Защитные газы и смеси

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО

Саратовский государственный  технический университет

Имени Ю.А. Гагарина

Кафедра: «Электронное машиностроение и сварка»

 

 

 

                                      КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине:

«Технологические среды  при сварке» 

«Защитные газы и смеси»

 

 

Текстовый редактор – Microsoft Office Word 2007.

 

 

Выполнил:

Студент группы ОТС – 41 з/о

                                                     Яценков К.В.

                                                         Проверил:

                                                         к.т.н., доцент

                                                              Перевозникова Я.В.

 

 

Содержание

1.Введение.- 3

2.Сварка в защитных  газах. Сущность способа.- 4-5

3.Преимущества и недостатки  способа - 6

4.Подготовка кромок и  их сборка под сварку-7

5.Общие рекомендации по  технике сварки - 8

6.Сварочные защитные газы-9

7.Газовые смеси вместо  углекислого газа-10

8.Составы газовых смесей-11-14

9.Литература -15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

     Сущностью и отличительной особенностью дуговой сварки в защитных газах является защита расплавленного и нагретого до высокой температуры основного и электродного металла от вредного влияния воздуха защитными газами, которые обеспечивают физическую изоляцию металла и зоны сварки от воздуха и заданную атмосферу в зоне сварки. Разновидности сварки в защитных газах можно классифицировать по следующим признакам: типу электрода—плавящимся и неплавящимся электродами; типу защитного газа — инертные, активные, их смеси; способу защиты — струйная, в контролируемой атмосфере; характеру горения дуги — стационарной, импульсной; механизации — ручная, полуавтоматическая, автоматическая.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сварка в защитных газах. Сущность способа.

Сварку в защитных газах  можно выполнять неплавящимся, обычно вольфрамовым, или плавящимся электродом. В первом случае сварной шов получается за счет расплавления кромок изделия  и, если необходимо, подаваемой в зону дуги присадочной проволоки. Плавящийся электрод в процессе сварки расплавляется  и участвует в образовании  металла шва. Для защиты применяют  три группы газов: инертные (аргон, гелий); активные (углекислый газ, азот, водород  и др.); смеси газов инертных, активных или первой и второй групп. Выбор  защитного газа определяется химическим составом свариваемого металла, требованиями, предъявляемыми к свойствам сварного соединения; экономичностью процесса и другими факторами. Смесь инертных газов с активными рекомендуется применять и для повышения устойчивости дуги, увеличения глубины проплавления и изменения формы шва, металлургической обработки расплавленного металла, повышения производительности сварки. При сварке в смеси газов повышается переход электродного металла в шов. Смесь аргона с 1—5% кислорода используют для сварки плавящимся электродом низкоуглеродистой и легированной стали. Добавка кислорода к аргону понижает критический ток, предупреждает возникновение пор, улучшает форму шва. Смесь аргона с 10—25% углекислого газа применяют при сварке плавящимся электродом. Добавка углекислого газа при сварке углеродистых сталей позволяет избежать образование пор, несколько повышает стабильность дуги и надежность защиты зоны сварки при наличии сквозняков, улучшает формирование шва при сварке тонколистового металла. Смесь аргона с углекислым газом (до 20%) и с не более 5% кислорода используют при сварке плавящимся электродом углеродистых и легированных сталей. Добавки активных газов улучшают стабильность дуги, формирование швов и предупреждают пористость. Смесь углекислого газа с кислородом (до 20%) применяют при сварке плавящимся электродом углеродистой стали. Эта смесь имеет высокую окислительную способность, обеспечивает глубокое проплавление и хорошую форму, предохраняет шов от пористости. Смесь углекислого газа с кислородом (до 20%) применяют при сварке плавящимся электродом углеродистой стали. Эта смесь имеет высокую окислительную способность, обеспечивает глубокое проплавление и хорошую форму, предохраняет шов от пористости. В зону сварки защитный газ может подаваться центрально (см. рис.1 и 2, а, в), а при повышенных скоростях сварки плавящимся электродом — сбоку (см. рис.2,б). Для экономии расхода дефицитных и дорогих инертных газов используют защиту двумя раздельными потоками газов (см. рис.2,в); наружный поток — обычно углекислый газ. При сварке активных материалов для предупреждения контакта воздуха не только с расплавленным, но и с нагретым твердым металлом применяют удлиненные насадки на сопла (подвижные камеры, см. рис.2,г). Наиболее надежная защита достигается при размещении изделия в стационарных камерах, заполненных защитным газом. Для сварки крупногабаритных изделий используют переносные камеры из мягких пластичных обычно прозрачных материалов, устанавливаемых локально над свариваемым стыком. Теплофизические свойства защитных газов оказывают большое влияние на технологические свойства дуги, а значит на форму и размеры шва. При равных условиях дуга в гелии по сравнению с дугой в аргоне является более «мягкой», имеет более высокое напряжение, а образующийся шов имеет меньшую глубину проплавления и большую ширину. Углекислый газ по влиянию на форму шва занимает промежуточное положение.

