Газовая дуговая сварка металлическим электродом ( GMAW ), иногда называемая подтипами металлический инертный газ ( MIG ) и металлический активный газ ( MAG ), представляет собой процесс сварки , при котором между расходуемым проволочным электродом MIG и металлом(ами) заготовки образуется электрическая дуга , которая нагревает металл(ы) заготовки, заставляя их сплавляться ( плавиться и соединяться). Вместе с проволочным электродом через сварочный пистолет подается защитный газ , который защищает процесс от атмосферных загрязнений.
Процесс может быть полуавтоматическим или автоматическим. Источник постоянного напряжения и постоянного тока чаще всего используется при GMAW, но могут использоваться как системы постоянного тока , так и переменного тока . Существует четыре основных метода переноса металла в GMAW, называемые глобулярным, короткозамкнутым, распылительным и импульсно-распылительным, каждый из которых имеет свои собственные свойства и соответствующие преимущества и ограничения.
Первоначально разработанный в 1940-х годах для сварки алюминия и других цветных металлов , GMAW вскоре был применен к сталям, поскольку он обеспечивал более короткое время сварки по сравнению с другими процессами сварки. Стоимость инертного газа ограничивала его использование в сталях до тех пор, пока несколько лет спустя не стало обычным использование полуинертных газов, таких как углекислый газ . Дальнейшие разработки в 1950-х и 1960-х годах придали процессу большую универсальность, и в результате он стал широко используемым промышленным процессом. Сегодня GMAW является наиболее распространенным промышленным процессом сварки, предпочтительным за его универсальность, скорость и относительную простоту адаптации процесса к роботизированной автоматизации. В отличие от процессов сварки, которые не используют защитный газ, таких как дуговая сварка защитным металлом , он редко используется на открытом воздухе или в других областях с движущимся воздухом. Родственный процесс, дуговая сварка порошковой проволокой , часто не использует защитный газ, а вместо этого использует электродную проволоку, которая является полой и заполнена флюсом .
Принципы сварки металлическим электродом в газе начали понимать в начале 19 века, после того как Гемфри Дэви открыл короткие импульсные электрические дуги в 1800 году . [1] Василий Петров независимо создал непрерывную электрическую дугу в 1802 году (за ним последовал Дэви после 1808 года). [1] Только в 1880-х годах технология стала разрабатываться с целью промышленного использования. Сначала при сварке угольной дугой использовались угольные электроды . К 1890 году металлические электроды были изобретены Николаем Славяновым и К. Л. Коффином . В 1920 году ранний предшественник GMAW был изобретен П. О. Нобелем из General Electric . Он использовал постоянный ток с голой электродной проволокой и использовал напряжение дуги для регулирования скорости подачи. Он не использовал защитный газ для защиты сварного шва, поскольку разработки в области сварочных атмосфер начались только в конце того десятилетия. В 1926 году был выпущен еще один предшественник GMAW, но он не был пригоден для практического использования. [2]
В 1948 году Институтом Battelle Memorial Institute была разработана технология GMAW . Она использовала электрод меньшего диаметра и источник питания постоянного напряжения, разработанный HE Kennedy. Она обеспечивала высокую скорость осаждения, но высокая стоимость инертных газов ограничивала ее применение цветными металлами и препятствовала экономии средств. В 1953 году было разработано использование углекислого газа в качестве сварочной атмосферы, и она быстро завоевала популярность в GMAW, поскольку сделала сварку стали более экономичной. В 1958 и 1959 годах была выпущена вариация GMAW с короткой дугой, которая увеличила универсальность сварки и сделала возможной сварку тонких материалов, используя электродные проволоки меньшего диаметра и более совершенные источники питания. Она быстро стала самой популярной вариацией GMAW. [ необходима цитата ]
Вариант переноса распылением-дугой был разработан в начале 1960-х годов, когда экспериментаторы добавляли небольшие количества кислорода к инертным газам. Совсем недавно был применен импульсный ток, что привело к появлению нового метода, называемого импульсным вариантом распылением-дугой. [3]
