Сущность аргонодуговой сварки состоит в том, что сварочная ванна защищается от воздействия азота и кислорода воздуха инертным газом аргоном, не вступающим ни в какие реакции с расплавленным металлом сварочной ванны (вместо аргона может применяться и гелий). Схема горения сварочной дуги в инертных газах представлена на рис. 46. Аргонодуговая сварка подразделяется на ручную, механизированную и автоматическую. Сварка в аргоне и гелии выполняется как плавящимся, так и неплавящимся (вольфрамовым) электродом.
Аргонодуговую сварку применяют для соединения легированных сталей, цветных металлов и их сплавов, ее выполняют постоянным (рис. 47) и переменным (рис. 48) током плавящимся и неплавящимся электродами. Упрощенная схема поста механизированной сварки приведена на рис. 49.





Ручная аргонодуговая сварка выполняется следующим образом: в специальную сварочную горелку подводится инертный газ и сварочный ток, другая фаза сварочного тока подсоединяется к изделию. В этой горелке установлен вольфрамовый электрод, который в процессе сварки не плавится. Дуга горит между вольфрамовым электродом и изделием, а присадочная проволока подается в зону сварочной дуги. При ручной аргонодуговой сварке конец вольфрамового электрода затачивают на конус. Длина заточки, как правило, должна быть равна двум-трем диаметрам электрода.
Дуга зажигается на специальной угольной пластине. Зажигание дуги на основном металле не рекомендуется из-за загрязнения и оплавления конца электрода. Для возбуждения дуги можно применить источник питания с повышенным напряжением холостого хода или дополнительный источник питания с высоким напряжением (осциллятор), так как потенциал возбуждения и ионизации инертных газов значительно выше, чем кислорода, азота или паров металлов. Дуговой разряд инертных газов отличается высокой стабильностью.
Характерной особенностью аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом при использовании переменного тока является возникновение в сварочной цепи составляющей постоянного тока, величина которой может достигать 50% от величины эффективного значения переменного тока сварочной цепи. Выпрямление тока зависит от размеров и формы вольфрамового электрода, материала изделия и режимов сварки (величины тока, скорости сварки и длины дуги).
При чрезмерной величине составляющей постоянного тока нарушается стабильность горения дуги, резко ухудшается качество поверхности наплавляемого металла, появляются подрезы, чешуйчатость и снижается прочность сварных соединений и пластичность металла шва. Особенно отрицательно появление в сварочной цепи составляющей постоянного тока сказывается на процессе сварки и качестве сварных соединений из алюминия и его сплавов. Устранение составляющей постоянного тока в сварочной цепи переменного тока является первостепенным условием для получения качественных сварных соединений.
Гелиедуговая сварка аналогична аргонодуговой и поэтому отдельно не рассматривается.
В отличие от ручной дуговой сварки качественными электродами, где необходимо давать три движения электроду (вдоль оси электрода, поперек шва и вдоль оси будущего шва), при ручной аргонодуговой сварке следует давать только одно движение - вдоль оси будущего шва (это правило относится и к механизированным способам сварки). Два других движения не используются при ручной аргонодуговой сварке по следующим причинам: движение вниз по оси электрода исключено потому, что при аргонодуговой сварке электрод не плавится; движение поперек шва не выполняется, чтобы не нарушать защиту расплавленного металла аргоном.
Вследствие исключения колебательного движения электрода поперек шва сварные швы при ручной аргонодуговой сварке образуются значительно уже, чем при ручной дуговой сварке качественными электродами.
После прихватки стык освобождается от приспособления и выполняется первый слой шва с применением присадочной проволоки, марка которой устанавливается либо технологическим процессом, либо техническими условиями. Дуга зажигается не на изделии, а на угольной пластине, гасить дугу лучше дистанционно.
С целью исключения насыщения металла шва кислородом или азотом воздуха конец расплавляемой сварочной проволоки и нагретый конец вольфрамового электрода должны всегда находиться в зоне защитного газа. Для исключения разбрызгивания расплавленного металла конец проволоки необходимо подавать в жидкую ванну плавно. При наложении корневого слоя шва необходимо тщательно следить за полным проплавлением кромок и отсутствием непровара. Степень проплавления можно определить по форме ванны расплавленного металла: хорошему проплавлению соответствует ванна, вытянутая в сторону направления сварки, а недостаточному проплавлению – круглая или овальная. При выполнении сварочных работ вне цеховых условий необходимо стремиться к защите места сварки от атмосферных осадков и ветра.
В институте электросварки им. Е.О. Патона разработан способ сварки плавящимся подогреваемым электродом (рис. 50). Сущность этого способа состоит в том, что сварка осуществляется электродной проволокой, которая подогревается в горелке до 800-1200°С (подогрев осуществляется от отдельного низковольтного трансформатора). Сварочными материалами могут служить обычно применяемые проволоки и защитные газы. Этим способом сварки сваривают стыковые и угловые соединения (при толщине металла до 12 мм не требуется разделка кромок). Сварка ведется на медной подкладке с формирующей канавкой проволоками диаметром 2-5 мм, со струйным переносом электродного металла короткой дугой с обязательным зазором 3-4 мм. Механические свойства сварных соединений такие же, как и при сварке без подогрева проволоки. Можно применять подогрев проволоки и при наплавочных работах.


