Газовая дуговая сварка металлом ( GMAW ), иногда называемая по своим подтипам металлическим инертным газом ( MIG ) и металлическим активным газом ( MAG ), представляет собой процесс сварки , при котором электрическая дуга образуется между плавящимся проволочным электродом MIG и металлом(ами) заготовки. , который нагревает металл(ы) заготовки, вызывая их плавление ( плавление и соединение). Вместе с проволочным электродом через сварочную горелку подается защитный газ , защищающий процесс от атмосферных загрязнений.
Процесс может быть полуавтоматическим или автоматическим. С GMAW чаще всего используется источник постоянного напряжения постоянного напряжения, но можно использовать системы постоянного тока , а также системы переменного тока . Существует четыре основных метода переноса металла в GMAW: шаровидный, короткозамкнутый, распылительный и импульсный, каждый из которых имеет различные свойства и соответствующие преимущества и ограничения.
Первоначально разработанный в 1940-х годах для сварки алюминия и других цветных металлов , метод GMAW вскоре стал применяться и к стали , поскольку он обеспечивал более быстрое время сварки по сравнению с другими процессами сварки. Стоимость инертного газа ограничивала его использование в сталях до тех пор, пока несколько лет спустя использование полуинертных газов, таких как углекислый газ , не стало обычным явлением. Дальнейшие разработки в 1950-х и 1960-х годах придали этому процессу большую универсальность, и в результате он стал широко используемым промышленным процессом. Сегодня GMAW является наиболее распространенным промышленным сварочным процессом, предпочтительным из-за его универсальности, скорости и относительной простоты адаптации процесса к роботизированной автоматизации. В отличие от процессов сварки, в которых не используется защитный газ, таких как дуговая сварка в защитной среде , она редко используется на открытом воздухе или в других зонах с движущимся воздухом. В родственном процессе, дуговой сварке порошковой проволокой , часто не используется защитный газ, а вместо этого используется полая электродная проволока, заполненная флюсом .
Принципы газовой дуговой сварки начали пониматься в начале 19 века, после того как Хамфри Дэви открыл короткие импульсные электрические дуги в 1800 году. [1] Василий Петров самостоятельно создал непрерывную электрическую дугу в 1802 году (за ним последовал Дэви после 1808 года). [1] Лишь в 1880-х годах эта технология была разработана с целью промышленного использования. Сначала при угольной дуговой сварке использовались угольные электроды . К 1890 году металлические электроды были изобретены Николаем Славяновым и К.Л. Гробом . В 1920 году первый предшественник GMAW был изобретен П.О. Нобелем из General Electric . Он использовал постоянный ток с оголенной электродной проволокой и использовал напряжение дуги для регулирования скорости подачи. Для защиты сварного шва не использовался защитный газ, поскольку разработки в области сварочных сред произошли только в конце того же десятилетия. В 1926 году был выпущен еще один предшественник GMAW, но он не был пригоден для практического использования. [2]
В 1948 году GMAW был разработан Мемориальным институтом Баттель . В нем использовался электрод меньшего диаметра и источник питания постоянного напряжения, разработанный Х. Э. Кеннеди. Он обеспечивал высокую скорость осаждения, но высокая стоимость инертных газов ограничивала его использование цветными металлами и не позволяла экономить средства. В 1953 году было разработано использование углекислого газа в качестве сварочной среды, и оно быстро завоевало популярность в GMAW, поскольку делало сварку стали более экономичной. В 1958 и 1959 годах была выпущена версия GMAW с короткой дугой, которая повысила универсальность сварки и сделала возможной сварку тонких материалов, используя при этом электродную проволоку меньшего размера и более совершенные источники питания. Он быстро стал самым популярным вариантом GMAW. [ нужна цитата ]
Вариант переноса с помощью распылительной дуги был разработан в начале 1960-х годов, когда экспериментаторы добавляли небольшое количество кислорода к инертным газам. Совсем недавно стал применяться импульсный ток, что привело к появлению нового метода, называемого изменением импульсной распылительной дуги. [3]
