Сварка в защитном газе: режимы, технология, применение, ГОСТ

Технологии реализации сварочных операций применительно к металлическим заготовкам сегодня позволяют добиваться высокого уровня организации процесса с точки зрения безопасности, эргономики и функциональности. Об этом свидетельствует распространение полуавтоматического и роботизированного оборудования для выполнения основных технологических действий при термическом соединении деталей. Параллельно с этим растут и требования к качеству швов. На этом направлении наибольших успехов позволяет добиваться сварка в защитном газе, предусматривающая возможность изоляции рабочей зоны от негативных воздействий атмосферного воздуха.

Суть технологии

Сварочный процесс в защитной газовой среде является производной от объединения нескольких методов термического воздействия на металлы с возможностью структурного соединения заготовок. В первую очередь этот метод базируется на дуговом способе сварки, который сам по себе дает оптимальные возможности управления электродами и поверхностями целевых деталей с конструкциями. В таком формате пользователь может занимать любые пространственные положения, используя мобильное и компактное оборудование. Все это касается организационной эргономики рабочего мероприятия, а суть электрохимических процессов сварки в защитном газе раскрывается спецификой среды, в которой выполняется операция. Для начала надо подчеркнуть значимость защиты сварочной ванны от негативного воздействия атмосферного воздуха. Прямой контакт расплава заготовки с кислородом приводит к образованию шлака на поверхности, окислению покрытия и неконтролируемому легированию структуры металла. Соответственно, для исключения подобных воздействий используются специальные изоляторы – обмазки, сыпучие материалы наподобие флюса и газ, который вводится в рабочую зону специальным оборудованием. Последний способ защиты и обуславливает особенности рассматриваемого метода сварочного производства.

Общие правила сварки по ГОСТу 14771-76

Согласно указанному ГОСТу, данным методом сварки можно выполнять односторонние и двухсторонние швы, используя стыковые, угловые, тавровые и нахлестные соединения. Что касается основных параметров процесса, то к ним относятся следующие:

• Толщина деталей – диапазон от 0,5 до 120 мм.
• Допускаемая погрешность при сварке деталей толщиной от 12 мм – от 2 до 5 мм.
• Наклон поверхности шва допускается только в случае обеспечения плавного перехода от одной заготовки к другой.
• При сварке деталей с существенной разницей в показателях толщины предварительно выполняется скос по направлению от более крупной заготовки к малой.
• Вогнутости и выпуклости угловых швов согласно допускам ГОСТа 14771-76 должны составлять не более 30% от катета формируемого угла, но при этом укладываться в 3 мм.
• Величина допустимого смещения кромок перед сваркой по отношению друг к другу зависит от толщины деталей. Например, в случае с элементами толщиной до 4 мм этот показатель составляет порядка 0,8-1 мм, а если речь идет о 100-миллиметровых заготовках, то дистанция смещения должна будет укладываться в 6 мм.

Применяемые газы для сварки

С точки зрения сварки все газовые среды разделяются на инертные и активные. Поскольку основная задача газовой смеси заключается в изоляционной функции, то наиболее ценными считаются среды, которые никак не влияют на обрабатываемый металл. К таким смесям относятся инертные одноатомные вещества наподобие гелия и аргона. Хотя, в соответствии с ГОСТом, сварка в защитных газах должна производиться в углекислотной среде, причем допускаются и комбинации с кислородными смесями. Что же касается активных газов, то они могут оказывать влияние на металл как в расплавленном, так и в твердом состоянии. Наличие газов в молекулярной структуре металла в целом считается нежелательным, но бывают и исключения, обусловленные спецификой таких сочетаний в разных условиях.

Характер влияния газовой среды на металл

Сразу стоит подчеркнуть именно негативные влияния газа при дуговой сварке на заготовки. При охлаждении и сильном нагреве растворяемые в молекулярной структуре газовые вещества могут стать причиной образования пор, что логично понижает прочностные качества изделия. С другой стороны, атомы водорода и кислорода могут быть полезны в будущих технологических операциях, связанных с легированием. И это не говоря уже о пользе активного защитного газа в сварке аустенитных сплавов и сталей, которые сложно подвергать расплаву, если используются инертные изолирующие смеси. В итоге проблема технологов заключается скорее не в выборе подходящей газовой смеси, а в создании условий, которые могли быть минимизировать вредное влияние активного газа на сварочную ванну и в то же время сохранить положительные эффекты растворимости.

Техника выполнения сварочного процесса

К свариваемой детали и электроду подводится источник электрического тока, который в дальнейшем будет использоваться для создания и поддержания сварочной дуги. С момента розжига дуги оператор должен выдерживать оптимальную дистанцию между электродом и образованной сварочной ванной, учитывая температурные показатели и площадь охвата термического воздействия. Параллельно в рабочую зону подается газ с помощью горелки от подключенного баллона. Вокруг дуги образуется газовая изоляция. Интенсивность образования шва будет зависеть от конфигурации расположения кромок и толщины изделий. Как правило, доля основного металла в структуре шва, который образуется при сварке в защитном газе, составляет 15-35 %. Глубина рабочей зоны при этом может достигать 7 мм, а показатели ее длины и ширины – от 10 до 30 мм.