GMAW — один из самых популярных методов сварки, особенно в промышленных условиях. [4] Он широко используется в листовой металлургии и автомобильной промышленности. Там этот метод часто используется для дуговой точечной сварки , заменяя клепку или контактную точечную сварку. Он также популярен для автоматизированной сварки , где роботы обрабатывают заготовки и сварочный пистолет для ускорения производства. [5] GMAW может быть трудно выполнять на открытом воздухе, так как сквозняки могут рассеивать защитный газ и допускать попадание загрязняющих веществ в сварной шов; [6] дуговая сварка порошковой проволокой лучше подходит для использования на открытом воздухе, например, в строительстве. [7] [8] Аналогичным образом, использование защитного газа в GMAW не подходит для подводной сварки , которая чаще выполняется с помощью дуговой сварки защитным металлом , дуговой сварки порошковой проволокой или газовой дуговой сварки вольфрамовым электродом . [9]
Для выполнения дуговой сварки металлическим электродом в газе основным необходимым оборудованием является сварочный пистолет, блок подачи проволоки, источник сварочного тока , сварочная электродная проволока и источник защитного газа . [10]
Типичный сварочный пистолет GMAW имеет ряд основных частей — переключатель управления, контактный наконечник, кабель питания, газовое сопло, канал и направляющую электрода и газовый шланг. Переключатель управления или курок, при нажатии оператором, инициирует подачу проволоки, электропитание и поток защитного газа, вызывая зажигание электрической дуги. Контактный наконечник, обычно изготавливаемый из меди и иногда химически обработанный для уменьшения разбрызгивания, подключается к источнику сварочного тока через кабель питания и передает электрическую энергию электроду, направляя его в зону сварки. Он должен быть надежно закреплен и иметь правильный размер, поскольку он должен позволять электроду проходить, сохраняя электрический контакт. На пути к контактному наконечнику проволока защищена и направлена каналом и направляющей электрода, что помогает предотвратить выпучивание и поддерживать бесперебойную подачу проволоки. Газовое сопло равномерно направляет защитный газ в зону сварки. Неравномерный поток может не обеспечить адекватной защиты зоны сварки. Более крупные сопла обеспечивают больший поток защитного газа, что полезно для сварочных операций с высоким током, которые создают большую расплавленную сварочную ванну. Газовый шланг из резервуаров защитного газа подает газ в сопло. Иногда в сварочный пистолет также встроен водяной шланг, охлаждающий пистолет при высокотемпературных операциях. [11]
Блок подачи проволоки подает электрод к изделию, проталкивая его через канал и далее к контактному наконечнику. Большинство моделей обеспечивают постоянную скорость подачи проволоки, но более продвинутые машины могут изменять скорость подачи в зависимости от длины дуги и напряжения. Некоторые устройства подачи проволоки могут достигать скорости подачи до 30 м/мин (1200 дюймов/мин), [12] но скорость подачи для полуавтоматической GMAW обычно составляет от 2 до 10 м/мин (75–400 дюймов/мин). [13]
Наиболее распространенным держателем электрода является полуавтоматический держатель с воздушным охлаждением. Сжатый воздух циркулирует через него для поддержания умеренных температур. Он используется с более низкими уровнями тока для сварки нахлесточных или стыковых соединений . Вторым наиболее распространенным типом держателя электрода является полуавтоматический с водяным охлаждением, где единственное отличие состоит в том, что вода заменяет воздух. Он использует более высокие уровни тока для сварки Т-образных или угловых соединений. Третий типичный тип держателя — это автоматический держатель электрода с водяным охлаждением, который обычно используется с автоматизированным оборудованием. [14]
В большинстве случаев дуговой сварки металлическим электродом в газе используется источник постоянного напряжения. В результате любое изменение длины дуги (которая напрямую связана с напряжением) приводит к большому изменению подвода тепла и тока. Более короткая длина дуги вызывает гораздо больший подвод тепла, что заставляет проволочный электрод плавиться быстрее и тем самым восстанавливать первоначальную длину дуги. Это помогает операторам поддерживать постоянную длину дуги даже при ручной сварке ручными сварочными пистолетами. Для достижения аналогичного эффекта иногда используется источник постоянного тока в сочетании с блоком подачи проволоки, управляемым напряжением дуги. В этом случае изменение длины дуги заставляет скорость подачи проволоки регулироваться для поддержания относительно постоянной длины дуги. В редких случаях источник постоянного тока и блок постоянной скорости подачи проволоки могут быть объединены, особенно для сварки металлов с высокой теплопроводностью, таких как алюминий. Это дает оператору дополнительный контроль над подводом тепла в сварной шов, но требует значительных навыков для успешного выполнения. [15]