 

1. Схемы сварки в защитных газах а, б — неплавящимся, плавящимся электродом; 1 — сварочная дуга; 2 — электрод; 3 — защитный газ; 4 — газовое сопло (горелка); 5 — присадочная проволока

2. Схемы подачи защитного газа в зону сварки 
а — центральная; б — боковая; в — двумя концентрическими потоками; г — в подвижную камеру (насадку); 1 — электрод; 2 — защитный газ; 3, 4 — наружный и внутренний потоки защитных газов; 5 — насадка; 6 — распределительная сетка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преимущества  и недостатки способа

Широкий диапазон применяемых  защитных газов обусловливает большое  распространение этого способа  как в отношении свариваемых  металлов, так и их толщин (от 0,1 мм до десятков миллиметров). Основными  преимуществами рассматриваемого способа сварки являются следующие:

• высокое качество сварных соединений па разнообразных металлах и их сплавах разной толщины, особенно при сварке в инертных газах из-за малого угара легирующих элементов;
• возможность сварки в различных пространственных положениях;
• отсутствие операций по засыпке и уборке флюса и удалению шлака;
• возможность наблюдения за образованием шва, что особенно важно при механизированной сварке;
• высокая производительность и легкость механизации и автоматизации процесса;
• низкая стоимость при использовании активных защитных газов.

К недостаткам способа относятся: необходимость применения защитных мер против световой и тепловой радиации дуги; возможность нарушения газовой защиты при сдувании струи газа движением воздуха или при забрызгиванни сопла; потерн металла на разбрызгивание, при котором брызги прочно соединяются с поверхностями шва и изделия; наличие газовой аппаратуры и в некоторых случаях необходимость водяного охлаждения горелок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подготовка кромок и их сборка под сварку

Способы подготовки кромок под сварку (механические, газовые  и т. д.) такие же, как и при  других способах сварки. Вид разделки кромок и ее геометрические размеры  должны соответствовать ГОСТ 14771—76 или техническим условиям на изготовление изделия. При механизированной сварке плавящимся электродом можно получить полный провар без разделки кромок и без зазора между ними при  толщине металла до 8 мм. При зазоре или разделке кромок полный провар достигается при толщине металла  до 11 мм. При автоматической сварке стыковых соединений производительность процесса значительно возрастает при  использовании разделки без скоса  кромок (щелевой разделке см. рис.3). При толщине металла до 40 мм зазор между кромками в нижней части стыка до 10 мм. Для обеспечения постоянства зазора в зоне сварки из-за поперечной усадки при сварке каждого прохода выполняют шарнирное закрепление деталей с углом раскрытия кромок, зависящим от толщины свариваемого металла.

