Кислород при сварке металла

Технология кислородной сварки появилась еще в середине прошлого и не утратила своей актуальности и в настоящее время. Из преимуществ такой газовой кислородной сварки можем отметить ее отличное качество соединения, простоту выполняемых работ и доступность оборудования. При выполнении такой газовой кислородной сварки необходимо использовать специальную смесь из ацетилена и кислорода. В результате получается дуга с высокой температурой, которая с легкостью расплавляет металлы, обеспечивая прочные соединения на молекулярном уровне.

Подобные технологии нашли широкое распространение в промышленности и при необходимости выполнения больших объемов сварки. Отметим, что, несмотря на свою простоту, сегодня такая кислородная сварка используется также многочисленными автопроизводителями при изготовлении современных автомобилей. Подобное доказывает отличное качество такого выполненного при помощи этой технологии соединения. В то же время, необходимо сказать, что возможность выполнения кислородной сварки металлических изделий возможно лишь в том случае, если используется надежное оборудование, позволяющее на месте готовить водородно-кислородную смесь.

Оборудование для сварки

Сварочное оборудование состоит из следующих элементов:

Используются максимально прочные кислородные баллоны для сварки, в которых под высоким давлением закачен ацетилен и кислород. С помощью соответствующих редукторов на емкостях сварщик самостоятельно готовит кислородную смесь, которая по соответствующим трубкам подается в горелки и в последующем поджигается, позволяя выполнять сварочные работы.

Необходимо сказать, что качеству используемого оборудования для кислородной сварки необходимо уделить максимум внимания. Дело в том, что кислород и ацетилен в баллонах находятся под высоким давлением, и использование неисправного оборудования или же неправильная работа редукторов способна привести к мощному взрыву газа. Поэтому в обязательном порядке при выполнении данных работ проверяют уровень давления в баллонах, качество редукторов, а к такой кислородной сварке допускаются только специалисты, имеющие соответствующий опыт работы.

В последние годы популярности стали пользоваться автоматизированные установки для кислородной сварки, в которых автоматика определяет оптимальное соотношение кислорода и ацетилена, полностью управляя работой редуктора. Тем самым обеспечивается максимальное качество выполняемых сварочных работ и полная безопасность работы с газом.

Способы ацетилен кислородной сварки

В настоящее время распространение получили следующие способы сварки:

В том случае, если сварка проводится в таких условиях, когда горелка направлена к соединяемым металлическим элементам под углом приблизительно 400-450 градусов, используется способ сварки «На себя». Сварочный электрод движется вместе с электродом и расплавляемым местом. При этом наконечником  горелки необходимо выполнять полукруговые и круговые движения в сварочном шве. Электрод по месту нагрева должен двигаться наружу и внутрь. В итоге подобная технология работ позволяет получить прочное и ровное соединение с равномерным распределением тепла по шву.

Технология сварки с флюсом получила сегодня широкое распространение, что объясняется возможностью воздействия на свариваемые металлы низкой температуры. В качестве электродов используются металлы, температура плавления которых несколько ниже, нежели чем у соединяемых металлов. Наибольшее распространение из таких электродов получили латунные и бронзовые стержни. Во время сварки металлические элементы разогревают до температуры плавления электрода, после чего за счет так называемого папиллярного эффекта электродом плотно заполняют шов, обеспечивая надежное и прочное соединение.

Флюс при выполнении такой работы позволяет обезжирить и очистить поверхности. Именно за счет использования флюса и обеспечивается диффузия и папиллярный эффект. Использование качественных флюсов станет гарантией отличной кислородной сварки различных по своим показателям тугоплавкости металлов. Отметим одну из особенностей данной технологии, которая подразумевает сваривание металлических изделий при низких температурах. Однако подобное приводит к нескольким большему расходу ацетилена и кислорода.

Сварка по технологии “От себя” подразумевает также одновременное движением расплавляемого места и электрода. Подобная технология работы используется для соединения элементов, выполненных из толстой стали. Необходимо в процессе работы поддерживать газовой горелкой постоянную температуру сварочного пятна. Это позволяет расплавлять электрод и основной металл непосредственно в шве, в результате чего возникает взаимопроникающая единая масса, полностью заполняющая пространство свариваемых деталей. Тем самым гарантируются максимально качественные и прочные соединения.

