Mig/mag сварка: что это такое, особенности сварки в среде защитных газов

Присадочные материалы для сварки сталей

Сварка ТИГ и МИГ/МАГ выполняется с использованием сварочной проволоки сплошного сечения, которая в зависимости от марки проволоки изготавливается из стали, химический состав которой (по сертификату о качестве) должен находится в пределах, приведенных в ГОСТ 2246-70. Для сварки ТИГ, как правило, используют сварочные проволоки диаметром от 1,5 до 4 мм (сплошного сечения), а для МИГ/МАГ – от 0,8 до 1,6 мм.

По назначению проволоки можно разделить на те, которые применяются для:

— сварки (наплавки) в качестве электродной плавящейся проволоки (для сварки МИГ/МАГ) или присадочной проволоки (для сварки ТИГ);

— изготовления покрытых электродов (условное обозначение – Э).

Условное обозначение стальной сварочной проволоки состоит из:

— цифры, означающие диаметр проволоки в мм;
— буквенного индекса «Св» (сварочная);
— цифры, следующие за индексом «Св», указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента;
— затем идут буквенные обозначения химических элементов, которые содержатся в металле проволоки:

Цифры, следующие за буквенным обозначением химического элемента, указывают на среднее содержание элемента в процентах. В конце пишется номер стандарта. Если после буквы цифра отсутствует, то количество данного элемента не превышает 1%. Буква «А» или «АА» конце маркировки свидетельствует о пониженном содержании серы и фосфора, а значит о высоких механических свойствах. Буква «Ш», «ВД» или «ВИ» означают, что проволока изготовлена из стали, выполненной электрошлаковым или вакуумно-дуговым переплавом или вакуумно-индукционных печах. Пример условного обозначения сварочной проволоки диаметром 3 мм марки Св-08А с неомедненной поверхностью из стали, полученной электрошлаковым переплавом показан на этом рисунке:

Как и чем варят нержавейку?

Существуют различные способы варки нержавеющей стали. Каждый из них отличается не только технологически, но и качеством полученного результата.

К примеру, для сварки без применения газа используется специальная порошковая проволока, обеспечивающая ровный и красивый шов. Но со временем такой шов может поржаветь.

Чтобы этого не случилось, необходимо использовать сварочный полуавтомат, также проволока для варки нержавейки должна быть из стали, а в сварную ванну нужно подать углекислоту.

Кроме того, обеспечить качественный результат сварка нержавейки полуавтоматом может только при условии использования защитного газового слоя, лучше всего углекислого.

Оптимальный вариант состава газовой смеси включает 98% аргона и 2% углекислоты. Иногда, чтобы понизить себестоимость работ, пропорции газа меняются — 70% аргона и 30 % углекислоты.

При использовании газа применяется специальная нержавеющая проволока, улучшающая не только внешний вид, но и качество свариваемой детали.

Технологические нюансы сварки

Функциональные возможности полуавтоматов отличается механизированной подачей проволоки в зону сварки, без чего осуществить рабочий процесс в среде аргона было бы затруднительно.

Конструкция полуавтомата позволяет обеспечивать сразу несколько функций: охлаждение горелки, высокое качество сварки в среде аргона, скорость подачи присадочной проволоки, а также возможность сварки в труднодоступных местах.

Напряжение в области шва снимается при восстановлении хрома. Для этого шов нужно нагреть до 760°С.

Как подготовить металл к сварке?

Прежде чем приступить к сварке нержавеющего металла, поверхность кромки деталей нужно подготовить. Этот момент особенно важен для получения качественного шва и общего результата.

Подготовительные работы предусматривают:

Механическую зачистку поверхности нержавейки металлической щеткой и обработку специальными средствами-растворителями для удаления жира и предотвращения пор. Подходит ацетон, авиационный бензин или уайт-спирит;
Прогрев заготовки до 100°С для удаления влаги из сварочной зоны.

Техническая схема сварки нержавейки

Сварка нержавеющей стали в защитной среде из аргона и углекислоты является самой технологичной и надежной. Метод обработки металла с применением газа позволяет максимально сохранить естественную структуру и свойства стали.

Если же применяется обычная сварочная проволока,то качество работы может быть хуже.

Существует несколько методов современной варки нержавеющих металлов:

метод короткой дуги применяют для соединения тонких листов металла;
метод струйного переноса актуален, когда необходимо соединить толстые изделия из металла;
сварка импульсного характера считается самой распространенной, поскольку при высокой производительности позволяет экономить ресурсы.

