Зварювання плавким електродом в атмосфері захисного газу

Зварювання плавким електродом в атмосфері захисного газу або технологія, що позначається абревіатурами (MIG - Metal Inert Gas,) / (MAG - Metal Active Gas), або (GMAW - газове дугове зварювання) і на кресленнях згідно з STN EN ISO 4063, як метод 131, або 135 та для порошкових дротів 136 I 138 є технологією зварювання плавленням. Електрична дуга горить між торцем плавкого неперервного електроду і основним матеріалом у захисній атмосфері інертного або активного газу. (Рис. 13).

В електричній дузі в першу чергу відбувається іонізація парів металу з основного і присадкового матеріалу і, у другу чергу, дисоціація та іонізація захисних газів.

Металургія MIG/MAG зварювання

Вид використовуваної захисної газової атмосфери істотно впливає на якість зварних з'єднань і металургійних процесів при зварюванні. Якщо в методі MIG в зоні зварювання є інертна атмосфера, яка не бере участі в металургійних (окисно- відновлювальних) процесах, а газ виконує виняткову функцію захисту металу шва від негативного впливу навколишньої атмосфери, то в MAG зварюванні газ бере активну участь у металургійних процесах зварювання. Активним газом, що використовується в методі MAG, є CO2, який має найсильніший окислювальний ефект. На практиці найчастіше використовуються змішані гази Ar+CO2 та Ar+O2 відповідно.

Вуглекислий газ дисоціює в області високих температур, при цьому передбачається наявність вільних атомів кисню. Ступінь дисоціації залежить від температури. Повна дисоціація відбувається при температурі 6500ºК. Газ, який контактує з краплями розплавленого металу, має нижчу температуру, тому відбувається лише часткова дисоціація. Вільний кисень реагує з краплями розплавленого металу, виділяючи тепло. У зоні дуги також є волога, яка викликає утворення водяної пари.

У рідкому металі процеси окислення в електричній дузі відбуваються інтенсивніше, ніж у розплавленому металі шва. Під час цих процесів елементи вигоряють відповідно до їх спорідненості з киснем. В залежності від спорідненості до кисню хімічні елементи в присадних матеріалах можна поділити на активні та стабільні. Активними (швидкореагуючими) є C, Zr, Ti, Al, V, Si, Mn. Стійкими (повільно реагуючими) є Cr, Fe, Mo, Ni, Cu.

Швидкість кристалізації наплавленого металу повинна дозволяти CO виходити з розплавленого зварюваного металу. До додаткових матеріалів додають розкислювачі Mn, Si та Al, що забезпечує дрібнозернисту структуру, особливо при зварюванні дрібнозернистих сталей. Під час зварювання MAG у чистому CO2 вигорає до 50% початкового вмісту таких елементів, як Zr, Ti, Al.

Параметри зварювання MIG/MAG

Зварювальний струм. - При зварюванні використовується постійний струм. Зі збільшенням струму збільшується глибина проплавлення, висота шва, ширина валика і коефіцієнт плавлення. Змінний струм використовується для зварювання Al і його сплавів, де застосовується очищаюча дія струму. Величина зварювального струму прямо пропорційна швидкості плавлення дроту.

Полярність Під час зварювання в захисній атмосфері MIG, MAG використовується зворотня полярність (+ полярність на зварювальному дроті). При зварюванні на прямій полярності (- полярність на зварювальному дроті) збільшується розбризкування і зменшується стабільність горіння електричної дуги.

Напруга дуги. - Зі збільшенням довжини дуги збільшується вплив навколишніх газів на стовп дуги та на анодну пляму, інтенсифікуються хімічні реакції та частота перенесення металу. Зі збільшенням напруги дуги кількість домішок у зварювальній ванні також збільшується, зменшується глибина проплавлення, валик стає ширшим, а коефіцієнт плавлення зменшується. Зниження напруги дуги викликає підвищення переходу зварного шва до основного матеріалу.

Швидкість зварювання - впливає на форму кратера у зварювальній ванні, напруження, деформації та ширину зварювального валика. При ручному зварюванні швидкість зварювання знаходиться в межах від 100 до 600 мм. хв^-1, при автоматизованому способі до 1200 мм. хв^-1.