3. Схема расположения присадочной проволоки относительно сварочной ванны 
1 — присадочная проволока; 2 — сварочная ванна; 3 — электрод; 4 — границы струи защитного газа. Стрелкой указано направление сварки

При сварке в углекислом газе многослойных швов на сталях перед  наложением последующего слоя поверхность  предыдущего слоя следует тщательно  очищать от брызг и образующего  шлака. Для уменьшения забрызгивання  поверхности детали из углеродистой стали ее покрывают специальными аэрозольными препаратами типа «Дуга». Сварку можно вести при непросохшем  препарате. Детали собирают с помощью  струбцин, клиньев, скоб или на прихватках. Прихватки лучше выполнять в  защитных газах тем же способом, которым будет проводиться и  сварка. Прихватки перед сваркой  осматривают, а при сварке переваривают.

 

 

 

 

 

Общие рекомендации по технике сварки

    Ручную и механизированную сварку обычно ведут на весу. Автоматическую сварку можно осуществлять так же, как и при сварке под флюсом, на остающихся или съемных подкладках и флюсовых подушках. Однако во многих случаях наиболее благоприятные результаты достигаются при использовании газовых подушек (рис.4). Они улучшают формирование корня шва, а при сварке активных металлов способствуют и защите нагретого твердого металла от воздействия с воздухом. Подаваемые в подушку газы по составу могут быть аналогичными применяемым для защиты зоны сварки.

4. Схемы газовых  подушек 
а, б — односторонняя и двусторонняя сварка; 1 — защитный газ; 2 — медная подкладка

   Качество шва в большой степени определяется надежностью оттеснения от зоны сварки воздуха. Необходимый расход защитного газа устанавливают в зависимости от состава и толщины свариваемого металла, конструкции сварного соединения, скорости сварки, состава защитного газа.

    Влияние скорости сварки на надежность защиты зоны сварки видно из рис. 5. Ветер и сквозняки также снижают эффективность газовой защиты. В названных случаях рекомендуется на 20—30% повышать расход защитного газа, увеличивать диаметр выходного отверстия сопла или приближать горелку к поверхности детали. При сварке на повышенных скоростях полезно также наклонять горелку углом вперед, а при автоматической сварке применять боковую подачу газа (см. рис.2,б). Для защиты от ветра зону сварки закрывают щитками. Для достаточной защиты соединений, указанных на рис. 6,в,г, необходим повышенной расход газа. При их сварке рекомендуется устанавливать сбоку и параллельно шву экраны, задерживающие утечку защитного газа. При равных условиях расход гелия благодаря его меньшей плотности должен быть увеличен по сравнению с аргоном или с углекислым газом.

5. Влияние скорости  сварки на эффективность газовой  защиты 
а—в — сварка соответственно на малой, средней и очень большой

6. Схемы (а—г)  расположения границы струи защитного  газа при сварке различных  типов соединений

