Режимы сварки

   В промышленном производстве, строительной, машиностроительной области необходимо, чтобы любое соединение было прочно, надежно, поэтому применяют сварку металлических деталей и конструкций. Помимо мастерства сварщика на получение качественное работы также влияют правильно выбранные режимы сварки. Это основной параметр режима сварки, от которого зависит результат. Оборудование настраивается отдельно для каждого вида металла, способа, рабочих условий. Чтобы получить качественный и прочное соединение, которое будет долговечно, необходима точная настройка параметров режима сварки.

   Выбор параметров и режимов сварки зависит от свойств металлов, их толщины, типа заготовки. Если нормы соблюдены, можно создать прочное соединение со сварным швом, который будет отличаться высоким качеством. Для большинства параметров сварки существуют готовые таблицы, в которых учтены основные факторы. Мастерам необходимо внимательно изучить их, чтобы выполнять качественные сварочные работы.

   Гладкий качественный сварочный шов с высокой прочностью можно получить, если была сделана правильная настройка режимов импульсной сварки. При неправильно выбранном размере электрода, силе тока, полярности ни один сварщик, даже имея на руках наилучшее оборудование, не создаст надежное сварное соединение. Дуга не будет гореть стабильно, не будет достаточной глубины проплавления, образуются дефекты и многое другое.

   Процесс сварки металлических заготовок и деталей зависит от всех параметров сварочного режима. Качественный, прочный, надежный сварной шов имеет прямую зависимость с основными параметрами сварочного режима, поэтому подбор выполняют в соответствии со способом сварки, толщиной заготовки, типом металла и т. д. Только если грамотно выбрать сварочный режим, получится выполнить качественное соединение.

Основные параметры режима сварки

   Чтобы получить соединение необходимых форм, габаритов – режим сварки – это учет всех необходимых характеристик процесса. К этой совокупности относится: плотность тока внутри электрода, сила сварочного тока, скорость процесса. Не менее важны следующие параметры: грануляция и марка флюса, напряжение в дуге, расходный объем защитного газа.

   Основными параметрами режима являются факторы, оказывающие значительное влияние на количество энергии и то, каким способом она передается на металлическую поверхность. Для выполнения технологического процесса соединения металлических деталей путем сварки используют нагрев и плавление. Необходимо точно настроить режим, включающий разные параметры. Помимо основных значений обязательна настройка второстепенных параметров, так как от них зависят дополнительные факторы, к которым относится удобная работа, улучшенный эстетичный шов.

Основные параметры включают:

1. Силу тока, от которой зависит качество и скорость сварочного процесса.

2. Диаметр электрода выбирают в соответствии с типом процесса и толщиной металла.

3. Род тока – возможно подключение постоянного или переменного тока. Это зависит от типа сварочной аппаратуры и требуемых условий сварки.

4. Полярность выбирают в соответствии с требованиями, которые предъявляются к проведению сварочного процесса. Применяют прямую или обратную полярность.

5. Напряжение сварочной дуги и ее длина – от этих параметров зависит то, насколько она стабильна, и образование качественного шва.

6. Скорость сварки – определяющий рабочий фактор производительности, от которого в прямой зависимости находится качество соединения, полученного сваркой.

   Температура электродуги, глубина проплава зависит от того, какая сила тока была установлена на сварочной аппаратуре. При установке чересчур высокого токового значения возможно образование прожогов или чрезмерного расплава металла. Если установить чересчур низкое токовое значение, проплавление будет неполным, а у полученного соединения будет слабость и дефекты. Он влияет на интенсивность плавления металла. При установке большой силы тока и малого диаметра электрода на выходе образуется некачественное соединение. При низкой подаче тока возможен обрыв сварной дуги и появление не проваренных мест.

Например, для стали:

• толщина – 3 мм, ток – 65…100 А;

• толщина – свыше 3 мм, ток 150…200 А.

При работе с ручной дуговой сваркой глубина проплава и качество шовного соединения зависит от диаметра выбранного и установленного электрода. То же самое относится к проволоке, когда работу выполняют в среде защитных газов. Чтобы получить прочное соединение, если увеличивают диаметр электрода, обязательно поднять силу сварочного токаю

Например:

• электрод Ø 3 мм – ток 50…100 А;

• проволока Ø 1,2 мм (MIG сварка) – ток 150…200 А.