GMAW — один из самых популярных методов сварки, особенно в промышленных условиях. [4] Он широко используется в листовой металлургии и автомобильной промышленности. Там метод часто используется для дуговой точечной сварки , заменяя клепку или контактную точечную сварку. Он также популярен для автоматизированной сварки , когда роботы обрабатывают заготовки и сварочный пистолет для ускорения производства. [5] GMAW может быть трудно эффективно выполнять на открытом воздухе, поскольку сквозняки могут рассеять защитный газ и привести к попаданию загрязнений 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 всего выполняется с помощью дуговой сварки в защитной среде , дуговой сварки порошковой проволокой или газовой вольфрамовой дуговой сварки . [9]
Для выполнения газовой дуговой сварки основным необходимым оборудованием является сварочная горелка, устройство подачи проволоки, источник сварочного тока , сварочная электродная проволока и источник защитного газа . [10]
Типичный сварочный пистолет GMAW состоит из ряда ключевых частей: управляющего переключателя, контактного наконечника, силового кабеля, газового сопла, электродного канала и вкладыша, а также газового шланга. Управляющий переключатель или триггер при нажатии оператором инициирует подачу проволоки, подачу электроэнергии и поток защитного газа, вызывая зажигание электрической дуги. Контактный наконечник, обычно изготовленный из меди и иногда обработанный химическим способом для уменьшения разбрызгивания, подключается к источнику сварочного тока через силовой кабель и передает электрическую энергию электроду, направляя ее в зону сварки. Он должен быть надежно закреплен и иметь правильный размер, поскольку он должен пропускать электрод, сохраняя при этом электрический контакт. На пути к контактному наконечнику проволока защищена и направляется электродным каналом и вкладышем, которые помогают предотвратить коробление и обеспечить бесперебойную подачу проволоки. Газовое сопло равномерно направляет защитный газ в зону сварки. Непостоянный поток может не обеспечить адекватную защиту зоны сварки. Сопла большего размера обеспечивают больший поток защитного газа, что полезно при сильноточных сварочных операциях, в результате которых образуется большая расплавленная сварочная ванна. По газовому шлангу из резервуаров с защитным газом газ подается к соплу. Иногда в сварочный пистолет также встроен водяной шланг, охлаждающий пистолет при высоких температурах. [11]
Устройство подачи проволоки подает электрод на изделие, пропуская его через канал к контактному наконечнику. Большинство моделей обеспечивают подачу проволоки с постоянной скоростью, 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 сварки GMAW обычно находится в диапазоне от 2 до 10 м/мин (75–400 дюймов/мин). [13]
Наиболее распространенным электрододержателем является полуавтоматический держатель с воздушным охлаждением. Через него циркулирует сжатый воздух для поддержания умеренной температуры. Он используется при более низких уровнях тока для сварки нахлесточных или стыковых соединений . Второй по распространенности тип электрододержателя — полуавтоматический с водяным охлаждением, единственное отличие которого состоит в том, что вместо воздуха используется вода. Он использует более высокие уровни тока для сварки Т-образных или угловых соединений. Третий типичный тип держателя — это автоматический электрододержатель с водяным охлаждением, который обычно используется с автоматизированным оборудованием. [14]
В большинстве случаев газовой дуговой сварки используется источник постоянного напряжения. В результате любое изменение длины дуги (которое напрямую связано с напряжением) приводит к значительному изменению тепловложения и тока. Более короткая длина дуги приводит к гораздо большему подводу 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 с помощью ручных сварочных пистолетов. Для достижения аналогичного эффекта иногда используют источник питания постоянного тока в сочетании с устройством подачи проволоки, управляемым напряжением дуги. В этом случае изменение длины дуги приводит к корректировке скорости подачи проволоки для поддержания относительно постоянной длины дуги. В редких случаях можно использовать источник постоянного тока и устройство постоянной подачи проволоки, особенно для сварки металлов с высокой теплопроводностью, таких как алюминий. Это дает оператору дополнительный контроль над подачей тепла в сварной шов, но для успешной работы требуются значительные навыки. [15]
