Защитные газовые смеси для сварки

Технологические особенности сварки металлов с привлечением инертных газов предусматривают использование специальных газовых смесей. Благодаря им качество сварочного шва существенно возрастает. В статье мастер сантехник рассмотрит составы газовых смесей, чаще всего применяемых при дуговой сварке.

Сварочные смеси применяют во всех областях машиностроения и строительства, но особенно важна их роль для производства промышленно опасных объектов (кораблестроение, мосты, трубопроводы, краны, лифты и пр.), где необходимо обеспечить повышенную надежность сварных соединений.

В определенных условиях каждый защитный газ может осуществлять как положительное, так и отрицательное воздействие. Кроме того, конкретный состав сварочной смеси будет подходить далеко не во всех случаях, ведь на процесс сварки оказывают влияние множество факторов.

Например, аргон делает более простым образование дуги во время TIG сварки, и обеспечивает качественный перенос металла методом MIG. Однако, недостатком применения данного газа является слабая отдача энергии при воздействии на толстостенные детали, особенно при работе с материалами, которые имеют высокие значения теплопроводности. С этой точки зрения, оптимальный вариант – использование гелия. Но в данном случае, будет уже страдать перенос металла и стабильность дуги при MIG и TIG процессах.

Каждый защитный газ имеет свои особенности, которые будут отлично работать только в определенных условиях. Поэтому смеси играют, без преувеличения, огромную роль, поскольку позволяют одновременно использовать свойства различных газов, что намного расширяет возможности рабочего процесса.

Влияние газов на качество и производительность

Чистые газы, применяемые в сварочном деле, – это аргон, гелий и двуокись углерода. Они могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на дугу:

• Аргон (Ar) – одноатомный химический элемент, который широко используется в чистом виде и в составе многих сварочных смесей газов. Аргон абсолютно инертен, что делает его подходящим для работы с тугоплавкими и химически активными материалами. Он обладает низкой теплопроводностью и потенциалом ионизации, тем самым обеспечивая низкую теплопередачу в среду, окружающую дугу. Это создаёт узкий столб дуги, что, в свою очередь, вытекает в обычный для аргона профиль проникновения – глубокий и сравнительно узкий. В процессе работы с аргоном существует небольшая тенденция к подрезам в зоне сплавления и увеличению сварного шва, что связано с недостатком тепла на внешних гранях сварочной ванны как в TIG, так и в MAG. В MAG чистый Ar способствует струйному переносу металла.
• Гелий (He) – одноатомный инертный газ, чаще всего используемый для сварки цветных металлов неплавящимся электродом. В отличие от аргона, гелий обладает высокой проводимостью и потенциалом ионизации, что способствует получению противоположных результатов. Гелий даёт широкий профиль, хорошее смачивание на краях шва и более высокие температуры, чем чистый Ar. Высокий потенциал ионизации может создать трудности в возбуждении дуги, за исключением тех случаев, когда для работы с вольфрамовым электродом используется высокочастотный или емкостной способы возбуждения дуги. Помимо этого, рекомендуется больший расход газа, поскольку гелий имеет тенденцию подниматься в воздухе. Чистый гелий способствует крупнокапельному переносу электродного материала и редко используется для GMAW, за исключением чистой меди.
• Двуокись углерода (CO2) – двухкомпонентный газ, который используется в MAG и FCAW. CO2 является составной молекулой с довольно непростым взаимодействием в дуге. При температурах, появляющихся в дуге, двуокись углерода распадается на CO и O2. Это создаёт потенциал для окисления базового материала и распада сплава сварочной ванны или шва. Воссоединение CO/O2 даёт довольно широкий профиль проникновения у поверхности шва, в то время как низкий уровень потенциала ионизации и теплопроводности создаёт горячую область в центре столба дуги. Это даёт всему шву хорошо сбалансированный в отношении ширина-к-глубине профиль проникновения. В случае применения электродуговой сварки чистая углекислота не может создать струйный перенос металла, а только крупнокапельный, что может привести к большому количеству брызг.

Чем дополняются сварочные смеси газов:

• Кислород (O2) – двухатомный активный компонент, обычно используемый в газовых смесях для электродугового сварочного процесса в концентрациях ниже 10%. Кислород имеет потенциал подводимого тепла, возникающий как из энергии ионизации, так и из его энергии диссоциации (энергии, высвобождаемой путём расщепления молекулы на отдельные атомы в дуге). Кислород создаёт очень широкий и сравнительно мелкий профиль проникновения с высоким уровнем подводимого тепла у поверхности. Поскольку высокий уровень тепла снижает поверхностное натяжение расплавленного металла, облегчается струйный перенос, равно как и увлажнение у шва, расположенного у кромки наружной поверхности шва. Смеси O2/Ar демонстрируют профиль проникновения на уровне «шляпки гвоздя» при электрической дуговой сварке углеродистой стали, что является наиболее распространённым применением. O2 также используется в тримиксах с CO2 и Ar, где он дает преимущества в виде смачивания и струйного переноса металла.
• Водород (H2) – двухатомный активный газ, который часто применяется в защитных сварочных смесях в концентрациях менее 10%. Водород в основном используется в аустенитных нержавеющих сталях для того, чтобы облегчить устранение оксидов или увеличить подвод тепла. Как и со всеми двухатомными молекулами, результатом становится более горячий, широкий сварной шов. Для работы с ферритными или мартенситными сталями водород не подходит из-за проблем с растрескиванием. При более высоких концентрациях (30-40%) H2 может использоваться для плазменной резки нержавеющих сталей с целью увеличения мощности и снижения окалины.
• Азот (N2) – наименее часто используемая добавка для защитных целей. Азот в основном применяется для производства аустенита и для повышения сопротивлению коррозии в дуплексных и супер-дуплексных сталях.