Виліт зварювального дроту - це відстань дроту від його виходу з контактного наконечника до дуги. Різкі зміни розташування електродів під час зварювання негативно впливають на стабільність процесу зварювання. Великий виліт дроту негативно впливає на ефективність захисної газової атмосфери. Невеликий виліт дроту викликає перегрів і забруднення сопла пальника бризками металу шва.

Відстань сопла пальника (газового сопла) при зварюванні знаходиться в межах від 15 до 25 мм.

Кут нахилу, це кут між зварювальним пальником і напрямком руху сопла.

Кут відхилення це кут між площиною рухомого зварювального пальника з вертикальною площиною.

Захисний газ складається з багатоатомних молекул, які охолоджують дугу. У безпосередній близькості від нього відбувається дисоціація молекул на атоми, і для цього потрібна велика кількість тепла, яке забезпечується зварювальною дугою. Тип захисного газу впливає на форму та розміри зварного шва. Потік газу повинен бути ламінарним (не турбулентним), щоб не засмоктувати повітря в захисну атмосферу. Зі збільшенням швидкості потоку коефіцієнт плавлення зменшується. Захисні гази для зварювання класифікуються відповідно до STN EN ISO 14175.

Поверхня зварюваного матеріалу вимагає такої ж чистоти, як і при інших технологіях зварювання. Поверхні зварних швів підготовляють шляхом механічної обробки металу. Форма та розміри зварних поверхонь, в залежності від товщини зварних швів, встановлені стандартом STN EN ISO 9692-1.

При ручному зварюванні, як і при газовому зварюванні, використовується лівостороннє зварювання (кутом вперед), якщо кут нахилу пальника перевищує 90º, і правостороннє зварювання (кутом назад), якщо кут нахилу пальника менший 90º, що підходить для зварювання тонких листів короткою дугою в горизонтальному положенні (PA – STN EN ISO 6947). Для довгої дуги застосовуються обидва способи зварювання

За рахунок зміни зварювального струму і зварювальної напруги відбувається зміна зварювальної дуги , (рис. 14), а також перенесення розплавленого присадкового матеріалу. Перенесення металу залежить від зварювального струму, густини струму, напруги на дузі, роду зварювального струму, полярності, типу та діаметру електроду та виду захисного газу.

Тип зварювальної дуги залежить від типу використовуваного захисного газу, товщини зварюваного листа та положення зварного шва.

Перенесення металу при зварюванні на постійному струмі зі зворотною полярністю може бути:

- перенесення коротким замиканням - (так зване перенесення зануренням), або перенесення короткою дугою відбувається при зварювальній напрузі від 14 до 20 В і зварювальним струмом приблизно до 200 А. Використовується для зварювання тонких листів, у просторових положеннях і зварювання кореня шва. Перенесення матеріалу відбувається при короткому замиканні дуги довжиною приблизно 3 мм з невеликими бризками. Перенесення металевих крапель відбувається за пінч- ефектом;

- перенесення напівкоротким замиканням відбувається при зварювальній напрузі від 18 до 28 В. Більш висока тепловіддача дуги забезпечує більшу зварювальну ванну і краще формування зварного шва в порівнянні з перенесенням коротким замиканням;

- вільним перенесенням (так зване перенесення без короткого замикання) відбувається при зварювальній напрузі від 25 до 35 V з довжиною дуги приблизно 6 мм. V з довжиною дуги прибл. 6 мм.

- Розміри і частота крапель плавленого додаткового матреіалу залежать від величини зварювального струму, хімічного складу матеріалу, захисного газу і діаметра 

-        електрода. Перенесення у вільному польоті поділяють, залежно від щільності струму, на:

    - краплинний перенос металу, що відбувається при густині струму, нижчій за граничну густину струму внаслідок дії сил гравітації. Використовується для зварювання листів алюмінію та його сплавів великої товщини в атмосфері інертного газу.

   - комбінований краплинно-розбрискувальний перенос відбувається при граничних значеннях густини струму. Це найбільш часто використовуваний тип трансмісії при зварюванні сталевих листів.

