Заваряване в защитна газова среда

Заваряването е един от най-широко използваните технологични процеси в промишлеността за получаването на монолитни неразглобяеми съединения. Металните конструкции, чиито детайли са съединени посредством заваряване, се характеризират с по-проста и лека конструкция в сравнение с металните конструкции, чиито детайли са съединени с друг вид връзка. Недостатъците обикновено се свеждат до наличието на остатъчни заваръчни напрежения, които създават опасност от влошаване на механичните качества и повишаване на крехкостта на метала около местата на заваряване.

Съществуват голям брой методи и разновидности на заваряването, които могат да бъдат класифицирани по различни признаци. Сред най-широко използваните е дъговото заваряване в защитна газова среда. Поради немалкото му технологични и икономически предимства използването на този метод на заваряване непрекъснато нараства. Като технологични предимства могат да се посочат относителната простота на процеса, както и незначителният обем шлака, което позволява да се получи заваръчен шев с много високо качество. Заваряването в защитна газова среда се счита за подходящо при заваряване на различни стомани, а така също и на цветни метали. В практиката се използват няколко технологии за заваряване в защитна газова среда - заваряване с нетопим електрод в среда от инертен газ (ВИГ), заваряване с топим електрод в среда от инертен газ (МИГ), заваряване с топим електрод в среда от активен газ (МАГ), като по-често използвани са технологиите с топим електрод. Те се използват както при механично, така и при автоматизирано и роботизирано заваряване.

МИГ и МАГ заваряване
Заваряването с топим електрод се характеризира с голяма плътност на тока, достигаща до 100 - 400 А/mm2 и благоприятни условия, създавани от инертната среда за пренасяне на течния метал през дъговата междина. Високата плътност на тока предизвиква появата на слабо йонизирана плазма с повишена температура в дъгата от порядъка на 12 000 до 15 000 °С. Това от своя страна осигурява голям провар и висока производителност. Поради невъзможност за протичане на активни металургични процеси в заваръчната зона се използва допълнителен метал с химичен състав, идентичен с този на основния метал.

В зависимост от характеристиките на заваряваните материали - вид на метала, дебелина като защитен газ съответно се използват инертни или активни газове, или техни смеси. С оглед на стабилността на дъгата и нейните технологични свойства за постигане на по-добри резултати се предпочита използването на постоянен ток с обратна полярност. При използването на постоянен ток с права полярност разтапянето на електрода се повишава с около 25-35%, но рязко намалява стабилността на дъгата и се повишава загубата на метал. Променлив ток не се използва поради нестабилното горене на дъгата.

При заваряването с топим електрод заваръчният шев се образува за сметка на стопяване на основния и допълнителния метал, поради което формата и размерът на шева наред със скоростта на заваряване, пространственото положение на електрода и заваряваното изделие зависят и от начина на топене и пренасяне на допълнителния метал в заваръчната вана. Начинът на прехвърляне на допълнителния метал се определя основно от материала на електрода, състава на защитния газ и редица други фактори.

При достатъчно висока плътност на заваръчния ток с обратна полярност и при горене на дъгата в инертни газове може да се наблюдава прехвърляне на електродния метал на много малки капки. Често бива наричано струйно, тъй като при наблюдаване с просто око се създава впечатление, че металът протича в заваръчната вана от края на електрода като непрекъснат поток.

Промяната на начина на пренасяне на електродния метал от капково на струйно протича при увеличаване на заваръчния ток до критично ниво за конкретния диаметър на електрода. Стойността на този ток намалява при активиране на електрода. Влияние оказва и изменението на състава на защитния газ. Добавянето на до 5% кислород към аргона например води до неговото понижаване. При заваряване с използването на въглероден диоксид без използването на специални мерки, получаването на струйно пренасяне на електродния материал е невъзможно. Не се получава и при използването на ток с права полярност. При преминаването към струйно пренасяне, потокът газ и метал от електрода към заваръчната вана рязко се повишава. В резултат под дъгата се намалява слоят течен метал, в заваръчната вана се появява локална вдлъбнатина. Повишава се топлопредаването към основния метал, и шевът придобива специфична форма с по-голяма дълбочина на проникване по оста му. При струйното пренасяне дъгата е много стабилна, колебанията на заваръчния ток и на напрежението не се наблюдават. Заваряването е възможно във всички пространствени положения.

