Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СВАРКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к сварочному производству, в частности к способу механизированной сварки плавящимся электродом в среде защитных газов, для получения качественных сварных соединений при сварке конструкций из легированных сталей и цветных металлов.

Известен способ сварки в защитной среде углекислого газа, разработанный советскими исследователями К.В. Любавским и Н.М. Новожиловым в начале 50-х годов ХХ века, который в настоящее время нашел широкое применение во всех странах мира (Смотри ссылку на сайт http://build.novosibdom.ru). Сущность процесса сварки в углекислом газе заключается в следующем. Поступающий в зону сварки углекислый газ защищает ее от вредного влияния атмосферы воздуха. Причем при высокой температуре сварочной дуги (более 6000°С) углекислый газ частично диссоциирует на окись углерода и кислород 2СО₂↔2СО+O₂. В результате в зоне дуги образуется смесь из трех различных газов: углекислого газа, окиси углерода и кислорода.

Углекислый газ, подаваемый в зону сварки, оттесняет воздух и тем самым защищает сварной шов от азота и кислорода. Получившийся в результате диссоциации углекислого газа кислород приводит к образованию закиси железа FeO и выгоранию легирующих элементов из сварочной ванны.

Окись углерода (угарный газ) считается вредной примесью. Из-за повышенного содержания окиси углерода в ряде случаев ограничивают применение сварки в среде углекислого газа. Например, при сварке закрытых емкостей.

Для снижения негативного влияния кислорода на механические свойства сварного шва металл сварочной проволоки дополнительно легируют кремнием и марганцем. Негативные последствия этого устраняются применением специальной сварочной проволоки Св-08ГС, Св-10ГС и др. диаметром 0,8-2 мм, содержащие легирующие добавки кремния и марганца.

В качестве недостатков данного способа сварки можно назвать интенсивное разбрызгивание металла и сравнительно низкие механические свойства сварного шва.

Вследствие того что температура дуги не везде одинакова, не одинаков и состав газовой смеси в зоне дуги. В центральной части, где температура дуги высокая, углекислый газ диссоциирует почти полностью. В области, прилегающей к сварочной ванне, количество углекислого газа преобладает над суммарным количеством кислорода и окиси углерода.

Также к недостаткам известного способа можно отнести образование пор и недостаточно плотный шов, поскольку под воздействием оксида углерода (СO₂) и кислорода - углерод и легирующие элементы в наплавляемом металле выгорают, и чтобы предотвратить это, необходимо использовать специальную сварочную проволоку с достаточным количеством элементов - раскислителей, содержащих как правило легирующие добавки кремния, титана и марганца, что усложняет процесс сварки и ограничивает технологические возможности данного способа.

Существующий на сегодняшний день процесс механизированной сварки плавлением в среде защитных газов тонколистового металла, а также сварки во всех пространственных положениях не исключает возможность прожогов и наплывов при деформации шва под действием силы тяжести. Для предотвращения этого применяют способ "сварки точками", при котором приходится периодически прекращать процесс, чтобы наплавленный металл мог кристаллизоваться.

Описанный способ сложен, нерационален и трудоемок, ведет к возрастанию внутренних напряжений и деформаций, поскольку требует высокой квалификации сварщика, жесткого контроля параметров сварочного процесса. В то же время получаемые сварные соединения не всегда обладают гарантированным качеством шва, глубиной провара и требуемыми свойствами.

Известна сварка в среде инертных газов, таких как аргон и гелий, которые практически не вступают в химические взаимодействия с расплавленным металлом и другими газами в зоне горения дуги. (См. osvarke.com>argonodug.html.). Будучи на 38% тяжелее воздуха, аргон вытесняет его из зоны сварки и надежно изолирует сварочную ванну от контакта с атмосферой. При аргонодуговой сварке возможен крупнокапельный или мелкокапельный перенос электродного металла. При крупнокапельном переносе процесс сварки неустойчивый, с большим разбрызгиванием. Его технологические характеристики хуже, чем при полуавтоматической сварке в углекислом газе, так как вследствие меньшего давления в дуге капли вырастают до больших размеров. Диапазон токов для крупнокапельного переноса достаточно велик, например, для проволоки диаметром d=1,6 мм I_CB=120-240А. При силе тока I_СВ больше 260А происходит резкий переход к струйному переносу, стабильность процесса сварки улучшается, разбрызгивание уменьшается. Однако такие токи не всегда соответствуют технологическим требованиям. Поэтому более рационально для обеспечения стабильности процесса использовать импульсные источники питания дуги, которые обеспечивают переход к струйному переносу на токах около I_CB≈100А.