Общая схема сварочных работ выглядит так.

Горелка — важный узел сварочного полуавтомата, обеспечивающий подачу проволоки и защитного газа.

Корпус горелки наклоняют слегка назад, так чтобы проволока была расположена под противоположным углом к ходу шва, обеспечивая его обзор.

Сопло горелки располагают на расстоянии не более 12 мм от шва. Ток поступает через токопровод в наконечник внутри сопла, к нему же присоединяется сварочная проволока.

Присадочная проволока должна иметь более высокую степень легирования, чем металл, из которого сделана свариваемая деталь.

Воздействие на металл происходит посредством сварочной дуги. Высокие температуры расплавляют металл и образуют так называемую сварочную ванну.

Далее электродный металл подается в сварочную ванну в виде капель, а защита из аргона распространяется вокруг сварочной ванны и шва.

Выбор материалов для сварки

Чтобы получить качественный шов, состав присадочной проволоки должен быть таким же, как у свариваемого металла. Лучше если содержание легирующих элементов будет немного больше. При использовании обычных марок соединение быстро заржавеет. Для сварки нержавейки легированной хромом выпускается порошковая и проволока с высоким содержанием никеля.

В первом варианте проволока покрыта защитным слоем, который при нагреве образует барьер, перекрывающий доступ воздуха в зону сварки. Поэтому можно работать полуавтоматом без газа. Однако из-за высокой стоимости материала и низкой стойкости к коррозии предпочтение чаще отдается сварке полуавтоматом в защитной среде никелевой проволокой. Она выпускается диаметром 0,13 — 6 мм. Для работы в домашних условиях достаточно 1 мм.

Сварку полуавтоматом нержавеющей стали можно проводить в среде углекислого газа, аргона и их смеси. Первый вариант наиболее дешевый, но из-за сильного разбрызгивания швы получаются грубыми. Аргон обходится значительно дороже, но зато эстетика соединения идеальна. При смешивании их достоинства складываются. В стандартном составе содержится 98% аргона и 2% углекислоты. Если к внешнему виду шва не предъявляется высоких требований, в среду аргона добавляют до 30% углекислого газа.

Диаметр неплавящегося электрода из металла выбирается в зависимости от толщины соединяемых заготовок. Если она не более 1 мм диаметр тоже 1 мм. При толщине до 4 мм — 1,6 мм. Более 4 мм — 2,5 мм.

Активные газы

Углекислый газ (двуокись углерода) — бесцветен, не ядовит, тяжелее воздуха. При нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0°С) плотность углекислого газа в 1,5 раза выше плотности воздуха. Углекислый газ хорошо растворяется в воде. Жидкая углекислота — бесцветная жидкость, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Вследствие этого она поставляется по массе, а не по объему. При испарении 1 кг жидкой углекислоты в нормальных условиях образуется 509 л углекислого газа.

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. Однако при концентрациях более 5% (92 г/м3) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека. Так как двуокись углерода в 1,5 раз тяжелее воздуха она может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать удушье. Помещения, где производится сварка с использованием двуокиси углерода, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией.

Основными примесями углекислого газа, отрицательно влияющими на процесс сварки и свойства швов, являются воздух (азот воздуха) и вода. Воздух скапливается над жидкой углекислотой в верхней части баллона, а вода – под углекислотой в нижней части баллона. Повышенное содержание воздуха и водяных паров в углекислоте может при сварке привести к образованию пор в швах, которые чаще всего появляются в начале и конце отбора газа из баллона. Чтобы снизить содержание влаги в поступающем на сварку углекислом газе до безопасного уровня, на его пути устанавливают осушитель. Для улавливания влаги осушитель заполнен хлористым кальцием, силикагелем или другими поглотителями влаги.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой углекислоты газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого рекомендуется подогревать выходящий из баллона углекислый газ. Для этого используют электрические подогреватели газа, которые устанавливаются перед редуктором.

Углекислый газ оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие. Из легирующих элементов ванны наиболее сильно окисляются алюминий, титан и цирконий, менее интенсивно — кремний, марганец, хром, ванадий и др.

Кислород — это бесцветный нетоксичный газ без запаха. Является сильным окислителем. Накопление кислорода в воздухе помещений создает опасность возникновения пожаров. Поэтому объемная доля кислорода в рабочих помещениях не должна превышать 23 %. В зависимости от содержания кислорода и примесей технический газообразный кислород изготовляют трех сортов. Содержание кислорода в первом сорте должно быть не менее 99,7 об. %, во втором — не менее 99,5 об. % и в третьем — не менее 99,2 об. %.