Сварочные защитные газы

Анализ  рынка оборудования для дуговой  сварки плавлением, сложившегося на рубеже веков, показывает, что наиболее распространенным способом сварки в промышленности продолжает оставаться полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в среде защитных газов (MIG/MAG процесс). За последнее десятилетие  ХХ века доля металла, наплавленного  ручной дуговой сваркой, снизилась  в 2 раза — с 22,6% до 11,2%, в то время  как доля сварки в защитных газах  возросла с 64,3% до 75,7%.  
Есть основания полагать, что в недалеком будущем доля ручной дуговой сварки стабилизируется на уровне 10–12%, доля полуавтоматической сварки сплошной проволокой — на уровне 40–50%, доля полуавтоматической сварки порошковой проволокой — на уровне 30–40%, доля сварки под флюсом — на уровне 5–6%. При этом MIG/MAG процесс используется не только при механизированной, но и при автоматизированной и роботизированной сварке. Если рассматривать применение сварочных газов только с точки зрения получения наилучшей защиты реакционного пространства сварочной дуги от наружного воздуха, то оптимальным защитным газом будет аргон. Аргон тяжелее воздуха (плотность 1,78 кг/куб. м), обладает низким потенциалом ионизации (15,7 В), не вступает в химические взаимодействия с другими элементами и в достаточных количествах содержится в свободном виде (0,9325% об., или 0,00007% вес.), что позволяет получать его из воздуха в ректификационных установках.  
В настоящее время аргон широко применяется в качестве защитного газа при сварке алюминиевых сплавов и высоколегированных сталей (особенно нержавеющих хромоникелевых). Однако при сварке углеродистых и низколегированных сталей основных структурных классов на российских предприятиях для MIG/MAG процесса продолжают использовать преимущественно углекислый газ СО2. Между тем применение аргона позволяет повысить температуру сварочной дуги, что улучшает проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в целом. При этом проплавление приобретает «кинжальную» форму, что дает возможность выполнять однопроходную сварку в щелевую разделку металла больших толщин. При сварке в среде аргона (как и иных инертных газов) минимизируется выгорание активных легирующих элементов, что позволяет использовать более дешевые сварочные проволоки.

пригодными  для дальнейшей покраски. Это обеспечивает значительное повышение производительности труда при последующих работах  со сваренными изделиями на предприятии. Кроме того, использование газовых  смесей в процессе полуавтоматической сварки обеспечивает еще и повышенные свойства металла сварного соединения, что в ряде случаев позволяет  отказаться от всегда трудоемкой термообработки. Данные защитные газовые смеси применимы  для электродуговой сварки как углеродистых, так и легированных сталей.

Газовые смеси вместо углекислого  газа

    Применение углекислого газа  при сварке плавящимся электродом  имеет свои преимущества, связанные  прежде всего с происходящими  химико-металлургическими процессами. Углекислый газ имеет высокую  плотность (приблизительно в 1,5 раза выше, чем у воздуха) и  сам по себе способен обеспечить  качественную защиту реакционного  пространства; его потенциал ионизации,  равный 14,3 В, дает возможность  использовать при сварке эффект  диссоциации молекул углекислого  газа на оксид углерода СО  и свободный кислород.  
    В качестве защитных газовых смесей для сварки плавящимся электродом во всех промышленно развитых странах давно уже не применяют чистый углекислый газ. Для этого используются газовые смеси. От выбора защитной газовой смеси зависит качество сварки. Так, смеси, содержащие в своем составе гелий, повышают температуру сварочной дуги, что улучшает проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в целом. Повышение производительности сварочных работ при применении газовых смесей составляет не менее 30–50%. Гораздо более значителен эффект от их применения по предприятию в целом. Например, применение газовых смесей при полуавтоматической сварке металла, подлежащего дальнейшей покраске, не требует последующей зачистки сварного шва и околошовной зоны. Форма и чистота сварного шва получаются вполне

