Защитные газы и их влияние на технологические свойства дуги
В качестве защитных газов при дуговой сварке плавлением ТИГ и МИГ/МАГ применяют инертные газы, активные газы и их смеси. Защитный газ выбирают с учетом способа сварки, свойств свариваемого металла, а также требований, предъявляемых к сварным швам.
Инертными называют газы, не способные к химическим реакциям и практически не растворимые в металлах. Поэтому их целесообразно применять при сварке химически активных металлов и сплавов на их основе (алюминий, алюминиевые и магниевые сплавы, легированные стали различных марок). При сварке ТИГ и МИГ/МАГ используются такие инертные газы как аргон (Ar), гелий (He) и их смеси.
Активными защитными газами называют газы, способные защищать зону сварки от доступа воздуха и вместе с тем химически реагирующие со свариваемым металлом или физически растворяющиеся в нем. При дуговой сварке сталей в качестве защитной среды применяют углекислый газ (СО2). Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму этот защитный газ используют только при сварке МИГ/МАГ.
К активным газам применяемым при МИГ/МАГ также относятся газовые смеси в состав которых входят аргон (Ar), кислород (О2), азот (N2), водород (H2). Готовые газовые смеси поставляются в баллонах, также они могут быть получены путем смешивания газов составляющих смесь.
Классификация способов сварки в защитных газах приведена на схеме ниже.
Свойства защитных газов
В таблице ниже приведены физические свойства защитных газов.
| Газ | Плотность кг/м3 | Теплоемкость, Дж/г oС | Теплопроводность, вт/м oС | Энергия диссоциации, эВ | Потенциал ионизации, В | Сечение столкновения, м2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ar | 1,783 | 0,524 | 0,19 | не диссоц. | 15,76 | 2,5∙10-20 |
| He | 0,178 | 5,242 | 1,66 | не диссоц. | 24,58 | 10∙10-20 |
| CO2 | 1,977 | 0,821 | 0,19 | 5,5 | 14,3 | 25∙10-20 |
| H2 | 0,090 | 14,246 | 2,36 | 4,48 | 15,4 | 130∙10-20 |
| O2 | 1,429 | 0,916 | – | 5,08 | 12,5 | 20∙10-20 |
| N2 | 1,251 | 1,039 | 0,29 | 7,37 | 15,5 | 20∙10-20 |
| Воздух | 1,293 | 1,006 | – | – | – | – |
Смеси защитных газов
Иногда является целесообразным употребление газовых смесей. За счет добавок активных газов к инертным удается повысить устойчивость дуги, увеличить глубину проплавления, улучшить формирование шва, уменьшить разбрызгивание, повысить плотность металла шва, улучшить перенос металла в дуге, повысить производительность сварки. Существенное значение при выборе состава защитного газа имеют экономические соображения.
Смесь аргона и гелия. Газовые смеси гелий-аргон применяются в основном для сварки цветных металлов: алюминий, медь, никелевых и магниевых сплавов, а также химически активных металлов. Оптимальным является соотношение 35 – 40% аргона и 60 – 65% гелия. Так в полной мере реализуются преимущества обоих газов: аргон обеспечивает стабильность дуги, гелий – высокую глубину проплавления.
Смеси аргона с кислородом или углекислым газом. Благодаря добавке окислительных газов обеспечивается существенное снижение поверхностного натяжения жидкого металла расплавляемой электродной проволоки, уменьшение размеров образующихся и отрывающихся от электрода капель. Расширяется диапазон токов при сохранении стабильного ведения процесса сварки. Обеспечивается лучшее формирование металла шва и меньшее разбрызгивание, лучшая форма провара и меньшее излучение дуги, по сравнению со сваркой в чистом аргоне, а также в чистом углекислом газе. При добавлении кислорода наблюдается снижение критического тока, при котором крупнокапельный перенос металла переходит в мелкокапельный.
В таблице ниже приводятся основные характеристики газовых смесей для сварки МИГ/МАГ.
| Толщина металла | Вид переноса | Рекомендуемый защитный газ | Достоинства |
|---|---|---|---|
| Углеродистые стали | |||
| До 2 мм. | С короткими замыканиями | Ar + СО2 Ar + СО2 + О2 | Легкое управление ванной при сварке во всех пространственных положениях. Хорошее проплавление. |
| 2 – 3 мм | Ar + (8…25)% СО2 Ar + He + СО2 | ||
| Более 3 мм | СО2 Ar + (15…25)% СО2 | ||
| Ar + 25% СО2 | Подходит для больших токов и высоких скоростей сварки | ||
| Ar + 50% СО2 | Применяется при сварке во всех пространственных положениях. Обеспечивает глубокое проплавление. Допускает высокие скорости сварки. | ||
| СО2 | Глубокое проплавление и высокая скорость сварки (однако, возможны прожоги). | ||
| Струйный | Ar + (1…8)% СО2 | Высокая стабильность дуги. Хорошее сплавление, внешний вид и форма шва. Легкое управление ванной. | |
| Более 2 мм | Импульсный | Ar + (2…8)% О2 Ar + (5…20)% СО2 | Стабильный управляемый мелкокапельный перенос. |
| Низко- и высоколегированные стали | |||
| До 2,5 мм | С короткими замыканиями | Ar + (8…20)% СО2 | Высокая стабильность дуги. Хорошее сплавление, внешний вид и форма шва. Легкое управление ванной. |
| Более 2,5 мм | Струйный | Ar + 2% О2 Ar + (5…10)% СО2 | Снижение вероятности подрезов. Глубокое проплавление и хорошие механические свойства шва. |
| Импульсный | Ar + 2% О2 Ar + 5% СО2 | Стабильный управляемый мелкокапельный перенос. | |
| Нержавеющая сталь, никель, никелевые сплавы | |||
| До 2 мм | С короткими замыканиями | Ar + (2…5)% СО2 | Легкое управление ванной. Предупреждает возникновения прожогов. |
| Более 2 мм | Ar + (2…5)% СО2 | Низкое содержание СО2 в смеси уменьшает науглероживание, которое может способствовать возникновению межкристаллитной коррозии в некоторых сплавах. Применяется для всех положений сварки. | |
