Полуавтоматическая сварка

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.

ГазПлотность

кг/м3

Теплоемкость, Дж/г oСТеплопроводность, вт/м oСЭнергия диссоциации, эВПотенциал ионизации, ВСечение столкновения, м2
Ar1,7830,5240,19не диссоц.15,762,5∙10-20
He0,1785,2421,66не диссоц.24,5810∙10-20
CO21,9770,8210,195,514,325∙10-20
H20,09014,2462,364,4815,4130∙10-20
O21,4290,9165,0812,520∙10-20
N21,2511,0390,297,3715,520∙10-20
Воздух1,2931,006

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.

Присадочные материалы для сварки сталей

Сварка ТИГ и МИГ/МАГ выполняется с использованием сварочной проволоки сплошного сечения, которая в зависимости от марки проволоки изготавливается из стали, химический состав которой (по сертификату о качестве) должен находится в пределах, приведенных в ГОСТ 2246-70. Для сварки ТИГ, как правило, используют сварочные проволоки диаметром от 1,5 до 4 мм (сплошного сечения), а для МИГ/МАГ – от 0,8 до 1,6 мм.

По назначению проволоки можно разделить на те, которые применяются для:

– сварки (наплавки) в качестве электродной плавящейся проволоки (для сварки МИГ/МАГ) или присадочной проволоки (для сварки ТИГ);

– изготовления покрытых электродов (условное обозначение – Э).

Условное обозначение стальной сварочной проволоки состоит из:

– цифры, означающие диаметр проволоки в мм;
– буквенного индекса “Св” (сварочная);
– цифры, следующие за индексом “Св”, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента;
– затем идут буквенные обозначения химических элементов, которые содержатся в металле проволоки:

Цифры, следующие за буквенным обозначением химического элемента, указывают на среднее содержание элемента в процентах. В конце пишется номер стандарта. Если после буквы цифра отсутствует, то количество данного элемента не превышает 1%. Буква “А” или “АА” конце маркировки свидетельствует о пониженном содержании серы и фосфора, а значит о высоких механических свойствах. Буква “Ш”, “ВД” или “ВИ” означают, что проволока изготовлена из стали, выполненной электрошлаковым или вакуумно-дуговым переплавом или вакуумно-индукционных печах. Пример условного обозначения сварочной проволоки диаметром 3 мм марки Св-08А с неомедненной поверхностью из стали, полученной электрошлаковым переплавом показан на этом рисунке:

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 металлаВид переносаРекомендуемый защитный газДостоинства
Углеродистые стали
До 2 мм.С короткими замыканиямиAr + СО2

Ar + СО2 + О2

Легкое управление ванной при сварке во всех пространственных положениях. Хорошее проплавление.
2 – 3 ммAr + (8…25)% СО2

Ar + He + СО2

Более 3 ммСО2

Ar + (15…25)% СО2

Ar + 25% СО2Подходит для больших токов и высоких скоростей сварки
Ar + 50% СО2Применяется при сварке во всех пространственных положениях. Обеспечивает глубокое проплавление. Допускает высокие скорости сварки.
СО2Глубокое проплавление и высокая скорость сварки (однако, возможны прожоги).
СтруйныйAr + (1…8)% СО2Высокая стабильность дуги. Хорошее сплавление, внешний вид и форма шва. Легкое управление ванной.
Более 2 ммИмпульсныйAr + (2…8)% О2

Ar + (5…20)% СО2

Стабильный управляемый мелкокапельный перенос.
Низко- и высоколегированные стали
До 2,5 ммС короткими замыканиямиAr + (8…20)% СО2Высокая стабильность дуги. Хорошее сплавление, внешний вид и форма шва. Легкое управление ванной.
Более 2,5 ммСтруйныйAr + 2% О2

Ar + (5…10)% СО2

Снижение вероятности подрезов. Глубокое проплавление и хорошие механические свойства шва.
ИмпульсныйAr + 2% О2

