Сварка в защитных газах: особенности и виды

Качество сварочного шва зависит не только от используемого оборудования и типа электрода. Огромное влияние оказывает окружающая среда, а именно, окислительные процессы. Для защиты металла электрода, сварочной проволоки и повышения качества шва активно используют технологию сварки в защитных газах. С ее помощью удается оттеснить воздух, который становится причиной окисления материала и не только. Не стоит забывать, что немаловажное значение имеет и сама сварочная смесь.

Защита зоны сварки обеспечивается подачей сплошных вихревых или прямолинейных струй. Для максимальной защиты сварка в защитных газах может выполняться в специальных передвижных или стационарных камерах, о которых мы также расскажем в этом материале.

Дуговая сварка в защитном газе: типы применяемых струй

Существуют разные технологии сварки в защитных газах. Они отличаются не только используемым составом, но и типом подаваемой струи, каждая из которых имеет свои особенности:

• прямолинейная сплошная;
• вихревая;
• кольцевая;
• двухструйная.

Наибольшее распространение получила прямолинейная сплошная струя. Обычно поток газа направлен параллельно самому электроду. Реже используется боковой подвод, когда газ направляется под определенным углом к сварочному электроду. Струя смешивается с окружающим воздухом, поэтому в ядре сварочной зоны создается пространство в виде сужающегося конуса. Степень защиты во многом зависит от параметров используемого газа.

Определяющим значением при подборе защитного газа является устойчивость потока. Прямолинейная струя при определенных параметрах способна переходить из ламинарного потока в турбулентный. Главная проблема последнего – частицы газа движутся не только вдоль оси сопла, но и перпендикулярно. Вследствие этого больше воздуха попадает в сварочную зону, снижая качество шва. Также появляется угроза разбрызгивания металла.

Определить тип потока можно с помощью числа Рейнольдса, которое получают путем деления диаметра используемого сопла на скорость газа в метрах в секунду. Если получившийся результат R>3000, то поток будет в турбулентном состоянии. Узнать критические значения скоростей, при которых ламинарный поток переходит в турбулентный, можно из специальных таблиц. Как правило, числа указаны для конкретных диаметров сопел.

Например, для гелия и водорода критические скорости перехода в турбулентный поток для сопла в 12 мм составляют 26,25 и 23,25 метров в секунду соответственно. Это намного выше, чем скорости истечения, применяемые на практике. Однако для аргона число Рейнольдса уже приближено к реально используемым скоростям подачи защитного газа, поэтому возможен переход в турбулентный поток. Наименее благоприятным считается использование углекислого газа, который имеет число Рейнольдса для 12 мм сопла всего 1,77. При этом также важно всегда учитывать расход.

Уменьшить вероятность перехода защитного газа в турбулентную струю можно несколькими способами:

• повышение температуры защитного газа;
• уменьшение скорости истечения;
• уменьшение диаметра струи (сопла).

Маленькая скорость истечения грозит слабой устойчивостью по отношению к внешним факторам – ветру, неустойчивому горению и так далее. Использование слишком маленького сопла также имеет проблемы. Выступающий электрод может выйти из защищенной зоны, что сделает защиту газом неэффективной.

Существуют альтернативные способы уменьшить  турбулентность потока, например, применение специальных успокоительных камер и сопел особой формы. Также газ в сопло можно вводить через мелкие отверстия, направленные на стенки сопла. Мелкие сетки и пористые керамические вставки позволяют добиться параболического распределения скоростей в потоке, что обеспечит более высокую стабильность струи. Даже при показателе Рейндольдса до 7000 поток остается ламинарным. Однако при использовании технологии с плавящимся электродом применение этих средств затруднено из-за разбрызгивания металла.

При сварке плавящимся электродом пульсирующее горение дуги, засорение сопла и неравномерный перенос металла создают существенные сложности для ламинарного потока защитного газа. Также в ходе сварки создается магнитное поле, которые способствует втягиванию кислорода в зону сварки и вытеснению азота, водорода и углекислого газа.

На качество защиты также влияет и уровень расхода защитного газа. Параллельно необходимо учитывать расстояние сопла до рабочей поверхности.  Следует соблюдать минимально необходимый расход газа с учетом конструкции сопла, режима сварки и тому подобного. Обеспечить минимальный расход защитного газа можно только при сварке в безветренную погоду.  

