Сварка аргоном (аргоновая сварка) — технология, описание процесса

Сварка – один из самых популярных способов неразъемного соединения металлических деталей. При этом выделяют три основных вида технологии:

• со значительным усилием (давлением) без нагрева – так называемая «холодная сварка»;
• со средним усилием и нагревом;
• без давления, но с нагревом до температуры плавления металла.

При этом обычно, говоря о сварке, подразумевают последний вариант – то есть нагрев соединяемых частей до температуры плавления с помощью электричества, газового пламени, лазерного луча и так далее. Мы рассмотрим один из самых популярных видов «горячей» сварки – аргонную. Правильнее было бы назвать ее аргоннодуговой, а еще точнее – дуговой в аргоновой среде, поскольку процесс нагрева происходит под действием электрической дуги в среде инертного газа (аргона).

Принцип действия

Необходимость в подаче защитного газа в зону сварки связана с тем, что нагретый металл – и электроды, и свариваемые детали – очень быстро окисляются в кислородной среде. При этом защитная пленка окислов приводит к замедлению нагрева и затруднению сварки как таковой. Именно поэтому сварочные аппараты с газовым соплом, подающие инертный или активный газ. Для создания нужной газовой среды используют инертные газы (уже упомянутый аргон и гелий), а также активные – углекислый, азот, водород, иногда применяют также газовые смеси.

Согласно международным обозначениям, работа в среде защитного инертного газа маркируется metal inert gas (MIG). В США принято обозначение GMAW, также используется маркировка 13 (цифровое обозначение). Более детально уточнить правила обозначения вида сварки можно в ГОСТ Р ИСО 4063-2010 (российский аналог стандарта ISO 4063:2009).

Аргонная сварка может производиться в следующих режимах и условиях:

• ручная, с неплавящимся электродом. Маркировка РАД (ручная аргонная дуговая);
• автоматическая с неплавящимся электродом (ААД);
• автоматическая с плавящимся электродом (ААДП). Последняя буква в маркировке обозначает использование плавящегося электрода.

Иногда используют также ручную сварку с плавящимся электродом (РАДП), но чаще в процессе работы присадочный материал подает сварщик.

В качестве неплавящегося электрода чаще всего используется вольфрамовая проволока, способная выдерживать значительные температуры и хорошо проводящая ток.

Процесс сварки с использованием плавящегося электрода выглядит так.

Сварочный аппарат подсоединяют к емкости с газом, использую специальный шланг – в нем в едином рукаве проходит канал для подачи газа и кабель электропитания. При создании электрической дуги сразу же подается газ так, чтобы он полностью обволакивал место сварки. По мере расплавления электрода он автоматически подается в зону сварки. Капли расплавленного металла, попадая на шов между свариваемыми деталями, образует наплавное соединение.

Если используется неплавящийся электрод, то подача расплавленного металла для формирования шва ведется за счет присадка (присадочной проволоки), которая вручную (редко автоматически) подается в зону сварки.

Плюсы и минусы аргоноводуговой сварки

Использование инертных газов, несмотря на их более высокую стоимость, дает лучший результат сваривания, поскольку даже при высоком уровне нагрева они не выделяют кислород (как делает водород). Соответственно, не нужно вводить в материал электрода раскислитель (марганец или кремний). Также при аргонной или гелиевой сварке меньше разбрызгивание раскаленного металла.

Применение именно инертных (благородных) газов связано с тем, что они на 40% тяжелее атмосферного воздуха и при подаче в зону сварки полностью вытесняют его. Благодаря этому кислорода в зоне нет, и процесс окисления прекращается. Кроме того, аргон при сильном нагреве формирует и поддерживает токопроводящую плазму. Это, в свою очередь, облегчает разжигание дуги, а также улучшает прогрев кромок свариваемых деталей.