Переменный ток редко используется с GMAW; вместо этого используется постоянный ток, а электрод обычно заряжен положительно. Поскольку анод имеет тенденцию к большей концентрации тепла, это приводит к более быстрому плавлению подающей проволоки, что увеличивает проплавление сварного шва и скорость сварки. Полярность может быть изменена только при использовании специальных электродных проволок с эмиссионным покрытием, но поскольку они не популярны, отрицательно заряженный электрод используется редко. [16]
Электрод представляет собой металлическую сплавную проволоку, называемую проволокой MIG, выбор которой, сплав и размер в первую очередь основаны на составе свариваемого металла, используемом изменении процесса, конструкции соединения и состоянии поверхности материала. Выбор электрода в значительной степени влияет на механические свойства сварного шва и является ключевым фактором качества сварки. В целом готовый металл сварного шва должен иметь механические свойства, аналогичные свойствам основного материала, без дефектов, таких как разрывы, вовлеченные загрязняющие вещества или пористость в сварном шве. Для достижения этих целей существует широкий ассортимент электродов. Все имеющиеся в продаже электроды содержат раскисляющие металлы, такие как кремний , марганец , титан и алюминий в небольших процентах, чтобы помочь предотвратить кислородную пористость. Некоторые содержат денитрирующие металлы, такие как титан и цирконий, чтобы избежать азотной пористости. [17] В зависимости от вариации процесса и свариваемого основного материала диаметры электродов, используемых в GMAW, обычно составляют от 0,7 до 2,4 мм (0,028–0,095 дюйма), но могут достигать 4 мм (0,16 дюйма). Самые маленькие электроды, как правило, до 1,14 мм (0,045 дюйма) [18], связаны с процессом переноса металла коротким замыканием, в то время как наиболее распространенные электроды в режиме процесса переноса с распылением обычно имеют диаметр не менее 0,9 мм (0,035 дюйма). [19] [20]
Защитные газы необходимы для газовой дуговой сварки металлическим электродом для защиты зоны сварки от атмосферных газов, таких как азот и кислород , которые могут вызывать дефекты сплавления, пористость и охрупчивание металла сварного шва при контакте с электродом, дугой или свариваемым металлом. Эта проблема характерна для всех процессов дуговой сварки; например, в более старом процессе дуговой сварки защитным металлом (SMAW) электрод покрыт твердым флюсом, который выделяет защитное облако углекислого газа при плавлении дугой. Однако в GMAW электродная проволока не имеет флюсового покрытия, и для защиты сварного шва используется отдельный защитный газ. Это устраняет шлак, твердый остаток от флюса, который накапливается после сварки и должен быть отколот, чтобы обнажить готовый сварной шов. [21]
Выбор защитного газа зависит от нескольких факторов, наиболее важными из которых являются тип свариваемого материала и используемый вариант процесса. Чистые инертные газы, такие как аргон и гелий, используются только для сварки цветных металлов; со сталью они не обеспечивают достаточного проплавления сварного шва (аргон) или вызывают неустойчивую дугу и способствуют разбрызгиванию (гелий). Чистый диоксид углерода , с другой стороны, позволяет выполнять сварку с глубоким проплавлением, но способствует образованию оксидов, что отрицательно влияет на механические свойства сварного шва. Его низкая стоимость делает его привлекательным выбором, но из-за реакционной способности дуговой плазмы разбрызгивание неизбежно, а сварка тонких материалов затруднена. В результате аргон и диоксид углерода часто смешиваются в смеси от 75%/25% до 90%/10%. Как правило, при сварке GMAW с коротким замыканием более высокое содержание диоксида углерода увеличивает тепло и энергию сварки, когда все другие параметры сварки (вольты, ток, тип и диаметр электрода) остаются неизменными. По мере увеличения содержания углекислого газа более чем на 20% струйный перенос GMAW становится все более проблематичным, особенно при использовании электродов меньшего диаметра. [22]
