Применение газовых смесей в электродуговой сварке

Нет нужды подробно описывать значимость дуговой сварки для строительства и промышленности — она очевидна. В то же время при проведении сварочных работ остро стоит вопрос о предотвращении вредных воздействий атмосферных газов на расплавленный металл. Одним из наиболее распространенных способов защиты является сварка в среде инертных газов. Общая схема дуговой сварки в защитных газах представлена на рис. 1.

Созданная с помощью источника питания разность потенциалов между электродом и обрабатываемой деталью приводит к возникновению электрического тока, теплота же, выделенная при его протекании расплавляет место контакта. По мере отдаления электрода от поверхности свариваемого изделия электрическая цепь не разрывается, так как происходит загорание дуги — воздух, насыщенный парами металла и ионизированных вследствие высокой температуры газов, обретает свойства проводника. При сварке плавящимся электродом металл на конце электродной проволоки постоянно расплавляется под действием высоких температур и переносится на обрабатываемое изделие за счет разности потенциалов на концах дуги. Впрочем, на каплю переносимого с электрода металла действуют и другие силы. Прежде всего, это сила поверхностного натяжения, пропорциональная работе, которую необходимо затратить на образование новой поверхности раздела фаз. Чем больше поверхностное натяжение, тем сложнее «оторвать» каплю металла от основного тела электрода. А значит, перенос металла происходит крупными порциями (крупнокапельный перенос), ведь при увеличении размера капли ее объем растет быстрее, чем поверхность до момента, пока электрическая сила, действующая по всему объему, не превзойдет по величине силу поверхностного натяжения. Ток, текущий в том числе, и через переносимый с электрода на изделие металл, создает дополнительные электродинамические силы. Их радиальные составляющие, сжимают каплю. Однако возможно возникновение и осевых составляющих электродинамической силы, ускоряющей, либо наоборот, замедляющей движение частицы металла.

Рис. 1. Общая схема дуговой сварки в защитных газах

Дело в том, что ток входит в готовую оторваться каплю из электрода, а выходит в канал ионизированного воздуха. И если площадь сечения электрода больше сечения активного пятна — места соприкосновения капли металла с этим каналом, то линии тока сходятся и возникает осевая составляющая электродинамической силы, направленная против движения капли. Если же наоборот, активное пятно шире, чем электродная проволока, линии тока расходятся, порождая силу, направленную от электрода к сварному шву (рис. 2). Кроме указанных, на движение капли металла оказывают влияние силы аэродинамического сопротивления, и реактивные силы испарения паров металла с поверхности капли.

Рис. 2. Направление осевой составляющей электромагнитной силы в зависимости от соотношения площадей активного пятна на поверхности капли и сечения шейки электрода

Высокая температура в дуговом пространстве способствует диссоциации атмосферных газов — кислорода, и даже инертного в обычных условиях азота, до атомарного состояния. Атомарные азот и кислород вступают в реакцию с расплавленным металлом в сварочной ванне, образуя вредные примеси. Среди них стоит выделить оксид железа(II) FeO, который, растворяясь в расплавленном металле, значительно ухудшает его свойства. Нитриды железа, образующиеся при взаимодействии с азотом, влияют на свойства стали двояко — с одной стороны увеличивая ее прочность, с другой - уменьшая пластичность и ударную вязкость. В целом соединения азота повышают склонность металла к старению и хладоломкости, поэтому полезными их назвать сложно. Более того, азот сам по себе может образовывать поры в сварочном шве, снижая его прочностные качества. Кроме азота порообразование может вызывать и водород, образуемый в дуговом пространстве при разложении молекул воды или каких-либо органических веществ, находившихся на поверхности свариваемых деталей.

Все вышесказанное свидетельствует о необходимости как тщательного очищения свариваемых поверхностей, так и защиты расплавленного металла в сварочной ванне от негативного влияния атмосферных газов. Последнее достигается сваркой под флюсом, покрытыми электродами либо в защитных газах. Наиболее широкое распространение получили технологии сварки изделий в защитных газах.

