Сварка и наплавка в среде защитных газов

Отличительной особенностью этих термических способов восстановления деталей является применение газовой защитной среды. Наплавка в защитных газах предпочтительнее наплавки под флюсом во многих случаях, например при восстановлении валов малого диаметра, внутренних поверхностей втулок и др. В качестве защитных газов используются инертные (аргон и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот и др.), а также водяной пар или смеси инертных и активных газов. Наибольшее применение на практике нашли сварочный углекислый газ и аргон высшего и первого сортов. Их поставляют и хранят в стальных баллонах: углекислый газ в сжиженном состоянии под давлением 7 МПа, а аргон в сжатом газообразном состоянии под давлением 15 МПа. Наилучшую защиту обеспечивают инертные газы, однако они существенно дороже и применяются в обоснованных случаях.

Сварка и наплавка в среде углекислого газа. Высокую производительность обеспечивает автоматическая наплавка в среде углекислого газа. Сущность способа заключается в том, что сварочная дуга и расплавленный металл защищаются от вредного влияния воздуха струей углекислого газа, подаваемого в сварочную зону. Под действием высокой температуры углекислый газ разлагается на окись углерода и атомарный кислород. Окись углерода не растворима в жидком металле и защищает сварочную ванну от насыщения атмосферными газами, т. е. предупреждает образование пористости шва. Атомарный же кислород взаимодействует с содержащимися в сварочной проволоке элементами-раскислителями (Mn, Si) и образует на поверхности сварочной ванны флюсовую пленку из их окислов. Последняя выполняет роль дополнительной защиты сварочной ванны при случайном нарушении сплошности потока углекислого газа, вызываемой порывами ветра, резкими движениями сварочной горелки и другими причинами.

Сварку и наплавку в углекислом газе ведут с помощью специального оборудования или обычных шланговых полуавтоматов и наплавочных головок. Их применяют при ремонте металлоконструкций из листовой стали небольшой толщины, а также для устранения дефектов резьбы, осей, зубьев, пальцев, шеек валов и т.д. В отличие от наплавки под слоем флюса, наплавка в среде углекислого газа может применяться для деталей небольших диаметров.

Принципиальная схема сварки в среде углекислого газа показана на рис. 4.27, а.

Сварочная проволока 5 (плавящийся электрод) подается из кассеты 4 роликовым механизмом 3 в зону сварки. Дуга 9 горит между заготовкой 1 и сварочной проволокой. Источник питания 8 обеспечивает постоянное напряжение сварки и высокочастотное импульсное напряжение для зажигания дуги, которое передается на сварочную проволоку через мундштук 6. Углекислый газ, поступающий из баллона в зону сварки по патрубку 7 под давлением 0,05—0,2 МПа, вытесняет воздух из зоны сварки и тем самым защищает электрическую дугу и расплавленный металл от вредного действия кислорода и азота воздуха.

Рис.4.27. Схемы сварки в среде защитных газов: а — схема сварки в среде углекислого газа; б — схема сварки в среде аргона; 1 — заготовка; 2 — сварочная ванна; 3 — роликовый механизм; 4 — кассета; 5 — сварочная проволока (электрод); 6 — мундштук; 7 — патрубок; 8 — источник питания; 9 — дуга; 10 — сварной шов; 11 — присадочная проволока

Механизированную наплавку в углекислом газе обычно выполняют на переоборудованном токарном станке, в патроне которого устанавливают восстанавливаемую деталь 8 (рис. 4.28), а на суппорте — наплавочную головку 2 типа АБС, А-384, А-580 и др.

Углекислый газ из баллона 7 подается в зону горения через электрический подогреватель 6 и влагопоглотитель 5, содержащий обезвоженный медный купорос или силикагель для поглощения содержащейся в газе влаги. Необходимое давление газа устанавливают с помощью редуктора 4, а расход газа контролируют расходомером 3 (например, редуктором-расходомером или ротаметром типа РС-3, PC-ЗА и др.).

Так как под действием высокой температуры сварочной дуги углекислый газ разлагается на оксид углерода и атомарный кислород, то при отсутствии в сварочной ванне достаточного количества раскисляющих элементов (марганца, кремния, титана, хрома), происходит окисление свариваемого металла и легирующих элементов, что ухудшает качество сварки. Поэтому для сварки в углекислом газе углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием марганца и кремния (Св-08ГС, Св-10Г2С, Св-12Х13, СВ-06Х19Н9Т, Нп-ЗОХГСА и др.).

