Аргон

Захисні гази та їх вплив на технологічні властивості дуги

Як захисні гази при дуговому зварюванні плавленням ТІГ і МІГ/МАГ застосовують інертні гази, активні гази та їх суміші. Захисний газ вибирають з урахуванням способу зварювання, властивостей металу, що зварюється, а також вимог, що пред'являються до зварних швів.

Інертними називають гази, що не здатні до хімічних реакцій і практично не розчиняються в металах. Тому їх доцільно застосовувати при зварюванні хімічно активних металів та сплавів на їх основі (алюміній, алюмінієві та магнієві сплави, леговані сталі різних марок). При зварюванні ТІГ та МІГ/МАГ використовуються такі інертні гази як аргон (Ar), гелій (He) та їх суміші.

Активними захисними газами називають гази, здатні захищати зону зварювання від доступу повітря і разом з тим хімічно реагують з металом, що зварюється або фізично розчиняються в ньому. При дуговому зварюванні сталей як захисне середовище застосовують вуглекислий газ (СО₂). Зважаючи на хімічну активність вуглекислого газу по відношенню до вольфраму, цей захисний газ використовують тільки при зварюванні МІГ/МАГ.

До активних газів, що застосовуються при МІГ/МАГ також відносяться газові суміші до складу яких входять аргон (Ar), кисень (О₂), азот (N₂), водень (H₂). Готові газові суміші поставляються в балонах, також вони можуть бути отримані шляхом змішування складових газів суміш.

Класифікацію способів зварювання в захисних газах наведено на схемі нижче.

Властивості захисних газів

У таблиці нижче наведено фізичні властивості захисних газів.

Суміші захисних газів

Іноді є доцільним використання газових сумішей.За рахунок добавок активних газів до інертних вдається підвищити стійкість дуги, збільшити глибину проплавлення, покращити формування шва, зменшити розбризкування, підвищити щільність металу шва, покращити перенесення металу в дузі, підвищити продуктивність зварювання. Істотне значення під час виборів складу захисного газу мають економічні міркування.

Суміш аргону та гелію. Газові суміші гелій-аргон застосовуються в основному для зварювання кольорових металів: алюміній, мідь, нікелевих та магнієвих сплавів, а також хімічно активних металів. Оптимальним є співвідношення 35 – 40% аргону та 60 – 65% гелію. Так повною мірою реалізуються переваги обох газів: аргон забезпечує стабільність дуги, гелій – високу глибину проплавлення.

Суміші аргону з киснем чи вуглекислим газом. Завдяки добавці окисних газів забезпечується істотне зниження поверхневого натягу рідкого металу розплавлюваного електродного дроту, зменшення розмірів крапель, що утворюються і відриваються від електрода. Розширюється діапазон струмів за збереження стабільного ведення процесу зварювання. Забезпечується краще формування металу шва і менше розбризкування, краща форма провару і менше випромінювання дуги, порівняно зі зварюванням у чистому аргоні, а також у чистому вуглекислому газі. При додаванні кисню спостерігається зниження критичного струму, при якому великокрапельне перенесення металу переходить у дрібнокрапельне.

У таблиці нижче наведено основні характеристики газових сумішей для зварювання МІГ/МАГ.

Активні гази

Вуглекислий газ (двоокис вуглецю) - безбарвний, не отруйний, важчий за повітря.За нормальних умов (760 мм рт. ст. і 0°С) щільність вуглекислого газу в 1,5 рази вища за щільність повітря. Вуглекислий газ добре розчиняється у воді. Рідка вуглекислота – безбарвна рідина, густина якої сильно змінюється зі зміною температури. Внаслідок цього вона поставляється за масою, а не за обсягом. При випаровуванні 1 кг рідкої вуглекислоти у нормальних умовах утворюється 509 л вуглекислого газу.

Двоокис вуглецю нетоксичний і невибухонебезпечний. Однак при концентраціях більше 5% (92 г/м3) двоокис вуглецю шкідливо впливає на здоров'я людини. Так як двоокис вуглецю в 1,5 разів важчий за повітря вона може накопичуватися в приміщеннях, що слабо провітрюються, у підлоги. При цьому знижується об'ємна частка кисню в повітрі, що може спричинити ядуху. Приміщення, де проводиться зварювання з використанням двоокису вуглецю, повинні бути обладнані загальнообмінною припливно-витяжною вентиляцією.