Переменный ток редко используется с GMAW; вместо этого используется постоянный ток, и электрод обычно заряжается положительно. Поскольку анод имеет тенденцию иметь более высокую концентрацию тепла, это приводит к более быстрому плавлению питающей проволоки, что увеличивает провар и скорость сварки. Полярность можно изменить только при использовании специальных электродных проводов с эмиссионным покрытием, но, поскольку они непопулярны, отрицательно заряженный электрод используется редко. [16]
Электрод представляет собой проволоку из металлического сплава , называемую проволокой MIG, выбор которой, сплав и размер зависит, прежде всего, от состава свариваемого металла, используемого варианта процесса, конструкции соединения и состояния поверхности материала. Выбор электрода сильно влияет на механические свойства сварного шва и является ключевым фактором качества сварного шва. Как правило, готовый металл сварного шва должен иметь механические свойства, аналогичные свойствам основного материала, без дефектов, таких как несплошности, увлеченные примеси или пористость внутри сварного шва. Для достижения этих целей существует широкий выбор электродов. Все коммерчески доступные электроды содержат в небольших количествах раскисляющие металлы, такие как кремний , марганец , титан и алюминий , которые помогают предотвратить кислородную пористость. Некоторые из них содержат денитридирующие металлы, такие как титан и цирконий , чтобы избежать пористости из-за азота. [17] В зависимости от варианта процесса и свариваемого основного материала диаметры электродов, используемых в GMAW, обычно варьируются от 0,7 до 2,4 мм (0,028–0,095 дюйма), но могут достигать 4 мм (0,16 дюйма). Самые маленькие электроды, обычно до 1,14 мм (0,045 дюйма) [18] , используются в процессе переноса металла с коротким замыканием, в то время как наиболее распространенные электроды в режиме переноса распылением обычно имеют размер не менее 0,9 мм (0,035 дюйма). [19] [20]
Защитные газы необходимы для газовой дуговой сварки металлом для защиты зоны сварки от атмосферных газов, таких как азот и кислород , которые могут вызвать дефекты плавления, пористость и охрупчивание металла сварного шва при контакте с электродом, дугой или сваркой. металл. Эта проблема является общей для всех процессов дуговой сварки; например, в более старом процессе дуговой сварки защитного металла (SMAW) электрод покрывается твердым флюсом, который при плавлении дугой образует защитное облако углекислого газа. Однако при GMAW электродная проволока не имеет флюсового покрытия, и для защиты сварного шва используется отдельный защитный газ. Это исключает шлак, твердый остаток флюса, который образуется после сварки и который необходимо сколоть, чтобы обнажить готовый сварной шов. [21]
Выбор защитного газа зависит от нескольких факторов, в первую очередь от типа свариваемого материала и используемого варианта процесса. Чистые инертные газы, такие как аргон и гелий , используются только для сварки цветных металлов; со сталью они не обеспечивают адекватного проплавления сварного шва (аргон) или вызывают неустойчивую дугу и способствуют разбрызгиванию (с гелием). С другой стороны, чистый углекислый газ позволяет выполнять сварные швы с глубоким проплавлением, но способствует образованию оксидов, что отрицательно влияет на механические свойства сварного шва. Низкая стоимость делает его привлекательным выбором, но из-за реактивности плазмы дуги неизбежны разбрызгивания, а сварка тонких материалов затруднена. В результате аргон и диоксид углерода часто смешиваются в смеси от 75%/25% до 90%/10%. Как правило, при коротком замыкании GMAW более высокое содержание углекислого газа увеличивает тепло и энергию сварки, когда все остальные параметры сварки (вольт, ток, тип и диаметр электрода) остаются неизменными. Поскольку содержание углекислого газа увеличивается более чем на 20%, перенос GMAW распылением становится все более проблематичным, особенно при меньшем диаметре электродов. [22]
