прямой. Изменение сварочного тока во времени при разноимпульсной сварке показано на рис. 2.25, б. С помощью сварки разнополярным импульсом были сварены алюминиевые сплавы толщиной 15—20 мм за один проход.

Также как и при импульсной аргонодуговой сварке плавящимся электродом, импульсная сварка неплавящимся электродом обеспечивает лучшие условия кристаллизации расплавленного металла, меньшую зону термического влияния и деформацию изделий, улучшает формирование шва при сварке в потолочном положении.

Повысить эффективность воздействия обычной дуги на металл можно с помощью концентрации ее энергии на меньшей площади, чего можно добиться благодаря соответствующему изменению размеров анодного пятна при сварке на постоянном токе. В настоящее время разработаны эффективные активирующие флюсы, которые уменьшают размер анодного пятна, изменяют проводимость столба дуги, стабилизируют анодное и катодное пятно. Это существенно увеличивает проплавление при аргонодуговой сварке титановых сплавов и сталей. В результате применения активирующих флюсов появилась возможность сваривать без скоса кромок вольфрамовым электродом металл с полным проплавлением толщиной 6—10 мм. Активирующие флюсы позволяют получать швы с узким проплавом, что оказывает положительное влияние на уменьшение деформаций при сварке, сокращает зону термического влияния. На рис. 2.26 показан пример изделия, сваренного аргонодутовой сваркой.

Рис. 2.26. Аргонодуговая автоматическая сварка конструкции из сплава АМ_{-б Одним из высокопроизводительных способов аргонодуговой сварки толстолистового материала является сварка погруженной дугой, производимой как плавящимся, так и неплавящимся электродом. Наиболее широко применяется сварка погруженным вольфрамовым электродом.

Сварка погруженной дугой. Увеличение проплавленной способности достигается одновременным повышением интенсивности теплового и силового воздействия дуги. С увеличением силы тока под давлением дуги происходит оттеснение под электродом жидкого металла. Дуга при этом погружается в сварочную ванну (рис. 2.27), а поддержание заданного напряжения (длины) дуги осуществляется опусканием электрода. Давление дуги уравновешивается металлостатическим давлением жидкого металла. Поэтому эффект погружения дуги тем больше, чем меньше плотность свариваемого металла. В соответствии с этим металлы большей плотности сваривают на большем токе и пониженной скорости.

Рис. 2.27. Схема сварки погруженной дугой.

При этом методе вольфрамовый электрод затачивают на конус с притуплением. Диаметр плоского конца электрода (притупления) порядка 2 мм. В процессе горения дуги по мере увеличения силы тока катодное пятно дуги покрывает всю площадь притупления. Столб дуги имеет четко выраженную цилиндрическую форму, и давление, оказываемое им на сварочную ванну, в этом случае максимально. Жидкий металл выдавливается из-под электрода, который опускают ниже поверхности свариваемого металла. Глубина погружения электрода определяется высотой столба жидкого металла, уравновешенного давлением дуги. Этим методом можно встык, без разделки кромок, за один проход сварить стальные алюминиевые или титановые детали толщиной 10 мм. При этом тепловое воздействие дуги на свариваемые детали меньше, чем при обычной аргонодутовой сварке, а КПД ее выше.

Высокое качество сварного соединения при аргонодуговой сварке достигается в результате поперечных колебаний дуги благодаря ее перемещению в магнитном поле специальной катушки или колебаниям электрода вместе со сварочной горелкой с помощью механического привода. Дуга, перемещаясь поперек шва с заданной частотой и амплитудой, которые можно регулировать, создает в переходной зоне и шве режим импульсного нагрева, оказывает на сварочную ванну давление, меняющееся по величине. Последние наряду с особым тепловым режимом способствуют образованию благоприятной структуры шва и околошовной зоны, снижению склонности к образованию трещин. Поэтому такая технология с успехом используется при сварке изделий из высокопрочных сталей, в этом числе корпусов двигателей летательных аппаратов, работающих на твердом топливе.

Рекомендуемые типы сварных соединений для аргонодуговой сварки неплавящимся и плавящимся электродами приведены на рис. 2.28.

Рис. 2.28. Виды соединений для аргонодуговой сварки:

а—г, к—о — для сварки плавящимся и неплавящимся электродом; д—и — для сварки неплавящимся электродом (вариант для алюминиевых и магниевых сплавов) Сварка в инертных газах имеет неоспоримое достоинство и широкий диапазон применения в авиационной технике. Однако при ее назначении конструктор должен учитывать повышенную стоимость сварки изделий этим методом по сравнению, например, с автоматической под флюсом, возможность образования пористости при сварке недостаточно раскисленных металлов, нарушения нормального процесса сварки на открытых площадках, на сквозняке, где ухудшается газовая защита металла.

Наибольшее распространение в авиационной промышленности получила сварка в аргоне. Однако в ряде случаев применяются в качестве защитных газов гелий, смеси инертных газов, инертного и активного (например, аргона с углекислым газом) и т. п. Чаще всего это осуществляют для повышения проплавляющей способности дуги и улучшения формирования шва.