Необходимым условием качественной работы по технологии «От себя» является взаимопроникновение расплавляемых свариваемых металлов. Добиться подобного можно лишь правильным выбором рабочей температуры, Для чего необходимо соответственным образом выбирать состав рабочей кислородной смеси. Для уменьшения зазоров между поверхностями их предварительно нагревают, что в свою очередь гарантирует качество их соединения. Лишь после такого предварительного нагрева в соединительный шов вставляют электрод и начинают его расплавление.

Контроль температуры во время ацетиленокислородной сварки

В процессе работы газовая горелка настраивается на пламя минимальной эффективности. При этом в последующем возможно регулировки интенсивности горения, что в свою очередь позволяет сварщику изменять рабочую температуру. Соответственно  данная технология подходит для работы с металлом, который различается по своим показателям температуры плавления.

Еще одним несомненным преимуществом данной технологии является плавный и равномерный нагрев свариваемых деталей и припоя. Тем самым исключается образованием температурных трещин, которые ухудшают качество выполненного соединения. Следует сказать, что такая газовая сварка кислородом не представляет сложности и обучиться ее выполнению можно буквально за несколько часов.

При газовой сварке и резке нагрев металла осуществляется высокотемпературным газовым пламенем, получаемым при сжигании горючего газа или паров жидкости в смеси с технически чистым кислородом.

Кислород является самым распространенным элементом на земле, встречающимся в виде химических соединений с различными веществами: в земле — до 50% по массе, в соединении с водородом в воде — около 86% по массе и в воздухе — до 21% по объему и 23% по массе.

при нормальных условиях (температура 20°С, давление 0,1 МПа) — это бесцветный, негорючий газ, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, но активно поддерживающий горение. При нормальном атмосферном давлении и температуре 0°С масса 1 м3 кислорода равна 1,43 кг, а при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении — 1,33 кг.

Кислород имеет высокую химическую активность, образуя соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов (аргона, гелия, ксенона, криптона и неона). Реакции соединения с кислородом протекают с выделением большого количества теплоты, т. е. носят экзотермический характер.

При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами, маслами, жирами, угольной пылью, горючими пластмассами может произойти их самовоспламенение в результате выделения теплоты при быстром сжатии кислорода, трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатического искрового разряда. Поэтому при использовании кислорода необходимо тщательно следить за тем, чтобы он не находился в контакте с легковоспламеняющимися и горючими веществами.

Всю кислородную аппаратуру, кислородопроводы и баллоны необходимо тщательно обезжиривать. Кислород способен образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами или парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры.

Отмеченные особенности кислорода следует всегда иметь в виду при использовании его в процессах газопламенной обработки.

Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь трех газов при следующем их объемном содержании: азота — 78,08%, кислорода — 20,95%, аргона-0,94%, остальное — углекислый газ, водород, закись азота и др. Кислород получают разделением воздуха на кислород и азот методом глубокого охлаждения (сжижения), попутно идет отделение аргона, применение которого при аргонодуговой сварке непрерывно возрастает. Азот применяют как защитный газ при сварке меди.

Кислород можно получать химическим способом или электролизом воды. Химические способы малопроизводительны и неэкономичны. При электролизе воды постоянным током кислород получают как побочный продукт при производстве чистого водорода.

В промышленности кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации. В установках для получения кислорода и азота из воздуха последний очищают от вредных примесей, сжимают в компрессоре до соответствующего давления холодильного цикла 0,6-20 МПа и охлаждают в теплообменниках до температуры сжижения, разница в температурах сжижения кислорода и азота составляет 13°С, что достаточно для их полного разделения в жидкой фазе.

Жидкий чистый кислород накапливается в воздухоразделительном аппарате, испаряется и собирается в газгольдере, откуда компрессором его накачивают в баллоны под давлением до 20 МПа.

Технический кислород транспортируют также по трубопроводу. Давление кислорода, транспортируемого по трубопроводу, должно быть согласовано между изготовителем и потребителем. К месту сварки кислород доставляется в кислородных баллонах, и в жидком виде — в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией.

Для превращения жидкого кислорода в газ используют газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С 1 дм3 жидкого кислорода при испарении дает 860 дм3 газообразного. Поэтому доставлять кислород к месту сварки целесообразно в жидком состоянии, так как при этом в 10 раз уменьшается масса тары, что позволяет экономить металл на изготовление баллонов, уменьшать расходы на транспортировку и хранение баллонов.