Аргон также обычно смешивают с другими газами, кислородом, гелием, водородом и азотом. Добавление до 5% кислорода (например, упомянутых выше более высоких концентраций углекислого газа) может быть полезным при сварке нержавеющей стали, однако в большинстве случаев предпочтительно использовать углекислый газ. [23] Повышенное содержание кислорода заставляет защитный газ окислять электрод, что может привести к пористости покрытия, если электрод не содержит достаточного количества раскислителей. Избыток кислорода, особенно при использовании там, где он не предусмотрен, может привести к хрупкости в зоне термического воздействия. Смеси аргона и гелия чрезвычайно инертны и могут использоваться для обработки цветных металлов. Концентрация гелия 50–75% повышает необходимое напряжение и увеличивает нагрев дуги из-за более высокой температуры ионизации гелия. Водород иногда добавляют к аргону в небольших концентрациях (около 5%) для сварки заготовок из никеля и толстой нержавеющей стали. В более высоких концентрациях (до 25% водорода) его можно использовать для сварки проводящих материалов, таких как медь. Однако его не следует использовать для обработки стали, алюминия или магния, поскольку он может вызвать пористость и водородную хрупкость . [21]
Также доступны смеси защитных газов из трех и более газов. Для сварки сталей продаются смеси аргона, углекислого газа и кислорода. Другие смеси добавляют небольшое количество гелия к соединениям аргона и кислорода. Утверждается, что эти смеси обеспечивают более высокое напряжение дуги и скорость сварки. Гелий также иногда служит базовым газом с добавлением небольшого количества аргона и углекислого газа. Однако, поскольку он менее плотен, 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 гораздо более энергичной дуговой плазмы. Гелий также существенно дороже других защитных газов. Другие специализированные и часто запатентованные газовые смеси требуют еще больших преимуществ для конкретных применений. [21]
Несмотря на то, что оксид азота ядовит, следовые количества оксида азота можно использовать для предотвращения образования еще более неприятного озона в дуге.
Желаемая скорость потока защитного газа зависит, прежде всего, от геометрии сварного шва, скорости, тока, типа газа и режима переноса металла. Сварка плоских поверхностей требует более высокого расхода, чем сварка материалов с канавками, поскольку газ рассеивается быстрее. Более высокие скорости сварки, как правило, означают, что для обеспечения надлежащего покрытия необходимо подавать больше газа. Кроме того, более высокий ток требует большего расхода, 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 расходу защитного газа: для небольших сварочных ванн при коротком замыкании и импульсном режиме распыления обычно подходит около 10 л /мин (20 футов 3 / ч ), тогда как для шаровидных Предпочтительна скорость передачи около 15 л/мин (30 футов 3 /ч). Вариант переноса распылением обычно требует большего расхода защитного газа из-за его более высокого тепловложения и, следовательно, большей сварочной ванны. Типичный объем потока газа составляет примерно 20–25 л/мин (40–50 фут 3 /ч). [13]
GMAW также использовался как недорогой метод 3D-печати металлических предметов. [24] [25] [26] Для использования GMAW были разработаны различные 3D-принтеры с открытым исходным кодом . [27] Такие компоненты, изготовленные из алюминия, конкурируют с более традиционными компонентами по механической прочности. [28] Путем формирования плохого сварного шва на первом слое детали, напечатанные на 3D-принтере GMAW, можно удалить с подложки с помощью молотка. [29] [30]
В большинстве случаев газовая дуговая сварка представляет собой довольно простой процесс сварки, для освоения которого требуется не более недели или двух для освоения базовой техники сварки. Даже если сварку выполняют хорошо обученные операторы, качество сварки может колебаться, поскольку оно зависит от ряда внешних факторов. Все виды сварки GMAW опасны, хотя, возможно, и в меньшей степени, чем некоторые другие методы сварки, такие как дуговая сварка в среде защитного металла . [31]
Методы, необходимые для успешной сварки с использованием процесса GMAW, не сложны: большинство людей могут достичь достаточного мастерства за несколько недель при условии надлежащего обучения и достаточных возможностей для практической сварки. Как и в случае со многими другими ручными навыками, опыт и практика приведут к тому, что сварщик (оператор) достигнет высокого уровня квалификации. Поскольку большая часть процесса автоматизирована, GMAW освобождает сварщика от необходимости поддерживать точную длину дуги, а также подавать присадочный металл в сварочную ванну (зону плавления) с правильной скоростью. Это скоординированные операции, необходимые в других процессах. ручные сварочные процессы, такие как защитная металлическая дуга («палочная» сварка).
