Введение в дуговую сварку в защитных газах (tig, mig/mag)

Общие понятия

Сварка аргоном – великолепная технология гибридного типа, позволяющая соединять самые капризные и устойчивые металлы: от огромных труб до маленькой отломившейся ножки бронзовой балерины. В аргонодуговых способах объединены преимущества двух классических методов: дугового электрического и газового. Технология сварки нержавеющей стали – лишь один пример из многочисленных способов сварочных работ в аргоновых облаках.

Юный сварщик никогда не станет классным мастером, если не будет вникать в теорию сварочного дела. Особенно, если это касается непростых технологий, к которым, безусловно, относится аргонная сварка.

Окисление во время работы ни к чему хорошему не приводит: качество швов низкое с точки зрения прочности и долговечности из-за большого количества мельчайших пузырьков внутри. Ну а алюминий вообще варить невозможно – при нагревании он попросту горит в воздухе.

Принцип аргонодуговой сварки.

Главной задачей в технологии сварки аргоном становится защита сварочной рабочей ванны от газов и примесей. Здесь лучшими помощниками выступают инертные газы, которые выполняют роль защитной оболочки. Кроме аргона к инертным газам относится гелий, вполне соответствующий газ по всем параметрам. Но гелий дороже аргона, и по количеству расходуется намного больше. Расход аргона при сварке нержавейки, например, в разы меньше расхода гелия.

Кроме того, работа с гелием требует специальной защитной одежды для всех частей тела. Гелий в чистом виде в современных технологиях применяется редко. Чаще его используют в смесях для газовых лазеров. Здесь нужно упомянуть еще один инертный газ – азот, который используется в металлических работах с очень узкой специализацией – с азотом варят только медь. Главным и повсеместным инертным компонентом в гибридной технологии выступает Его Величество Аргон.

Его свойства:

Аргон значительно тяжелее воздуха, поэтому отлично вытесняет его из сварочной ванны, защищая, таким образом, зону плавления от ненужных газовых примесей.
Будучи инертным веществом, не вступает в реакцию ни с какими другими элементами, в том числе со свариваемыми металлическими поверхностями.
Об одном «аргоновом» нюансе нужно знать и помнить. При использовании тока обратной полярности аргон превращается в электропроводную плазму со всеми малоприятными последствиями.

Процесс сварки

Дуговая сварка в защитном газе является эффективной методикой. Но чтобы этого добиться, мастер должен выполнять все требования, выдвигаемые стандартами к этому процессу. Эта методика несколько отличается от иных техник, что мастер должен обязательно учитывать.

Сначала металл готовят для проведения процесса сварки. При использовании такой технологии эта процедура оказывает меньшее воздействие на результат, но проводить ее нужно. Далее проводится настройка оборудования в соответствии с параметрами сварки. Учитывается толщина и тип материала.

Когда оборудование будет готово, производится розжиг дуги. При этом подпаливают пламя горелки. Некоторые разновидности сварки предполагают проведение предварительного прогрева заготовки. Для этого сначала включают горелку, при помощи которой производится предварительная обработка металла.

Когда вокруг дуги начнет образовываться сварочная ванна, начинают подавать проволоку. Для этого оборудование оснащают специальным подающим устройством. Оно поставляет проволоку в зону расплава с определенной скоростью. Если нужно сделать длинный шов, это удобно, так как дугу не придется разрывать. Для этого применяется неплавкий электрод, который поддерживает дугу длительное время.

Если сварка происходит при использовании постоянного тока, его полярность должна быть обратной. Это сокращает вероятность разбрызгивания, но повышается расход металла. Коэффициент наплавления при использовании подобной методики заметно снижается. При прямой полярности он возрастает в 1,5 раз.

Ванну желательно вести слева направо (если мастер правша). Так будет видно процесс формирования шва. Также все действия нужно выполнять по направлению к себе. Шов создается просто, от мастера требуется только ровно вести аппарат на перманентной скорости.

Дуга отрывается от заготовки в обратном направлении относительно движения сварки. В некоторых случаях после такой манипуляции может потребоваться дополнительный прогрев.

Особенности процесса

Работа по соединению цветных сплавов и литья черного металла в аргонной среде требует определенного навыка, поэтому варить новичку своими руками такие заготовки будет непросто. Выполняя сварочные работы, следует помнить, что титан, медь, алюминий, силумин и бронза имеют физические и химические различия по сравнению с чугуном и сталью. При расплавлении стали или цветных сплавов жидкий металл имеет свойство поглощать примеси, образующиеся в результате плавления под действием высоких температур, что приводит к наличию в сварочном шве пористости. Инертный газ, применяемый для защиты расплавленного металла, устраняет проникновение посторонних продуктов плавления в сварочную ванну, тем самым укрепляя шов.