Если говорить о сварке неплавящимся электродом, то на качество шва оказывает влиянием температура самого электрода. В некоторых случаях повышение температуры до 1300-1400 градусов Цельсия ощутимо снижает качество шва. При сварке под наклоном в 30 градусов  на качество оказывают влияние ионизированные потоки газа. Они протекают вдоль оси дуги и могут двигаться со скоростью до 150 метров в секунду.

Если сварка осуществляется на ветру или сквозняке, то необходимо повышать расход защитного газа и использовать ветрозащитные сооружения  — палатки, щитки и так далее. Подготавливая все это оборудование, не забудьте выбрать подходящую сварочную смесь.

В дуговой сварке также может использоваться вихревая струя. Она образуется при тангенциальной подаче газа в сопло. Вихревой поток создает небольшое разрежение в зоне сварки, что уменьшает образование пор на сварочном шве, а также предотвращаются непредвиденные изменения геометрии, плотности и состава металла. Как правило, вихревая струя в паре с коническим соплом обеспечивает наилучшую защиту при сварке на ветру, когда нет возможности обеспечить защиту с помощью вспомогательного инвентаря. Главный недостаток вихревой струи – зависимость от конфигурации свариваемых деталей и размера  зазоров.

Также активное применение получила кольцевая струя. Газ не омывает сварочную ванну и поверхности электродных капель. Струю часто называют защитным колпаком, поскольку она не допускает попадания воздуха непосредственно в сварочную зону, а также удерживает внутри пары, которые выделяются при расплавлении металла.  В основном используется аргон, углекислый газ и воздух.  Струя может быть как вихревой, так и прямолинейной. Часто кольцевую струю применяют с механическим колпаком, поскольку высокая скорость и небольшая толщина струи в 1-4 миллиметра приводят к попаданию воздуха в зону сварки.

Существует и двухсторонняя защита – комбинация из внутренней прямолинейной и внешней кольцевой струи. Для внутренней обычно применяются чистые инертные газы, а для внешней – инертные или активные. Такой подход позволяет не только более эффективно защитить зону сварки, но и уменьшить расход инертных газов на 30-50%.

Сварка плавящимся электродом в защитных газах: другие способы защиты

Для повышения качества сварного шва используют  не только определенные типы струй – существуют вспомогательные методы.

Первый – защита корня шва. При сварке воздух может попадать в рабочую зону через небольшой зазор между деталями. Это приведет к образованию пор, а для алюминия и других легкоокисляющихся металлов – окислов. Решением этой проблемы стала методика обдувки обратной стороны шва защитным газом с использованием медных, флюсовых  и керамических подкладок. Рекомендуется также создавать зону разрежения в области зазора, которая будет дополнительно втягивать защитный газ.

Второй метод – сварка электрозаклепками. Сопло инструмента, как правило, плотно прилегает к рабочей поверхности. Попадающий в сопло при установке заклепочника воздух может стать причиной появления пор  в металле.  Решается эта проблема продувкой сопла защитным газом перед включением дуги. Для этого нередко в самом сопле проделывают небольшие отверстия.  Определяющее значение при сварке электрозаклепочником играет площадь отверстия, через которое газы и пары выходят из сопла. Правильный выбор диаметра позволит уменьшить расход защитного газа вплоть до 4 раз.

Одним из проверенных способов предотвратить попадание воздуха в сварочную зону считается применение негерметичных камер. Они могут быть как стационарные, так и передвижные. Защитные газы попадают в зону сварки или заполняют всю камеру, а давление устанавливается с избытком до 0,01 атмосферы. Обычно камеры применяются при сварочных работах в полевых условиях.

Самый надежный метод – сварка  в герметичных камерах. Перед началом работ их промывают защитным газом, поэтому риск попадания воздуха в зону сварки практически сводится к нулю. Чаще всего в качестве защитного газа применяется аргон. На качество шва наибольшее влияние оказывает чистота защитного газа, а также активные газы, которые в ходе процесса адсорбируются в самой камере.  Применяют герметичные камеры как при повышенном, так и при пониженном давлении, которое может оказать неблагоприятный эффект на итоговый результат.

Приступая к сварке, обязательно изучите правила эксплуатации сварочных баллонов.