Успешное выполнение сварного шва с помощью процесса GMAW требует, чтобы сварщик поддерживал правильную ориентацию сварочного пистолета относительно свариваемого соединения ( сварной детали ), а также поддерживал равномерную скорость перемещения вниз по соединению, чтобы обеспечить достаточный провар и нарастание сварного валика. Для перемещения вдоль соединения также может потребоваться «переплетающийся» компонент для обеспечения надежного 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 вниз по соединению с оптимальной скоростью.
Ориентация горелки относительно свариваемой детали важна, поскольку она влияет на то, как энергия дуги направляется на составляющие детали. В идеальном сварном шве будет достигнуто 100-процентное проплавление, что в сочетании с наращиванием сварного валика приведет к получению сварного шва, который теоретически прочнее, чем составляющие его части. На практике полное проникновение не достигается и фактически может быть нежелательным. Однако провар будет наиболее глубоким, когда проволочный электрод расположен точно перпендикулярно свариваемой поверхности. Кроме того, осаждение присадочного металла, возникающего в результате плавления проволочного электрода, будет иметь тенденцию быть равномерным, если проволока расположена перпендикулярно.
На практике перпендикулярность не всегда идеальна и даже достижима, если только не сварить горизонтальное стыковое соединение. Поэтому пистолет обычно ориентируется так, чтобы проволока делила угол между двумя соединяемыми поверхностями пополам. Например, если сваривается угловой шов под углом 90 градусов, угол проволоки 45 градусов должен обеспечить наилучшее проплавление и нанесение наполнителя. Горизонтальное соединение внахлест, с другой стороны, выиграет от менее острого угла, чтобы направить больше энергии дуги на нижнюю часть и меньше энергии на край верхней части, главным образом, чтобы избежать плавления края.
Угол хода или угол наведения — это угол пистолета по отношению к направлению движения вдоль шарнира, и обычно он должен оставаться примерно вертикальным. [32] Большинство пистолетов сконструированы таким образом, что, когда рукоятка (рукоятка) расположена параллельно рабочей поверхности, получается подходящий угол наклона. Однако лучший угол будет варьироваться в зависимости от типов защитного газа и способа его рассеивания. При использовании чистых инертных газов, например прямого аргона, нижняя часть горелки часто располагается немного впереди верхней части, тогда как при сварке в атмосфере углекислого газа наблюдается обратное. [33]
Важно поддерживать относительно стабильное расстояние между контактным наконечником и изделием ( расстояние вылета ). Чрезмерный вылет может привести к расплавлению проволочного электрода слишком далеко от свариваемого изделия, что приведет к распылению дуги, неглубокому проплавлению и плохой наплавке. Чрезмерный вылет также может привести к тому, что защитный газ не будет должным образом покрывать зону сварки, что приведет к атмосферному загрязнению и образованию пористого и ненадежного сварного шва.
Напротив, недостаточный вылет может увеличить скорость скопления брызг внутри сопла пистолета и, в крайних случаях, может привести к повреждению контактного наконечника пистолета из-за «пригорания» проволоки в наконечник. Обратный пережог, в свою очередь, может привести к застреванию проволоки в наконечнике и остановке движения, что приведет к «птичьему гнезду» (слипанию проволоки) в механизме подачи проволоки сварочного аппарата. Правильное расстояние вылета будет варьироваться в зависимости от различных процессов и применений GMAW, при этом более короткий вылет часто используется при вертикальной и потолочной сварке. [34] [35] [36] [37]
Позиционная сварка, то есть сварка вертикальных или верхних швов, может потребовать использования техники переплетения для обеспечения правильного наплавления и проплавления сварного шва. Позиционная сварка осложняется тенденцией расплавленного металла вытекать из ванны («сварная капля»), особенно это касается верхних соединений. Подтекание сварного шва приведет к образованию кратеров и подрезов там, где шов должен сливаться с основным металлом, что приведет к непрочности сварного шва и риску растрескивания края шва. Ткачество постоянно перемещает зону плавления, чтобы ограничить количество металла, осаждаемого в любой одной точке. Поверхностное натяжение помогает удерживать расплавленный металл в ванне до тех пор, пока он не затвердеет. В некоторых случаях для достижения удовлетворительного сварного шва может потребоваться более высокий, чем обычно, расход защитного газа. Развитие навыков сварки требует опыта, но обычно большинство учеников-сварщиков осваивают их еще до достижения статуса подмастерья .