При этом нельзя однозначно указать наилучший газ или газовую смесь. Дело в том, что на качество сварного шва влияет не только конечный состав металла, но и способ его переноса с электрода в сварочную ванну. Наиболее оптимальным считается мелкокапельный (струйный) перенос, который достигается обычно при высоких токах. Большие токи способствуют дальнейшему нагреванию расплавленного металла на конце электрода, что приводит к уменьшению поверхностного натяжения, и следовательно, позволяет добиться отрыва более мелких капель (с большей удельной поверхностью). Кроме того, увеличение температуры способствует испарению металла с поверхности капли и повышению парциального давления его паров в дуговом пространстве. Это в свою очередь приводит к увеличению сечения столба дуги и размеров активных пятен. В результате сечение активных пятен превышает сечение электрода и осевая составляющая электродинамической силы ориентируется в сторону сварного шва, способствуя отрыву капель. Благодаря совокупности описанных факторов при определенном значении тока, называемом критическим, наблюдается резкое уменьшение диаметра капель и переход процесса переноса металла с электрода в сварочную ванну в струйный режим. Это позволяет уменьшить разбрызгивание материала, кроме того, сжимающее действие электромагнитных сил интенсифицирует поток газов и металла. В результате под дугой уменьшается прослойка жидкого металла, в сварочной же ванне появляется местное углубление. Повышается теплопередача к основному металлу, и шов приобретает специфическую форму с повышенной глубиной проплавления по его оси.

Подобный характер переноса металла вполне достижим в случае применения в качестве защитного газа аргона, который, к тому же качественно защищает сварочную ванну от воздействия воздуха. В то же время добиться струйного переноса металла в атмосфере углекислого газа непросто. Прежде всего, потому, что процессы диссоциации углекислоты в околодуговом пространстве приводят к уменьшению активных пятен, что обращает осевую составляющую электродинамической силы в направлении электрода. Это препятствует отрыву капель и способствует установлению режима крупнокапельного переноса, увеличивая разбрызгивание и уменьшая глубину проплавления. Однако сварка в углекислоте позволяет улучшить качество материала шва, способствуя выносу растворенных в расплавленном металле газов в атмосферу, что уменьшает пористость сварного соединения.

Поэтому достаточно часто для сварки применяют смесь защитных газов — к аргону, обеспечивающему удовлетворительный характер переноса металл, добавляют небольшое количество углекислоты, улучшающей конечные свойства шва.

Самое интересное, что в смеси сварочных газов иногда добавляют и кислород. Казалось бы, нонсенс - столько усилий, чтобы защититься от негативного влияния воздуха, где кислород выступает в качестве самого агрессивного компонента, а тут его вводят нарочно! Тем не менее, именно этот элемент обладает способностью, растворяясь в расплавленной стали, наиболее эффективно снижать ее поверхностное натяжение. Что как уже говорилось выше, способствует уменьшению размера капель металла, отрываемых от электрода. В результате перехода к струйному переносу металла можно добиться при более низких токах. Некоторое представление о влиянии состава защитной газовой смеси на характеристики дуговой сварки и механические свойства металла в сварном шве можно получить из табл.1 и табл.2 (сварка проволокой Св-10ГСМТ диаметром 1,4 мм).

Таблица 1. Характеристики процесса сварки для разных газовых смесей

Защитный газ Iсв, А Uд, В Q, кг/ч Y, % aнб, %
СО2 200-210 22-23 2.3 4.7 1.5
300-310 30-33 4.3 6.7 2.0
97%Ar +3% O2 200-210 21-22 3.0 1.4 0.2
300-310 29-30 4.3 0.5 -
82%Ar + 18% CO2 200-210 24-25 3.7 3.8 0.3
300-310 30-31 6.0 2.9 0.3
78%Ar + 20% CO2 + 2% O2 200-210 25-26 3.7 3.2 0.2
300-310 30-31 6.0 2.9 0.2
86%Ar + 12% CO2 + 2% O2 200-210 21-22 3.1 1.4 0.2
300-310 29-30 4.4 0.5 -

Примечание. Iсв — ток сварки; Uд — напряжение дуги; Q — количество наплавленного металла в единицу времени; Y — коэффициент потерь металла на разбрызгивание, aнб — коэффициент набрызгивания, определяющий трудозатраты на удаление брызг с поверхности свариваемых деталей.

Таблица 2. Механические свойства наплавленного металла

Защитный газ St, Мпа Sб, Мпа d, % Y, % KCU, Дж/см2
20 ˚C -40 ˚C
СО2 401 546 27.0 62.4 14.1 8.4
97%Ar +3% O2 385 590 28.0 60.0 20.0 12.0
82%Ar + 18% CO2 395 580 30.0 65.0 24.0 16.0
78%Ar + 20% CO2 + 2% O2 392 583 29.5 63.5 23.5 15.3
86%Ar + 12% CO2 + 2% O2 390 585 29.0 63.0 24.0 15.8

Примечание. St — предел текучести; Sб — предел прочности; d — относительное удлинение; Y — относительное укорочение; KCU — ударная вязкость.