Аргонодуговая сварка является универсальным методом, технология которого используется для ремонта кузовного железа, внутреннего угла двери автомобиля, алюминиевых элементов кузова и поддона картера, для установки дополнительного оборудования и сварки тонкого металла. Нередко для выполнения таких работ используется техника применения газа с поддувом, причем расход аргона даже в таком случае будет меньше, чем гелия при его применении. Детали могут соединяться встык или внахлест, чаще всего работу проводят неплавящимся электродом из вольфрама, а для розжига электродуги применяют осциллятор.

Основным моментом является предварительная подготовка металла к сварке: кромки, предназначенные для соединения, зачищают от поверхностной пленки оксидов, а затем обезжиривают с помощью растворителя. Основа сварки – подача неплавящегося электрода, который перед применением необходимо заточить под острым углом 25–30°, если предстоит соединить заготовки из титана, стали или меди. Для соединения алюминия затачивать электрод не нужно, так как при поджиге на нем образуется округлый наплыв, который и будет формировать сварочную ванну.

В зависимости от типа свариваемых материалов выбирается и присадка. Это может быть проволока из алюминия, нержавеющей стали, а также медно-никелевые или латунные прутки. Состав сплава у присадочных материалов указывается в соответствующем справочнике по маркировке, имеющейся на конце прутка

Кроме того, важно правильно выбрать и сам сварочный аппарат. Например, для соединения медной детали с алюминием, толщина которых не превышает 7 мм, потребуется мощное сварочное оборудование промышленного типа, которое дает мощность до 400–500 А

Настройка аппарата перед началом работы является важным условием, причем сила тока и напряжение выбираются исходя из размера вольфрамового или обычного электрода

Настройка аппарата перед началом работы является важным условием, причем сила тока и напряжение выбираются исходя из размера вольфрамового или обычного электрода.

У современных аппаратов имеется опция «Заварка кратера», она применяется для того, чтобы обеспечить плавное угасание дуги после того, как формирование шва будет завершено. Например, если выполняется соединение деталей, толщина которых 3 мм, то значение этого параметра ставят на показатель 2–3 сек. Кроме того, перед сваркой настраивают и предварительную продувку области проведения работ. Такое действие необходимо, чтобы в процессе выполнения работы не появлялись дефекты шва, так как в неостывшем металле появляется пористость. Последовательность выполнения сварочного процесса заключается в следующем:

выполняется зачистка кромок, и если материал довольно толстый, то делают скосы для сварочного шва, а затем обезжиривают поверхность металла;
все детали фиксируются специальными зажимами, после чего можно приступать к выполнению процесса сварки;
осуществляют поджиг электрической дуги, причем если эта процедура контактная, то на горелке нажимают кнопку и электродом прикасаются к одной из кромок металла, а при бесконтактном розжиге такого касания делать не нужно;
следующим этапом выполняют сварочную ванну, для этого допускается сделать несколько поперечных колебательных движений сварочным электродом по стыкуемому материалу в области сварного шва, при этом присадка должна начать плавление и равномерно распределяться в сварочной ванне;
инертный газ в процессе работы обдувает место сварки, но это должно происходить умеренно, чтобы не разбрызгивать металл и не мешать его плавлению.

Опытные сварщики рекомендуют соединять тонкие листы металла без применения присадки. Чтобы выполнить сварочный шов, вольфрамовый электрод располагают под небольшим углом таким образом, чтобы кромка одного листа наплавлялась на кромку второго листа.

О сварке аргоном смотрите далее.

Подготовка к сварке

Чтобы правильно выполнить процедуру соединения металлических заготовок, нужно понимать сущность дуговой сварки в защитном газе. Сварка требует правильной подготовки. Эта процедура всегда одинаковая, независимо от технологии сварки. Сначала кромкам придают правильную геометрию. Это определяется ГОСТом 14771-76.

Механизированная дуговая сварка в защитном газе применяется для полной проварки сплава, что позволяет полностью соединить края заготовки. Зазора между ними не остается. Если же присутствует определенный отступ, разделка краев, проварку можно провести для заготовки, толщина которой не превышает 11 мм.

Для увеличения производительности в процессе автоматической сварки проводится разделка краев заготовок без откосов.

После проведения сварки в углекислом газе потребуется очищать всю плоскость шва от грязи и шлака. Чтобы загрязнение было менее значительным, поверхности обрабатывают особыми составами. Чаще всего это аэрозоли, которые распыляют на металл. Ждать его высыхания не нужно.