Вертикальный сварной шов может начинаться внизу соединения и продолжаться вверх или начинаться сверху и двигаться вниз. Восходящий метод обеспечивает более глубокое проплавление и теоретически более прочный сварной шов. Однако существует повышенная склонность к образованию потеков из сварного шва, что приводит к вышеупомянутым кратерам и подрезам, которых можно избежать при правильной технике плетения. Некоторое увеличение разбрызгивания также может быть проблемой. С другой стороны, метод сверху вниз менее склонен к образованию потеков и обычно обеспечивает более гладкие и привлекательные сварные швы, но с меньшим проплавлением. Метод «снизу вверх» обычно считается предпочтительным для тяжелых сечений, хотя использование чистого диоксида углерода при сварке низко- и среднеуглеродистых сталей методом «сверху вниз» может увеличить проплавление без чрезмерного ухудшения внешнего вида.
Помимо хороших навыков обращения с пистолетом, сварщик должен знать, как правильно настроить сварочный аппарат (аппарат) в соответствии с характеристиками сварного изделия, типом проволоки и используемым защитным газом (газами), а в некоторых случаях и ориентацией. свариваемого соединения. Такая конфигурация включает настройку напряжения, скорости подачи проволоки и расхода газа, а также использование подходящего сопла пистолета для достижения надлежащего рассеивания защитного газа.
Со временем сварка приведет к скоплению брызг внутри сопла, которые в достаточном количестве будут влиять на рассеивание газа, что может привести к некачественным сварным швам. Следовательно, сварщику придется периодически чистить сопло и наконечник для удаления брызг. Использование состава для защиты от брызг на сопле и наконечнике часто может замедлить скорость образования брызг. Состав против брызг продается как в баночке в виде пасты (часто называемой в торговле «тип-дип»), так и в аэрозольном баллончике в виде спрея. Сварщики могут использовать последний продукт для предотвращения накопления брызг на самой сварной детали, а также на приспособлении, удерживающем сварные компоненты.
Двумя наиболее распространенными проблемами качества при GMAW являются окалина и пористость . Если их не контролировать, они могут привести к получению более слабых и менее пластичных сварных швов. Окалина является особенно распространенной проблемой при сварке алюминия GMAW и обычно возникает из-за частиц оксида или нитрида алюминия, присутствующих в электроде или основных материалах. Электроды и детали необходимо зачистить проволочной щеткой или подвергнуть химической обработке для удаления оксидов на поверхности. Любой кислород, попадающий в сварочную ванну, будь то из атмосферы или защитного газа, также вызывает образование окалины. В результате необходим достаточный поток инертных защитных газов и следует избегать сварки в движущемся воздухе. [38]
При GMAW основной причиной пористости является захват газа в сварочной ванне, который происходит, когда металл затвердевает до выхода газа. Газ может появиться из-за примесей в защитном газе или на заготовке, а также из-за слишком длинной или сильной дуги. Как правило, количество захваченного газа напрямую зависит от скорости охлаждения сварочной ванны. Из-за более высокой теплопроводности сварные швы алюминия особенно чувствительны к более высокой скорости охлаждения и, следовательно, к дополнительной пористости. Чтобы уменьшить его, заготовка и электрод должны быть чистыми, скорость сварки уменьшена, а ток установлен достаточно высоким, чтобы обеспечить достаточную тепловложение и стабильный перенос металла, но достаточно низким, чтобы дуга оставалась устойчивой. В некоторых случаях предварительный нагрев также может помочь снизить скорость охлаждения за счет уменьшения температурного градиента между областью сварного шва и основным металлом. [39]