Впрочем, для сварки легированных сталей или цветных металлов, легко окисляющихся кислородом, его применение недопустимо. В этом случае часто используют смеси аргона с гелием. Вообще говоря, характеристики дуги в гелии выше, чем в аргоне. Так, при одинаковых токах напряжение дуги в гелии более высоко, а сама дуга имеет лучшую проплавляющую способность. При этом, в отличии от аргонодуговой сварки, для которой характерно по большей части неравномерное проплавление– более глубокое в центре и меньшее по краям ванн, сварка в гелии обеспечивает равномерное формирование шва. Существенным недостатком гелия является, пожалуй, лишь его дороговизна. Которая делает оправданным применение данного газа при сварке лишь достаточно недешевых марок стали или других металлов.

Таким образом подбирать инертный газ, или газовую смесь для дуговой сварки следует, сообразуясь с условиями конкретной ситуации. Перечислим газовые смеси, получившие наибольшее распространение: A — аргон, С — углекислота, О — кислород, Н — гелий.

Газовая смесь А82С18. Это наиболее универсальная из всех смесей для углеродисто-конструкционных сталей. Состоит из 82 % аргона и 18 % углекислого газа. Подходит практически для всех типов материалов.

Газовая смесь А92С6О2. Эта смесь состоит из 92% аргона, 6 % углекислого газа, 2 % кислорода. Разработана для листовых и узких профильных (сортовых) сталей. Дает устойчивую дугу с низким уровнем разбрызгивания, небольшим усилением и плоским гладким профилем сварного шва. Смесь превосходна для глубокого провара и идеально подходит для сварки листового металла.

Газовая смесь А92С8. Эта смесь состоит из 92 % аргона, 8 % углекислого газа. Аналогична предыдущей. Дает прекрасный результат при сварке низколегированных и нержавеющих сталей.

Газовая смесь А86С12О2. Это смесь 86 % аргона, 12% углекислого газа, 2 % кислорода. Дает устойчивую дугу с широкой зоной нагрева и хорошим проваром профиля, подходит для глубокого провара, сварки коротких швов и для наплавки. Может использоваться для сварки во всех положениях. Идеально подходит для ручной, автоматической и сварки с применением робота-автомата.

Газовая смесь А78С20О2. Это смесь 78 % аргона, 20 % углекислого газа, 2 % кислорода. Специально разработана для глубокого провара широкого ассортимента профилей. Применяется для наплавки и сварки толстых прокатных (сортовых) сталей.

Газовая смесь А43Н55С2. Это смесь 55 % гелия, 43 % аргона, 2 % углекислого газа. Придает низкий уровень сварочному армированию и обеспечивает высокую скорость сварки. Смесь хорошо подходит для автоматической сварки и для применения роботов-автоматов с использованием широкого спектра толщин свариваемых материалов.

Газовая смесь А60Н38С2. Это смесь 38 % гелия, 60 % аргона, 2 % углекислого газа. Придает стабильность дуге, что обеспечивает низкий уровень разбрызгивания и снижает вероятность появления дефектов шва. Данная газовая смесь рекомендуется для сварки материалов толщиной свыше 9 мм.

Надо сказать, что кроме дуговой сварки плавящимся электродом, возможна сварка деталей электродом неплавящимся, например вольфрамовым. В данном случае главной задачей газовых смесей остается защита сварочной ванны от действия воздуха и формирование дуги, способствующей более эффективному проплавлению и дальнейшему формированию шва. Для этого применяют, в том числе, нижеследующие смеси.

Газовая смесь Н30А70. Это инертная газовая смесь, состоящая из 30 % гелия и 70 % аргона. Дает более эффективный нагрев, чем аргон. Увеличивается проплавление и скорость сварки, способствует формированию более ровной поверхности шва.

Газовая смесь Н50А50. Это инертная газовая смесь, состоящая из 50 % гелия и 50 % аргона. Наиболее универсальная газовая смесь, подходит для сварки материалов практически любой толщины.

В целом, умело, подобрав газовую смесь можно значительно увеличить скорость сварки и качество сварного шва, уменьшить трудозатраты на последующую обработку сварных соединений. Поэтому в последнее время дуговая сварка в газовых смесях постоянно увеличивает свою долю в общем объеме сварочных работ, вытесняя сварку в атмосфере чистого углекислого газа и другие методы защиты.

Максим Рассоха