Последние, взаимодействуя с кислородом, образуют на поверхности шва пленку, защищающую его материал от окисления. Сварку выполняют проволокой диаметром 0,5—2 мм при плотности тока не менее 80—100 А/мм2.

Наплавка в углекислом газе сопровождается интенсивным разбрызгиванием, вследствие которого наплавляемая поверхность покрывается слоем застывших капель. При несвоевременном их удалении в наплавленном слое образуются скрытые дефекты в виде несплавлений (непроваров), поэтому необходимо достаточно часто прекращать наплавку для зачистки детали, что увеличивает трудоемкость наплавки.

При сварке в углекислом газе разбрызгивание расплавленного металла может составлять 10—12 %. Для его уменьшения в качестве защитной среды применяют газовую смесь углекислого газа с кислородом. Замена последним 20—30 % углекислого газа обуславливает уменьшение капель электродного металла и, как следствие, его разбрызгивание.

Для сварки в углекислом газе рекомендуется применять порошковую проволоку, например ПП-Р18Т, ПП-Р19Т, ПП-4Х28Г и др. Содержащиеся в ней шлакообразующие и газообразующие компоненты, раскислители и легирующие элементы улучшают защиту расплавленного металла, уменьшают его разбрызгивание и улучшают качество сварного шва.

Наплавка в среде углекислого газа проводится на постоянном токе обратной полярности. Тип и марку электрода выбирают в зависимости от материала восстанавливаемой детали и требуемых физико-механических свойств наплавленного слоя. Скорость подачи проволоки зависит от силы тока, а скорость наплавки — от толщины наплавляемого металла и требований к качеству формирования наплавленного слоя. Наплавку валиков осуществляют с шагом 2,5—3,5 мм, при этом каждый последующий валик должен перекрывать предыдущий не менее чем на 1/3 его ширины.

Твердость наплавленного металла в зависимости от марки и типа электродной проволоки составляет 200—300 НВ.

Расход углекислого газа зависит от диаметра электродной проволоки, скорости наплавки, формы изделия и наличия движения воздуха.

Если защита углекислым газом неэффективна или невозможна, например, из-за конструктивных особенностей сварного соединения, то рекомендуется применять разновидность порошковой проволоки — самозащитную проволоку, оболочка которой изготовлена из легированной стали, а наполнитель содержит соединения редкоземельных металлов. Такая проволока обеспечивает устойчивость горения дуги и хорошее раскисление металла без использования газовой защитной среды.

Достоинствами способа наплавки в углекислом газе являются:

— меньшие по сравнению с наплавкой под флюсом зона термического влияния и нагрев деталей, что позволяет качественно наплавлять детали диаметром менее 40 мм;

— возможность наплавки при любом пространственном положении детали;

— более высокая (на 20—30 %) производительность процесса;

— отсутствие трудоемкой операции по удалению шлаковой корки и очистке наплавленного металла;

— меньшая удельная стоимость восстановительных работ.

Недостатки данного способа:

— значительное разбрызгивание металла;

— необходимость применения электродной проволоки с повышенным содержанием легирующих элементов для получения наплавленного металла с теми же свойствами;

— ограниченные возможности легирования наплавленного металла;

— открытое световое излучение дуги.

Для наплавки в среде защитных газов применяют:

— специальные автоматы и установки АГП-2, АДСП-2, УДАР-300, УДГ-501;

— полуавтоматы А-547Р, Л-537, ПШП-10;

— преобразователи ПСГ-350, ПСГ-500 и др.

Аргонодуговая сварка и наплавка. Аргон, являясь инертным газом, надежно защищает расплавленный металл от окисления кислородом воздуха. Благодаря этому наплавленный слой не имеет пор. Однако при сварке в чистом аргоне имеют место узкое проплавление, которое приводит к «непровару» в корне шва. Причиной этого является более низкое теплосодержание аргоновой дуги по сравнению с дугой, горящей в углекислом газе. Добавка в аргон углекислого газа увеличивает температуру дуги и увеличивает ширину проплавления.

В зависимости от толщины свариваемого металла количество добавляемого СО₂ составляет: для листов толщиной до 4 мм — 5 %; для листов с толщиной 4—10 мм — 12 %; для листов толщиной более 10 мм — 25 %. Повышение качества сварки обеспечивается добавкой к аргону кислорода, обеспечивающего образование на поверхности сварочной ванны флюсовой пленки из их окислов. Практикой установлено, что добавление к аргону 10—12 % углекислого газа и 2—3 % кислорода способствует повышению устойчивости горения дуги и улучшению формирования слоя наплавленного металла. С целью экономии аргона применяют комбинированную защиту дуги струями аргона (внутренняя) и углекислого газа (наружная). В этом случае в 3—4 раза сокращается расход аргона без ухудшения качества защиты.