Для сварки и резки по ГОСТ 5583-78 технический кислород выпускается трех сортов:

Чистота кислорода имеет большое значение для кислородной резки. Чем меньше содержится в нем газовых примесей, тем выше скорость реза, чище кромки и меньше расход кислорода.

Кислород при нормальных условиях (температуре и давлении) представляет собой прозрачный газ без запаха, вкуса и цвета. Не относится к горючим газам, но способен активно поддерживать горение.

По химической активности среди неметаллов он занимает второе место после фтора.

Все элементы, кроме благородных металлов (платина, золото, серебро, родий, палладий и др.) и инертных газов (гелий, аргон, ксенон, криптон и неон), вступают в реакцию окисления и образовывают оксиды. Процесс окисления элементов, как правило, носит экзотермический (с выделением теплоты) характер. Также необходимо учитывать тот факт, что при повышении температуры, давления или использовании катализаторов – скорость реакции окисления резко возрастает.

История открытия кислорода

Открытие кислорода приписывают Джозефу Пристли (Joseph Priestley). У него была лаборатория, оборудованная приборами для собирания газов. Он испытывал его физиологическое действие на себе и на мышах. Пристли установил, что после вдыхания газа некоторое время ощущается приятная легкость. Мыши в герметически закрытой банке с воздухом задыхаются быстрей, чем в банке с O2. Поскольку Пристли был приверженцем флогистонной теории он так и не узнал, что оказалось у него в руках. Он только описал этот газ, даже не догадываясь, что он описал. А вот лавры открытия кислорода принадлежат Антуан Лоран Лавуазье (Antoine Laurent de Lavoisier), который и дал ему имя.

Лавуазье, поставил свой знаменитый опыт, продолжавшийся 12 дней. Он нагревал ртуть в реторте. При кипении образовывалась ее красная окись. Когда реторту охладили, оказалось, что воздуха в ней убыло почти на 1/6 его объема, а остаток ртути весил меньше, чем перед нагревом. Но когда разложили окись ртути сильным прокаливанием, все вернулось: и недостача ртути, и «исчезнувший» кислород.

Впоследствии Лавуазье установил, что этот газ входит в состав азотной, серной, фосфорной кислот. Он ошибочно полагал, что O2 обязательно входит в состав кислот, и поэтому назвал его «оксигениум», что значит «рождающий кислоты». Теперь хорошо известны кислоты, лишенные «оксигениума» (например: соляная, сероводородная, синильная и др.).

Способы получения кислорода

В основном кислород получают тремя способами:

Из атмосферного воздуха его получают методом глубокого охлаждения, как побочный продукт при получении азота.

Также O2 добывают путем пропускания электрического тока через воду (электролиз воды) с попутным получением водорода.

Химические способ получения малопроизводителен, а, следовательно, и неэкономичен, он не нашел широкого применения и используются в лабораторной практике.

Наверно многие помнят химический опыт, когда в колбе нагревают марганцовку (перманганат калия KMnO4), а потом выделяющийся в процессе нагрева газ собирают в другую колбу?

2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2 ↑

А весь фокус был, когда в данную колбу помещали тлеющую лучинку и она вспыхивала ярким пламенем и учитель объяснял, что выделившийся газ — O2, который поддерживает горение. И что процесс горения — это не что иное, как процесс окисления.

Применение кислорода

Помимо того, что все живые существам в природе, за исключением немногих микроорганизмов, при дыхании потребляют кислород, он широко применяется во многих отраслях промышленности: металлургической, химической, машиностроении, авиации, ракетостроении и даже в медицине.

В химической промышленности его применяет:

В металлургии его используют:

В медицинских целях больным, у которых нарушена нормальная деятельность органов дыхания или кровообращения, искусственно увеличивают содержание O2 в воздухе или дают дышать непродолжительное время чистым O2. Медицинский кислород, выпускаемый ГОСТ 5583, особенно тщательно очищают от всех примесей.

Применение кислорода в сварке

Сам по себе O2 является негорючим газом, но из-за свойства активно поддерживать горение и увеличения интенсивности (интенсификации) горения газов и жидкого топлива его используют в ракетных энергетических установках и во всех процессах газопламенной обработки. В таких процессах газопламенной обработки, как газовая сварка, поверхностная закалка высокая температура пламени достигается путем сжигания горючих газов в O2, а при газовой резке благодаря ему происходит окисление и сгорание разрезаемого металла.