   - струменеве перенесення відбувається при високій густині струму за рахунок дії електромагнітних сил. Перенесення крапель металу невеликих розмірів відбувається з великою швидкістю. Воно підходить для зварювання більших товщин в захисній атмосфері суміші газів і Ar. Такий спосіб перенесення має обмежене застосування в захисній атмосфері CO₂;

     - передача імпульсом відбувається пульсуючим струмом. При змінному основному та імпульсному струмі. Розмір крапель залежить від частоти, яка знаходиться в діапазоні від 25 до 300 Гц. Перевагою його використання є висока стабільність горіння дуги, дрібне розбризкування. Воно придатне для зварювання тонких листів, зварювання в просторових положеннях і кореневих зварних швів. Використання імпульсної дуги в захисній атмосфері CO₂ неможливе;

   - перенесення металу по обертовій дузі (також відоме як T.I.M.E, відповідно САТ. відбувається при використанні великих зварювальних струмів (понад 450 А) і зварювальної напруги понад 48 В. Характеризується високою продуктивністю плавлення. Застосовується при зварюванні матеріалів великої товщини і зварюванні в захисній атмосфері суміші газів з гелієм.

Зварювальне обладнання для зварювання плавким електродом в атмосфері захисного газу складається з джерела зварювального струму, яким є випрямлячі та інвертори. З конструктивної точки зору вони можуть бути обертовими і необертовими. Для механізованих способів зварювання так звана статична характеристика зварювального обладнання.

До складу обладнаня також входять бухти електродного дроту, балони із захисним газом, що знаходиться під тиском, регулюючі клапани, механізм подачі електродного дроту, блок управління, що забезпечує робочий цикл, блок охолодження, що забезпечує охолодження зварювального пальника (газового, водяного), зварювальний пальник, зварювальні дроти, шланг для подачі газу та охолоджувального середовища пальника.

Присадкові матеріали для зварювання

Зварювальні дроти для зварювання в захисних атмосферах поставляються намотаними в бухтах від 1 до 19 кг. З точки зору обробки поверхні, необхідно, щоб зварювальний дріт не мав іржі, мастила і не був пошкоджений, що могло б викликати погіршення якості в процесі зварювання. Суцільні дроти постачаються діаметрами ø 0,6; 0,8; 1; 1.2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2.2; 2,4 мм. При зварюванні в атмосфері захисних газів все ширше застосовуються порошкові дроти, що дозволяє підвищити продуктивність зварювання, поліпшити формування шва, а шар шлаку на поверхні шва уповільнює його охолодження. Додаткові матеріали для зварювання в захисній атмосфері стандартизовані відповідно до STN EN ISO 14341.

Технологія зварювання плавким електродом у захисних газових середовищах широко використовується в машинобудуванні. Це механізований спосіб зварювання, перевагою якого є безперервність процесу зварювання завдяки намотаним на котушки присадковим матеріалам, що забезпечує його автоматизацію та високу якість зварних швів. Дозволяє зварювати тонкий і товстий лист нелегованої, а також високолегованої сталі, в тому числі кольорових металів.

Просторові положення зварювання

Положення зварювання визначаються відповідно до STN EN ISO 6947, «Зварювання. Положення зварювання - Визначення кутів нахилу та повороту».

Положення зварювання визначаються розташуванням зварного шва в просторі та напрямком зварювання.

PA – Г

PA - Горизонтальне положення зверху;

PB - VГоризонтально-вертикальне положення;

PC - Горизонтальне положення на вертикальній поверхні;

PD - Горизонтально-вертикальне стельове положення;

PE - Стельове положення;

PF - Вертикальне положення знизу вверх;

PG - Вертикальне положення зверху вниз. Нахил  

PB – Vodor

зварних швів

Стандарт для прямих зварних швів визначає нахил S, як кут між поздовжньою віссю зварного шва та позитивною віссю х горизонтальної координатної площини. S вимірюється в математично позитивному напрямку, проти годинникової стрілки (рис. 4).

Система координат встановлюється так, щоб поздовжня вісь зварного шва розміщувалась у вертикальній базовій площині (рис. 4 площина x/z), а напрямок зварювання починався з початку системи координат. Для труб з похилими осями нахил виражається в напрямку зварювання, а поворот - кутом нахилу.

Обертання зварних швів

Обертання зварних швів R визначається, як кут між поперечною віссю зварного шва (лінія, що з’єднує центр кореня зварного шва та облицювального шару) та позитивною віссю y або паралельно осі y, виміряний у математично позитивному напрямку, у площині перерізу шва (рис. 5).

Для розташування кільцевих швів на трубах з похилими осями використовуються наступні позначення повороту і нахилу (рис. 6 і 7):

Поворот позначається літерою L і кутом нахилу (рис. 6).