Дуговая сварка в любом виде может быть опасной, если не принять надлежащие меры предосторожности. Поскольку в GMAW используется электрическая дуга, сварщики должны носить подходящую защитную одежду, в том числе плотные 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 открытой кожи, подобное солнечному ожогу, а также состояние, известное как дуга глаза , воспаление роговицы или , в случае длительного воздействия, необратимое повреждение сетчатки глаза . Обычные сварочные маски имеют темные лицевые панели для предотвращения такого воздействия. Новые конструкции шлемов оснащены лицевой панелью жидкокристаллического типа, которая автоматически затемняется под воздействием дуги. Прозрачные сварочные шторы, изготовленные из поливинилхлоридной пластиковой пленки, часто используются для защиты находящихся рядом рабочих и прохожих от воздействия дуги. [40]
Сварщики часто подвергаются воздействию опасных газов и твердых частиц в воздухе . GMAW производит дым, содержащий частицы различных типов оксидов , и размер частиц имеет тенденцию влиять на токсичность дыма. 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 поблизости работающего огнетушителя . [41]
Три режима переноса в GMAW: шаровой, короткозамкнутый и распылительный. Существует несколько признанных вариантов этих трех режимов переноса, включая модифицированное короткое замыкание и импульсное распыление. [42]
GMAW с шаровидным переносом металла считается наименее желательным из трех основных вариантов GMAW из-за его склонности к сильному нагреву, плохой поверхности сварного шва и образованию брызг. 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 добавлялась высокая скорость наплавки, позволяющая развивать скорость сварки до 110 мм/с (250 дюймов/мин). [43] Во время сварки шарик расплавленного металла из электрода имеет тенденцию накапливаться на конце электрода, часто неправильной формы и большего диаметра, чем сам электрод. Когда капля наконец отделяется под действием силы тяжести или короткого замыкания, она падает на заготовку, оставляя неровную поверхность и часто вызывая разбрызгивание. [44] Из-за наличия большой капли расплава процесс сварки обычно ограничивается плоскими и горизонтальными положениями сварки, требует более толстых заготовок и приводит к увеличению сварочной ванны. [45] [46]
Дальнейшие разработки в области сварки стали с помощью GMAW привели к появлению варианта, известного как перенос короткого замыкания (SCT) или GMAW короткой дугой, при котором ток ниже, чем при шаровом методе. В результате более низкого тока тепловложение при использовании короткой дуги значительно снижается, что позволяет сваривать более тонкие материалы, одновременно уменьшая степень деформации и остаточных напряжений в зоне сварного шва. Как и при шаровидной сварке, капли расплава 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 возобновляется после того, как поверхностное натяжение сварочной ванны отрывает шарик расплавленного металла от кончика электрода. Этот процесс повторяется примерно 100 раз в секунду, благодаря чему дуга кажется человеческому глазу постоянной. Этот тип переноса металла обеспечивает лучшее качество сварки и меньшее количество брызг, чем шаровидный вариант, и позволяет выполнять сварку во всех положениях, хотя и с более медленным наплавлением сварочного материала. Установка параметров процесса сварки (вольт, ток и скорость подачи проволоки) в относительно узком диапазоне имеет решающее значение для поддержания стабильной дуги: обычно от 100 до 200 ампер при напряжении от 17 до 22 вольт для большинства применений. Кроме того, использование переноса короткой дуги может привести к непровару и недостаточному проплавлению при сварке более толстых материалов из-за меньшей энергии дуги и быстрого замерзания сварочной ванны. [47] Как и шаровидный вариант, его можно использовать только для черных металлов. [20] [48] [49]
Для тонких материалов используется метод холодного переноса металла (CMT), заключающийся в уменьшении тока при регистрации короткого замыкания, вызывающего множество падений в секунду. CMT можно использовать для алюминия. [ нужна цитата ]