В сварочном производстве кислород широко применяют для газовой сварки и резки, а также при дуговой сварке как составную часть защитной газовой смеси. Кислород уменьшает поверхностное натяжение металла, и поэтому с увеличением его содержания в смеси на основе аргона критический ток (перехода крупнокапельного переноса в мелкокапельный, см. Сварка плавящимся металлическим электродом в защитных газах (МIG/МАG)) уменьшается. Обычно содержание кислорода в смеси с аргоном не превышает 2-5%. В такой среде дуга горит стабильно. Перенос металла мелкокапельный с минимальным разбрызгиванием.

Азот — бесцветный газ, без запаха, не горит и не поддерживает горение. В сварочном производстве азот находит ограниченное применение. Азот не растворяется в расплавленной меди и не взаимодействует с ней, и поэтому может быть использован при сварке меди в качестве защитного газа. По отношению к большинству других металлов азот является активным газом, часто вредным, и его концентрацию в зоне плавления стремятся ограничить. Азот также применяется при плазменной резке и как компонент газовой смеси при сварке аустенитной нержавеющей стали.

Водород — не имеет цвета, запаха и является горючим газом. Водород редко используют в в качестве защитного газа. Так как смеси водорода с воздухом или кислородом взрывоопасны, при работе с ним необходимо соблюдать правила пожарной безопасности и специальные правила техники безопасности. При работе с водородом необходимо следить за герметичностью всех соединений, т.к. он образовывает с воздухом взрывчатые смеси в широких пределах.

Сварка нержавейки полуавтоматом с другими типами металлов

Современная MIG/MAG-сварка полуавтоматом используется для соединения алюминиевых, высоколегированных, низколегированных металлов и разных сплавов с нержавейкой. Рассмотрим особенности сварки полуавтоматом нержавейки с другими металлами:

сварка с черными металлами – снижается текучесть металла, защищается рабочая поверхность от воздействия атмосферы;
при сварке металлов марки Ст40 с нержавейкой используется проволока 08Г2С, что позволяет исключить деформацию шва (разрыв) по границе с черным металлом при остывании;
при сварке меди с нержавейкой используют легкоплавкие припои и флюс;
импульсный режим сварки нержавейки с алюминием и другими металлами позволяет добиться хорошую коррозийную стойкость, качественный провар с контролируемым тепловложением;
сварку алюминия с нержавейкой рекомендуется выполнять в импульсном режиме в среде аргона с использованием медно-порошковой проволоки.

Защитные газы и их влияние на технологические свойства дуги

В качестве защитных газов при дуговой сварке плавлением ТИГ и МИГ/МАГ применяют инертные газы, активные газы и их смеси. Защитный газ выбирают с учетом способа сварки, свойств свариваемого металла, а также требований, предъявляемых к сварным швам.

Инертными называют газы, не способные к химическим реакциям и практически не растворимые в металлах. Поэтому их целесообразно применять при сварке химически активных металлов и сплавов на их основе (алюминий, алюминиевые и магниевые сплавы, легированные стали различных марок). При сварке ТИГ и МИГ/МАГ используются такие инертные газы как аргон (Ar), гелий (He) и их смеси.

Активными защитными газами называют газы, способные защищать зону сварки от доступа воздуха и вместе с тем химически реагирующие со свариваемым металлом или физически растворяющиеся в нем. При дуговой сварке сталей в качестве защитной среды применяют углекислый газ (СО₂). Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму этот защитный газ используют только при сварке МИГ/МАГ.

К активным газам применяемым при МИГ/МАГ также относятся газовые смеси в состав которых входят аргон (Ar), кислород (О₂), азот (N₂), водород (H₂). Готовые газовые смеси поставляются в баллонах, также они могут быть получены путем смешивания газов составляющих смесь.

Классификация способов сварки в защитных газах приведена на схеме ниже.

Свойства защитных газов

В таблице ниже приведены физические свойства защитных газов.