Нахилом називається:

- нахил PJ для зварювання зверху вниз (рис. 7i);

- нахил PH для зварювання знизу вверх (рис. 7б);

- нахил PК для кільцевого зварювання.

Зварюваність матеріалів

Зварюваність це здатність матеріалу утворювати зварні з'єднання за певних технологічних умов з потрібними властивостями. 

Зварюваність, як правило, визначається шляхом порівняння властивостей зварного з’єднання з основним зварюваним матеріалом. Властивості, які є основними для оцінки цілісності, вважаються показниками зварюваності.

Для оцінки зварюваності використовують дві групи показників:

- Показники цілісності зварних з'єднань, , що характеризують стійкість зварних з'єднань до появи тріщин та інших недопустимих дефектів.

- Показники властивостей зварних з'єднань, , що характеризують зміни окремих властивостей металу в зоні зварного з'єднання в результаті зварювання.

Показники цілісності зварних з'єднань класифікують за чотирма основними видами тріщин:

Гарячі тріщини — це тріщини, які виникають під час охолодження зварних з’єднань при високих температурах. У сталях вони утворюються при температурі вище 650 °C. За сучасною класифікацією розрізняють три види гарячих тріщин у зварних з'єднаннях.

- Кристалізаційні тріщини виникають в металі шва під час його кристалізації.

-  Лікваційні тріщини виникають у сильно нагрітій зоні термічного впливу основного матеріалу або у зварному шві у випадку багатошарового зварювання.

- Полігонізаційнітріщини, які також називаються тріщинами, що виникають через зниження пластичності, можуть виникати так само, як і лікваційні тріщини, у зоні термічного впливу основного матеріалу або наплавленого металу при нижчій температурі (~850 °C). Проте, полігонізаційні тріщини характерні лише для високолегованих аустенітних сталей і нікелевих сплавів. сплавів.

Холодні тріщини, тріщини, так звані тріщини, спричиненені воднем, у випадку якщо вони з'являються через певний час після закінчення зварювання, вони називаються уповільненими тріщинами - з'являються при температурах нижче 300 °C у ЗТВ (зоні термічного пливу) та в одно або багатопрохідних з'єднаннях високої міцності. Імовірність їх появи зростає за наявності мартенситних і бейнітних структур в металі шва або ЗТВ. Їх утворенню сприяє висока концентрація водню в основному матеріалі і ЗТВ, в який водень потрапляє з пакувального матеріалу електродів, флюсу, вологи навколишнього середовища, із забруднених захисних газів або з недостатньо очищеного електродного дроту і кромок швів. Значною мірою їх утворенню сприяє також жорсткість затискачів, яка після зварювання викликає напруження стискання у зварному з'єднанні.

Пластинчасті тріщини - це тип дефекту в зоні зварного з'єднання, який може виникнути, якщо в області ЗТВ під час зварювання виникають напруження в напрямку товщини листа. Ці тріщини зазвичай виникають на межах ЗТВ або в основному матеріалі. Тріщини мають каскадну (ступінчасту) форму, переважно паралельну поверхні листового металу. Вони можуть зароджуватися в області зварних з'єднань двома способами:

- екзогенно, , від дефекту іншого типу, наприклад від гарячої мікротріщини;,

- ендогенно, якщо вони виникають в результаті сильного напруження в напрямку осі руйнування.

Тріщини відпалу — це міжкристалічні тріщини в сильно нагрітій зоні ЗТВ (рідше в металі шва), які виникають і поширюються внаслідок відпалу зварних з'єднань для зменшення внутрішніх напружень. Існує два основних типи тріщин відпалу:

- низькотемпературні - (вони зустрічаються в діапазоні від 200°C до 300°C);

- високотемпературні - (виникають при температурах вище 300°С), їх причиною є вичерпування пластичності критичної зони термічного впливу при відпалі, точніше при релаксації залишкових напружень. 

Окремим випадком високотемпературних тріщин є тріщини відпалу, які переважно виникають у крупнозернистій зоні термічного впливу, нагрітій під впливом сусіднього шва до температури трохи нижче Aс1. Вони орієнтовані під кутом від 45 до 90° до напрямку зварювання. Вони утворюються при зварюванні стрічковим аустенітним електродом.

У зварних з'єднаннях утворюються переважно поєднання різних видів тріщин, наприклад лікваційні + холодні, лікваційні + тріщини відпалу або холодні і пластинчасті. Показники цілісності зварних з'єднань необхідно перевіряти для окремих класів ковких сталей і виливок сталей. 