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Составы газовых смесей

    Рассмотрим составы газовых смесей, чаще всего применяемых при  дуговой сварке.  
Защитные газовые смеси для сварки неплавящимся вольфрамовым электродом:  
ГазоваясмесьНН-1 (Helishield H3). Инертная газовая смесь, состоящая из 30% гелия и 70% аргона. Дает более эффективный нагрев, чем аргон. Увеличивается проплавление и скорость сварки, получается более ровная поверхность шва.  
ГазоваясмесьНН-2 (Helishield H5). Это инертная газовая смесь, состоящая из 50% гелия и 50% аргона. Наиболее универсальная газовая смесь, подходит для сварки материалов практически любой толщины.  
Защитные газовые смеси для сварки плавящимся электродом:  
ГазоваясмесьК-2 (Pureshield P31). Наиболее универсальная из всех смесей для углеродисто-конструкционных сталей. Состоит из 82% аргона и 18% углекислого газа. Подходит практически для всех типов материалов. 
ГазоваясмесьК-3.1 (Argoshield 5). Эта смесь состоит из 92% аргона, 6% углекислого газа, 2% кислорода. Разработана для листовых и узких профильных (сортовых) сталей. Дает устойчивую дугу с низким уровнем разбрызгивания, небольшим усилением и плоским гладким профилем сварного шва. Смесь превосходна для глубокого провара и идеально подходит для сварки листового металла. 
ГазоваясмесьК-3.2 (Argoshield TC). Смесь состоит из 86% аргона, 12% углекислого газа, 2% кислорода. Дает устойчивую дугу с широкой зоной нагрева и хорошим проваром профиля, подходит для глубокого провара, сварки коротких швов и для наплавки. Может использоваться для сварки во всех положениях. Идеально подходит для ручной, автоматической и сварки с применением робота-автомата. 
ГазоваясмесьК-3.3 (Argoshield 20). Смесь 78% аргона, 20% углекислого газа, 2% кислорода. Специально разработана для глубокого провара широкого ассортимента профилей. Смесь хорошо подходит для наплавки и сварки толстых прокатных (сортовых) сталей. 
ГазоваясмесьНП-1 (Helishield HI). Смесь 85% гелия, 13,5% аргона, 1,5% углекислого газа. Данная смесь дает великолепные чистые швы с гладким профилем и незначительное, либо не дает совсем, окисление поверхности. Идеально подходит для тонких материалов, где высокая скорость прохода дает низкий уровень деформации (искривления) металла. 
ГазоваясмесьНП-2 (Helishield H7). Смесь 55% гелия, 43% аргона, 2% углекислого газа. Придает низкий уровень сварочному армированию и обеспечивает высокую скорость сварки. Смесь хорошо подходит для автоматической сварки и для применения роботов-автоматов с использованием широкого спектра толщин свариваемых материалов. 
ГазоваясмесьНП-3 (Helishield H101). Смесь 38% гелия, 60% аргона, 2% углекислого газа. Придает стабильность дуге, что обеспечивает низкий уровень разбрызгивания и снижает вероятность появления дефектов шва. Смесь рекомендуется для сварки материалов толщиной свыше 9 мм.  
Состав газовой смеси оказывает влияние практически на все параметры режима сварки.

 

 
рис.7. Принципиальная схема двухкомпонентного  газового смесителя 

   Результаты  исследований, проведенных ЗАО НПФ  «Инженерный и технологический  сервис» (Санкт-Петербург), представлены  в таблице.  
Для каждой из этих смесей рекомендуются свои режимы сварки, учитывающие особенности химико-металлургических процессов, происходящих в сварочной ванне, в которых участвуют составляющие газовых смесей (углекислый газ и кислород).  
Если сравнить два способа защиты сварочной ванны (чистый защитный газ — углекислый газ или аргон — и многокомпонентные газовые смеси), то можно сделать выводы в пользу применения многокомпонентных газовых смесей. Их использование имеет следующие преимущества:

• повышается производительность сварки не менее чем в 1,5 раза при сохранении неизменной потребляемой электрической мощности (то есть обеспечивается снижение удельных энергозатрат примерно в 1,3 раза);
• в 1,5-3 раза снижается разбрызгивание электродного металла;
• в 8-10 раз снижается набрызгивание электродного металла на сварной шов и околошовную зону, что определяет трудозатраты на удаление брызг с поверхности свариваемых деталей;
• механические свойства сварного соединения остаются на том же уровне, как и при сварке в углекислом газе, за исключением относительного удлинения , которое увеличивается примерно на 10%, и ударной вязкости KCU, которая увеличивается существенно, от 1,5 до 2 раз, в зависимости от типа применяемой газовой смеси
• стабилизируется процесс сварки и улучшается качество металла шва (снижение пористости и неметаллических включений).