Аргон также обычно смешивают с другими газами, кислородом, гелием, водородом и азотом. Добавление до 5% кислорода (как и более высокие концентрации углекислого газа, упомянутые выше) может быть полезным при сварке нержавеющей стали, однако в большинстве случаев предпочтительнее углекислый газ. [23] Повышенное содержание кислорода заставляет защитный газ окислять электрод, что может привести к пористости в наплавке, если электрод не содержит достаточного количества раскислителей. Избыточный кислород, особенно при использовании в приложениях, для которых он не предписан, может привести к хрупкости в зоне термического влияния. Смеси аргона и гелия чрезвычайно инертны и могут использоваться для цветных металлов. Концентрация гелия 50–75% повышает требуемое напряжение и увеличивает тепло в дуге из-за более высокой температуры ионизации гелия. Водород иногда добавляют к аргону в небольших концентрациях (примерно до 5%) для сварки никеля и толстых деталей из нержавеющей стали. В более высоких концентрациях (до 25% водорода) его можно использовать для сварки токопроводящих материалов, таких как медь. Однако его не следует использовать на стали, алюминии или магнии, поскольку он может вызвать пористость и водородную хрупкость . [21]
Также доступны защитные газовые смеси из трех или более газов. Смеси аргона, углекислого газа и кислорода продаются для сварки сталей. Другие смеси добавляют небольшое количество гелия в комбинации аргона и кислорода. Эти смеси, как утверждается, обеспечивают более высокое напряжение дуги и скорость сварки. Гелий также иногда служит в качестве базового газа с добавлением небольшого количества аргона и углекислого газа. Однако, поскольку он менее плотный, чем воздух, гелий менее эффективен для защиты сварного шва, чем аргон, который плотнее воздуха. Это также может привести к проблемам со стабильностью дуги и проплавлением, а также к увеличению разбрызгивания из-за его гораздо более энергичной дуговой плазмы. Гелий также существенно дороже других защитных газов. Другие специализированные и часто фирменные газовые смеси заявляют о еще больших преимуществах для определенных применений. [21]
Несмотря на свою ядовитость, следовые количества оксида азота можно использовать для предотвращения образования в дуге еще более опасного озона .
Желаемая скорость потока защитного газа зависит в первую очередь от геометрии сварки, скорости, тока, типа газа и режима переноса металла. Сварка плоских поверхностей требует более высокого потока, чем сварка рифленых материалов, поскольку газ рассеивается быстрее. Более высокие скорости сварки, как правило, означают, что для обеспечения адекватного покрытия необходимо подавать больше газа. Кроме того, более высокий ток требует большего потока, и, как правило, для обеспечения адекватного покрытия требуется больше гелия, чем при использовании аргона. Возможно, самое главное, что четыре основных варианта GMAW имеют разные требования к потоку защитного газа — для небольших сварочных ванн режимов короткого замыкания и импульсного распыления обычно подходит около 10 л /мин (20 футов 3 / ч ), тогда как для крупнокапельного переноса предпочтительнее около 15 л/мин (30 футов 3 /ч). Вариант переноса распылением обычно требует большего потока защитного газа из-за более высокого подвода тепла и, следовательно, большей сварочной ванны. Типичный расход газа составляет приблизительно 20–25 л/мин (40–50 куб. футов / ч). [13]
GMAW также использовался как недорогой метод 3D-печати металлических объектов. [24] [25] [26] Были разработаны различные 3D-принтеры с открытым исходным кодом для использования GMAW. [27] Такие компоненты, изготовленные из алюминия, конкурируют с более традиционно изготовленными компонентами по механической прочности. [28] Образуя плохой сварной шов на первом слое, GMAW 3D-печатные детали можно удалить с подложки молотком. [29] [30]
Для большинства применений дуговая сварка металлическим электродом в газе является довольно простым сварочным процессом, требующим не более недели или двух, чтобы освоить базовую технику сварки. Даже когда сварка выполняется хорошо обученными операторами, качество сварки может колебаться, поскольку оно зависит от ряда внешних факторов. Все GMAW опасны, хотя, возможно, и менее опасны, чем некоторые другие методы сварки, такие как дуговая сварка металлическим электродом в защитной среде . [31]
Методы, необходимые для успешной сварки с помощью процесса GMAW, не сложны, и большинство людей способны достичь разумного мастерства за несколько недель, при условии надлежащего обучения и достаточных возможностей для выполнения практических сварных швов. Как и в случае со многими другими ручными навыками, опыт и практика приведут к тому, что сварщик (оператор) разовьет высокий уровень мастерства. Поскольку большая часть процесса автоматизирована, GMAW освобождает сварщика от бремени поддержания точной длины дуги, а также подачи присадочного металла в сварочную ванну (зону сплавления) с правильной скоростью, это скоординированные операции, которые требуются в других процессах ручной сварки, таких как дуговая сварка металлическим электродом в защитной оболочке («сварка палкой»).