Показниками механічних властивостей зварних з'єднань є:

- міцність зварного з'єднання;

- ударна в'язкість і температура її переходу в зоні термічного впливу;

- твердість зварного з'єднання.

Окрім показників механічних властивостей, існують також показники спеціальних властивостей зварних з'єднань:

- стійкість до крихкого руйнування;

- характеристики втоми;

- стійкість до корозії;

- стійкість до радіаційного опромінення;

- жаростійкі властивості тощо.

Зварні з'єднання повинні бути суцільними. Найнебезпечнішими дефектами є тріщини, які діють, як концентратори напружень завдяки ефекту надрізів і можуть поширюватися далі раптово (крихке руйнування) або поступово (чіпкий або втомний перелом). Зварюваність сталі дуже добра, якщо можна легко, без обмежень отримати зварні з'єднання необхідних властивостей. Навпаки, якщо ми повинні використовувати обмежувальні умови під час зварювання (попередній підігрів, обмеження питомої теплоємності тощо), ми говоримо, що матеріал володіє обмеженою зварюваність.

Зварюваність можна класифікувати на:

- металургійну – фізичні, хімічні, металургійні та металографічні зміни, спричинені термічним циклом зварювання. Вирішальний вплив на зварюваність має хімічний склад зварюваного матеріалу;

- технологічну – вплив конкретної технології зварювання та її параметрів (спосіб зварювання, додаткові матеріали, підведення тепла, порядок виконання зварних швів, тепловий режим зварювання, термообробка зварного з’єднання);

- конструктивну - сюди входять товщина зварюваного матеріалу, розташування, розміри, форма зварного шва, форма і підготовка зварювальних поверхонь, умови стану розтягу, деформацій, напружень, кількість зварних швів тощо;

- оперативну - наприклад можливості обробки зварного виробу. Комплектація конструктивного вузла на місці його встановлення (частини мостів, кораблів тощо).

ВИЗНАЧЕННЯ ТЕРМІНУ ЗВАРЮВАННЯ 

Зварюванням називається процес, у якому тепло, тиск, або тепло і тиск одночасно, створюють нероз’ємні з’єднання – зварні з’єднання. Процеси зварювання, в основному, грунтуються на локальному нагріві в місці зварювання. Зварний шов і зона навколо шва піддаються певному термічному циклу, характеристики якого залежать від використовуваної технології зварювання.Зварні з'єднання можуть бути виконані розплавленням основного (зварного) матеріалу, або з використанням електродного (присадкового) матеріалу. Частина металу, яка розплавляється під час зварювання, називається металом шва.

Зварний шов може бути виконаний лише переплавленням основного матеріалу (контактне зварювання) або може бути виконаний переплавленням основного матеріалу з присадковим матеріалом.

Електродним (присадковим) матеріалом є метал, який подається в зварювальну ванну, і в процесі зварювання він повинен мати той самий або близький хімічний склад, що і основний зварюваний матеріал.

Зварювальна ванна — ділянка зварного шва, що знаходиться в рідкому стані під час зварювання плавленням.

Розплавлений основний матеріал змішується у зварювальній ванні без або з присадковим матеріалом і утворює метал зварного шва. За джерелом тепла температура знижується, розплавлений метал кристалізується і утворюється зварний шов, при контактному зварюванні замість валика утворюється зварна точка або шов.

На розмір і форму зварювальної ванни впливають:

-    підведення тепла при зварюванні;

-    швидкість зварювання;

-    теплофізичні властивості зварюваного матеріалу;

-    товщина зварюваного матеріалу;

-    використання присадкових матеріалів та ін.

Під час зварювання метал у зварювальній ванні перебуває у стані безперервного руху і переміщення. Ці конвекційні струми забезпечують передачу тепла та металу всередині зварювальної ванни та спричиняють механічний вплив електричної дуги, електромагнітних сил та різницю поверхневого натягу.

Кристалізація зварювальної ванни починається, коли температура розплавленого металу шва знижується нижче температури плавлення.

На процес кристалізації впливають:

- кількість тепла, що вводиться у зварний шов;

- напрямок руху джерела тепла;

- градієнт температури у передній частині зварювальної ванни;

- змішування електродного металу з розплавленим основним металлом;

- швидкість кристалізації;

- об’єм зварювальної ванни;

- вид зварювальних матеріалів та інші.