Особенности сварки плавящимся и неплавящимся электродами

Особенности сварки плавящимся и неплавящимся электродами
План
1. Особенности технологии
2. Разновидности и предназначение
3.Угольные
 4.Графитовые
 5.Вольфрамовые
6. Сварка расходных сталей
7.. Образование и строение зоны сплавления деффузионных прослоек в зоне сплавления расходных сталей
8. Рекомендации по сварки расходных сталей
9. Выбор способа сварки сварочных материалов


Отличие сварки неплавящимся и плавящимся электродом
Даже при самом поверхностном ознакомлении с техникой сварки сразу замечаешь, что приспособлений и материалов, непосредственно участвующих в сварочном процессе, насчитывается большое количество.
Покрытые или неплавящиеся электроды для дуговой сварки относятся к категории таких изделий, востребованных при работе в защитной среде инертного газа при сваривании цветных металлов и их сплавов.
Особенности технологии
За счёт применения неплавящихся расходных материалов удаётся получить высококачественные сварные соединения, однако производительность операций с покрытыми электродами оставляет желать лучшего.
Они не в состоянии конкурировать с полуавтоматическими сварочными технологиями, при которых используются специальные плавящиеся электроды.
Таким образом, при изучении действующих методик обнаруживается, что используемый при дуговой сварке электрод может быть плавящимся и неплавящимся (покрытым). Рассмотрим каждую их этих разновидностей более основательно.
Особое распространение графитовые стержни получили при сварке проводов и других изделий из меди.
В ольфрамовые
Вольфрамовые неплавящиеся электроды неплавящегося типа относятся к разряду самого востребованного на производстве и в бытовых условиях расходного материала.
С их помощью удаётся обрабатывать в защитной среде аргона или других газов разнообразные марки металлов, включая алюминий.
Они изготавливаются в форме длинного покрытого прутка с диаметром от 1-го до 4-х миллиметров и очень тугоплавки. Температура плавления такого электрода намного превышает тот же показатель для рабочей дуги, вследствие чего он обладает универсальными свойствами и может применяться даже для сварки сложной в обработке нержавейки.
Вольфрамовые неплавящиеся электроды могут делать с добавлением тория, оксида лантана (лантанированные) или иттрия. Каждая из марок предназначена для определенного вида сварки.
Плавящийся вид
Ручная дуговая сварка с применением плавящегося электрода относится к разряду универсальных подходов, поскольку может проводиться практически в любых условиях.
Этот способ организации сварочного процесса позволяет оператору комфортно работать даже в самых труднодоступных местах. Однако наряду с указанными достоинствами этот метод имеет ряд существенных недостатков, проявляющихся в следующем:

• 
  небольшая глубина проплавления обрабатываемого металла;
  
• 
  низкая производительность процесса сварки, что объясняется малыми уровнями рабочих токов;
  
• 
  нестабильность ручной сварки, заметно уступающей автоматизированным приёмам сплавления.
  