   При постоянном токе (DC) электродуга горит стабильно, металл лучше проплавляется. Переменный тип (AC) чаще применяют при работе с цветными металлами, в том числе, для алюминиевых деталей. Это необходимо для предотвращения покрытия металлической поверхности оксидными пленками.

От полярности зависит, как распределяется на электрод и свариваемую заготовку тепло. Если полярность прямая (при подключении к электроду минуса), основное тепло передается металлу, поэтому деталь лучше проплавлена. Если применяется обратная полярность, происходит концентрация тепла на электроде, что не позволяет допустить перегрев детали, что актуально при работе с тонким металлом.

   Форма шва и стабильная электродуга зависят от того, каково напряжение в сварочной дуге. Ее длина должна быть оптимальна. При слишком короткой образуется неравномерный шов, а процесс нестабилен. При слишком длинной – ухудшается качество, а расплав металл разбрызгивается.

Не менее важно то, с какой скоростью перемещается электрод по свариваемому шву. При медленной сварке металл перегревается и деформируется, при быстрой – недостаточно проплавляется. Применение оптимальной скорости позволяет сформировать равномерный шов с правильно выполненной глубиной проплава и образованием минимума дефектов.

Отношение силы тока к толщине электрода при сварке

   Глубина проплава и температура сварочной дуги напрямую зависят от силы тока. Если установлен высокий ток – образуется избыточный проплав металла, возможно образование прожогов. Если низкая сила тока – проплав неполный, соединение – слабое. Наиболее важным параметром, требующим регулировки на сварочном аппарате, является сила тока. От нее зависит влияние на интенсивность горения дуги и объем поступаемого тепла.

   Наиболее простая формула, по которой можно рассчитать силу тока:

I (Ампер) = 40 х d (мм), где d – Ø электрода.

Например, наиболее часто устанавливают электроды диаметром 3 мм. Используя формулу, получаем:

I = 40 х 3 = 120 Ампер.

   Это оптимальное значение, на которое нужно опираться при подборе силы тока.

   Если выполняется РДС, подбор выполняют в соответствии с диаметром стержня электрода, толщиной металла и пространственной ориентацией шва. Каждый из этих параметров находится в прямой зависимости от других. При установке тока высокой частоты сгорание электрода будет происходить в воздухе. Произойдут затруднения с электрической дугой, которую трудно будет контролировать, а от жидкого металла будут лететь брызги. Когда сваривают листовую сталь нельзя устанавливать большую силу тока, так как обязательно образуются прожоги.

   Если у тока будет недостаточно силы, образуется короткая дуга, что приведет к затуханию, когда конец электрода отдаляют. В этом случае получают неглубокое проплавление, а полученное соединение не будет стабильно и быстро разрушится. В среднем для каждого миллиметра толщины детали требуется 40–50 А сварочного тока. Однако существуют другие факторы, влияющие на уменьшение этого параметра.

От характеристик сварочного аппарата зависит возможность повысить амперы, поэтому, выбирая инверторное оборудование необходимо исходить из того, заготовки какого сечения нужно сваривать. Лучше всего использовать модели, у которых максимальный ток не ниже 200, 300 или 500 А.

Выбор диаметра электрода при сварке металлов

   Подбор электродного диаметра зависит от того, какова толщина металла, подлежащего сварке:

• применение для толстого металла тонкого электрода не даст достаточного прогрева и глубины проплавления, в результате образуется непровар;

• при использовании для тонкого металла толстого электрода необходим большой ток, за счет чего обязательно образуется прожог.

На сварочный процесс также влияет тип, марка, покрытие электрода. Если это плавящиеся металлические стержни (стальные, чугунные, медные, бронзовые, алюминиевые и т. д.), то они могут выступать в роли катода или анода. Одновременно с проведением тока такой электрод заполняет место соединения металлом.

   Многое зависит от типа применяемого электрода. Чаще всего в быту и строительстве используют универсальные электроды с рутиловым покрытием типа МР–3 или АНО–21. У них стабильное горение, легкий поджог. Если необходима сварка ответственных, нагруженных конструкций, используют – УОНИ–13/55. Этот тип обеспечивает получение прочного, пластичного шва. Однако их необходимо прокаливать перед применением.

   К неплавящимся стержням относятся графитовые. Это тугоплавкий материал, который не относится к металлам. Также применяют разные диаметры вольфрамового электрода, изготовленного из тугоплавкого вольфрамового сплава. Для таких электродов необходим проволочный припой.