Разработанный процесс сварки характеризуется высокой стабильностью, меньшим разбрызгиванием, снижением сварочного тока до 30%, повышением производительности сварки в 1,5-2 раза по сравнению с обычной аргонодуговой сваркой. Этот способ сварки плавящимся подогреваемым электродом может применяться в различных отраслях машиностроения с целью повышения производительности и улучшения качества сварочных работ.
Гелий и аргон являются инертными газами и не образуют с другими элементами химических соединений, за исключением некоторых гидридов, устойчивых только в узких пределах температуры и давления. Эти газы в большинстве металлов практически нерастворимы. В промышленности гелий получают из природных газов, природный газ предварительно очищают от окиси и двуокиси углерода, подвергают сушке и сжижают. Метан и другие углеводороды отделяются в абсорберах с активированным углем.
От азота газ очищают глубоким холодом в теплообменнике. Чистый гелий, применяемый для сварки, может содержать в своем составе весьма незначительное количество примесей в виде азота, водорода, кислорода и влаги. Гелий в 10 раз легче аргона, поэтому и расход его при сварке на 30-40% больше, чем аргона. При сварке в гелии выделяется теплоты больше, чем при сварке в аргоне (при одинаковом токе). Напряжение дуги в гелии в 1,5-2 раза выше, чем в аргоне.
Аргон получают из воздуха ректификацией, температура кипения аргона (-186°С) несколько ниже, чем кислорода (-183°С), и выше, чем азота (-196°С), поэтому в ректификационных колоннах происходит избирательное испарение отдельных газов. Дальнейшим глубоким охлаждением и фракционной перегонкой этой смеси увеличивают концентрацию аргона до необходимой величины. От остатков аргон очищают беспламенным сжиганием водорода в «сыром» аргоне в присутствии катализатора.
Аргон несколько тяжелее воздуха, поэтому струя его хорошо очищает дугу и зону сварки. Дуга в аргоне отличается высокой стабильностью.
Аргоногелиевая смесь обеспечивает высокую стабильность дуги и ее высокую тепловую мощность. При сварке алюминия в этой смеси швы получаются значительно плотнее, чем в аргоне.
Аргонокислородная смесь понижает критический ток, при котором капельный перенос металла переходит в струйный, а также способствует получению более плотного наплавленного металла, улучшает сплавление, уменьшает подрезы и увеличивает производительность, при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей плавящимся электродом.
Аргоноводородная смесь увеличивает напряжение дуги, повышает ее тепловую мощность и способствует получению более чистого наплавленного металла.
Смесь аргона с углекислым газом при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей способствует устранению пористости в швах, повышает стабильность горения дуги и улучшает формирование шва при сварке тонколистовых сталей.
Смесь аргона с азотом применяют при сварке меди и некоторых ее сплавов плавящимся электродом.
Азотно-дуговая сварка. Этот вид сварки применяется для соединения меди, так как азот является по отношению к меди инертным газом. Азот получают ректификацией воздуха на кислородных установках. Хранят и транспортируют азот в стальных баллонах черного цвета с желтой кольцевой полосой при давлении 150 атм (15 МПа). При азотно-дуговой сварке в качестве электродов применяют угольные или графитные стержни. Вольфрамовые электроды при использовании азота применять нецелесообразно, так как образующиеся на их поверхности нитриды вольфрама легкоплавки, вследствие чего расход вольфрама резко возрастает. При азотно-дуговой сварке угольным электродом напряжение сварочной дуги должно быть в пределах 22-30 В. Процесс сварки ведут постоянным током на прямой полярности. Установка для сварки в азоте аналогична установке для сварки в аргоне, только горелка должна иметь специальные сменные наконечники для закрепления угольных стержней. Освоена также азотно-дуговая сварка меди плавящимся электродом.
Атомно-водородная сварка. Сварка представляет собой электрохимический вариант сварки плавлением. Процесс происходит за счет теплоты электрической дуги и рекомбинации водорода, предварительно диссоциированного вблизи столба независимой дуги между двумя вольфрамовыми электродами. По степени концентрации теплоты атомно-водородная сварка занимает промежуточное положение между ацетилено-кислородной сваркой и сваркой вольфрамовым электродом в среде инертных газов. Химическая активность молекулярного и особенно диссоциированного водорода создает активную защиту расплавленного металла от вредного воздействия атмосферного воздуха. Атомно-водородной сваркой нельзя сваривать латунь по причине интенсивного испарения цинка, медь вследствие высокой склонности ее к насыщению водородом, а также титан, его сплавы и ряд редких элементов (Zr, Ne, Та) из-за их химической активности в отношении водорода. Хорошо свариваются атомно-водородной сваркой низкоуглеродистые и легированные стали и чугун.
Сварочный режим определяется двумя параметрами: величиной тока и напряжением.
В зависимости от расхода газа, мощности дуги, расстояния между электродами дуга может быть спокойной или звенящей. Спокойной дуге соответствует меньшая мощность, звенящая дуга характеризуется большим расходом газа, большим расстоянием между электродами, большей мощностью, чем спокойная, и издает резкий звук.
Применение атомно-водородной сварки в настоящее время в промышленности ограничено, что объясняется следующим: источники питания должны иметь весьма высокое напряжение холостого хода 250-300 В, что опасно для жизни человека; процесс трудно поддается механизации; относительно низкая производительность сварки металла средних и больших толщин; развитие весьма эффективных и производительных способов сварки - аргонодуговой сварки, сварки под флюсом, ручной дуговой сварки качественными электродами и др.