Перенос распылением GMAW был первым методом переноса металла, использованным в GMAW, и хорошо подходил для сварки алюминия и нержавеющей стали с использованием инертного защитного газа. В этом процессе GMAW металл сварочного электрода быстро перемещается по стабильной электрической дуге от электрода к заготовке, что практически исключает разбрызгивание и обеспечивает высококачественную сварку. По мере того, как ток и напряжение выходят за пределы диапазона передачи 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 процесса сварки GMAW с переносом распыления испарением требует более высокого напряжения и тока, чем перенос при коротком замыкании, и в результате более высокого подвода тепла и большей площади сварочной ванны (для данного диаметра сварочного электрода), обычно используется только для заготовок толщиной более 6,4 мм (0,25 дюйма). [51]
Кроме того, из-за большой сварочной ванны его часто ограничивают плоскими и горизонтальными положениями сварки, а иногда также используют для сварных швов вертикально вниз. Обычно это непрактично для корневых швов. [52] Когда электрод меньшего размера используется в сочетании с меньшим тепловложением, его универсальность увеличивается. Максимальная скорость напыления для GMAW распылительной дугой относительно высока — около 600 мм/с (1500 дюймов/мин). [20] [43] [53]
Вариант режима переноса распылением, импульсное распыление, основан на принципах переноса распылением, но использует пульсирующий ток для плавления присадочной проволоки и позволяет одной небольшой расплавленной капле падать при каждом импульсе. Импульсы позволяют снизить средний ток, уменьшая общее тепловложение и тем самым уменьшая размер сварочной ванны и зоны термического влияния, одновременно позволяя сваривать тонкие детали. Импульс обеспечивает стабильную дугу и отсутствие брызг, поскольку не происходит короткого замыкания. Это также делает процесс подходящим практически для всех металлов, а также можно использовать более толстую электродную проволоку. Меньшая сварочная ванна придает этому варианту большую универсальность, позволяя сваривать во всех положениях. По сравнению с GMAW с короткой дугой этот метод имеет несколько более низкую максимальную скорость (85 мм/с или 200 дюймов/мин), а также для процесса требуется, чтобы в качестве защитного газа использовался в основном аргон с низкой концентрацией углекислого газа. Кроме того, для этого требуется специальный источник питания, способный выдавать импульсы тока с частотой от 30 до 400 импульсов в секунду. Однако метод завоевал популярность, так как требует меньшего тепловложения и может использоваться для сварки тонких заготовок, а также материалов цветных металлов. [20] [54] [55] [56]
Сварка порошковой проволокой , самозащитной или безгазовой проволокой была разработана для простоты и портативности. [57] При этом отсутствует газовая система традиционной GMAW и используется порошковая проволока, содержащая твердый флюс. Этот флюс испаряется во время сварки и образует шлейф защитного газа. Хотя это соединение называют «флюсом», оно малоактивно и действует в основном как инертный щит. Проволока имеет немного больший диаметр, чем для аналогичной сварки в среде защитного газа, чтобы обеспечить место для флюса. Наименьший из доступных диаметров составляет 0,8 мм по сравнению с 0,6 мм для сплошной проволоки. Защитный пар слегка активен, а не инертен, поэтому процесс всегда представляет собой MAGS, а не MIG (защитный инертный газ). Это ограничивает процесс сталью, а не алюминием. [ нужна цитата ]
Эти безгазовые машины работают как DCEN, а не DCEP, обычно используемый для сварки сплошной проволокой GMAW. [57] DCEP, или положительный электрод постоянного тока, превращает сварочную проволоку в положительно заряженный анод , который является более горячей стороной дуги. [58] При условии переключения с DCEN на DCEP для порошковой проволоки можно также использовать газонаполненный механизм подачи проволоки. [ нужна цитата ]
Считается, что порошковая проволока имеет некоторые преимущества при сварке на месте на открытом воздухе, поскольку шлейф защитного газа с меньшей вероятностью будет унесен ветром, чем защитный газ из обычного сопла. [59] [60] Небольшим недостатком является то, что, как и при сварке SMAW (ручной сваркой), на сварном валике может откладываться 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 главным образом потому, что они позволяют избежать затрат на подачу защитного газа либо через арендованный баллон, либо за счет высокой стоимости одноразовых баллонов. [59]