Основное оборудование для сварки в газовой среде

Набор аппаратов для такого рода операций зависит от режимов и формата производства сварки. Непосредственно техническую базу формируют полуавтоматы, подвесные сварочные головки, источники питания, выпрямители и комплексные автоматические модули с держателями электродов, которые максимально избавляют оператора от выполнения типовых манипуляций. Акцент сегодня делается на механизированную сварку в защитном газе, инфраструктура которой также образуется газовой магистралью, горелками, приспособлениями для удобного размещения оборудования в разных положениях и т. д. На крупных производствах организуются специальные посты с необходимым набором технических средств для сварки. И напротив, оптимизированный формат выполнения таких задач в домашних условиях требует использования всего лишь компактного инвертора с преобразователями и газовым баллоном с регулирующей подачу оснасткой.

Вспомогательное оборудование

Дополнительные технические средства и приспособления преимущественно выполняют коммуникацию между основным оборудованием, а также позволяют решать второстепенные задачи, не связанные напрямую со сваркой. К таким устройствам относятся:

• Инфраструктура газового баллона, в которую входят змеевики, редукторы, подогреватели, кожух и т. д.
• Зачистной инструмент и сепараторы, предназначенные для удаления продуктов сгорания в рабочей зоне. Особенно это касается операций сварки в защитных газах неплавящимся электродом, расплав которого не входит напрямую в структуру изделия. И в процессе операции, и после нее может потребоваться зашкуривание шва.
• Осушитель. Устраняет и регулирует влажность, которая содержится в углекислом газе. Своего рода влагопоглотитель, работающий при высоких или низких давлениях.
• Фильтрационные устройства. Очищают потоки газа от нежелательных твердых частиц, также обеспечивая чистоту сварного шва.
• Измерительное оборудование. Обычно используют манометры для отслеживания показателей того же давления и расходомеры газа.

Режимы сварки и их параметры

Подходы к организации сварочного процесса в данном случае различаются по нескольким критериям, в итоге позволяющим говорить о выделении различных режимов работы. Например, способы различаются по принципу технического выполнения задачи – ручные, полуавтоматические и автоматические. В более детальном расчете режимов сварки в защитных газах принимаются во внимание следующие параметры:

• Сила тока – диапазон от 30 до 550 А. Как правило, большинство типовых операций требуют подключения источников на 80-120 А.
• Толщина электрода – от 4 до 12 мм.
• Напряжение – от 20 до 100 Вт в среднем.
• Скорость сварки – от 30 до 60 м/ч.
• Расход газовой смеси – от 7 до 12 л/мин.

Выбор конкретных показателей во многом зависит от типа металла, толщины заготовки, условий проведения операции и требований к формируемому соединению.

Ручная сварка

Ключевую роль в процессе играют навыки оператора и характеристики электрода. Сварщик практически весь процесс держит под своим контролем, ориентируя дугу относительно рабочей поверхности и отслеживая параметры подачи газовой смеси от баллона. В плане рабочих показателей на первый план выйдет плотность и сила тока, а также длина сварочного пути. При ручной сварке в защитном газе чаще всего выполняется несколько проходов, особенно если обрабатывается толстая заготовка. В остальных случаях увеличение количества проходов связано с необходимостью коррекции шва, изменения его длины и характеристик наплавки.

Полуавтоматическая сварка

Сегодня это наиболее популярный режим сварочного производства в защитной среде. Главным отличием этого способа от ручного является наличие элементов механизации с выпрямителями и возможностью автоматической подачи проволоки из специальной катушки. При полуавтоматической сварке в защитном газе оператору не нужно прерываться на замену расходных материалов, однако техника взаимодействия дуги с поверхностью заготовки все так же зависит от пользователя. Оператор отслеживает процесс формирования сварочного соединения, корректируя параметры тока, меняя угол наклона и т. д.

Автоматическая сварка

Полностью механизированный процесс сварки, при котором пользователь может лишь косвенно влиять на параметры подачи расходников, газовой смеси и порошкового флюса. Технически операция обеспечивается многофункциональными станциями и платформами с роботизированной аппаратурой. На узкоспециализированных современных производствах для автоматической сварки в защитном газе используется так называемый трактор, в конструкции которого предусмотрены все необходимые функциональные узлы. Это мобильный автомат, перемещающийся в процессе выполнения сварки по линии образования шва и вместе с этим направляющий защитные смеси в сварочную зону. Обязательным компонентом таких модулей является блок управления, в который изначально закладывается набор алгоритмов с действиями для каждого исполнительного органа.

Заключение

Применение методов защиты сварочной ванны от кислорода позволяет если не устранять полностью, то минимизировать характерные дефекты при формировании шва. Это касается непроваров, трещин, прожогов, наплывов и других изъянов, которые могут возникать по причине контакта расплавленной поверхности заготовки с открытым воздухом. К преимуществам сварки в защитных газах перед техникой применения флюса можно отнести и отсутствие необходимости удаления шлама в рабочей зоне. При этом сохраняются и другие положительные качества процесса наподобие возможности визуального наблюдения за качеством образуемого соединения. Если же говорить о недостатках метода, то его негативные факторы заключаются в тепловой и световой радиации дуги, что требует обеспечения специальных мер в отношении индивидуальной защиты сварщика.