В ходе последующей сборки применяются стандартные запчасти, например, клинья, прихватки, скобы и т. д. Конструкция перед началом работы требует тщательного осмотра.

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.

Разновидности газов

Дуговая сварка в среде защитных газов производится в разных средах. Они могут быть активными или инертными. К последним относятся такие вещества как Ar, He и прочее. Они не растворяются в железе, не вступают с ним в реакцию.

Инертные газы применяют для сварки алюминия, титана и прочих популярных материалов. Дуговая сварка в защитном газе неплавящимся электродом применяется для стали, которая плохо поддается плавлению.

Особенности газов, чаще всего применяемых в ходе процесса сварки, следующие:

Аргон не воспламеняется, а также не взрывоопасен. Он обеспечивает качественную защиту сварного шва от неблагоприятных внешних воздействий.
Гелий поставляется в баллонах с повышенной устойчивостью к давлению, которое здесь достигает 150 атм. Сжижается газ при очень низкой температуре, достигающей -269ºС.
Двуокись углерода является неядовитым газом, который не имеет запаха и цвета. Это вещество добывают из дымовых газов. Для этого применяется специальное оборудование.
Кислород является веществом, которое способствует горению. Его получают при помощи охлаждения из атмосферы.
Водород при контакте с воздухом становится взрывоопасным

При обращении с таким веществом важно соблюдать все требования безопасности. Газ не обладает цветом и запахом, помогает процессам воспламенения.

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	—	—	—	—

Преимущества и недостатки

Ручная и автоматическая дуговая сварка в защитных газах имеет как преимущества, так и недостатки.

К положительным качествам этого метода относятся:

Качество шва получается очень высокое. Этого не могут обеспечить иные методики сварки.
Большинство защитных газов стоит относительно недорого, поэтому процесс сварки не удорожается сильно. Даже дешевые газы обеспечивают качественную защиту.
Опытный сварщик, который ранее применял иные методики, легко освоит и эту технологию, поэтому поменять специфику маневров сможет даже крупное предприятие с большим количеством сотрудников в штате.
Процесс универсальный, позволяет сварить как тонкие, так и толстые листы металла.
Производительность высокая, что положительно сказывается на результатах работы производства.
Методика применяется не только для сварки черных, но и цветных металлов и сплавов.
Процесс сварки при использовании газовой защитной ванны легко поддается модернизации. Его можно переделать из ручного в автоматический.
Процесс сварки можно приспособить ко всем тонкостям производства.

Автоматическая и ручная дуговая сварка в среде защитных газов имеет и определенные недостатки:

Если сварка производится на открытом участке, нужно обеспечить хорошую герметичность камеры. В противном случае защитные газы могут выветриваться.
Если же сварка проводится в помещении, здесь обязательно должна быть обустроена качественная система вентиляции.
Некоторые разновидности газов стоят дорого (например, аргон). Это повышает себестоимость продукции, удорожает весь процесс производства.

Особенности сварки в углекислоте, азоте

Дуговая сварка в защитном газе плавящимся электродом проводится при использовании углекислоты. Это самая дешевая методика, которая сегодня пользуется большим спросом. Под воздействием сильного нагрева в зоне плавления СО₂ превращается в СО и О. Чтобы уберечь поверхность от окислительной реакции, в проволоке присутствуют кремний и марганец.

Это также приводит к некоторым неудобствам. Кремний и марганец вступают между собой в реакцию, образуя шлак. Он проступает на поверхности шва, требуя устранения. Это выполнить несложно. На качество сварного шва это обстоятельство никакого воздействия не имеет.

Перед началом работы из баллона удаляют воду, для чего его переворачивают. Это нужно делать с определенной периодичностью. Если не выполнить такую манипуляцию, шов станет пористым. Его прочностные качества будут невысокими.

Дуговая сварка в защитном газе может выполняться при помощи азота. Эта технология применяется для спайки медных заготовок или деталей из нержавейки. С этими сплавами азот не вступает в химическую реакцию. В ходе проведения сварки применяются графитовые или угольные электроды. Если применять для этих целей вольфрамовые контакты, это вызывает их перерасход.

Важно правильно настраивать оборудование. Это зависит от сложности сварки, типа материала и прочих условий

Чаще всего применяется оборудование с напряжением 150-500 А. Оно создает дугу 22-30 В, а расход газа при этом составляет 10 л/мин.

Технология сварки аргоном

Суть технологии сварки аргоном заключается в создании дуги между изделием и графитовым стержнем, и удержание её в процессе работы. Тут важную роль играет неплавящийся электрод. Вольфрамовый электрод представляет собой стержень не большой длины, установленный в сварочную горелку. Небольшой конец вольфрамового стержня выступает за пределы сопла горелки. Аргон подаётся через сопло горелки в зону сварки.