При полуавтоматической сварке (MIG/MAG) кислород O2 используют как компонент защитных газовых смесей с аргоном (Ar) или углекислым газом (CO2).

Кислород добавляют в аргон при полуавтоматической сварке легированных сталей для обеспечения устойчивости горения дуги и струйного переноса расплавленного металла в сварочную ванну. Дело в том, что как поверхностно активный элемент он уменьшает поверхностное натяжение жидкого металла, способствуя образованию на конце электрода более мелких капель.

При сварке низколегированных и низкоуглеродистых сталей полуавтоматом O2 добавляют в углекислый газ для обеспечения глубокого проплавления и хорошего формирования сварного шва, а также для уменьшения разбрызгивания.

Чаще всего кислород используют в газообразном виде, а в виде жидкости используют только при его хранении и транспортировке от завода-изготовителя до потребителей.

Вредность и опасность кислорода

За внешней безобидностью скрывается очень опасный газ, но об этом на нашем сайте опубликована статья про маслоопасность и взрывоопасность кислорода и мы не будем здесь дублировать информацию.

Хранение и транспортировка кислорода

Кислород газообразный технический и медицинский выпускают по ГОСТ 5583.

Хранят и транспортируют его в стальных баллонах ГОСТ 949 под давлением 15 МПа. Кислородные баллоны окрашены в синий цвет с надписью черными буквами «КИСЛОРОД».

Жидкий кислород выпускается по ГОСТ 6331. O2 находится в жидком состоянии только при получении, хранении и транспортировке. Для газовой сварки или газовой резки его необходимо снова превратить в газообразное состояние.

Характеристики кислорода

Характеристики O2 представлены в таблицах ниже:

Коэффициент перевода объема и массы O2 при Т=15°С и Р=0,1 МПа

Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:

Для того, чтобы приблизительно узнать сколько кислорода в баллоне, нужно вместимость баллона (м3) умножить на давление (МПа). Например, если вместимость баллона 40 литров (0,04 м3), а давление газа 15 МПа, то объем кислорода в баллоне равен 0,04×15=6 м3.

Давление кислорода в баллоне при различной температуре окружающей среды

При сварке плавлением в защитных газах в качестве источника нагрева используется мощная электрическая дуга. В дуге электрическая энергия преобразуется в тепловую, плотность которой достаточна для локального плавления основного металла. В условиях атмосферы (21%О2+78%N2) зона сварки должна надежно защищаться от насыщения металла шва кислородом и азотом воздуха, которые ухудшают его свойства. Защитные газы, подаваемые через сопло, вытесняют воздух и таким образом защищают сварочную ванну и электрод. Для заполнения зазора между соединяемыми кромками деталей или разделки кромок и регулирования состава металла шва в зону плавления подают присадочный металл или электродную проволоку. В зависимости от физического состояния электрода различают дуговую сварку неплавящимся (см. Сварка в инертных газах вольфрамовым электродом (TIG)) и плавящимся (см. Сварка плавящимся металлическим электродом в защитных газах (МIG/МАG)) электродами.

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.

Краткая характеристика защитных газов

Аргон — наиболее часто применяемый инертный газ. Он тяжелее воздуха и не образует с ним взрывчатых смесей. Благодаря низкому потенциалу ионизации этот газ обеспечивает высокую стабильность горения дуги. Однако, в тоже время, низкий потенциал ионизации является причиной и низкого напряжения на дуге, что снижает тепловую мощность дуги. Будучи тяжелее воздуха, аргон обеспечивает хорошую газовую защиту сварочной ванны (но только в нижнем положении сварки). Однако он может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола. При этом снижается содержание кислорода в воздухе, что может вызвать кислородную недостаточность и удушье у электросварщика. В местах возможного накопления аргона необходимо контролировать содержание кислорода в воздухе приборами автоматического или ручного действия с устройством для дистанционного отбора проб воздуха. Объемная доля кислорода в воздухе должна быть не менее 19%.

Аргон выпускается согласно ГОСТ 10157-79 двух сортов: высшего и первого. Высший сорт рекомендуется использовать при сварке ответственных металлоконструкций из активных и редких металлов и сплавов, цветных металлов. Аргон первого сорта применяют для сварки сталей и чистого алюминия.