Основними домішками вуглекислого газу, що негативно впливають на процес зварювання та властивості швів, є повітря (азот повітря) та вода. Повітря накопичується над рідкою вуглекислотою у верхній частині балона, а вода – під вуглекислотою у нижній частині балона. Підвищений вміст повітря та водяної пари у вуглекислоті може при зварюванні призвести до утворення пор у швах, які найчастіше з'являються на початку та в кінці відбору газу з балона. Щоб знизити вміст вологи в вуглекислому газі, що надходить на зварювання, до безпечного рівня, на його шляху встановлюють осушувач. Для уловлювання вологи осушувач заповнений хлористим кальцієм, силікагелем чи іншими поглиначами вологи.

При випуску газу з балона внаслідок ефекту дроселювання та поглинання теплоти при випаровуванні рідкої вуглекислоти газ значно охолоджується.При інтенсивному відборі газу можлива закупорка редуктора замерзлої вологою, що міститься у вуглекислоті, а також сухим льодом. Щоб уникнути цього рекомендується підігрівати вуглекислий газ, що виходить з балона. Для цього використовують електричні обігрівачі газу, які встановлюються перед редуктором.

Вуглекислий газ чинить на метал зварювальної ванни окислювальну, а також дію, що вуглецеві. З легуючих елементів ванни найбільше сильно окислюються алюміній, титан і цирконій, менш інтенсивно – кремній, марганець, хром, ванадій та ін.

Кисень – це безбарвний нетоксичний газ без запаху. Є сильним окислювачем. Накопичення кисню у повітрі приміщень створює небезпеку виникнення пожеж. Тому об'ємна частка кисню у робочих приміщеннях має перевищувати 23 %. Залежно від вмісту кисню та домішок технічний газоподібний кисень виготовляють трьох сортів. Вміст кисню у першому сорті має бути не менше 99,7 об. %, у другому – щонайменше 99,5 про. % і третьому – щонайменше 99,2 про. %.

У зварювальному виробництві кисень широко застосовують для газового зварювання та різання, а також при дуговому зварюванні як складову частину захисної газової суміші. Кисень зменшує поверхневий натяг металу, і тому зі збільшенням його вмісту в суміші на основі аргону критичний струм (переходу великокапяльного переносу в дрібнокрапельний, див. Зварювання металевим електродом, що плавиться, в захисних газах (МIG/МАG)) зменшується. Зазвичай вміст кисню у суміші з аргоном не перевищує 2-5%. У такому середовищі дуга світиться стабільно. Перенесення металу дрібнокрапельне з мінімальним розбризкуванням.

Азот – безбарвний газ, без запаху, не горить і підтримує горіння. У зварювальному виробництві азот знаходить обмежене застосування.Азот не розчиняється в розплавленій міді та не взаємодіє з нею, і тому може бути використаний при зварюванні міді як захисний газ. Відносно більшості інших металів азот є активним газом, часто шкідливим, і його концентрацію в зоні плавлення прагнуть обмежити. Азот також застосовується при плазмовому різанні та як компонент газової суміші при зварюванні аустенітної нержавіючої сталі.

Водень не має кольору, запаху і є горючим газом. Водень рідко використовують як захисний газ. Оскільки суміші водню з повітрям або киснем вибухонебезпечні, при роботі з ним необхідно дотримуватись правил пожежної безпеки та спеціальних правил техніки безпеки. Працюючи з воднем необхідно стежити за герметичністю всіх сполук, т.к. він утворює з повітрям вибухові суміші у межах.

Який захисний газ необхідний при зварюванні ТIG, а який – при зварюванні MIG/MAG?