| Струйный | Ar + (1…2)% О2 Ar + (2…5)% СО2 | Хорошая стабильность дуги. Низкая вероятность подрезов. | |
| Более 2 мм | Импульсный | Ar + (1…2)% О2 | Стабильный управляемый перенос в широком диапазоне режимов сварки. |
| Медь, медно-никелевые сплавы | |||
| До 3 мм | С короткими замыканиями | He + 10% Ar He + 25% Ar Ar + He | Хорошая стабильность дуги и легко управляемая сварочная ванна. |
| Более 3 мм | Струйный | He + Ar He или Ar | Высокое тепловложение. Сварка в чистом гелии применяется для больших толщин. |
| Импульсный | He или Ar | Стабильный управляемый мелкокапельный перенос. | |
| Алюминий | |||
| До 12 мм | Струйный, Импульсный | Ar | Стабильная дуга и перенос металла. Разбрызгивание незначительное или отсутствует. |
| Более 12 мм | He + (20…50)% Ar Ar + He | Высокое тепловложение. Хорошее проплавление. Минимальная пористость. | |
| Магний, титан и другие, химически активные металлы | |||
| Весь диапазон толщин | Струйный | Ar | Обеспечивается более стабильная дуга, чем в смесях, где преобладает гелий |
| Ar + (20…70)% He | Более высокое тепловложение и сниженная вероятность возникновения пористости. |
Активные газы
Углекислый газ (двуокись углерода) – бесцветен, не ядовит, тяжелее воздуха. При нормальных условиях (760 мм рт. ст. и 0°С) плотность углекислого газа в 1,5 раза выше плотности воздуха. Углекислый газ хорошо растворяется в воде. Жидкая углекислота – бесцветная жидкость, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Вследствие этого она поставляется по массе, а не по объему. При испарении 1 кг жидкой углекислоты в нормальных условиях образуется 509 л углекислого газа.
Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. Однако при концентрациях более 5% (92 г/м3) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека. Так как двуокись углерода в 1,5 раз тяжелее воздуха она может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать удушье. Помещения, где производится сварка с использованием двуокиси углерода, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией.
Основными примесями углекислого газа, отрицательно влияющими на процесс сварки и свойства швов, являются воздух (азот воздуха) и вода. Воздух скапливается над жидкой углекислотой в верхней части баллона, а вода – под углекислотой в нижней части баллона. Повышенное содержание воздуха и водяных паров в углекислоте может при сварке привести к образованию пор в швах, которые чаще всего появляются в начале и конце отбора газа из баллона. Чтобы снизить содержание влаги в поступающем на сварку углекислом газе до безопасного уровня, на его пути устанавливают осушитель. Для улавливания влаги осушитель заполнен хлористым кальцием, силикагелем или другими поглотителями влаги.
При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой углекислоты газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого рекомендуется подогревать выходящий из баллона углекислый газ. Для этого используют электрические подогреватели газа, которые устанавливаются перед редуктором.
Углекислый газ оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие. Из легирующих элементов ванны наиболее сильно окисляются алюминий, титан и цирконий, менее интенсивно – кремний, марганец, хром, ванадий и др.
Кислород – это бесцветный нетоксичный газ без запаха. Является сильным окислителем. Накопление кислорода в воздухе помещений создает опасность возникновения пожаров. Поэтому объемная доля кислорода в рабочих помещениях не должна превышать 23 %. В зависимости от содержания кислорода и примесей технический газообразный кислород изготовляют трех сортов. Содержание кислорода в первом сорте должно быть не менее 99,7 об. %, во втором – не менее 99,5 об. % и в третьем – не менее 99,2 об. %.
В сварочном производстве кислород широко применяют для газовой сварки и резки, а также при дуговой сварке как составную часть защитной газовой смеси. Кислород уменьшает поверхностное натяжение металла, и поэтому с увеличением его содержания в смеси на основе аргона критический ток (перехода крупнокапельного переноса в мелкокапельный, см. Сварка плавящимся металлическим электродом в защитных газах (МIG/МАG)) уменьшается. Обычно содержание кислорода в смеси с аргоном не превышает 2-5%. В такой среде дуга горит стабильно. Перенос металла мелкокапельный с минимальным разбрызгиванием.
Азот – бесцветный газ, без запаха, не горит и не поддерживает горение. В сварочном производстве азот находит ограниченное применение. Азот не растворяется в расплавленной меди и не взаимодействует с ней, и поэтому может быть использован при сварке меди в качестве защитного газа. По отношению к большинству других металлов азот является активным газом, часто вредным, и его концентрацию в зоне плавления стремятся ограничить. Азот также применяется при плазменной резке и как компонент газовой смеси при сварке аустенитной нержавеющей стали.
Водород – не имеет цвета, запаха и является горючим газом. Водород редко используют в в качестве защитного газа. Так как смеси водорода с воздухом или кислородом взрывоопасны, при работе с ним необходимо соблюдать правила пожарной безопасности и специальные правила техники безопасности. При работе с водородом необходимо следить за герметичностью всех соединений, т.к. он образовывает с воздухом взрывчатые смеси в широких пределах.