Для успешного выполнения сварки с помощью процесса GMAW сварщику необходимо поддерживать правильную ориентацию пистолета относительно свариваемого соединения ( сварной детали ), а также поддерживать равномерную скорость перемещения по соединению, чтобы обеспечить адекватное проникновение и наращивание сварного шва. Движение вдоль соединения может также потребовать «колеблющегося» компонента для получения прочного сварного шва, особенно при сварке вертикально или над головой. Во время обучения ученикам сварщиков рекомендуется следить за задней кромкой сварочной ванны, а не за дугой, чтобы убедиться, что они продвигаются по соединению с оптимальной скоростью.
Ориентация пистолета относительно свариваемой детали важна, так как она влияет на то, как энергия дуги направляется в составные части. В идеальном сварном шве будет достигнуто 100-процентное проникновение, что в сочетании с наращиванием сварного шва даст сварной шов, который теоретически прочнее составных частей. На практике полное проникновение не достигается и, по сути, может быть нежелательным. Однако проникновение будет самым глубоким, когда проволочный электрод будет точно перпендикулярен свариваемой поверхности. Кроме того, осаждение присадочного металла, которое происходит при плавлении проволочного электрода, будет иметь тенденцию быть равномерным с проволокой в перпендикулярном положении.
На практике перпендикулярность не всегда идеальна или даже достижима, если только не сваривается горизонтальное стыковое соединение. Поэтому пистолет обычно ориентируют так, чтобы проволока делила пополам угол между двумя соединяемыми поверхностями. Например, если сваривается угловое соединение под углом 90 градусов, угол проволоки 45 градусов должен обеспечить наилучшее проникновение и осаждение присадки. С другой стороны, горизонтальное нахлесточное соединение выиграет от менее острого угла, чтобы направить больше энергии дуги в нижнюю часть и меньше энергии в край верхней части, в основном, чтобы избежать расплавления края.
Угол хода, или угол опережения, — это угол пистолета по отношению к направлению движения вдоль соединения, и он должен, как правило, оставаться приблизительно вертикальным. [32] Большинство пистолетов сконструированы таким образом, что когда рукоятка (рукоятка) параллельна рабочей поверхности, получается подходящий угол опережения. Однако наилучший угол будет варьироваться из-за различных типов защитного газа и способа их рассеивания. При использовании чистых инертных газов, например, прямого аргона, нижняя часть горелки часто находится немного впереди верхней части, в то время как противоположное справедливо, когда сварочной атмосферой является углекислый газ. [33]
Важно поддерживать относительно стабильное расстояние от контактного наконечника до детали ( расстояние вылета ). Чрезмерный вылет может привести к тому, что проволочный электрод будет плавиться слишком далеко от свариваемой детали, что приведет к распылению дуги, неглубокому проникновению и плохому осаждению. Чрезмерный вылет также может привести к тому, что защитный газ не будет в достаточной степени покрывать зону сплавления, что приведет к загрязнению атмосферы и пористому и некачественному сварному шву.
Напротив, недостаточный вылет может увеличить скорость, с которой брызги накапливаются внутри сопла пистолета, и в крайних случаях может привести к повреждению контактного наконечника пистолета из-за «обратного сгорания» проволоки в наконечнике. Обратное сжигание, в свою очередь, может привести к застреванию проволоки в наконечнике и остановке ее движения, что приведет к «птичьему гнезду» (скоплению проволоки) в механизме подачи проволоки в сварочном аппарате. Правильное расстояние вылета будет варьироваться в зависимости от различных процессов и применений GMAW, при этом более короткое расстояние вылета часто используется при вертикальной и потолочной сварке. [34] [35] [36] [37]
Сварка в положении, то есть сварка вертикальных или потолочных соединений, может потребовать использования техники плетения для обеспечения надлежащего наплавления и проплавления. Сварка в положении осложняется тенденцией к вытеканию расплавленного металла из ванны («сварочное подтекание»), особенно это касается потолочных соединений. Сварочное подтекание приведет к образованию кратеров и подрезов там, где валик должен соприкасаться с основным металлом, что приведет к слабому сварному шву и риску растрескивания по краю валика. Плетение постоянно перемещает зону сплавления, чтобы ограничить количество металла, наносимого в любой точке. Затем поверхностное натяжение помогает удерживать расплавленный металл в ванне, пока он не затвердеет. В некоторых случаях для получения удовлетворительного сварного шва может потребоваться более высокая, чем обычно, скорость потока защитного газа. Развитие навыков позиционной сварки требует опыта, но обычно большинство учеников-сварщиков осваивают его до достижения статуса подмастерья .