При ручной сварке можно применять электроды с покрытием, которое создает защитную среду. Такое покрытие необходимо для стабилизации горения дуги, улучшения качества соединения. Этот материал выпускают Ø 1,6–6 мм. С утолщением заготовки увеличивается сечение электрода.

При сварке толстого металла тонким электродом стержень перегреется и произойдет распад на воздухе. Также возможен перегрев и осыпание покрытия. В этом случае при сварке голым электродом у сварочной ванны отсутствует защита (образуются поры).

   При чересчур большом диаметре дуга не сможет гореть в нормальном режиме. Это приведет к трудностям с контролем маленького воздушного зазора. В результате конец электрода обязательно будет прилипать к заготовке.

   Голые электроды используют при сварке в полуавтоматическом или автоматическом режиме в среде защитных газов.

Параметры длины дуги

   Одним из основных параметров сварки является напряжение дуги, от которого зависит ее длина, то есть расстояние между свариваемой поверхностью и концом электрода. Этот параметр указан в таблицах и зависит от электрода. В качественной сварочной работе на всей длине шва отсутствуют недовары.

   Поведение расплавленного металла в сварочной ванне сильно зависит от силы тяжести. Поэтому требуется корректировка силы тока при вертикальном или потолочном положении:

1. Для нижнего положения устанавливается номинальный (расчетный) ток.

2. Чтобы избежать стекания металла вниз при проведении вертикальной сварки, требуется на 10–15% снизить силу тока. Для сварки используется короткая дуга. Электрод передвигают снизу вверх.

3. Наибольшей сложностью отличается потолочное положение. Для удержания металлических капель необходимо на 15–20% уменьшение тока. При сварке используют минимальный размер дуги.

   Вертикальные и потолочные швы сваривают при помощи электродов диаметром до 4 мм.

При увеличении напряжения электродуга горит устойчиво. При таком методе сварки большая вероятность, что воздух попадет в зону шва. Иногда в проволоке образуются поры за счет того, что содержащиеся в ней элементы, выгорают. Чтобы зажечь дугу, потребуется выполнить необходимые три этапа: сначала на деталь выполняют короткое замыкание электрода, затем отводят его на 3–6 мм, в результате чего образуется устойчивый разряд.

Выбор полярности и типа тока

   Постоянный ток имеет полярность, которая оказывает влияние на то, как распределяется тепло между свариваемой заготовкой и электродом. Если полярность прямая, то есть на электрод подключен минус, большинство тепла сосредоточено на металлической поверхности для лучшего проплавления. Когда используют обратную полярность, концентрация тепла происходит на электроде, чтобы не перегревать деталь. Это актуально для соединения тонкого листового материала.

   Полярность определяется движением энергии от катода на анод и наоборот. Вместе с направлением тока необходимо выбрать, какой тип использовать. Чтобы получить глубокий шов, заготовку сваривают при помощи тока обратной полярности.

   Как используется полярность тока в инверторных аппаратах. При обратной полярности (DC+) электрод подсоединяют к «плюсу» (+), а заготовки к «минусу» (–). Происходит концентрация большей части тепла на конце электрода. Это позволяет электроду быстрее плавиться. Деталь прогревается меньше, что снижает возможность прожога. Такой метод идеален для работы с тонким металлопрокатом, а также для сваривания швов, расположенных вертикально или наверху.

   При прямой полярности (DC–) выполняют подключение электрода к «–», а заготовки к «+». На свариваемой заготовке происходит концентрация основного тепла. Это необходимо, чтобы получить глубокое проплавление. Такой метод идеален для сваривания толстого металла, а также, чтобы резать материал. Чтобы получить наибольшую прочность, требуется своевременное и равномерное заполнение шва расплавом.

   При движении электронов от (–) к (+) в постоянном токе можно получить разные эффекты при сварке, если подключать держатель или зажим массы к разным полюсам. Концентрация тепла происходит на «+». Если устанавливается прямая полярность, обеспечено глубокое проплавление, стабилизируется горение сварочной дуги, а шов получается нешироким. Этот метод подходит, чтобы резать или сваривать детали толщиной от 5 мм.