Зажигание дуги производится не так как в ручной дуговой сварке плавящимся электродом. Касаться электродом изделия, для замыкания дуги запрещено. Это может испортить электрод. Зажигание происходит на расстоянии от свариваемого металла. Нажатием на кнопку расположенную на горелки произойдёт загорание дуги. Этот процесс выполняет осциллятор, задача которого состоит в зажигании дуги и поддержании стабильного горения дуги. Вместе с нажатием на кнопку в зону сварки подаётся защитный газ.

В зажженную дугу подаётся присадочный материал. Подача осуществляется плавно, свободной рукой, без резких движений. Движение при сварке – продольное. Наклон горелки должен быть в сторону формирующегося шва. Таким образом, шов полностью закрывается защитным газом. Не стоит растягивать дугу, иначе это может привести к ухудшению качества соединения. Не стоит резко начинать сварку после зажигания дуги. Должно пройти примерно 1-1,5 секунд, для того что бы пошёл газ. Точно также не стоит резко обрывать сварку.

Режимы сварки TIG

При выборе режимов сварки TIG, первым делом следует учитывать метал который предстоит варить. От этого будет зависеть не только полярность, а и род тока. Так при сварке углеродистых, высоколегированных сталей, а также цветные металлы, варят на постоянном токе прямой полярности. Алюминий является исключением. Алюминий обычно варят на переменном токе. На переменном токе происходит эффективное разрушение оксидной плёнки. Хотя на постоянном токе с обратной полярностью алюминий тоже можно варить.

В таблице ниже приведены основные режимы аргонодуговой сварки углеродистых сталей:

Толщина свариваемого металла, мм	Род тока	Ток сварки, А	Напряжение, В	Диаметр электрода и присадочной проволоки, мм	Скорость сварки, см/мин	Расход аргона, л/мин
1,0	Постоянный ток прямой полярности	30-60	11-15	2/1,6	12-28	2,5-3,0
1,0	Переменный ток	35-75	12-16	2/1,6	15-33	2,5-3,0
1,5	Постоянный ток прямой полярности	40-75	11-15	2/1,6	9-19	2,5-3,0
1,5	Переменный ток	45-85	12-16	2/1,6	14-23	2,5-3,0
4,0	Постоянный ток прямой полярности	85-130	12-15	4/2,5	—	10,0

Основные режимы сварки алюминия и его сплавов на переменном токе приведены в таблице ниже:

Толщина свариваемого металла, мм	Диаметр электрода и присадочной проволоки, мм	Ток сварки, А
1-2	2/1,6	50-70
4-6	3/2,5	100-130
6-10	5/3,5	220-300
11-15	6/4	280-360

Во время сварки, особенно алюминия, необходимо соблюдать основные правила:

Электрод и присадка располагаются перпендикулярно по отношению к материалу;
Следует избегать колебания электрода в поперечной плоскости;
Длина дуги – от 1,5 до 2,5 миллиметра;
Сварка выполняется справа налево.

Оборудование для сварка металла аргоном

Аппараты для сварки металла аргоном могут идти в цельном блоке, так из отдельных блоков. Но как бы то ни было, у всех у них один и тот же принцип работы. Состоит оборудование для аргонодуговой сварки из:

Источник сварочного тока. Может быть постоянным, переменным или комбинированным. Последнее время все аппараты поддерживают выбор рода тока;
Осциллятор. Как уже выше говорилось: поджигает дугу, а при переменном токе поддерживает стабильное горение;
Установка для управления сварочным процессом. Позволяет регулировать параметры сварки;
Горелка с рукавом. Предназначена для держания графитового электрода и подача аргона в зону сварки;
Приспособление для подачи аргона в аппарат, и дальнейшее поступление его через рукава к горелке.

Преимущество сварки стали аргоном

Аргонодуговая сварка стали имеет массу преимуществ. Вот самые основные:

Сварка тонколистового металла любого состава;
Выполнение сварки цветных металлов и их сплавов;
Сварка титана и его сплавов;
Качественный шов.

Недостатки аргонодуговой сварки металлов

К недостаткам следует отнести:

Низкая скорость сварки;
Высокая стоимость аргона.

Несмотря на это всё, аргонодуговая сварка стали на сегодняшний день занимает высокую популярность. Видь с её помощью можно сварить абсолютно любой металл, даже в домашних условиях. А аргон надёжно защитит сварной шов от всех внешних неблагоприятных факторов.