Вертикальный шов может начинаться снизу соединения и продолжаться вверх или начинаться сверху и работать вниз. Техника снизу вверх имеет тенденцию производить более глубокое проникновение и теоретически более прочный сварной шов. Однако существует повышенная тенденция к образованию капель сварки, что приводит к вышеупомянутым кратерам и подрезам, которых можно избежать с помощью правильной техники плетения. Некоторое увеличение разбрызгивания также может быть проблемой. С другой стороны, процедура сверху вниз менее склонна к образованию капель сварки и, как правило, производит более гладкие и более привлекательные сварные швы, но с меньшим проникновением. Снизу вверх обычно считается предпочтительной техникой для тяжелых сечений, хотя использование чистого диоксида углерода при сварке низко- и среднеуглеродистых сталей техникой сверху вниз может увеличить проникновение без чрезмерного ухудшения внешнего вида.
Помимо хороших навыков обращения с пистолетом, сварщик должен знать, как правильно настроить сварочный аппарат (машину) в соответствии с характеристиками свариваемой детали, типом проволоки и используемым защитным газом (газами), а в некоторых случаях и ориентацией свариваемого соединения. Такая настройка включает в себя установку напряжения, скорости подачи проволоки и расхода газа, а также использование правильного сопла пистолета для достижения надлежащего рассеивания защитного газа.
Со временем сварка приведет к накоплению брызг внутри сопла, что в достаточном количестве повлияет на рассеивание газа, что может привести к некачественным сварным швам. Поэтому сварщику придется периодически чистить сопло и наконечник, чтобы удалить брызги. Использование состава против брызг на сопле и наконечнике часто может замедлить скорость накопления. Состав против брызг продается как в банке в виде пасты (часто называемой в торговле «tip-dip»), так и в аэрозольном баллончике в виде спрея. Сварщики могут использовать последний продукт для предотвращения накопления брызг на самой сварной конструкции, а также на зажимном приспособлении, которое удерживает компоненты сварной конструкции.
Две наиболее распространенные проблемы качества в GMAW — это окалина и пористость . Если их не контролировать, они могут привести к более слабым, менее пластичным сварным швам. Окалина — особенно распространенная проблема в алюминиевых сварных швах GMAW, обычно возникающая из-за частиц оксида алюминия или нитрида алюминия, присутствующих в электродах или базовых материалах. Электроды и заготовки необходимо чистить проволочной щеткой или подвергать химической обработке для удаления оксидов с поверхности. Любой кислород, контактирующий со сварочной ванной, будь то из атмосферы или защитного газа, также вызывает окалину. В результате необходим достаточный поток инертных защитных газов, и следует избегать сварки в движущемся воздухе. [38]
В GMAW основной причиной пористости является захват газа в сварочной ванне, что происходит, когда металл затвердевает до выхода газа. Газ может поступать из примесей в защитном газе или на заготовке, а также из-за чрезмерно длинной или интенсивной дуги. Как правило, количество захваченного газа напрямую связано со скоростью охлаждения сварочной ванны. Из-за своей более высокой теплопроводности алюминиевые сварные швы особенно восприимчивы к более высоким скоростям охлаждения и, следовательно, к дополнительной пористости. Чтобы уменьшить ее, заготовка и электрод должны быть чистыми, скорость сварки должна быть уменьшена, а ток должен быть установлен достаточно высоким, чтобы обеспечить достаточный подвод тепла и стабильный перенос металла, но достаточно низким, чтобы дуга оставалась устойчивой. Предварительный нагрев также может помочь снизить скорость охлаждения в некоторых случаях за счет снижения температурного градиента между зоной сварки и основным металлом. [39]
Дуговая сварка в любой форме может быть опасной, если не приняты надлежащие меры предосторожности. Поскольку GMAW использует электрическую дугу, сварщики должны носить подходящую защитную одежду, включая толстые перчатки и защитные куртки с длинными рукавами, чтобы свести к минимуму воздействие самой дуги, а также сильного тепла, искр и горячего металла. Интенсивное ультрафиолетовое излучение дуги может вызвать повреждение, подобное солнечному ожогу, открытой кожи, а также состояние, известное как дуговой глаз , воспаление роговицы или , в случае длительного воздействия, необратимое повреждение сетчатки глаза . Обычные сварочные шлемы содержат темные лицевые пластины для предотвращения этого воздействия. Более новые конструкции шлемов оснащены лицевой пластиной жидкокристаллического типа, которая затемняется при воздействии дуги. Прозрачные сварочные шторы, изготовленные из поливинилхлоридной пластиковой пленки, часто используются для защиты находящихся поблизости рабочих и прохожих от воздействия дуги. [40]