Помимо уже упомянутого высокого качества данного вида неразъемных соединений, стоит отметить такие преимущества дуговой сварки в защитной среде инертного газа (аргона):

• возможность работать с различными металлами и получать прочный шов вне зависимости от пространственного положения деталей – аппарат можно как угодно разворачивать в процессе работы, даже «вверх ногами». Это особенно удобно для сварки предметов в форме цилиндра (например, труб);
• большой диапазон толщин свариваемых элементов – от долей миллиметра до нескольких сантиметров;
• постоянная подача газа в зону сварки охлаждает металл в той степени, когда образование трещин и других повреждений из-за неравномерного распределения температур заметно уменьшается, но способность сваривания сохраняется;
• контроль качества шва, состояния сварочной ванны предельно прост и осуществляется визуально;
• зона воздействия очень узкая, мало влияет на термическое состояние деталей в целом;
• нет необходимости зачищать швы при многослойной сварке, даже при однослойной сварочные швы не нуждаются в зачистке или другой обработке;
• производительность работ очень высокая.

К сожалению, есть и недостатки:

• за счет сравнительно большого размера горелки сложно, а иногда невозможно работать в труднодоступных местах и узких зазорах;
• добавление к необходимому комплекту оборудования газового баллона, шлангов, редуктора увеличивает как вес оснащения, так и его стоимость;
• обязательна защита от теплового и светового излучения в процессе сваривания;
• необходимо хотя бы минимальное обучение сварщика и постоянная практика для роста мастерства.

В целом аргонная сварка чаще применяется в автоматическом режиме на крупных предприятиях, но для бытовых нужд также востребована.

С чем можно работать

Учитывая высокую температуру, достигаемую использованием дуговой сварки в аргоновой среде, перечень металлов, которые можно сваривать этим методом, довольно велик:

• практически все «черные» сплавы, начиная с чугуна и заканчивая конструкционными сталями;
• нержавейку (нержавеющую сталь);
• легированные и высоколегированные сплавы;
• тугоплавкие металлы, в том числе титан и сплавы на их основе;
• «цветные» металлы, в том числе медь, алюминий, сплавы на их основе.

Температура и условия сварки регулируются в зависимости от материала соединяемых деталей.

Необходимое оборудование, расходные материалы и защита

Планируя заняться аргоновой ручной сваркой дома (автоматические аппараты в домашних условиях, как правило, не применяются), следует заранее запастись всем необходимым:

• баллон для газа. Для аргона используются специализированные баллоны, отличие от кислородных и пропановых – в расцветке. Они имеют характерный серебристо-серый цвет;
• редуктор для уменьшения давления сжиженного газа. Может быть специализированным или универсальным;
• шланг высокого давления (от баллона к редуктору) и аналогичный или менее прочный – от редуктора к сварочной горелке;
• сварочный аппарат, предназначенный для работы с неплавящимися электродами;
• электроды подходящей марки в необходимом количестве;
• инструменты и приспособления для подготовки металла к свариванию;
• защитная одежда и приспособления.

Важно понимать, что очень значима совместимость баллона, шланга и редуктора. Производители, чтобы избежать путаницы, стараются выпускать редукторы и баллоны в одном цвете и со схожей маркировкой.

Подробнее об оборудовании

Также необходимо уделять внимание маркировке самого баллона и его состоянию.

Особенно тщательно следует изучать состояние резьбы и уплотнителя, поскольку от этого зависит работоспособность баллона в целом и безопасность его использования.

Редуктор желательно использовать с ротаметром (одним или двумя), то есть датчиком и регулятором расхода газа. Два ротаметра необходимы в том случае, если газовым баллоном будут одновременно пользоваться два сварщика. Наличие ротаметра позволяет рационально расходовать как сам газ, так и вольфрамовые электроды – ведь при чрезмерном давлении газа они сгорают гораздо быстрее.

В отношении электродов необходимо придерживаться общего правила, касающегося типа сварки (переменным или постоянным током).

Диаметр изделия подбирается в зависимости от того, какой толщины металл предполагается сваривать.

То же самое касается требуемой силы тока сварки.

Последний параметр, как и возможность использовать разные диаметры электродов, сильно влияет на выбор сварочного аппарата.

Рассматривать нюансы выбора конкретной модели аппарата в рамках этой статьи мы не будем, поскольку тема слишком обширная.