Як можна зрозуміти із самої назви методу, для зварювання TIG зазвичай використовують інертні гази. Захисні гази нормовані у стандарті EN 439. Відповідно до цього стандарту вони мають позначення l1, l2 та l3.
Найчастіше при зварюванні TIG як захисний газ застосовується аргон (l1). Ступінь його чистоти має становити мінімум 99,95%. Для металів, що мають дуже хорошу теплопровідність, таких як алюміній або мідь, використовують гелій (l2). При використанні гелію як захисний газ зварювальна дуга має більш високу температуру. Але в першу чергу забезпечується більш рівномірний розподіл тепла між ядром і краєм зварювальної дуги. При зварюванні ТIG чистий гелій використовується рідко і лише у виняткових випадках. Замість нього останніми роками все частіше застосовуються суміші аргону та гелію (l3) із вмістом гелію 25, 50 або 75 %.Завдяки цьому вдається знизити температуру попереднього нагріву, наприклад, товстих алюмінієвих структур для досягнення достатнього провару. Більше того, можна підвищити швидкість зварювання. При зварюванні ТIG нержавіючих хромонікелевих сталей для цієї мети також застосовують суміші аргону з воднем (R1), проте для запобігання утворенню пір вміст водню не повинен перевищувати 5 %.
Витрата захисного газу залежить від діаметра газового сопла та навколишнього повітряного потоку. Орієнтовним значенням для аргону є об'ємна витрата 5-10 л/хв. При вітрі або протягу (Рис. 4) за певних умов витрата має бути більшою. При використанні сумішей аргону та гелію через невелику щільність гелію необхідно встановити більше значення витрати.

Захисний газ для зварювання MIG/MAG

Перелік захисних газів для зварювання MIG/MAG наведено у стандарті EN 439. У цьому стандарті визначено вимоги до всіх захисних газів для дугового зварювання та різання. Захисні гази поділяються на сім груп та кілька підгруп.

Огляд груп захисних газів

Група R

До групи R входять суміші аргону з воднем, які мають дію, що розкислює. Поряд з аргоном та гелієм гази групи R1 використовуються при зварюванні ТIG та плазмовому зварюванні, а гази підгрупи 2 з високим вмістом водню (H) застосовуються для плазмового різання та захисту кореня шва (формувальні гази).

Група I

До групи I входять інертні гази. Це аргон (Ar) та гелій (He), а також суміші аргону та гелію. Вони використовуються для зварювання ТIG, MIG та плазмового зварювання, а також для захисту кореня шва.

Група M

До групи M, до якої входять групи M1, M2 та M3, відносять газові суміші для зварювання MAG. Кожна з цих груп має 3 чи 4 підгрупи.Гази розділені на категорії від M1.1 до M3.3 за окислювальними властивостями, тобто гази M1.1 є слабо окислюючими, а гази M3.3 мають найбільш сильні окислювальні властивості. Головним компонентом всіх цих газів є аргон, до активних компонентів додаються кисень (O) або діоксид вуглецю (CO2) або кисень разом з діоксидом вуглецю (трикомпонентні гази).

Група C

Серед газів для зварювання MAG до групи C входять чистий діоксид вуглецю та суміш діоксиду вуглецю та кисню. Остання, проте, не застосовується у Німеччині. Гази групи C мають найбільш сильні окислювальні властивості, так як CO2 при високих температурах зварювальної дуги розпадається. При цьому, крім оксиду вуглецю, виділяється велика кількість кисню.

Група F

До групи F входять азот (N) та суміш азоту з воднем. Обидва газу можна використовувати для плазмового різання та формування.

Склад газу впливає як на окислювальні властивості, а й у електричні і фізичні параметри у сфері зварювальної дуги і, отже, характеристики зварювання. Наприклад, при додаванні гелію до аргону покращується теплопровідність і вміст атмосфери зварювальної дуги. Завдяки цьому зварювальна дуга потужніша, що сприяє кращому провару. Домішування активних компонентів до газових сумішей, крім іншого, веде до утворення дрібніших крапель при плавленні дротяних електродів. Також покращується теплопередача у зварювальній дузі. Це також дозволяє досягти якіснішого провару.
Необхідна витрата захисного газу розраховується за допомогою емпіричного правила: витрата повинна становити 10-12 діаметрів дроту в літрах за хвилину.
При зварюванні MIG алюмінію через високу окислюваність матеріалу значення витрати повинні трохи перевищувати стандартні, а для газових сумішей аргону з гелієм через невелику щільність гелію значення витрати повинні бути набагато вищими. витрати можна подивитися на манометрі, вивіреному з витратомірним соплом, або на витратомір з поплавковим покажчиком.

Компоненти в об'ємних відсотках (% об.)

Який захисний газ необхідний при зварюванні ТIG, а який – при зварюванні MIG/MAG?