Заваряване в газови смеси
От гледна точка на получаването на най-добра защита на реакционното пространство на заваръчната дъга от външния въздух, като един от най-добрите газове за тази цел се счита аргонът. Той е газ с плътност по-висока от тази на въздуха и с нисък йонизационен потенциал. Химически не взаимодейства с други елементи и се намира в голямо количество в свободен вид, което позволява лесното му получаване от въздуха. Използването на аргон позволява да се повиши температурата на заваръчната дъга, което подобрява проникването на заваръчния шев и увеличава производителността на заваряването като цяло. При заваряването в защитна среда от аргон се минимализира изгарянето на активни легиращи елементи, което позволява да се използва сравнително евтина заваръчна тел. Към момента аргонът е широко използван като защитен газ при заваряването на сплави и високолегирани стомани.

Използването на въглероден диоксид също има своите предимства. Те са свързани преди всичко с химико-металургическите процеси, протичащи в процеса на заваряване. Въглеродният диоксид има висока плътност и сам по себе си е способен да осигури качествена защита на реакционното пространство. Неговият йонизационен потенциал дава възможност при заваряване да се използва ефектът на дисоциация на молекулата на въглеродния диоксид на въглероден окис и свободен кислород.

В качеството на защитна газова смес за заваряване с топим електрод, въглеродният доиксид в чист вид вече почти не се използва. Той е заместен от газови смеси, използването на които е довело до значително повишаване на производителността на процеса, на качеството на получения заваръчен шев, на свойствата на метала в заваръчното съединение и т. н. Газовите смеси обикновено включват различни комбинации от хелий, аргон, кислород, въглерод в различно процентно съдържание. Съответно различните смеси предполагат и използването на различен режим на заваряване, като се вземат предвид особеностите на химико-металургичните процеси, настъпили в заваръчната вана, в които участват компонентите на газовите смеси (водород и кислород).

ВИГ заваряване
Технологичните свойства на заваряването с нетопим електрод в защитна среда от инертен газ се определят от начина на захранване на дъгата, която се възбужда между електрода и изделието. Захранването на дъгата съответно може да е с постоянен ток с права или обратна полярност или с променлив ток. Тъй като при този вид заваряване е необходимо дъгата да стопи основния метал, то той се предпочита при заваряване предимно на елементи с малка дебелина. Процесът на заваряване може да се извършва във всички пространствени положения, а качеството на шева зависи до голяма степен от надеждността на защитата.

Използването на постоянен ток и права полярност се препоръчва при заваряването на всички метали и сплави с изключение на алуминия, магнезия и сплавите им. Дъгата се характеризира със стабилно горене, а концентрацията на топлината върху заваряваното съединение е по-голяма. Характерно за заваръчната вана е, че тя е по-тясна и дълбока с възможност за по-големи скорости на заваряване. Заваряването с постоянен ток с права полярност позволява да се получи максимално проникване на заваръчния метал. Обикновено се използва източник със стръмно падаща волтамперна характеристика.

Често, за да се подобри процесът на формиране на дъгата в средата от защитни газове, се използват специални устройства за първоначалното й формиране. Това е свързано с факта, че защитният газ попада в зоната на горене на дъгата и действа охлаждащо, поради което дъгата е слаба.

При използването на ток с обратна полярност се наблюдава влошаване на устойчивостта на дъгата и нарастване на напрежението й. Също така нагряването на електрода е по-голямо. В този случай обаче се проявява очистващо действие на дъгата. По тази причина този начин на захранване се счита за много подходящ при заваряване на алуминий и магнезий. Поради силното износване на електрода обаче, на практика обратната полярност се прилага само при заваряване на малки дебелини със стойности на тока до 60-80 А.

Използването на променлив ток до голяма степен съчетава предимствата на двата начина на свързване при постоянен ток. Това се явява и основният начин на заваряване на алуминий, магнезий и техни сплави.

ВИГ заваряването може да се изпълнява ръчно или механизирано. Обикновено се работи с малки скорости на заваряване и ниска производителност на стопяване на метала. При голямо изменение на напрежението (промяна в дължината на дъгата) стойността на заваръчния ток се променя незначително. Стойността на заваръчния ток може да се задава безстепенно.

Електродите, който се използват, обикновено се съобразяват с вида на тока (постоянен, променлив). При заваряването с постоянен ток се предпочитат волфрамови електроди с прибавки на ториев окис, циркониев окис, лантанов окис и смес от тези окиси. За ВИГ заваряване с променлив ток се използват предимно електроди от чист волфрам.