Сущность данного способа обработки металлов состоит в использовании энергии электрической дуги, искусственно создаваемой между свариваемой заготовкой и электродом.Под действием высоких температур металл в зоне сварки интенсивно плавится и образует так называемую «сварочную ванну». На завершающей стадии работ на месте расплава (после его остывания) должен получиться аккуратный шов.По внешнему виду плавящийся электрод – это типовой металлический стержень с нанесённым на его поверхность покрытием определенной структуры и толщины.
Основные параметры, определяющие размеры так называемых «обмазанных» электродов, их разбивку по типам и предъявляемые к ним требования регламентируются действующими стандартами (ГОС Т 9467-75, в частности).
Согласно этим данным самый распространённый диаметр электродных стержней – в пределах от 3-х до 6-ти миллиметров. Указанный показатель определяется как толщина стержня, без учёта имеющегося рабочего покрытия.Со снижением этой величины, а также при увеличении общей длины электрода изменяется и его проводимость, что естественно приводит к сильному нагреванию в процессе сварки.В случае чрезмерного нагрева стержень быстро плавится (говорят, что она начинает «течь»). Одновременно с этим сгорают и входящие в состав покрытия органические компоненты, теряя свои защитные свойства.Чем лучше варитьДля правильного выбора нужного метода желательно оценить каждый из них с точки зрения потребности в данных конкретных условиях. Для этого надо сравнить возможности разных электродов и определимся с наиболее оптимальным вариантом.Прежде всего, необходимость сварки неплавящимися (или покрытыми) стержнями возникает лишь в тех случаях, когда предстоит работать с разнородными по структуре материалами. При этом характер сварных процедур (их подготовка и само сплавление) заметно усложняется и требует значительных усилий со стороны сварщика.Таким образом, выбор операций с неплавящимся электродом целесообразен лишь как крайний случай, когда безнего невозможно решение поставленной перед сварщиком задачи.Во всех же остальных ситуациях вполне можно обходиться достаточно простыми и дешёвыми плавящимися электродами. Тем более что данный метод с течением времени постоянно совершенствуется и позволяет получить достаточно качественный сварной шов.Сварка (в частности, металлов) — это технологический процесс, в результате которого получают неразъёмное соединение за счет установления атомных связей между свариваемыми частями. Процесс производится при местном или общем нагреве, пластическом деформировании или при одновременном действии этих факторов. В результате взаимодействия детали и электрода между ними образуется электрическая дуга. За счет этого происходит плавление кромок заготовок.Сварка неплавящимся электродом (также сварка в защитных газах неплавящимся электродом) — это разновидность сварки, в которой источником теплоты выступает дуговой разряд, возникающий между вольфрамовым или графитовым электродом и изделием. Этот тип является разновидностью методов дуговой сварки плавлением. Даная технология используется в основном для обработки алюминия, магния и их сплавов, а также прочих неферромагнитных металлов (например, нержавеющей стали, бронзы, меди, циркония, никеля).Графитовые (угольные) электроды в настоящие время находят ограниченное применение. Используются обычно при изготовлении изделий, имеющих неответственное назначение. Наиболее часто в качестве неплавящего электрода используют стержни из вольфрама. Поскольку вольфрам при высоких температурах имеет весьма высокую химическую активность к кислороду, то процесс проводят в среде защитных газов: аргон, гелий и азот. Эти газы являются по отношению к вольфраму и вольфрамовым сплавам инертными.
Разновидности сварки
Выделяют 4 виды сварки неплавящимся электродом. Разделение происходит в зависимости от сложности работы и уровня механизации сварочного процесса.

1. 
   Ручная;
   
2. 
   Механизированная;
   
3. 
   Автоматизированная;
   
4. 
   Роботизированная.
   

Во время ручного вида рабочий ход горелки и смещение заготовки происходит ручным способом. При механизированном виде перемещение горелки происходит вручную, а подача присадочного материала — механически.
При автоматизированном варианте и перемещении сварочной горелки, и подача присадочного материала (проволока) полностью механизированы. Технологический процесс контролирует оператор.
В процессе роботизированного вида все технологические процессы автономны. Рабочие процессы происходят без вмешательства оператора, самостоятельно.
Описание процесса
Неплавящиеся электроды