Сварщики часто подвергаются воздействию опасных газов и взвешенных в воздухе твердых частиц. GMAW производит дым, содержащий частицы различных типов оксидов , и размер частиц, как правило, влияет на токсичность паров. Более мелкие частицы представляют большую опасность. Концентрации углекислого газа и озона могут оказаться опасными, если вентиляция недостаточна. Другие меры предосторожности включают хранение горючих материалов вдали от рабочего места и наличие работающего огнетушителя поблизости. [41]
Три режима переноса в GMAW — это глобулярный, короткозамкнутый и распылительный. Существует несколько признанных вариаций этих трех режимов переноса, включая модифицированный короткозамкнутый и импульсно-распылительный. [42]
GMAW с шаровидным переносом металла считается наименее желательным из трех основных вариантов GMAW из-за его тенденции к образованию высокого тепла, плохой поверхности сварки и разбрызгивания. Первоначально этот метод был разработан как экономически эффективный способ сварки стали с использованием GMAW, поскольку в этом варианте используется углекислый газ, менее дорогой защитный газ, чем аргон. К его экономическому преимуществу добавляется его высокая скорость осаждения, позволяющая достигать скорости сварки до 110 мм/с (250 дюймов/мин). [43] По мере выполнения сварки шарик расплавленного металла с электрода имеет тенденцию накапливаться на конце электрода, часто в неправильной форме с диаметром, большим, чем сам электрод. Когда капля наконец отделяется либо под действием силы тяжести, либо за счет короткого замыкания, она падает на заготовку, оставляя неровную поверхность и часто вызывая разбрызгивание. [44] Из-за большой расплавленной капли процесс, как правило, ограничивается плоскими и горизонтальными положениями сварки, требует более толстых заготовок и приводит к большей сварочной ванне. [45] [46]
Дальнейшие разработки в сварке стали с помощью GMAW привели к вариации, известной как передача коротким замыканием (SCT) или GMAW с короткой дугой, в которой ток ниже, чем при методе глобулярной сварки. В результате более низкого тока тепловложение для метода короткой дуги значительно снижается, что позволяет сваривать более тонкие материалы, одновременно уменьшая величину искажений и остаточного напряжения в области сварки. Как и при глобулярной сварке, расплавленные капли образуются на кончике электрода, но вместо того, чтобы падать в сварочную ванну, они перекрывают зазор между электродом и сварочной ванной в результате более низкой скорости подачи проволоки. Это вызывает короткое замыкание и гасит дугу, но она быстро зажигается снова после того, как поверхностное натяжение сварочной ванны отрывает шарик расплавленного металла от кончика электрода. Этот процесс повторяется примерно 100 раз в секунду, делая дугу постоянной для человеческого глаза. Этот тип переноса металла обеспечивает лучшее качество сварки и меньшее разбрызгивание, чем глобулярная вариация, и позволяет выполнять сварку во всех положениях, хотя и с более медленным осаждением сварочного материала. Установка параметров процесса сварки (вольт, ампер и скорости подачи проволоки) в относительно узком диапазоне имеет решающее значение для поддержания стабильной дуги: обычно от 100 до 200 ампер при 17-22 вольтах для большинства применений. Кроме того, использование переноса короткой дугой может привести к отсутствию сплавления и недостаточному проникновению при сварке более толстых материалов из-за более низкой энергии дуги и быстрого застывания сварочной ванны. [47] Как и глобулярная вариация, ее можно использовать только на черных металлах. [20] [48] [49]
Для тонких материалов холодный перенос металла (CMT) используется путем снижения тока при регистрации короткого замыкания, производя много капель в секунду. CMT может использоваться для алюминия. [ необходима цитата ]
