История появления сварки в среде защитных газов

В 1802 году впервые в мире профессор физики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии В.В.Петров (1761-1834гг.) открыл электрическую дугу и описал явления, происходящие в ней, а также указал на возможность её практического применения. В 1881 году русский изобретатель Н.Н.Бенардос (1842-1905гг.) применил электрическую дугу для соединения и разъединения стали. Дуга Н.Н. Бенардоса горела между угольным электродом и свариваемым металлом. Присадочным прутком для образования шва служила стальная проволока. В качестве источника электрической энергии использовались аккумуляторные батареи. Сварка, предложенная Н.Н. Бенардосом, применялась в России в мастерских Риго-Орловской железной дороги при ремонте подвижного состава. Н.Н. Бенардосом были открыты и другие виды сварки: контактная точечная сварка, дуговая сварка несколькими электродами в защитном газе, а также механизированная подача электрода в дугу.

При высокой температуре углекислый газ разлагается на окись углерода и кислород. В целом такая среда является окислительной по отношению к большинству компонентов металлов. Поэтому углекислый газ, защищая расплавленный металл от взаимодействия с воздухом, не может исключить окисление его компонентов.

Сведение к минимуму влияния окислительных свойств газовой фазы на состав металла шва и его формирование является основной задачей, решение которой позволило осуществить промышленное применение данного способа сварки. Первоначально эта задача решалась путем применения угольного неплавящегося электрода для сварки низкоуглеродистых сталей. Как показали исследования, проведенные в ИЭС им. Е.О. Патона, при сварке низкоуглеродистой стали на постоянном токе прямой полярности происходит незначительное выгорание углерода, что обеспечивает близость химического состава и свойств металла шва к полученному аргонно-дуговой сваркой. Это и ряд других сварочно-технологических характеристик позволили очертить первоначальную область применения этого способа сварки: тонкостенные изделия или трубы малого диаметра. В основном применялась сварка с отбортовкой кромок или стыковых швов. Во всех этих случаях сварка тонкого металла угольной дугой обеспечивала удовлетворительное формирование шва в любом пространственном положении, так как объем жидкой ванны мал. Изучение металлургических процессов позволило распространить сварку угольным электродом в углекислом газе на нержавеющие стали и комбинированные соединения (низкоуглеродистая сталь + высоколегированный сплав).

Применение плавящихся электродов для сварки в углекислом газе сдерживалось тем, что наличие окислительной атмосферы приводило к выгоранию углерода и легирующих компонентов из металла, а также к появлению пор в шве. Также такой процесс сопровождался повышенным разбрызгиванием металла. Таким образом, для предотвращения указанных выше недостатков необходимо было подавить окислительный потенциал газовой фазы. Это было достигнуто путем применения проволоки, легированной марганцем и кремнием, которые являются хорошими раскислителями. Введение дополнительного количества раскислителей в зону дуги подавляет окисление углерода и выгорание других элементов из металла, что устраняет образование пор и обеспечивает получение швов с достаточно высокими механическими свойствами. Сотрудниками ЦНИИТМАШ в середине 50-х гг. ХХ в. были разработаны технологические рекомендации по сварке в углекислом газе проволоками диаметром 1,6-2,5 мм углеродистых, нержавеющих и ряда конструкционных сталей.

Новый способ сварки обеспечивал более высокую производительность по сравнению с ручной дуговой сваркой, но мог быть использован только для выполнения швов в нижнем положении металла средних и больших толщин. В это же время в Институте электросварки при непосредственном участии Б.Е. Патона был разработан процесс сварки в СО₂ тонкой проволокой диаметром 0,5-1,2 мм, протекающий с принудительными короткими замыканиями. По своей физической природе данный процесс является импульсно-дуговым. Данный вариант сварки применяется для соединения углеродистых и нержавеющих сталей малых толщин, выполнения швов, расположенных в вертикальном, горизонтальном и потолочном положении. Для реализации этих способов разработана специальная аппаратура для автоматической и полуавтоматической сварки. Полуавтоматическая сварка в СО₂ отличается большой маневренностью, простотой поддержания стабильного режима и техники выполнения швов.

В то же время при использовании серийной проволоки Св-08Г2С процесс сварки сопровождался разбрызгиванием до 15%. Исследованиями российских ученых установлено, что потери на разбрызгивание существенно зависят от соотношения между напряжением и током сварки, чистоты поверхности проволоки, магнитного дутья, динамических свойств источника питания, техники выполнения сварки и квалификации сварщика. Одним из путей уменьшения разбрызгивания при сварке в углекислом газе является введение в дугу ряда веществ: солей щелочных и щелочноземельных металлов, оксидов титана, легирующих элементов. Наиболее широкое распространение получил способ введения различных веществ в дугу при сварке в углекислом газе за счет использования порошковой проволоки. Основу шихты порошковых проволок, используемых для сварки в СО₂, составляют шлакообразующие, раскислители и легирующие. Наиболее широкое применение нашли рутиловые и рутил-флюоритные порошковые проволоки

Технология сварки в углекислом газе была создана в СССР еще в середине двадцатого века. Впоследствии она получила широкое распространение в промышленности, в строительстве, а также в быту, благодаря низкой себестоимости углекислого газа, универсальности, и высокой производительности Принцип действия этого метода таков: в сварочную зону поступает углекислый газ, распадаясь под воздействием высоких температур на составляющие — кислород (О2) и угарный газ (СО) Таким образом, в сварочной зоне присутствуют сразу три газа: углекислый, угарный и кислород. Данная комбинация защищает металл от нежелательного воздействия со стороны находящегося в атмосфере воздуха, но и вступает в активное взаимодействие с углеродом и железом, содержащимися в стали. С целью нейтрализации углекислого газа применяется особая сварочная проволока, содержащая марганец и кремний. Они активнее железа, и вступают в реакцию окисления первыми, не допуская окисления углерода и железа. Марганец и кремний вносятся в соотношении 1.5 к 2, образуя в процессе сварки легкоплавкое соединение и выводясь в виде шлака на поверхность