Как уже упоминалось, используют неплавящиеся электроды двух видов: угольные (или графитовые) и вольфрамовые. Первые используются теперь редко и для неответственных конструкций. Вольфрамовые используются намного шире и чаще. Их толщина от 0,5 мм до 10 мм. Сам стержень может быть как из чистого вольфрама, так и иметь в составе различные примеси: лантан, торий, иттрий. Сплавы по сравнению с чистым материалом имеют лучшие показатели эрозивной стойкости, а также лучше держат токовую нагрузку. Диаметр стержня подбирают в зависимости от силы используемого тока и толщины заготовок, которые сваривают.
Параметры технологичного процесса
Наиболее часто при сварке неплавящимся электродом используют постоянный ток прямой полярности, так как в этом режиме происходит максимальная проплавка металла деталей, которые подлежат соединению. Это достигается за счет эффективного использование энергии: до 85% тепловой энергии идет на проплавку деталей, до 7% - на нагрев электрода, остальное — лучевые потери.
плавящимся электродом шов образуется вследствие расплавления электрода и кромок основного металла. При сварке неплавящимся электродом шов заполняется металлом свариваемых частей.
К плавящимся электродам относят стальные, медные и алюминиевые, к неплавящимся — угольные, графитовые (графитизированные — искусственный графит) и вольфрамовые (вольфрамовые сплавы).
При горении дуги плавящийся электрод по мере его плавления необходимо непрерывно подавать в дугу (в зону сварки) и поддерживать по возможности постоянную длину дуги. Длиной дуги называют расстояние между концом электрода и поверхностью кратера (углубления) в сварочной ванне. При горении дуги с неплавящимся электродом длина дуги с течением времени возрастает и в процессе сварки необходима корректировка.
Процесс, при котором образуется неразрывное соединение формированием межатомных связей с применением местного или общего нагрева скрепляемых участков известен под понятием сварка. Сварка может выполняться плавящимся, а также неплавящимся электродом. Причем сварка плавящимся электродом может реализовываться в среде защитных газов (например, аргонодуговая сварка) и покрытыми плавящимися электродами (ручная сварка).
Особенности сварочного процесса в среде инертных газов
При сваривании плавящимся электродом в среде защитных газов в зону дуги, которая находится между сварочной проволокой (электродом) и деталью подается через специальное сопло защитный газ (обычно это аргон), который защищает электродные капли металла, закристаллизованный металл и металл, находящийся в сварочной ванне от воздействия активных составляющих атмосферных газов. Тепло сварочной дуги расплавляет плавящийся электрод (электродную проволоку) и края свариваемых деталей.
При аргонодуговой сварке плавящимся электродом обычно используется постоянное напряжение обратной полярности, так как при переменном напряжении защитный газ интенсивно охлаждает столб дуги и возникает ее прерывание.
Скорость подачи к детали электродной проволоки напрямую влияет на силу сварочного тока. Сварка плавящимся электродом характерна высокими потерями электродного материала из-за угара и разбрызгивания.
Данный вид сварки имеет следующие основные преимущества:
прочная и надежная защита свариваемого участка;
высокая плотность предоставляемой мощности, которая воздействует на относительно небольшой участок;
механизированная сварка плавящимся электродом обеспечивает достаточно высокую производительность;
низкая чувствительность к оксидным пленкам;
Классификация электродуговой сварки плавящимся электродом
Классификация осуществляется в зависимости от полярности и рода напряжения, свойств применяемых электродов, типа сварочной дуги, вида защиты сварочной зоны от атмосферного воздуха, степени механизации процесса и пр.
В зависимости от степени механизации дуговая сварка бывает:
ручная;
полуавтоматическая;
автоматическая. — источник:
Электрошлаковая сварка применяется для соединения изделий любой толщины в вертикальном положении. Листы устанавливают с зазором между свариваемыми кромками. В зону сварки подают проволоку и флюс. Дуга горит только в начале процесса. В дальнейшем после расплавления определённого количества флюса дуга гаснет, и ток проходит через расплавленный шлак.
