Защитные газы — это инертные или полуинертные газы , которые обычно используются в нескольких процессах сварки, в частности, в газовой дуговой сварке металлическим электродом и газовой дуговой сварке вольфрамовым электродом (GMAW и GTAW, более известные как MIG (Metal Inert Gas) и TIG (Tungsten Inert Gas) соответственно). Их цель — защитить область сварки от кислорода и водяного пара . В зависимости от свариваемых материалов эти атмосферные газы могут ухудшить качество сварки или затруднить сварку. Другие процессы дуговой сварки также используют альтернативные методы защиты сварного шва от атмосферы — например, в дуговой сварке металлическим электродом в защитной среде используется электрод , покрытый флюсом , который при потреблении выделяет углекислый газ, полуинертный газ, который является приемлемым защитным газом для сварки стали.
Неправильный выбор сварочного газа может привести к получению пористого и слабого сварного шва или чрезмерному разбрызгиванию; последнее, хотя и не влияет на сам сварной шов, приводит к потере производительности из-за трудозатрат, необходимых для удаления разлетающихся капель.
При неосторожном использовании защитные газы могут вытеснять кислород, вызывая гипоксию и потенциальную смерть. [1] [2]
Защитные газы делятся на две категории — инертные и полуинертные. Только два из благородных газов , гелий и аргон , достаточно экономичны для использования при сварке. Эти инертные газы используются при газовой дуговой сварке вольфрамовым электродом , а также при газовой дуговой сварке металлическим электродом для сварки цветных металлов . Полуинертные защитные газы или активные защитные газы включают в себя углекислый газ , кислород , азот и водород . Эти активные газы используются при GMAW на черных металлах . Большинство из этих газов в больших количествах могут повредить сварной шов, но при использовании в небольших контролируемых количествах могут улучшить характеристики сварного шва.
Важными свойствами защитных газов являются их теплопроводность и теплопередача, их плотность относительно воздуха и легкость, с которой они подвергаются ионизации. Газы тяжелее воздуха (например, аргон) покрывают сварной шов и требуют меньших скоростей потока, чем газы легче воздуха (например, гелий). Теплопередача важна для нагрева сварного шва вокруг дуги. Ионизуемость влияет на то, насколько легко зажигается дуга и насколько высокое напряжение требуется. Защитные газы могут использоваться в чистом виде или в виде смеси двух или трех газов. [3] [4] При лазерной сварке защитный газ играет дополнительную роль, предотвращая образование облака плазмы над сварным швом, поглощая значительную часть энергии лазера. Это важно для CO2 - лазеров; лазеры Nd:YAG демонстрируют меньшую тенденцию к образованию такой плазмы. Гелий лучше всего выполняет эту роль из-за своего высокого потенциала ионизации; газ может поглощать большое количество энергии, прежде чем станет ионизированным.
Аргон является наиболее распространенным защитным газом, широко используемым в качестве основы для более специализированных газовых смесей. [5]
Углекислый газ является наименее дорогим защитным газом, обеспечивающим глубокое проникновение, однако он отрицательно влияет на стабильность дуги и усиливает тенденцию расплавленного металла к образованию капель (брызгивание). [6] Углекислый газ в концентрации 1-2% обычно используется в смеси с аргоном для снижения поверхностного натяжения расплавленного металла. Другая распространенная смесь — 25% углекислого газа и 75% аргона для GMAW. [7]
Гелий легче воздуха; требуются большие скорости потока. Это инертный газ, не реагирующий с расплавленными металлами. Его теплопроводность высокая. Его трудно ионизировать, для зажигания дуги требуется более высокое напряжение. Из-за более высокого потенциала ионизации он производит более горячую дугу при более высоком напряжении, обеспечивает широкий глубокий шов; это преимущество для алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Часто добавляются другие газы. Смеси гелия с добавлением 5–10% аргона и 2–5% углекислого газа («тримикс») можно использовать для сварки нержавеющей стали. Используется также для алюминия и других цветных металлов, особенно для более толстых швов. По сравнению с аргоном гелий обеспечивает более богатую энергией, но менее стабильную дугу. Гелий и углекислый газ были первыми защитными газами, которые использовались с начала Второй мировой войны. Гелий используется в качестве защитного газа при лазерной сварке для лазеров на углекислом газе . [8] Гелий дороже аргона и требует более высоких скоростей потока, поэтому, несмотря на свои преимущества, он может оказаться невыгодным выбором для крупносерийного производства. [9] Чистый гелий не используется для стали, так как он вызывает неустойчивую дугу и способствует разбрызгиванию.