   При обратной полярности держатель подключают к «+», а заготовку к «–». В этом случае движение электронов происходит от заготовки в сторону электрода. Это снижает температуру вложения тепла на максимум 1000 °C. За счет этого происходит снижение глубины проплавления, увеличение ширины шва. Однако горение электрода происходит намного быстрее. Этот метод подходит для деталей толщиной 1–3 мм. Нержавеющую сталь также сваривают при режиме обратной полярности. Это необходимо чтобы уменьшить выгорание легирующих компонентов. При работе с чугуном в сварочной ванне происходит снижение бурления углерода, чтобы понизить до минимума пористость.

Таблица сварочного тока для электродов

   Чтобы получить постоянный ток, если используют ручную дуговую сварку, используют либо инвертор, либо сварочный выпрямитель. Движение электронов в таком токе происходит однонаправленно, поэтому у дуги горение стабильно, мало брызг расплава. При сварке слышно только тихое шелестение. Для ответственных конструкций, требуемых в промышленности, строительстве, для сваривания пользуются аппаратами ММА. Этот метод наиболее нужен для работы с чугуном, высоко и малоуглеродистым стальным сплавом, нержавеющими сплавами.

   Для выработки переменного сварочного тока пользуются специальными трансформаторами. Это оборудование напрямую подключается к электросети 220 В или 380 В. В этом типе тока при частоте 50–60 Гц электроны движутся разнонаправлено. Это приводит к тому, что сварочная дуга горит нестабильно, происходит треск, постоянное увеличение и уменьшение длины дуги. Этим методом можно сваривать неответственные металлические конструкции из малоуглеродистого стального сплава.

   Силу тока в больших трансформаторах регулируют сдвижением и раздвижением первичной и вторичной катушки, вращая рукоять. В небольших трансформаторах силу тока регулируют ступенчатым или плавным круговым переключателем.

Наклон электрода и заготовок при сварке

   Насколько равномерен будет проплав шва, зависит от того, под каким углом находился электрод во время сварки. Это также влияет на форму полученного шва. Расплав и тепло распределяются по шву равномерно, если угол, под которым держат электрод, оптимален. Если угол, при котором выполняют сварку, выбран неправильно, могут образоваться дефекты. У швов будет либо сильная выпуклость, либо вогнутость.

   Распределение металлического расплава внутри сварочной ванны зависит от того, в каком положении используют электрод. Наиболее легкий вариант сварочной работы при положении внизу. При этом получится аккуратное ровное соединение. Другие положения более сложны, так как при сварке стекает металл.

   Когда работают с полуавтоматом, обязательно учитывают угол наклона электрода и делают расчет сварочных режимов. При таком методе необходимо отклонение стержня по отношению ко шву на 10°. Глубина и ширина соединительного шва зависит от того, как электроды расположены к стыку.

   При сварке под углом вперед происходит расширение соединения и уменьшение глубинных показателей. За счет этого электродуга гонит волну расплава впереди себя, чтобы сделать расплав металла.

   При выборе сварки под углом назад, расплав переходит в конец свариваемой зоны. В этом случае происходит прямое влияние электродуги на свариваемые заготовки. Это дает увеличение глубины проплавления стыка и уменьшение ширины шва.

   Чтобы качественно заполнить шов, нужен наклон детали – 8–10°. В противном случае возможно стекание металлического расплава или образование непроваров. Когда сваривают трубопрокат, изменение угла невозможно, поэтому сваривают, начиная сверху

Параметры режима сварки в среде защитных газов

   Если необходимо улучшить газовую защиту, сварщик может увеличить количество потребляемого газа, сделать сварку менее скоростной. Также обязательно применение защитных экранов. При сварочных работах в зону, где горит дуга, осуществляется подача газа, которая необходима, чтобы удалить из нее воздух. Это необходимо для защиты сварочной ванны, чтобы удалить N и O2. Во время сварочного процесса применяют два вида газов: активные (CO2, H2, O2) и инертные (He, Ar). В некоторых случаях используют смесь.

   В работе сварщики пользуются электродами плавящегося и неплавящегося типа. Чаще всего применяют первый тип стержней. Это бюджетный вариант для работы с углеродистыми, низколегированными стальными сплавами. Этот механизированный метод наиболее часто применяют на производстве.

При применении разных видов проволоки:

   Это усредненные данные по расходуемому газу при сварке полуавтоматическими аппаратами. Также существуют дополнительные нюансы, увеличивающие количество используемого газа. На открытом воздухе происходит быстрое улетучивание газа, поэтому его используется больше.

Также нужно учитывать качество газа. При применении разбавленного газа невозможно сохранение оптимальных показателей, поэтому неизменно произойдет перерасход.