Газ	Плотность кг/м3	Теплоемкость, Дж/г oС	Теплопроводность, вт/м oС	Энергия диссоциации, эВ	Потенциал ионизации, В	Сечение столкновения, м2
Ar	1,783	0,524	0,19	не диссоц.	15,76	2,5∙10-20
He	0,178	5,242	1,66	не диссоц.	24,58	10∙10-20
CO₂	1,977	0,821	0,19	5,5	14,3	25∙10-20
H₂	0,090	14,246	2,36	4,48	15,4	130∙10-20
O₂	1,429	0,916	—	5,08	12,5	20∙10-20
N₂	1,251	1,039	0,29	7,37	15,5	20∙10-20
Воздух	1,293	1,006	—	—	—	—

Подбор напряжения и скорости подачи проволоки

Устанавливаемые значения скорости подачи проволоки (которая определяет величину тока сварки, I) и напряжения (U) зависят от толщины свариваемого металла, типа сварного соединения, пространственного положения, типа и диаметра сварочной проволоки, типа защитного газа которые планируется использовать. Эти контрольные значения можно найти в таблицах справочников или нормативной документации. Данные таблицы помогают найти корректную начальную точку сочетания этих параметров. Данная точка должна находиться внутри рабочей области параметров сварки для выбранного сочетания сварочных материалов, и при этом обеспечивать корректную величину тепловложения требуемую для изделия.

Выбранное соотношение параметров
Рабочая области параметров сварки
Тепло выделяемое дугой

При сварке человек не видит, в какой точке рабочей области параметров он находиться. Однако это можно оценить по поведению дуги и результату сварки. Если параметры подобраны корректно, дуга стабильна и имеет правильную длину. При этом тепловложение в изделие оптимально и брызг не образуется. Наплавленный валик имеет гладкую поверхность и плавный переход к основному металлу. Рассмотрим, что произойдет, если рабочая точка выйдет из рабочей области параметров. Для примера возьмем сварку «короткой дугой» в углекислом газе. Сначала поднимем напряжение, оставив скорость подачи неизменной.

Для данной скорости подачи проволоки напряжение слишком велико. Подающий механизм подает в зону сварки меньшее количество проволоки, чем может быть расплавлено. На конце проволоки появляется крупная капля, совершающая небольшие вращательные движение и появляются брызги. Сварка становиться медленнее, а на кромках образуются подрезы. Теперь, чтобы вернуться в рабочую области параметров сварки, начнем поднимать скорость подачи проволоки.

Дуга опять становиться стабильной, но рабочая точка находиться в верхней зоне рабочей области. Для нашего изделия тепловыделение дуги оказывается очень высоким. Возрастает риск получения прожога, особенно на тонком изделии. Теперь, не меняя скорости подачи проволоки, начинаем снижать напряжение до исходного уровня, что приводит к выходу рабочей точки из рабочей области параметров сварки. Для данной скорости подачи проволоки напряжение оказывается слишком мало. Выделяемого тепла недостаточно чтобы расплавить электродную проволоку.

В результате дуга укорачивается на столько, что проволока начинает утыкаться в изделие. При этом чувствуется, что горелка пытается, как бы сама себя поднимать. Такое низкое тепловыделение приводит к тому, что формируется достаточно гладкий, но колеблющейся по ширине наплавленный валик с высоким округлым усилением и невысокой глубиной проплавления.

Теперь будем уменьшать скорость подачи проволоки, опять возвращаясь в рабочую зону. Возвращаем рабочую точку в более нижнюю часть рабочей зоны, чем это было установлено в самом начале. Дуга опять становиться стабильной, но тепловыделение для нашего изделия очень низкое. В результате холодный наплавленный валик ровно не растекается по свариваемой поверхности. В дополнение можно получить недостаточное проплавление.

Находим оптимальную рабочую точку, параллельно поднимая скорость подачи проволоки и напряжение. Другими словами в качестве резюме можно сказать, что в рабочей точке должно поддерживаться правильное соотношение между скоростью подачи проволоки и напряжением и выполняться два условия.

Рабочая точка всегда должна оставаться внутри рабочей области параметров сварки для выбранной комбинации сварочной проволоки и защитного газа.
Рабочая точка должна находиться на уровне обеспечивающим такое тепловыделение, которое необходимо для оптимального проплавления свариваемого изделия.

В дополнении к скорости подачи проволоки и напряжению, на сварочном источнике можно устанавливать третий параметр сварки называемой индуктивностью. Она изменяется подключением сварочного кабеля к одному из двух или трех разъемов вторичной цепи источника питания либо плавной регулировкой, так называемой электронной индуктивности.

Снижая индуктивность, мы уменьшаем тепловложение в изделие, увеличиваем частоту коротких замыканий проволоки на сварочную ванну, и повышаем вязкость расплавленной ванны, что весьма желательно при сварке небольших толщин. При сварке больших толщин требуется большее тепловложение, поэтому надо устанавливать более высокое значение индуктивности. При сварке в режиме «струйного переноса» индуктивность не оказывает ни какого влияния на процесс сварки.