100%-ный аргон обычно используется для аргонодуговой TIG сварки для всех материалов и MIG сварки цветных металлов. Аргон химически инертен, что делает его пригодным для сварки химически активных и тугоплавких металлов.

К недостаткам использования аргона или гелия в качестве защитных газов также можно отнести его высокую стоимость по сравнению с CO₂. Так, СO₂ в пять раз дешевле аргона и в 9.5 раз дешевле гелия.

Известен более совершенный способ механизированной сварки в защитном газе CО₂ с низкочастотной модуляцией сварочной ванны - прототип (смотри патент РФ на изобретение №2293630), заключающийся в том, что при сварке в CO₂ с низкочастотной модуляцией сварочной ванны сварку ведут "точками", размер и перекрытие которых заданы системой управления. Процесс позволяет за время импульса образовать сварочную ванну требуемого заданного объема, а за время паузы провести частичную кристаллизацию сварочной ванны; для чего сварка ведется во время импульса на возрастающей вольт-амперной характеристике (ВАХ) дуги и жесткой ВАХ источника питания, а во время кристаллизации сварочной ванны жесткой ВАХ дуги и внешней крутопадающей ВАХ источника питания.

К недостаткам данного способа можно отнести сложность технологического процесса, негарантированную глубину провара и образование пор под воздействием окиси углерода и кислорода, поскольку при использовании CO₂ происходит выгорание углерода и других легирующих элементов в металле шва.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа сварки, обеспечивающего получение качественного, плотного шва с достаточной и стабильной глубиной провара, обеспечивающего предотвращение выгорания легирующих металлов при упрощении технологического процесса и снижении материальных затрат.

Поставленный предлагаемым изобретением технический результат достигается сочетанием известных технологических признаков, включающих подачу защитного газа, подачу электродной проволоки, возбуждение дуги и сварку и новых признаков, заключающихся в том, что при осуществлении сварки конструкций из легированных сталей и цветных металлов в зону сварки в качестве защитной среды подают газ СО.

При подаче защитного газа СО в зону сварки его химическую окислительную активность с кислородом воздуха повышают, для чего газ СО нагревают до температуры 400-3000°C.

Новизной предлагаемого в качестве изобретения способа при осуществлении сварки конструкций из легированных сталей и цветных металлов является то, что в зону сварки в качестве защитной среды подают газ СО.

Так, при использовании в качестве защитной среды - газа СО, не происходит окисления металла, поскольку исключается влияние кислорода на металл, что предупреждает и исключает выгорание легирующих элементов, таких как марганец, кремний, хром, никель и др. Снижается возможность образования пор и обеспечивается достаточная и стабильная плотность провара сварочного шва без усложнения технологии сварки, при снижении материальных затрат на газ, поскольку он дешевле аргона и гелия.

Признаки нагрева защитного газа СО, подаваемого в зону сварки до температуры 400-3000°C, для повышения химической окислительной активности с кислородом воздуха приводит к его взаимодействию с кислородом воздуха 2СО+O₂=2СO₂, одновременно предотвращает охлаждение сварочной ванны, обеспечивает равномерность и плотность провара, снижает разбрызгивание металла.

При нагреве защитного газа ниже 400°C его содержание в атмосфере воздуха может превысить ПДК и возникнет угроза отравления сварщика угарным газом, при этом не обеспечивается просушка свариваемых поверхностей и очистка от возможных остатков органических пленок при разделке кромок и положительный эффект, касающийся плотности провара и качества шва снижается, а нагрев защитного газа выше 3000°C потребует неоправданного дополнительного расхода электрической энергии, не приводящего к существенному изменению качества сварного шва.

Согласно проведенных патентно-информационных исследований сочетания известных и новых признаков предлагаемого изобретения в источниках патентной и научно-технической информации не обнаружено, что позволяет отнести предложенные признаки к обладающим новизной. Поскольку предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники и не вытекает из него явным образом, и позволяет получить более высокий результат, то предлагаемые существенные признаки и их сочетание можно считать имеющими изобретательский уровень.

Описание осуществления предлагаемого способа, в том числе на конкретном примере, позволяет отнести его к промышленно выполнимым.

Предлагаемый способ сварки в среде защитного газа СО осуществляется следующим образом.

Первоначально осуществляют подготовку шва к сварке - поверхность металла зачищают и осуществляют разделку шва путем придания ему требуемой геометрии. Одновременно осуществляют подбор величины сварочного тока, затем в зависимости от толщины металла и положения шва в пространстве подбирают диаметр электродной проволоки и ее состав.

