Защитные газы
Чтобы получить качественный сварной шов при дуговой сварке, необходимо обеспечить защиту расплавленного металла сварочной ванны. Именно с такой целью используются защитные газы. Эта идея была высказана Н. Н. Бенардосом еще в 1883 г. и состояла в том, чтобы направить из сопла горелки на зону сварки струю газа, которая, как будто в оболочку, заключит зону сварки и предохранит ее от постороннего воздействия. Защита осуществляется тремя группами газов:
– инертными;
– активными;
– смесями активных газов с инертными или инертных с инертными.
Инертными называются газы, которые не вступают в химические реакции взаимодействия с металлом и неспособны растворяться в нем. К этой группе относятся аргон, гелий и их смеси, а для меди используется азот. В среде инертных газов сваривают активные металлы, например титан, алюминий и др. Применяют их и в тех случаях, когда хотят добиться высококачественного шва при соединении изделий и конструкций из хромоникелевых сталей.
Аргон представляет собой газ со следующими физическими характеристиками:
– бесцветный;
– без запаха и вкуса;
– неядовитый;
– невзрывоопасный.
Поскольку аргон примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, если производить сварочные работы в закрытом и непроветриваемом помещении, тогда возникает опасность удушья. В природе он встречается исключительно в свободном виде, его объемная концентрация в воздухе составляет приблизительно 0,93 %.
В промышленности в соответствии с ГОСТом 1015779 производится аргон трех сортов:
– высшего (доля аргона – 99,993 %);
– первого (99,987 %);
– второго (99,95 %).
Аргон транспортируется в жидком (плотность – 1392 кг/м3) или газообразном (плотность – 1,662 кг/м3) состоянии в специальных стальных баллонах объемом 40 л под давлением 15 МПа. Емкости окрашены в серый цвет с зеленой полосой. На них зеленой краской нанесена надпись «Аргон чистый».
Расход газа при сварке определяется диаметром электрода и, как правило, составляет 100–500 л/ч.
Гелий в качестве защитного газа применяется редко, поскольку, будучи дефицитным, имеет высокую стоимость. Поэтому чаще всего его вводят в виде добавки к аргону или используют для сварки:
– химически чистых и активных материалов и сплавов;
– сплавов на основе магния и алюминия;
– при необходимости обеспечить значительную глубину проплавления (это возможно за счет высокого значения потенциала ионизации газа) или особую форма сварного шва.
Физические свойства гелия:
– бесцветный;
– без запаха;
– неядовитый
– плотность – 0,18 кг/м3.
Гелий в 10 раз легче аргона, а объемное содержание этого газа в воздухе составляет 0,00052 %.
Промышленность поставляет гелий согласно ТУ 51-68975 трех марок – А, Б и В. Его транспортировка осуществляется в соответствии с ГОСТом 20461-75. При этом газ находится в стальных баллонах под давлением 15 МПа, которые окрашены в коричневый цвет, а на них нанесена белая надпись «Гелий».
Расход гелия в процессе сварки – 200–900 л/ч, потому что легкий гелий быстро улетучивается, а для создания надежной защиты сварочной ванны приходится увеличивать его подачу.
Азот не является инертным газом (в природе это самый распространенный газ, в частности его содержание в воздухе составляет 78,09 %), но он так ведет себя по отношению к меди и ее сплавам (относительно других металлов и стали азот рассматривается как активный и часто вредный газ, поступление которого в сварочную ванну необходимо ограничивать). Поэтому его используют для сварки, наплавки и плазменной резки таких материалов.
Физические свойства азота:
– бесцветный;
– без запаха и вкуса;
– неядовитый;
– невзрывоопасный;
– плотность – 1,2506 кг/м3.
По ГОСТу 9293-74 агрегатное состояние азота при транспортировке – газ. Его перевозят в стальных емкостях объемом 40 л под давлением 15 МПа. Он поставляется четырех сортов, различающихся процентным содержанием азота:
– высший (99,9 %);
– I сорт (99,5 %);
– II сорт (99 %);
– III сорт (97 %).
Стальные емкости объемом 40 л содержат азот под давлением 15 МПа.
Из активных газов, т. е. взаимодействующих с металлом сварочной ванны и растворяющихся в нем, следует назвать углекислый газ, который применятся для защиты сварки в чистом виде или в смеси с аргоном. Помимо жидкого и газообразного состояния, углекислый газ бывает и твердым (сухой лед).
Физические свойства двуокиси углерода:
– бесцветная;
– неядовитая;
– с кисловатым запахом и вкусом;
– плотность – 1,98 кг/м3;
– температура сжижения – 78,5 °C.
Углекислый газ в 1,6 раза тяжелее воздуха, в котором на его долю приходится 0,03 %.
По ГОСТу 8050-85 двуокись углерода содержит водяные пары, количество которых зависит от сорта газа:
– в высшем – 0,037 г/см3;
– в I сорте – 0,184 г/см3.
Углекислый газ транспортируется и поставляется в сжиженном состоянии в емкостях объемом 40 л при максимальном давлении 20 МПа. Баллон покрыт черной краской и снабжен надписью желтого цвета «CO2 сварочный».
Углекислота производится двух сортов: высшего, чистота которого составляет 99,8 %, и I сорта чистотой 99,5 %.
Поступающий в зону сварки углекислый газ не относится к нейтральным и под воздействием высоких температур распадается на оксид углерода и кислород. Одновременно с этим происходит окисление расплавленного металла, который после кристаллизации дает достаточно пористый шов с низкими механическими характеристиками. Чтобы снизить окислительные свойства свободного кислорода и добиться качественного шва, используют электродную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца, которые действуют как раскислители.
Для удаления водяных паров, которые присутствуют в баллоне с газом, емкость следует поставить вентилем вниз и через 10–15 минут осторожно его открыть. А перед сваркой из установленного как положено баллона надо выпустить воздух.
На производстве часто применяют смеси газов, что значительно повышает качество сварного шва, и нередко технологические свойства смеси превосходят показатели чистых газов. Например, используются следующие смеси:
1. Углекислый газ с 2–5 % кислорода. Эта смесь, во-первых, способствует мелкокапельному переносу металла; во-вторых, примерно на 30 % снижает разбрызгивание и потери металла; в-третьих, обеспечивает формирование качественного сварного шва.
2. 70 % гелия и 30 % аргона. Данная смесь, во-первых, значительно повышает производительность при сварке алюминия; во-вторых, увеличивает необходимую в определенных случаях глубину проплавления; в-третьих, дает сварной шов хорошего качества;
3. 88 % аргона и 12 % углекислого газа. Эта смесь, во-первых, при сварке стали делает горение сварочной дуги стабильным; во-вторых, снижает разбрызгивание расплавленного металла; в-третьих, позволяет получить качественный шов, поскольку значительно уменьшает поверхностное натяжение расплавленной электродной проволоки.
Резюмируя сказанное, следует подчеркнуть достоинства сварки в среде защитных газов:
– наличие визуального контроля сварочного процесса;
– широкий выбор рабочих режимов;
– расширение номенклатуры свариваемых металлов;
– возможность механизировать процесс;
– создание лучших условий труда для сварщиков.