Контактная сварка осуществляется при нагреве деталей электрическим током и их пластической деформации (сдавливании) в месте нагрева. Местный нагрев достигается за счёт сопротивления электрическому току свариваемых деталей в месте их контакта. Существует несколько видов контактной сварки, отличающихся формой сварного соединения, технологическими особенностями, способами подвода тока и питания электроэнергией.
Виды контактной сварки:
· стыковой контактной сварке свариваемые части соединяют по поверхности стыкуемых торцов.
· точечной контактной сваркой соединение элементов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов, подводящих ток и передающих усилие сжатия.
· рельефная контактная сварка осуществляется на отдельных участках по заранее подготовленным выступам - рельефам.
· шовной контактной сварке соединение элементов выполняется внахлёстку вращающимися дисковыми электродами в виде непрерывного или прерывистого шва.
Электронно-лучевая сварка. Сущность процесса сварки электронным лучом состоит в использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. При бомбардировке поверхности металла электронами подавляющая часть их кинетической энергии превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла.
Для сварки необходимо: получить свободные электроны, сконцентрировать их и сообщить им большую скорость, чтобы увеличить их энергию, которая при торможении электронов в свариваемом металле превращается в теплоту.
Электронно-лучевой сваркой сваривают тугоплавкие и редкие металлы, высокопрочные, жаропрочные и коррозионностойкие сплавы и стали.
Диффузионная сварка в вакууме имеет следующие преимущества: металл не доводится до расплавления, что даёт возможность получить более прочные сварные соединения и высокую точность размеров изделий; позволяет сваривать разнородные материалы: сталь с алюминием, вольфрамом, титаном, металлокерамикой, молибденом, медь с алюминием и титаном, титан с платиной и т. п.
Плазменной сваркой можно сваривать как однородные, так и разнородные металлы, а также неметаллические материалы. Температура плазменной дуги, применяемой в сварочной технике, достигает 30 000 C. Для получения плазменной дуги применяются плазмотроны с дугой прямого или косвенного действия. В плазмотронах прямого действия плазменная дуга образуется между вольфрамовым электродом и основным металлом. Сопло в таком случае электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации дуги. В плазмотронах косвенного действия плазменная дуга создаётся между вольфрамовым электродом и соплом, а струя плазмы выделяется из столба дуги в виде факела. Дугу плазменного действия называют плазменной струёй. Для образования сжатой дуги вдоль её столба через канал в сопле пропускается нейтральный одноатомный (аргон, гелий) или двухатомный газ (азот, водород и другие газы, и их смеси). Газ сжимает столб дуги, повышая тем самым температуру столба.
Лазерная сварка. Лазер - оптический квантовый генератор (ОПГ). Излучателем - активным элементом - в ОРГ могут быть:
1) твёрдые тела - стекло с неодимом, рубин и др.;
2) жидкости - растворы окиси неодима, красители и др.;
3) газы и газовые смеси - водород, азот, углекислый газ и др.;
4) полупроводниковые монокристаллы - арсениды галлия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др. Обрабатывать можно металлы и неметаллические материалы в атмосфере, вакууме и в различных газах. При этом луч лазера свободно проникает через стекло, кварц, воздух.
Холодная сварка металлов. Сущность этого вида сварки состоит в том, что при приложении большого давления к соединяемым элементам в месте их контакта происходит пластическая деформация, способствующая возникновению межатомных сил сцепления и приводящая к образованию металлических связей. Сварка производится без применения нагрева. Холодной сваркой можно получать соединения стык, внахлёстку и тавр. Этим способом сваривают пластичные металлы: медь, алюминий и его сплавы, свинец, олово, титан.
Сварка трением выполняется в твёрдом состоянии под воздействием теплоты, возникающей при трении поверхностей свариваемых деталей, с последующим приложением сжимающих усилий. Прочное сварное соединение образуется в результате возникновения металлических связей между контактирующими поверхностями свариваемых деталей.
Высокочастотная сварка основана на нагревании металла пропусканием через него токов высокой частоты с последующим сдавливанием обжимными роликами. Такая сварка может производиться с подводом тока контактами и с индукционным подводом тока.