Гелий — бесцветный, неядовитый, негорючий и невзрывоопасный газ. Значительно легче воздуха и аргона, что понижает эффективность защиту сварочной ванны при сварке в нижнем положении, но способствует лучшей защите при сварке в потолочном положении. Гелий используется реже, чем аргон, из-за дефицитности и высокой стоимости. Однако, из-за высокого потенциала ионизации, при одном и том же значении тока дуга в гелии выделяет в 1,5-2 раза больше энергии, чем в аргоне. Это способствует более глубокому проплавлению металла и значительно повышает скорость сварки. Для сварки используется гелий трех сортов: марок А, Б и В (по ТУ 51-689-75). Применяют его в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния.

Часто используются смеси аргона и гелия, причем оптимальным составом считается смесь, содержащая 35-40% аргона и 60-65% гелия. В смеси в полной мере реализуются преимущества обоих газов: аргон обеспечивает стабильность горения дуги, гелий – высокую степень проплавления.

При сварке меди используется азот, так как он к ней химически нейтрален, т.е. не образует с ней никаких химических соединений и в ней не растворяется.

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.

Смеси защитных газов

Иногда является целесообразным употребление газовых смесей. За счет добавок активных газов к инертным удается повысить устойчивость дуги, увеличить глубину проплавления, улучшить формирование шва, уменьшить разбрызгивание, повысить плотность металла шва, улучшить перенос металла в дуге, повысить производительность сварки. Существенное значение при выборе состава защитного газа имеют экономические соображения.

Смесь аргона и гелия. Газовые смеси гелий-аргон применяются в основном для сварки цветных металлов: алюминий, медь, никелевых и магниевых сплавов, а также химически активных металлов. Оптимальным является соотношение 35 — 40% аргона и 60 — 65% гелия. Так в полной мере реализуются преимущества обоих газов: аргон обеспечивает стабильность дуги, гелий — высокую глубину проплавления.

Смеси аргона с кислородом или углекислым газом. Благодаря добавке окислительных газов обеспечивается существенное снижение поверхностного натяжения жидкого металла расплавляемой электродной проволоки, уменьшение размеров образующихся и отрывающихся от электрода капель. Расширяется диапазон токов при сохранении стабильного ведения процесса сварки. Обеспечивается лучшее формирование металла шва и меньшее разбрызгивание, лучшая форма провара и меньшее излучение дуги, по сравнению со сваркой в чистом аргоне, а также в чистом углекислом газе. При добавлении кислорода наблюдается снижение критического тока, при котором крупнокапельный перенос металла переходит в мелкокапельный.

В таблице ниже приводятся основные характеристики газовых смесей для сварки МИГ/МАГ.

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:

Условия поставки

— каждый моток (бухта, катушка, кассета) проволоки должен быть плотно перевязан мягкой проволокой не менее чем в трех местах, равномерно расположенных по периметру мотка;

— мотки проволоки одной партии допускается связывать в бухты (масса одной бухты или мотка не должна превышать 80 кг);

— на каждый моток (бухта, катушка, кассета) проволоки крепят металлическую бирку на которой должны быть указаны:
* наименование или товарный знак предприятия-изготовителя;
* условное обозначение проволоки;
* номер партии;
* клеймо технического контроля, удостоверяющее соответствие проволоки требованиям стандарта.

— сварочная проволока поставляется в сопровождении соответствующих сертификатов, удостоверяющих соответствие проволоки требованиям стандарта. В сертификате указывают:

* товарный знак предприятия-изготовителя;
* условное обозначение проволоки;
* номер партии и плавки;
* состояние проволоки;
* химический состав в процентах;
* содержание α-фазы в пробе в процентах;
* результаты испытаний на растяжение;
* массу проволоки нетто в килограммах.

При утере сертификата проволока может быть использована только после определения ее химического состава.

Катушки со сварочной проволокой

Хранение проволоки

Проволока должна храниться в сухом закрытом помещении, защищающем ее от воздействия атмосферных осадков и почвенной влаги. Условия хранения должны исключать коррозию, загрязнения и механические повреждения.