Аргонодуговую сварку выполняют неплавящимся и плавящимся электродами. Ее применяют для соединения цветных (алюминия, меди) и тугоплавких (титана, циркония) металлов и содержащих эти элементы сплавов, а также легированных и высоколегированных сталей. Сварка может выполняться в любом пространственном положении. Электродуговая наплавка неплавящимся электродом (вольфрамовым) в среде аргона широко используется для восстановления деталей из алюминиевых сплавов и титана.

Сварку неплавящимся вольфрамовым электродом производят по схеме, представленной на рис. 4.27, б. От схемы сварки в среде углекислого газа (см. рис. 4.27, а) она отличается применением неплавящегося электрода 5 и подачей в зону сварки электродной проволоки 11. Такой способ сварки применяют, как правило, при соединении металла толщиной 0,8—6 мм. По данной схеме возможна сварка и без присадочного материала (при толщине деталей до 3 мм). Кроме стандартной проволоки присадочный материал может применяться также в виде прутков (ручная сварка). В обоих случаях присадочный материал по химическому составу должен быть сходен со свариваемым металлом. Диаметр присадочной проволоки выбирают в пределах 0,5—0,7 диаметра вольфрамового электрода.

Неплавящиеся электроды имеют диаметр 0,2—12 мм. Силу тока выбирают из расчета 100 А на 1 мм диаметра электрода, а сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. В этом случае дуга горит устойчиво при напряжении 10—15 В и минимальном токе 10 А. Это обеспечивает возможность сварки металла толщиной всего 0,8—1,0 мм.

Основные параметры режима сварки: диаметр сварочной проволоки 0,5—6,5 мм; сила тока до 600 А; напряжение дуги 10—30 В; скорость сварки 0,1—0,8 м/мин.

Обратная полярность при сварке неплавящимся электродом применяется редко из-за меньшей устойчивости горения дуги и снижения стойкости электрода. Однако обратная полярность обладает и положительным свойством, состоящим в удалении окислов с поверхности свариваемого металла. Это свойство дуги обратной полярности используют при сварке алюминия и его сплавов с питанием дуги от специальных источников переменного тока, снабженных стабилизатором горения дуги. В этом случае сочетаются преимущества способов сварки при прямой и обратной полярности.

Для сварки листового металла толщиной 0,2—1,5 мм применяют автоматическую сварку неплавящимся электродом в импульсном режиме горения дуги, который позволяет существенно снизить передачу тепла свариваемым деталям и за счет этого уменьшить их минимальную толщину по сравнению со сваркой непрерывно горящей дугой.

Сварка плавящимся электродом выполняется механизированным способом по схеме, показанной на рис. 4.27, а на постоянном токе обратной полярности. Этим способом сваривают детали толщиной 1—20 мм при следующих основных параметрах режима сварки: диаметр сварочной проволоки 0,6—3 мм; сила сварочного тока 12—250 А; напряжение дуги 20—30 В; скорость сварки 0,2—4 м/мин.

Хорошее качество сварного шва обеспечивается при плотности тока 100 А/мм2 и более, так как с ее увеличением уменьшается размер капель металла, переносимого с электрода в сварочную ванну. При меньшей же плотности тока размер переносимых капель металла существенно увеличивается, возрастает его разбрызгивание и уменьшается глубина проплавления основного металла, что ухудшает качество сварки.

Для обеспечения возможности сварки при высокой плотности тока используют проволоку малого диаметра (0,6—3 мм) и большую скорость ее подачи.

В настоящее время для сварки в защитных газах преимущественно используются сварочные выпрямители. Практика показывает, что диодные выпрямители обеспечивают лучшую устойчивость дуги, чем тиристорные, однако сварочное напряжение в диодных выпрямителях изменяется при колебаниях напряжения в питающей сети. В тиристорных выпрямителях напряжение дуги не зависит от колебания сетевого напряжения.

Преимуществами аргонодугового способа сварки являются:

— высокая производительность процесса (в 3—4 раза выше, чем при газовой сварке);

— высокая механическая прочность сварного шва;

— небольшая зона термического влияния.

Основной недостаток этого способа — высокая стоимость процесса (в 3 раза выше, чем при газовой сварке) из-за применения более дорогого защитного газа.

Дата добавления: 2014-01-03