Перенос распылением GMAW был первым методом переноса металла, используемым в GMAW, и хорошо подходящим для сварки алюминия и нержавеющей стали с использованием инертного защитного газа. В этом процессе GMAW металл сварочного электрода быстро передается вдоль стабильной электрической дуги от электрода к заготовке, по существу устраняя разбрызгивание и приводя к высококачественной отделке сварного шва. По мере того, как ток и напряжение увеличиваются за пределами диапазона переноса короткого замыкания, перенос металла сварочного электрода переходит от более крупных глобул через мелкие капли к испаренному потоку при самых высоких энергиях. [50] Поскольку этот вариант переноса распылением испарением процесса сварки GMAW требует более высокого напряжения и тока, чем перенос коротким замыканием, и в результате более высокого подвода тепла и большей площади сварочной ванны (для данного диаметра сварочного электрода), он обычно используется только на заготовках толщиной более примерно 6,4 мм (0,25 дюйма). [51]
Кроме того, из-за большой сварочной ванны, он часто ограничивается плоскими и горизонтальными положениями сварки и иногда также используется для вертикальных сварных швов сверху вниз. Он, как правило, непрактичен для корневых проходных швов. [52] Когда меньший электрод используется в сочетании с меньшим подводом тепла, его универсальность увеличивается. Максимальная скорость осаждения для струйной дуги GMAW относительно высока — около 600 мм/с (1500 дюймов/мин). [20] [43] [53]
Разновидность режима переноса распылением, импульсное распыление основано на принципах переноса распылением, но использует пульсирующий ток для расплавления присадочной проволоки и позволяет одной небольшой расплавленной капле падать с каждым импульсом. Импульсы позволяют снизить средний ток, уменьшая общий подвод тепла и, таким образом, уменьшая размер сварочной ванны и зоны термического влияния, при этом делая возможной сварку тонких заготовок. Импульс обеспечивает стабильную дугу и отсутствие брызг, поскольку не происходит короткого замыкания. Это также делает процесс подходящим практически для всех металлов, и можно использовать более толстую электродную проволоку. Меньшая сварочная ванна придает вариации большую универсальность, позволяя сваривать во всех положениях. По сравнению с короткой дугой GMAW этот метод имеет несколько более медленную максимальную скорость (85 мм/с или 200 дюймов/мин), и процесс также требует, чтобы защитный газ был в основном аргоном с низкой концентрацией углекислого газа. Кроме того, для этого требуется специальный источник питания, способный обеспечивать импульсы тока с частотой от 30 до 400 импульсов в секунду. Однако метод приобрел популярность, поскольку он требует меньшего подвода тепла и может использоваться для сварки тонких заготовок, а также цветных металлов. [20] [54] [55] [56]
Сварка с флюсовым сердечником , самозащитная или безгазовая проволока была разработана для простоты и портативности. [57] Это позволяет избежать газовой системы обычной GMAW и использует проволоку с сердечником, содержащую твердый флюс. Этот флюс испаряется во время сварки и создает шлейф защитного газа. Хотя это соединение описывается как «флюс», оно малоактивно и действует в основном как инертный экран. Проволока имеет немного больший диаметр, чем для сопоставимой сварки с защитным газом, чтобы оставить место для флюса. Наименьший доступный диаметр составляет 0,8 мм по сравнению с 0,6 мм для сплошной проволоки. Пары экрана немного активны, а не инертны, поэтому процесс всегда MAGS, но не MIG (защита инертным газом). Это ограничивает процесс сталью, а не алюминием. [ требуется ссылка ]
Эти безгазовые машины работают как DCEN, а не DCEP, обычно используемый для сплошной проволоки GMAW. [57] DCEP, или DC Electrode Positive, превращает сварочную проволоку в положительно заряженный анод , который является более горячей стороной дуги. [58] При условии, что его можно переключать с DCEN на DCEP, газозащищенная машина подачи проволоки может также использоваться для порошковой проволоки. [ требуется ссылка ]
Считается, что порошковая проволока имеет некоторые преимущества при сварке на открытом воздухе на месте, поскольку струя защитного газа с меньшей вероятностью будет сдута ветром, чем защитный газ из обычного сопла. [59] [60] Небольшим недостатком является то, что, как и при сварке SMAW (штучной дуговой сваркой), на сварном шве может осаждаться некоторое количество флюса, что требует более тщательной очистки между проходами. [59]
Аппараты для сварки порошковой проволокой наиболее популярны среди любителей, поскольку они немного проще, но в основном потому, что они позволяют избежать затрат на поставку защитного газа, будь то арендованный баллон или дорогостоящие одноразовые баллоны. [59]