Сварка ультразвуком. При сварке ультразвуком неразъёмное соединение металлов образуется при одновременном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. Этот способ применяется при сварке металлов, чувствительных к нагреву, пластичных металлов, неметаллических материалов.
Сварка взрывом основана на воздействии направленных кратковременных сверхвысоких давлений энергии взрыва порядка (100...200) Х 108 Па на свариваемые детали. Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, при плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическим и химическими свойствами, а также при сварке деталей из разнородных металлов и сплавов.
Термины и определения основных понятий по сварке металлов устанавливает ГОСТ 2601-84.
Сварной шов - это закристаллизовавшийся металл, который в процессе сварки находился в расплавленном состоянии.
Сварное соединение - ограниченный участок конструкции, содержащий один или несколько сварных швов.
Сварные соединения подразделяются на несколько типов, определяемых взаимным расположением свариваемых деталей. Основными из них являются стыковые, угловые, тавровые, нахлёсточные и торцовые соединения. Для образования этих соединений и обеспечения требуемого качества должны быть заранее подготовлены кромки элементов конструкций, соединяемых сваркой. Формы подготовки кромок для ручной дуговой сварки стали и сплавов на железоникелевой и никелевой основе установлены ГОСТ 5264-80.
3.1 Виды сварных соединений
В зависимости от характера сопряжения свариваемых деталей различают следующие виды сварных соединений:
· стыковые соединения;
· угловые соединения;
· тавровые соединения;
· нахлесточные соединения;
· торцовые соединения.
Стыковым соединением называется сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцевыми поверхностями и размещенных на одной поверхности или в одной плоскости.
ГОСТ 5264-80 предусмотрено 32 типа стыковых соединений, условно обозначенных Cl, C2, С28 и т.д., имеющих различную подготовку кромок в зависимости от толщины, расположения свариваемых элементов, технологии сварки и наличия оборудования для обработки кромок. При большой толщине металла ручной сваркой невозможно обеспечить проплавление кромок на всю толщину, поэтому делают разделку кромок, т.е. скос их с двух или одной стороны. Кромки скашивают на строгальном станке или термической резкой (плазменной, газокислородной). Общий угол скоса (50±4)°, такая подготовка называется односторонней со скосом двух кромок. При этом должна быть выдержана величина притупления (нескошенной части) и зазор, величины которых установлены стандартом в зависимости от толщины металла. Шов стыкового соединения называют стыковым швом, а подварочный шов - это меньшая часть двустороннего шва, выполняемая предварительно для предотвращения прожогов при последующей сварке основного шва или накладываемая в последнюю очередь, после его выполнения.
При подготовке кромок стали толщиной 8-120 мм. Обе кромки свариваемых элементов скашивают с двух сторон на угол (25±2)° каждую, при этом общий угол скоса составляет (50 ± 4)°, притупление и зазор устанавливаются стандартом в зависимости от толщины стали. Такая подготовка называется двусторонней со скосом двух кромок. При этой подготовке усложняется обработка кромок, но зато резко уменьшается объем наплавленного металла по сравнению с односторонней подготовкой. Стандартом предусмотрено несколько вариантов двусторонней подготовки кромок: подготовка только одной верхней кромки, применяемая при вертикальном расположении деталей, подготовка с неравномерным пс толщине скосом кромок и др.
Угловым соединением называют соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев. Таких соединений насчитывается 10: от У1 до У10.
Для толщины металла 3-60 мм кромку примыкающего элемента скашивают под углом (45±2) 1°, сварной шов основной и подварочный. При этой же толщине и сквозном проваре можно обойтись без подварочного шва. Часто применяют угловое соединение со стальной подкладкой, которая обеспечивает надежный провар элементов по всему сечению. При толщине металла 8-100 мм применяют двустороннюю разделку примыкающего элемента под углом (45±2)°.
Тавровым соединением называют сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом и приварен угловыми швами к боковой поверхности другого элемента. Стандартом предусмотрено несколько типов таких соединений: с Т1 по Т9. Распространенным является соединение, для металла толщиной 2-40 мм. Для такого соединения никакого скоса кромок не делают, а обеспечивают ровную обрезку примыкающего элемента и ровную поверхность другого элемента.