Выбор защитного газа для конкретного типа сварки

В сварочном деле используются разные газовые смеси, выбор которых зависит от применяемой технологии и материала.

MAG: углеродистая сталь

Наиболее часто используемые смеси для данного материала – это Ar/CO2, Ar/O2 или все три компонента вместе:

• В Ar/CO2 содержание CO2 варьируется от 5% до 25%. Составы с низким содержанием двуокиси углерода обычно используются для струйного переноса металла на материалах большого сечения, или когда требуются низкие подводимые температуры и мелкое проникновение в тонких материалах. Высокое содержание делает возможной работу в режиме короткого замыкания и дает дополнительное очищающее действие и глубокое проникновение в материалах большого сечения. Однако, увеличение содержания углекислоты также означает повышенную скорость расходования легирующих элементов.
• В смесях Ar/O2, содержание O2 варьируется от 2% до 5%. Такая защитная среда обычно используется при работе на достаточно чистых материалах. Многие производители конструкционных сталей используют Ar/O2 потому, что такой состав защитного газа позволяет работать на слегка окисленных базовых материалах. Среды с содержанием кислорода должны оцениваться на предмет потенциала истощения, который может быть значительным при больших концентрациях.
• Содержание O2 и CO2 в тримиксах находится в пределах от 2% до 8%. Составы такого типа хорошо работают как при струйном переносе, так и при переносе в режиме короткого замыкания, и могут быть использованы в работе с материалами разной толщины. Кислород имеет склонность способствовать струйному переносу металла при низких напряжениях, в то время как двуокись углерода способствует проникновению. Тримиксы, содержащие Ar, CO2 и O2, делают возможным производить перенос металла при более низких напряжениях, чем многие двухкомпонентные смеси Ar/CO2.

MAG: нержавеющая сталь

Наиболее распространёнными газами для работы с нержавеющей сталью являются Ar/CO2 и He/Ar/CO2:

• Смеси Ar/CO2 обычно имеют около 2% кислорода и показывают хорошие результаты при струйном переносе металла, если допускается небольшое обесцвечивание шва.
• Тримиксы доступны в двух основных типах: насыщенные Ar и насыщенные He. Насыщенные гелием (около 90%) тримиксыиспользуются для работы в режиме короткого замыкания. Они включают небольшое количество аргона для стабилизации дуги и очень небольшое количество углекислоты для проникновения и очистки. Насыщенные аргоном газы обычно имеют около 80% Ar, 1-2% CO2, и He в остатке. Они традиционно используются для струйного переноса металла, поскольку высокое содержание аргона позволяет выполнять такой процесс при сравнительно низких напряжениях, в то время как гелий дает хорошую смачиваемость, плоский профиль шва, и хорошее цветовое соответствие.

TIG: алюминий

Электрическая дуговая сварка алюминия обычно выполняется с чистым аргоном. Однако, при работе с сечениями большого размера возможно увеличение содержания гелия до 75%. Гелий делает возможными значительно лучшую смачиваемость по сравнение с чистым аргоном и более жидкую сварочную ванну, что даёт больше времени на выход примесей, вызывающих пористость. Более высокие концентрации гелия требуют значительно более высокого напряжения для струйного переноса металла, чем в случае с чистым Ar.

FCAW: углеродистая и нержавеющая сталь

Флюсовая технология наиболее часто выполняется в защитной среде, состоящей из 20-25% двуокиси углерода и уравновешенной аргоном. Такой состав даёт возможность получить хорошие технические характеристики дуги: CO2 улучшает проникновение и даёт хорошие показатели формирования окалины, в то время как Ar снижает выделение побочных газов. Иногда часть углекислоты заменяется гелием для того, чтобы ещё больше снизить газовыделение. Истощение сплава не является поводом для беспокойства при работе с флюсом, поскольку элементы, подверженные эффектам двуокиси углерода, уравновешиваются содержанием потока при производстве сварочной проволоки.

TIG: нержавейка и алюминий

В то время как в большинстве случаев для сварочного процесса с вольфрамовым электродом используется чистый аргон, некоторые смеси разработаны для того, чтобы упростить проникновение и смачиваемость в алюминии и нержавейке. Большинство из них являются смесями Ar/He, с содержанием гелия от 10% до 75%. Как и в случае с электродуговой сваркой, это добавление гелия облегчает смачиваемость в крупносортном алюминии и нержавеющей стали, в которых малая подвижность сварочной ванны является нежелательной. Для нержавеющей стали 300 серии возможно применение газа, содержащего от 2% до 5% водорода. Такая добавка делает готовый шов гораздо лучше на вид.

Можно ли самостоятельно смешивать газы

Теоретически, данную операцию можно осуществить непосредственно на рабочем месте. Для этого достаточно провести замеры расхода в каждом баллоне с помощью ротаметров, и отрегулировать данный показатель при помощи редукторов.

Однако, состав сварочной смеси собственного производства будет далек от идеального, поскольку добиться точного процентного содержания разных компонентов таким способом практически невозможно. Поэтому, придется постоянно использовать метод проб и ошибок, тем самым, увеличивая расход  газов и сварочного материала.

Надежный метод получения защитного сварочного газа

Чтобы получить действительно качественный результат и максимальную эффективность от потраченных средств, лучше всего заказать баллоны с готовым составом на заводе-производителе, или у специализированных поставщиков.

В продолжение темы посмотрите также наш обзор Самозащитная порошковая проволока для полуавтомата — назначение, виды, как выбрать