Подготовка проволоки к работе

При необходимости стальную проволоку очищают пескоструйным аппаратом или травлением в 5%-ном растворе соляной кислоты. Для устранения маслянистых загрязнений применяют растворители – ацетон, уайт-спирит и д.р. также стальную проволоку можно очищать, пропуская ее через специальные механические устройства, а также шлифовальной бумагой до металлического блеска. Непосредственно перед очисткой бухту проволоки рекомендуется отжечь при температуре 150-200°С в течение 1,5-2 часов.

Присадочная проволока для сварки алюминия и его сплавов

При сварке алюминия и его сплавов в основном используют тянутую и прессованную сварочную проволоку из алюминия и алюминиевых сплавов по ГОСТ 7871-75, который предусматривает изготовление проволоки четырнадцати марок. По ГОСТ 7871-75, предусматривается изготовление проволоки диаметром от 0,8 до 12,5 мм. Наиболее широко применяется проволока диаметром 1,5 — 4 мм.

Поверхность проволоки диаметром 4 мм и менее подвергают химической обработке. После обработки проволока должна иметь блестящую поверхность с параметрами шероховатости Ra≤2,5 мкм по ГОСТ 2789-73. Проволоку с химически обработанной поверхностью наматывают на катушки механическим способом рядами без перегибов и зазоров.

Катушки с проволокой помещают в полиэтиленовый мешок вместе с контрольным пакетом порошка обезвоженного селикагеля-индикатора и герметизируют при относительной влажности воздуха менее 20% в течение 30 мин после химической обработки. Герметичность упаковки оценивают визуально по цвету селикагеля-индикатора. Герметичность следует считать нарушенной, если порошок селикагеля-индикатора имеет розовый цвет.

Герметизированные полиэтиленовый мешки с катушками упаковывают в катонные, пластмассовые или деревянные ящики.

Условное обозначение и области применения сварочной проволоки

В условном обозначении проволоки указывают диаметр проволоки, марку сплава и обозначение стандарта. Пример условного обозначения сварочной проволоки диаметром 2 мм из алюминиевого сплава марки АМц: 2-СвАМц ГОСТ 7871-75

Области применения сварочных материалов при сварке алюминия и его сплавов

Алюминиевую сварочную проволоку перед сваркой необходимо обрабатывать. Сначала ее обезжиривают, а затем подвергают травлению в 15%-ном растворе едкого натра в течение 5-10 мин при температуре 60-70°С. После этого промывают в холодной воде и сушат 10-30 мин при температуре 300°С.

Подготовленные к сварке материалы сохраняют свои свойства в течение 3-4 дней. Затем на поверхности вновь образуется окисная пленка.

Железо
с кислородом образует три оксида

2Fe
+ O2
↔
2FeO
(закись, содержащую 22,7 % О2);

6FeO
+ O2
↔
2Fe3O4
(закись-окись, содержащую 27,64 % О2);

4Fe3O4
+ O2
↔
6Fe2O3
(окись, содержащую 30,06 % О2).

Из
этих трех оксидов только закись FeO
растворима в железе и поэтому наиболее
сильно влияет на его свойства. Остальные
оксиды в железе не растворяются, могут
в нем присутствовать в виде отдельных
включений и легко разлагаются при
высоких температурах. При температуре
плавления железа предельная растворимость
кислорода в нем составляет 0,17 %, а при
комнатной температуре – тысячные доли
процента.

Источниками
окисления металла при сварке являются:

1.Свободнй
кислород в газовой фазе (кислород воздуха
при недостаточной защите; наличие
сложных газов СО2,
Н2О,
способных при диссоциации выделять
кислород).

2.окислы,
находящиеся на расплавляемых кромках
свариваемого металла и на присадочном
материале.

3.Окислы,
находящиеся в шлаке и растворимые в
металле.

4.Химически
активные шлаки, отдающие кислород
металлу в результате обменных
окислительно-восстановительных реакций.

Окисление
металла свободным кислородом газовой
фазы
происходит согласно реакции nMe
+ O2
= mMen/mO2/m.
Если металл и окисел являются
конденсированными фазами (твердой или
жидкой) то константа равновесия Кр
такой реакции окисления определяется
только парциальным давлением кислорода
рО2,
соответствующим упругости диссоциации
окисла при данной температуре и давлении,
т.е. Кр
= ро2.
Зависимость lg
po2
= f(T)
для различных температур дана на рис.
4.5.