Среднеуглеродистые стали свариваются электродами УОНИ-13/45, УП-1/45, УП-2/45, ОЗС-2, УОНИ-13/55, К-5А, УОНИ-13/65 и др. (Таблица 2).
Сварочными материалами
называют расходные материалы, используемые при сварке.
Сварочные материалы могут выполнять следующие функции:
обеспечение необходимых геометрических размеров сварного шва;
получение металла сварного шва с требуемым химическим составом и свойствами;
· обеспечение защиты расплавленного металла от воздействия воздуха - газовой, шлаковой или газошлаковой;
обеспечение стабильности процесса сварки;
Виды сварочных материалов
Сварочные электроды и проволока обеспечивают подачу электрического питания в зону сварки для нагрева. Плавящиеся покрытые электроды, порошковая и активированная проволока, защитный флюс для дуговой сварки содержат специальные компоненты, которые могут предназначаться для защиты металла от воздуха, поддержания стабильности процесса сварки, получения необходимого химического состава металла шва и т.п. Присадочный пруток вводится в сварной шов при сварке.
Основная роль защитных газов - обеспечение газовой защиты расплавленного металла от воздуха. К защитным газам относятся инертные (аргон, гелий и их смеси) и активные газы (углекислый газ и его смеси).
Инертные газы не вступают в химические реакции с
металлом и в нем практически не растворяются. Активные газы вступают в химические реакции с металлом или растворяются в нем.
Горючие газы и газы, поддерживающие горение применяются при газовой сварке и резке. К ним относятся ацетилен, пропан-бутановые смеси, метилацетилен-алленовая фракция (МАФ), водород, а также поддерживающий горение кислород.
Керамические подкладки используют для обеспечения высококачественного шва и формирования обратного валика.
Сварочные материалы (электроды, проволоку, присадочные прутки) также подразделяют по типу свариваемых сталей и металлов: для сварки углеродистых сталей, низколегированных сталей, нержавеющих сталей, алюминия, меди, чугуна и т.п.
Активность углерода (по сравнению с другими элементами) объясняется малыми размерами его атома, образующего с железом твердые растворы внедрения. При всех температурах диффузионная подвижность углерода в a-железе заметно выше, чем в более плотноупакован- ной решетке у-железа. При этом коэффициент диффузии углерода в a-Fe выше, чем в y-Fe, при 910; 755 и 500 °С соответственно в 39; 126 и 835 раз. Диффузионная подвижность других легирующих элементов, образующих растворы замещения, значительно меньше и проявляется лишь при температуре более 1000 °С.
Такое соотношение диффузионной подвижности углерода и других легирующих элементов приводит к перемещению углерода через границу сплавления, что сопровождается образованием обезуглероженной безперлитной прослойки со стороны углеродистой или низколегированной составляющей и науглероженной - со стороны высоколегированной. Процесс начинается в условиях сварки и получает существенное развитие при повторных нагревах в процессе высокотемпературной эксплуатации. Наибольшее развитие прослойки получают в сварных соединениях углеродистых сталей с высоколегированными аустенитными или ферритными сталями с повышенным содержанием хрома и других энергичных карбидообразующих элементов. Высокое содержание хрома в аустенитных сталях вследствие большего химического сродства к углероду, чем у железа, предопределяет сильное понижение его активности в аустените. Углерод стремится закрепиться у атомов хрома, и активность к перемещению его понижается. Кроме того, более высокая растворимость углерода в аустените также определяет более низкую активность углерода в аустените, чем в феррите. Поэтому сварное соединение, в котором аустенитная сталь типа 08Х18Н10 находится в контакте с углеродистой или низко- и даже среднелегированной сталью, всегда склонно к образованию диффузионной неоднородности при нагреве.
Кинетика роста ширины обезуглероженных и науглероженных прослоек в соответствии с общими закономерностями диффузионного процесса определяется экспоненциальной зависимостью от температуры и квадратической от времени выдержки. Результатом развития прослоек является образование в зоне сплавления участков переменного состава и переходных структур, что приводит к резкому скачкообразному изменению свойств на участке очень малой протяженности.
Наиболее заметны результаты влияния процессов миграции углерода на свойства зоны сплавления при измерении твердости в поперечном сечении сварного соединения. Для примера на рис. 11 представлен график изменения твердости в зоне сплавления сварного соединения стали ЗОХМА с металлом шва 08Х18Н10 после нагрева при 700 °С в течение 100 ч. Перемещение углерода из стали ЗОХМА в аустенитный шов привело к образованию науглероженной прослойки с высокой твердостью, порядка HV 500, и примыкающей к ней обезуглероженной с твердостью всего ЯК 100. Рядом с обезуглероженной прослойкой на стали ЗОХМА создается неширокая зона частичной закалки с твердостью ~ HV 300. Образование такой неоднородности свойств способно значительно ухудшить различные характеристики общих свойств сварных соединений. Так, в участках с повышенной твердостью увеличивается склонность к образованию холодных трещин. В малопрочном обсзуглсрожснном слое при высокотемпературной эксплуатации соединений укрупняется зерно, падает прочность и возможно разрушение вследствие развития высокотемпературной ползучести.