Як можна зрозуміти з самої назви методу, для зварювання TIG зазвичай використовують інертні гази.
Найчастіше при зварюванні TIG в якості захисного газу застосовується аргон (l1). Ступінь його чистоти має становити мінімум 99,95 %. Як захисний газ зварювальна дуга має більш високу температуру. Але, в першу чергу, забезпечується більш рівномірний розподіл тепла між ядром і краєм зварювальної дуги. При зварюванні ТIG чистий гелій використовується рідко і тільки у виняткових випадках. нагрівання, наприклад, товстих алюмінієвих структур, для досягнення достатнього провару. того, можна підвищити швидкість зварювання.При зварюванні ТIG нержавіючих хромонікелевих сталей для цієї мети також застосовують суміші аргону з воднем (R1), проте для запобігання утворенню пір вміст водню не повинен перевищувати 5 %.
Витрата захисного газу залежить від діаметра газового сопла та навколишнього повітряного потоку. Орієнтовним значенням для аргону є об'ємна витрата 5-10 л/хв. При вітрі або протягу (Рис. 4) за певних умов витрата має бути більшою. При використанні сумішей аргону та гелію через невелику щільність гелію необхідно встановити більше значення витрати.

Захисний газ для зварювання MIG/MAG

Перелік захисних газів для зварювання MIG/MAG наведено у стандарті EN 439. У цьому стандарті визначено вимоги до всіх захисних газів для дугового зварювання та різання. Захисні гази поділяються на сім груп та кілька підгруп.

Огляд груп захисних газів

Група R

До групи R входять суміші аргону з воднем, які мають дію, що розкислює. Поряд з аргоном та гелієм гази групи R1 використовуються при зварюванні ТIG та плазмовому зварюванні, а гази підгрупи 2 з високим вмістом водню (H) застосовуються для плазмового різання та захисту кореня шва (формувальні гази).

Група I

До групи I входять інертні гази. Це аргон (Ar) та гелій (He), а також суміші аргону та гелію. Вони використовуються для зварювання ТIG, MIG та плазмового зварювання, а також для захисту кореня шва.

Група M

До групи M, до якої входять групи M1, M2 та M3, відносять газові суміші для зварювання MAG. Кожна з цих груп має 3 чи 4 підгрупи. Гази розділені на категорії від M1.1 до M3.3 за окислювальними властивостями, тобто гази M1.1 є слабо окислюючими, а гази M3.3 мають найбільш сильні окислювальні властивості.Головним компонентом всіх цих газів є аргон, до активних компонентів додаються кисень (O) або діоксид вуглецю (CO2) або кисень разом з діоксидом вуглецю (трикомпонентні гази).

Група C

Серед газів для зварювання MAG до групи C входять чистий діоксид вуглецю та суміш діоксиду вуглецю та кисню. Остання, проте, не застосовується у Німеччині. Гази групи C мають найбільш сильні окислювальні властивості, так як CO2 при високих температурах зварювальної дуги розпадається. При цьому, крім оксиду вуглецю, виділяється велика кількість кисню.

Група F

До групи F входять азот (N) та суміш азоту з воднем. Обидва газу можна використовувати для плазмового різання та формування.

Склад газу впливає як на окислювальні властивості, а й у електричні і фізичні параметри у сфері зварювальної дуги і, отже, характеристики зварювання. Наприклад, при додаванні гелію до аргону покращується теплопровідність і вміст атмосфери зварювальної дуги. Завдяки цьому зварювальна дуга потужніша, що сприяє кращому провару. Домішування активних компонентів до газових сумішей, крім іншого, веде до утворення дрібніших крапель при плавленні дротяних електродів. Також покращується теплопередача у зварювальній дузі. Це також дозволяє досягти якіснішого провару.
Необхідна витрата захисного газу розраховується за допомогою емпіричного правила: витрата повинна становити 10-12 діаметрів дроту в літрах за хвилину.
При зварюванні MIG алюмінію через високу окислюваність матеріалу значення витрати повинні трохи перевищувати стандартні, а для газових сумішей аргону з гелієм через невелику щільність гелію значення витрати повинні бути набагато вищими. Спочатку знижується тиск газу, що надходить з балона або кільцевого трубопроводу. Заданий рівень витрати можна подивитися на манометрі, вивіреному з витратомірним соплом, або на витратомірі з покажчиком поплавця.

Компоненти в об'ємних відсотках (% об.)