   Если сварка выполняется в защитной газовой среде (MIG/MAG или TIG сварка) необходим правильный подбор газа или газовой смеси. При сварке низколегированных или углеродистых стальных сплавов обычно применяют углекислый газ (CO2) или смесь с аргоном.

У защитного газа есть определенные функции:

• защита сварочной зоны от попадания азота и кислорода;

• предотвращение образования оксидной пленки и пор в металле;

• стабилизирует электрическую дугу.

   Выбирая газ, необходимо учесть, какими особенностями обладает металл, а также каким типом сварочного процесса будут пользоваться.

При работе с углеродистыми стальными сплавами, выполняя сварку полуавтоматом (MIG/MAG) наиболее часто используют углекислый газ. Его применяют в чистом виде и как добавку в состав смеси.

У углекислого газа есть определенные преимущества:

1. Глубокий провар. Газ хорошо проплавляет металл, что необходимо при сваривании толстого листового металлопроката.

2. Невысокая стоимость. В отличие от других защитных газов этот вариант считается наиболее выгодным экономически.

   У углекислого газа также есть определенные недостатки. Если применять его в чистом виде, возможна меньшая стабильность дуги, на шве образуется больше металлических брызг. За счет этого CO2 обычно смешивают с аргоном.

   Аргон относится к инертным газам, поэтому между ним и металлом не происходит химических реакций. При применении смеси аргона с углекислым газом (80% аргон, 20% CO2) электродуга становится более стабильной, уменьшается разбрызгивание расплава.

К преимуществам применения аргоновых смесей можно отнести:

• наличие этого газа позволяет создать более стабильную дугу, что облегчает сварочный процесс;

• образование более гладкого сварочного шва, в котором меньше дефектов;

• снижение разбрызгивания в отличие от применения чистого углекислого газа, так как применение смесей уменьшает образование брызг, снижая расход на чистку.

   Наиболее частое применение смесей – сварка конструкционных сталей и металлических заготовок средней толщины.

При работе с нержавеющим стальным сплавом нужно очень тщательно выбирать газ, так как необходимо не только предотвращение окисления, но и сохранение коррозионных свойств сплава. Поэтому при сварке этого материала чаще всего применяют чистый аргон, особенно при TIG-сварке. Так как аргон инертен, сварочная ванна находится под надежной защитой от воздействия воздуха, что не допускает образования оксидной пленки. При аргоновой сварке образуется мягкая устойчивая электрическая дуга, требуемая для сварки тонких материалов из нержавейки.

   Чтобы увеличить производительность, применяют смесь аргона с добавкой небольшого количества углекислого газа или кислорода (не более 5%). Такая смесь улучшает провар, стабилизирует электродугу. Применение аргоновой смеси с добавкой углекислого газа (1..2%) позволяет улучшить глубину провара и делает сварочный процесс более стабильным. Применение аргоновой смеси с кислородом (1…2%) улучшает смачивание сварочной ванны, позволяя получить более ровный, гладкий шов. При работе с нержавеющей сталью запрещен избыток применения активных газов, чтобы коррозионная стойкость не была ухудшена.

Влияние скорости сварки

   Прочность сварного соединения зависит от того, с какой скоростью ведется сварка. Сварочная ванна при сварке обязательно должна быть заполнена металлическим расплавом. Это необходимо для равномерного перехода, чтобы на кромках образовалось нужное покрытие. Длина шва должна превышать диаметр используемого электрода в 1,5…2 раза. Нельзя стараться увеличить скорость процесса. В противном случае структура металла не прогреется до необходимого состояния, что приведет к снижению прочности.

   Размер стандартной сварочной ванны: ширина – 14 мм, глубина – 6 мм. Однако возможно изменение длины от 10..30 мм. При соблюдении рекомендаций и контроле постоянного равномерного заполнения ванны образуется шов высокого качества.

   Существенным фактором, влияющим на качество сварочного шва, является скорость сварки. Если варить на очень большой скорости, возможно образование неполного или недостаточно проплавленного шва. В результате получится не очень прочное соединение. При невысокой скорости происходит перегрев металла, деформирование и, как следствие, образуются прожоги, наплывы. При среднескоростной сварке для стального металлопроката толщиной 3…6 мм в течение минуты можно сварить 20…40 см. Но этот параметр значительно зависит от используемой техники и метода сварки.