Подготовка деталей

Чтобы сваривать любой металл, его необходимо предварительно подготовить к работе. Эта процедура включает несколько этапов:

• правка деталей. Зачастую детали, которые необходимо сварить, деформированы. Следует восстановить базовую форму, в противном случае стыковка для сваривания может оказаться невозможной или сильно затрудненной. Правку выполняют вручную или с помощью автоматического оборудования, «на холодную» или в подогретом (с помощью газовой горелки) состоянии. Выбор конкретного метода зависит от особенностей детали, ее состояния и возможностей мастера;
• зачистка поверхностей. С детали необходимо удалить скорродировавший слой, любые лако-красочные покрытия. Обычно это делается с помощью ручной шлифовки или зачистки проволочной насадкой дрели/шлифмашины;
• разметка и резка. Разметку в домашних условиях производят только вручную, резку осуществляют болгаркой или специальной пилой по металлу (в том числе с помощью электролобзика). Для тонкого листового металла можно использовать ножницы. Возможна также термическая резка – с помощью газового резака, электрической дуги и так далее;
• подготовка кромок к работе. В зависимости от того, какой толщины металл планируется сваривать, применяют прямые, V-образные и X-образные кромки. До любого состояния обрезанную механически или термически кромку детали нужно довести с помощью подходящего ручного инструмента. При этом лучше использовать «холодные» методы обрезки, поскольку после термических чистота реза для образования фаски или ровной поверхности может оказаться недостаточной. Дополнительно кромки могут зачищаться от оксидной пленки с помощью проволочной щетки или шлифовальной насадки.

Еще один важный момент – удаление пятен масел, жиров и других органических и неорганических загрязнений. Их убирают соответствующими растворителями.

Последний этап подготовки – сборка деталей в требуемом положении. Для этого часто используют разнообразные стенды, кондукторы и прочее. Особенно внимательно следует относиться к свариванию труб и других полых деталей, стыкуемых по кромкам.

Виды кромок для сваривания: 1 – прямые кромки, 2 – простые V-образные, 3 – сложные V-образные, 4 – Х-образные

Сборка деталей должна осуществляться с учетом значительного повышения температуры в зоне сварки – деревянные и иные легко воспламеняющиеся материалы для сварочного стенда использоваться не могут.

Защитные приспособления и одежда

Безопасность сварщика и окружающих его вещей особенно важна, если речь идет о работе в условиях домашней мастерской или небольшого частного предприятия. Обязательными элементами защиты рабочего считаются:

• сварочный шлем, маска или очки. Маска – оптимальный вариант, поскольку защищает не только глаза от слепящего света электрической дуги, но и кожу лица (и частично шеи) от ожогов брызгами расплавленного металла и искрами. Также в определенной мере маска предохраняет дыхательные пути. Прозрачные очки рекомендуется использовать в том числе при резке металла и обработке кромок. Темный щиток маски предохраняет кожу от избыточного и специфического «сварочного загара», который может вызвать рак кожи;
• перчатки или рукавицы с крагами (защитными элементами на запястья и выше). Материал перчаток должен быть максимально плотным, не плавящимся (обязательное условие, поскольку нагрев может быть значительным), и при этом достаточно мягким для удобства работы. Плотная фиксация на кистях нежелательна, перчатки должны свободно облегать руку;
• куртка или передник из плотного, не склонного к возгоранию материала. Также может использовать комбинезон или полукомбинезон;
• плотная, легко выдерживающая температурные воздействия обувь. Важно, чтобы в обуви не было открытой шнуровки, гвоздей в подошве и других металлических элементов;
• при работе в неудобных местах, с вынужденным укладыванием на пол или стоянием на коленях применяют наколенники, специальные подставки и коврики.

Согласно нормативам, сварщики также должны применять респираторы. Однако чаще всего домашние мастера отказываются от него, мотивируя это неудобством работы и коротким ее периодом.

Материал перчаток (рукавиц, краг) и одежды, предназначенных специально для сварщиков, маркируется «ТР», то же касается обуви. Рекомендовано изготовление спецодежды для сварщиков из натуральных материалов (брезента, хлопка, натуральной кожи) с дополнительной пропиткой огнезащитными веществами. В бытовых условиях подойдет плотная джинсовая или брезентовая одежда, длинные передник и нарукавники (за неимением краг) из брезента или кожи, кожаные перчатки. Но рукавицы или перчатки лучше все же приобрести специализированные.