Для сварки используется СО, хранящийся в баллонах, аналогично применяемому в настоящее время СО₂. СО получают общеизвестным способом путем сжигания кокса (графита) в тигле путем его нагрева и подачи в зону реакции недостаточного количества кислорода.

Сварку осуществляют путем зажигания дуги между электродной проволокой и деталью с одновременной подачей защитного газа СО, нагретого до температуры 400-3000°C. Нагретый защитный газ СО, попадая в зону сварки, оттесняет воздух и этим защищает сварочную ванну, часть сварочного шва и околошовной зоны, в период интенсивного нагрева металла, от попадания в зону сварки кислорода, водорода и азота, чем предотвращается образование пор, окисление металла и выгорание его легирующих элементов. При сварке сварочный шов формируют ровным, качественным и плотным с необходимой и стабильной глубиной провара. Затем выполняют заварку кратера, при этом последующая зачистка сварного шва просто не требуется, т.к. шлака (MnO, SiO₂) в отличие от сварки в СO₂ нет. Отсутствуют окислы железа на поверхности шва. В результате получается не окисленный, блестящий металл шва.

Использование защитного газа СО предлагаемым способом позволяет осуществлять сварку легированных сталей и цветных металлов без применения дорогостоящих защитных газов и их смесей как плавящимися, так и не плавящимися электродами.

Конкретный пример осуществления предлагаемого способа.

Первоначально осуществили разделку кромки по ГОСТ 14771 легированной листовой стали марки 15ХСНДА толщиной в 5 мм, для чего на боковой стороне каждой из свариваемых пластин при помощи кромкострогального станка выполнили фаску под углом в 30° и осуществили подбор сварочного тока, равный 290-310 А. Подобрали диаметр сварочной проволоки, равный 1,2 мм, марки 10НМА. Установили режим сварки с напряжением дуги 24-26 В, при скорости подачи проволоки 725-735 м/ч. и скорости сварки 39-44 м/ч. Осуществили подачу и нагрев защитного газа СО. Зажгли дугу между электродной проволокой и свариваемым металлом.

Сварку проводили путем зажигания и поддержания дуги между электродной проволокой и деталью и подачи нагретого, до температуры 800°C, защитного газа СО. Нагретый защитный газ СО попадал в зону сварки, оттеснял воздух, выжигал остатки органических пленок на поверхности свариваемого изделия, просушивал околошовную зону и одновременно защищал сварочную ванну (зону термического влияния) и часть сварочного шва от попадания в зону сварки кислорода. При отсутствии кислорода в зоне сварки предотвращалось окисление металла и выгорание его легирующих элементов, таких как хром, кремний, никель, молибден. По окончании сварки получили ровный и плотный сварочный шов с требуемой глубиной провара без шлака, что исключило необходимость последующей зачистки шва. Сварку осуществляли плавящимися электродом.

Второй пример осуществления предлагаемого способа.

Первоначально осуществили разделку кромки медной трубы Ф530×8 марки М1Р толщиной в 8 мм, для чего на торце трубы при помощи кромкострогального станка выполнили фаску под углом в 30° с притуплением толщиной в 1,5 мм, осуществили подбор сварочного тока, равный 300 А. Подобрали диаметр сварочной проволоки, равный 1,8 мм, марки МНЖКТ 2-1-0,2-0,2. Установили режим сварки с напряжением дуги 34 В, при скорости сварки 24 м/ч в два прохода с предварительным подогревом трубы 250°C. Осуществили подачу и нагрев защитного газа СО. Зажгли дугу между электродной проволокой и свариваемым металлом.

Сварку проводили путем зажигания и поддержания дуги между электродной проволокой и деталью и подачи нагретого до температуры 600°C защитного газа СО. Нагретый защитный газ СО попадал в зону сварки, оттеснял воздух, выжигал остатки органических пленок на поверхности свариваемого изделия, просушивал околошовную зону и одновременно защищал сварочную ванну (зону термического влияния) и часть сварочного шва от попадания в зону сварки кислорода. При отсутствии кислорода в зоне сварки предотвращалось окисление металла и выгорание его легирующих элементов, таких как никель, железо, кремний. По окончании сварки получили ровный и плотный сварочный шов с требуемой глубиной провара без шлака, что исключило необходимость последующей зачистки шва. Сварку осуществляли плавящимся электродом.

Использование предлагаемого способа позволяет получить качественный, плотный шов с достаточной и стабильной глубиной провара при упрощении технологического процесса при сварке легированных сталей.

В настоящее время авторами разработана техническая документация на предлагаемый способ сварки и проведены опытные испытания, показавшие хорошие стабильные результаты.