Ar + 5% СО2

Стабильный управляемый мелкокапельный перенос.
Нержавеющая сталь, никель, никелевые сплавы
До 2 ммС короткими замыканиямиAr + (2…5)% СО2Легкое управление ванной. Предупреждает возникновения прожогов.
Более 2 ммAr + (2…5)% СО2Низкое содержание СО2 в смеси уменьшает науглероживание, которое может способствовать возникновению межкристаллитной коррозии в некоторых сплавах. Применяется для всех положений сварки.
СтруйныйAr + (1…2)% О2

Ar + (2…5)% СО2

Хорошая стабильность дуги. Низкая вероятность подрезов.
Более 2 ммИмпульсныйAr + (1…2)% О2Стабильный управляемый перенос в широком диапазоне режимов сварки.
Медь, медно-никелевые сплавы
До 3 ммС короткими замыканиямиHe + 10% Ar

He + 25% Ar

Ar + He

Хорошая стабильность дуги и легко управляемая сварочная ванна.
Более 3 ммСтруйныйHe + Ar

He или Ar

Высокое тепловложение. Сварка в чистом гелии применяется для больших толщин.
ИмпульсныйHe или ArСтабильный управляемый мелкокапельный перенос.
Алюминий
До 12 ммСтруйный,

Импульсный

ArСтабильная дуга и перенос металла. Разбрызгивание незначительное или отсутствует.
Более 12 ммHe + (20…50)% Ar

Ar + He

Высокое тепловложение. Хорошее проплавление. Минимальная пористость.
Магний, титан и другие, химически активные металлы
Весь диапазон толщинСтруйныйArОбеспечивается более стабильная дуга, чем в смесях, где преобладает гелий
Ar + (20…70)% HeБолее высокое тепловложение и сниженная вероятность возникновения пористости.

Краткая характеристика защитных газов

Аргон – наиболее часто применяемый инертный газ. Он тяжелее воздуха и не образует с ним взрывчатых смесей. Благодаря низкому потенциалу ионизации этот газ обеспечивает высокую стабильность горения дуги. Однако, в тоже время, низкий потенциал ионизации является причиной и низкого напряжения на дуге, что снижает тепловую мощность дуги. Будучи тяжелее воздуха, аргон обеспечивает хорошую газовую защиту сварочной ванны (но только в нижнем положении сварки). Однако он может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола. При этом снижается содержание кислорода в воздухе, что может вызвать кислородную недостаточность и удушье у электросварщика. В местах возможного накопления аргона необходимо контролировать содержание кислорода в воздухе приборами автоматического или ручного действия с устройством для дистанционного отбора проб воздуха. Объемная доля кислорода в воздухе должна быть не менее 19%.

Аргон выпускается согласно ГОСТ 10157-79 двух сортов: высшего и первого. Высший сорт рекомендуется использовать при сварке ответственных металлоконструкций из активных и редких металлов и сплавов, цветных металлов. Аргон первого сорта применяют для сварки сталей и чистого алюминия.

Гелий – бесцветный, неядовитый, негорючий и невзрывоопасный газ. Значительно легче воздуха и аргона, что понижает эффективность защиту сварочной ванны при сварке в нижнем положении, но способствует лучшей защите при сварке в потолочном положении. Гелий используется реже, чем аргон, из-за дефицитности и высокой стоимости. Однако, из-за высокого потенциала ионизации, при одном и том же значении тока дуга в гелии выделяет в 1,5-2 раза больше энергии, чем в аргоне. Это способствует более глубокому проплавлению металла и значительно повышает скорость сварки. Для сварки используется гелий трех сортов: марок А, Б и В (по ТУ 51-689-75). Применяют его в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния.

Часто используются смеси аргона и гелия, причем оптимальным составом считается смесь, содержащая 35-40% аргона и 60-65% гелия. В смеси в полной мере реализуются преимущества обоих газов: аргон обеспечивает стабильность горения дуги, гелий – высокую степень проплавления.

При сварке меди используется азот, так как он к ней химически нейтрален, т.е. не образует с ней никаких химических соединений и в ней не растворяется.

Поделитесь в социальных сетях:vKontakteFacebookTwitter
Напишите комментарий