Прочность
окисла тем больше, чем меньше упругость
диссоциации. Так как упругость диссоциации
окислов, расположенных в верхней части
рис. 4.5, при конкретной температуре
больше чем расположенных ниже, их
сродство к кислороду меньше (о сродстве
к кислороду судят по количеству работы,
которую надо затратить на разрушение
окисла этого элемента). Поэтому при
контакте металла Ме1
с большим сродством к кислороду с окислом
другого металла Ме2,
имеющим меньшее сродство к кислороду,
возможна реакция

Ме1
+ Ме2О
= Ме1О
+ Ме2.

На
этой основе в сварочных процессах
осуществляется раскисление, причем
элемент Ме1
по отношению к элементу Ме2
является раскислителем.

Рис.
4.5. Зависимость упругости диссоциации
оксидов от температуры.

Расположим
в ряд металлы по убывающей величине
сродства к кислороду:

Cu,
Ni,
Fe,
Mo,
Cr,
Mn,
Si,
Ti,
Al,
Mg,
Ca,
C
(при высоких температурах).

Упругость
диссоциации окислов, находящихся в
растворе, р!О2
отличается от упругости диссоциации
свободных окислов рО2.
При этом

В
знаменателе стоит предельное насыщение
металлического раствора окислом.

Окисление
металла в зоне плавления поверхностными
окислами
осуществляется переплавлением окислов,
находящихся на кромках и на поверхности
присадочного металла. При расплавлении
кромок основного металла, поверхность
которого покрыта окислами, в сварочную
ванну попадают вносимые ими дополнительные
количества кислорода, приводя к большей
окисленности сварочной ванны. Аналогично
вводится кислород и в случае наличия
окислов на присадочном металле.

В
целях максимального исключения усиления
окисленности ванны и металла шва такими
окислами поверхности основного металла,
подлежащие расплавлению при сварке,
должны предварительно зачищаться
механическим способом. Присадочная
проволока очищается от окислов либо
механическим способом, либо травлением.

При
изменении температуры от Тпл
железа до 25000С
величина константы возрастает от 0,011
до 0,125.

Окисление
химически активными по кислороду шлаками
происходит в связи с обменными реакциями
типа

При
сварке углеродистых сталей по такой
схеме происходят кремне- и
марганцевосстановительные процессы
пи наличии в шлаке значительных количеств
SiO2
и MnO.
В случае наличия в металле элементов с
более сильным сродством к кислороду их
окисление кремнеземом и закисью марганца
может быть очень интенсивным. При сварке
сталей, содержащих элементы с весьма
большим сродством к кислороду (Al,
Ti),
их выгорание может происходить почти
полностью.

Окисленность
жидкого металла в сварочной зоне зависит
от содержания в нем элементов –
раскислителей.
Раскислителями являются элементы с
большим сродством к кислороду, чем
металл, являющийся основой сплава.
Никель раскислителем для железа быть
не может и его выгорание при сварке
сплавов на железной основе должно быть
ничтожным. Марганец уже при концентрациях
более 0,5 % при 23000С
и около 0,1 % при 15400С
имеет меньшую упругость диссоциации
окисла, чем насыщенное кислородом
железо, и может выступать в качестве
раскислителя, отбирающего кислород от
железной основы. Хром действует слабее,
чем марганец. Более сильными раскислителями
железа являются кремний титан алюминий.
При высоких температурах наиболее
сильным раскислителем становится
углерод.

В
связи с тем, что сродство элементов к
кислороду с повышением температуры
уменьшается, концентрация кислорода в
расплавленном металле при высоких
температурах может быть значительной.
При снижении температуры в хвостовой
части ванны раскисляющая способность
элементов – раскислителей усиливается
и реакции смещаются в сторону связывания
кислорода этими элементами. Продукты
этих реакций, являясь практически
нерастворимыми в металле, выпадают в
виде отдельной фазы. Такое раскисление
носит название осаждающего.

Частицы
выпавших окислов могут удаляться
всплыванием или выталкиванием растущими
кристаллами или остаются в затвердевшем
металле в виде шлаковых включений.

Продукты
раскисления углеродом являются
газообразными. При их выделении хвостовая
часть ванны пузырится (кипит), а пузыри,
не успевшие удалиться из затвердевшего
металла, образуют в металле поры,
наполненные газом.