Защитные  сварочные газовые смеси промышленно  выпускаются на заводах по производству технических газов и поставляются в стандартных газовых баллонах различной емкости. Однако в последнее  время некоторые потребители  предпочитают самостоятельно производить  сварочные смеси. Это связано  или с тем, что стандартно выпускаемые  газовые смеси не удовлетворяют  их по своему качеству (большой разброс  процентного соотношения компонентов  смеси, высокое содержание влаги  и различных примесей), или с  необходимостью применения нестандартных  смесей (например, многокомпонентных). Естественно, в этом случае появляется потребность в применении специальных  приборов для качественного смешивания компонентов смеси.

 

Таблица1

 
Рис. 8. Однопостовой баллонный смеситель 

 
Как правило, в газовых смесителях используется принцип подмешивания одного компонента смеси к другому (или другим) при условии выравнивания давления различных компонентов. Наиболее часто применяются двух-, трех- и  четырехкомпонентные смесители. Можно  рассмотреть работу двух-компонентного  смесителя как наиболее простого (см. рис. 7). 
Смешиваемые газы (например, аргон и углекислый газ как наиболее часто используемые в защитных смесях) подаются во входные камеры (1) и (2), имеющие предварительные регуляторы входного давления и встроенные фильтры. Из входных камер компоненты поступают в двухкамерный редуктор (8), в котором происходит окончательное выравнивание давления компонентов смеси с высокой точностью. После выравнивания давления компоненты поступают в блок смешивания (12); при этом регулятор пропорции смешиваемых газов (10) постоянно контролирует процентное соотношение компонентов смеси (в процентах от объема) при помощи регулятора пилотного газа (7) (пилотный газ — один из газовых компонентов смеси, используемых в процессе смешения — выступает в роли наполнителя в двухкамерных редукторах выравнивания давления).

Поступление компонентов смеси в блок смешивания осуществляется через калиброванные  отверстия, размер которых точно  соответствует типу компонента (вот  почему производители газовых смесителей требуют указывать, для каких  газов будет применяться смеситель). Затем через электромагнитный клапан (13) смесь поступает в регулятор (15), который сглаживает броски давления и подается в буферную емкость  для подачи в магистральную сеть. Манометр/расходомер (14) отображает значения давления и расхода готовой смеси  на выходе смесителя.  
Система сигнализации смесителя, работающая совместно с реле давления, контролирует уровень давления газов на входе в смеситель. Сигнализация срабатывает, если уровень давления хотя бы одного из смешиваемых газов падает ниже установленного минимума. При этом срабатывает выключатель и смеситель отключается.  
Регулировка производительности смесителя осуществляется изменением входного давления компонентов смеси и изменением выходного давления готовой смеси. Соотношение компонентов смеси контролируется регулятором пропорции смешиваемых газов, который установлен обычно на лицевой панели смесителя и проградуирован в процентах одного из компонентов смеси (на трех- и многокомпонентных смесителях делают несколько регуляторов пропорции). Смесители для обслуживания группы сварочных постов (от 3-х до 10-ти) могут быть установлены на ресиверы (для создания запаса готовой смеси).  
Серийно выпускаемые смесители, как правило, являются стационарными, и в зависимости от производительности (от 1,2 до 600 куб. м/час и более), способны обеспечить защитными газовыми смесями от 1 до 500 постов полуавтоматической сварки. Установка смесителей в магистральную сеть похожа на подключение компрессора в системе сжатого воздуха.  
Существуют и более простые одно-постовые смесители, устанавливаемые непосредственно на газовые баллоны (рис. 2). Такие смесители позволяют отказаться от использования газовых регуляторов давления и могут быть рекомендованы для применения на небольших производствах. Принцип действия этих смесителей основан на инжекции углекислого газа в поток аргона через калиброванное отверстие, позволяющее точно дозировать пропорции компонентов смеси.                                     

 

 

Литература

Сайт:http://www.deltasvar.ru/biblioteka/48-vidy-svarki/68-svarka-v-zashhitnykh-gazakh      http://www.svarkarezka.ru/articles/articles_1539.html