Последовательность выполнения работ при аргоноводуговой сварке

Технология процесса изложена на примере сварки труб ручным сварочным аппаратом и урока для новичков от канала «Гори дуга».

Подготовка оснащения, защиты и свариваемых деталей. Для работы мастера рекомендуют использовать аппараты на основе инвертора с питанием от переменного тока 220В (промышленные модели с питанием 380В использовать в бытовых условиях не рекомендуется, даже при наличии соответствующего гнезда питания).

В качестве свариваемых деталей для начинающего мастера лучше выбрать черные или слаболегированные сплавы на основе железа. Принимая листы толщиной 2…3 мм, можно использовать зеленые (WP) электроды из чистого вольфрама, без легирующих добавок.

Предварительная подготовка деталей описана выше.

Выполнение фаски для лучшего сваривания шва

Установка держателя, фиксирующего два отрезка трубы относительно друг друга

Шов «прихватка». В некоторых случаях соединить детали сразу постоянным сплошным швом бывает сложно, поэтому мастера рекомендуют в этом случае выполнить «прихватку», то есть короткие швы в нескольких местах.

Выполнение точечных «прихваток»

Если точечное схватывание было выполнено не совсем удачно, лучше зачистить наплывы металла для получения более монолитного и ровного шва

Выполнение основного шва – разжигание дуги. Обратите внимание, сначала включается поддув, и только потом дуга

Выполнение основного шва с неплавящимся электродом и использование присадки

Вид готового шва

Швы крупным планом

На детальных фото и видео швов, полученных с помощью аргонодуговой сварки хорошо видно, что они состоят из множества «нашлепок» круглой формы. Это связано с тем, что импульсы нагрева подаются с определенным интервалом. Соответственно, металл расплавляется в конкретной точке, образуя наплыв, потом в следующей и так далее.

Советы опытных сварщиков

1. Одна из первых рекомендаций – внимательно изучить всю информацию касательно режима нагрева, особенностей сплава, возможностей сварочного аппарата и нюансов блока деталей. Не лишним будет ознакомиться с примерами технологических (операционных) карт, составляемых на производстве для конкретных сварочных операций. При этом обязательно нормируются такие параметры, как: расход газа, режим сварочного тока, скорость подачи электрода (для автоматических аппаратов), толщина и материал свариваемых деталей.
   
2. Включать подачу аргона в зону необходимо на 20 секунд раньше, чем запускается розжиг, и выключать не ранее чем через 10 секунд после ее выключения.
3. Чтобы электрод и присадочная проволока не окислялись, они должны постоянно находиться в зоне газовой защиты.
4. Присадочную проволоку подают в зону плавления под углом и к электроду, и к сварочному шву. Это позволит получить более качественную и узкую полосу сварки.
5. Перемещать горелку по шву следует аккуратно, без поперечных резких движений – это делает шов неровным и излишне широким.
6. Чем меньше величина дуги, тем глубже и ровнее получится шов, но уменьшение дуги требует максимального приближения электрода и присадочной проволоки к сварочной ванне.
7. Завершать работу резким выключением дуги нельзя. Необходимо заваривать кратер с постепенным уменьшением силы тока (регулируется реостатом аппарата).
8. При работе с объемными или сложной формы деталями необходимо заранее предусмотреть возможность постепенного перехода сварщика от одного участка к другому и, соответственно, нужной длины шланга и в некоторых случаях использования мобильной платформы для сварочного аппарата и баллона с редуктором. В других случаях удобнее использование поворотного/подвижного стола с жестко закрепленным на нем свариваемым блоком.

Заключение

Работа с дуговой сваркой в аргонном защитном поле требует обязательной отработки навыков и предельного внимания. Крайне рекомендуется, помимо основных защитных средств, обеспечить также качественную вентиляцию помещения и защиту присутствующих при работе посторонних лиц от слепящего света сварки.