Кислород используется в небольших количествах в качестве добавки к другим газам; обычно в качестве добавки к аргону в количестве 2–5 %. Он повышает стабильность дуги и снижает поверхностное натяжение расплавленного металла, увеличивая смачивание твердого металла. Он используется для сварки струйным переносом мягких углеродистых сталей , низколегированных и нержавеющих сталей . Его присутствие увеличивает количество шлака. Смеси аргона и кислорода ( Ar-O2 ) часто заменяют смесями аргона и углекислого газа. Также используются смеси аргона, углекислого газа и кислорода. Кислород вызывает окисление сварного шва, поэтому он не подходит для сварки алюминия, магния, меди и некоторых экзотических металлов. Повышенное содержание кислорода заставляет защитный газ окислять электрод, что может привести к пористости в наплавке, если электрод не содержит достаточного количества раскислителей . Избыточный кислород, особенно при использовании в приложениях, для которых он не предписан, может привести к хрупкости в зоне термического влияния. Смеси аргона и кислорода с содержанием кислорода 1–2 % применяются для аустенитной нержавеющей стали, где аргон-CO2 использовать невозможно из-за требуемого низкого содержания углерода в сварном шве; сварной шов имеет прочное оксидное покрытие и может потребовать очистки.
Водород используется для сварки никеля и некоторых нержавеющих сталей, особенно более толстых деталей. Он улучшает текучесть расплавленного металла и повышает чистоту поверхности. Его добавляют в аргон в количествах, как правило, менее 10%. Его можно добавлять в смеси аргона и углекислого газа для противодействия окислительному воздействию углекислого газа. Его добавление сужает дугу и увеличивает температуру дуги, что приводит к лучшему проплавлению сварного шва. В более высоких концентрациях (до 25% водорода) его можно использовать для сварки токопроводящих материалов, таких как медь. Однако его не следует использовать на стали, алюминии или магнии, поскольку он может вызвать пористость и водородную хрупкость ; его применение обычно ограничивается только некоторыми нержавеющими сталями.
Добавление оксида азота служит для снижения образования озона . Также может стабилизировать дугу при сварке алюминия и высоколегированной нержавеющей стали.
Другие газы могут использоваться для специальных целей, в чистом виде или в качестве добавок; например, гексафторид серы или дихлордифторметан . [10]
Гексафторид серы можно добавлять в защитный газ при сварке алюминия для связывания водорода в зоне сварки и уменьшения пористости сварного шва. [11]
Дихлордифторметан с аргоном может использоваться для защитной атмосферы при плавке алюминиево-литиевых сплавов. [12] Он снижает содержание водорода в алюминиевом сварном шве, предотвращая связанную с ним пористость. Однако этот газ используется меньше, поскольку он имеет сильный потенциал истощения озонового слоя .
Применение защитных газов ограничивается в первую очередь стоимостью газа, стоимостью оборудования и местом сварки. Некоторые защитные газы, такие как аргон, дороги, что ограничивает их использование. Оборудование, используемое для подачи газа, также является дополнительным расходом, и в результате в определенных ситуациях могут быть предпочтительны такие процессы, как дуговая сварка металлическим электродом в защитном газе, для которых требуется менее дорогое оборудование. Наконец, поскольку атмосферные движения могут вызывать рассеивание защитного газа вокруг сварного шва, сварочные процессы, требующие защитных газов, часто выполняются только в закрытых помещениях, где окружающая среда стабильна и можно эффективно предотвратить попадание атмосферных газов в зону сварки.
Желаемая скорость потока газа зависит в первую очередь от геометрии сварки, скорости, тока, типа газа и используемого режима переноса металла. Сварка плоских поверхностей требует более высокого потока, чем сварка рифленых материалов, поскольку газ рассеивается быстрее. Более высокие скорости сварки, как правило, означают, что для обеспечения адекватного покрытия необходимо подавать больше газа. Кроме того, более высокий ток требует большего потока, и, как правило, для обеспечения адекватного покрытия требуется больше гелия, чем аргона. Возможно, самое главное, что четыре основных варианта GMAW имеют разные требования к потоку защитного газа — для небольших сварочных ванн режимов короткого замыкания и импульсного распыления обычно подходит около 10 л /мин (20 футов 3 / ч ), в то время как для крупнокапельного переноса предпочтительно около 15 л/мин (30 футов 3 /ч). Вариант переноса распылением обычно требует больше из-за более высокого подвода тепла и, следовательно, большей сварочной ванны; около 20–25 л/мин (40–50 футов 3 /ч). [16]