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.
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.
| Газ | Плотность кг/м3 | Теплоемкость, Дж/г oС | Теплопроводность, вт/м oС | Энергия диссоциации, эВ | Потенциал ионизации, В | Сечение столкновения, м2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ar | 1,783 | 0,524 | 0,19 | не диссоц. | 15,76 | 2,5∙10-20 |
| He | 0,178 | 5,242 | 1,66 | не диссоц. | 24,58 | 10∙10-20 |
| CO2 | 1,977 | 0,821 | 0,19 | 5,5 | 14,3 | 25∙10-20 |
| H2 | 0,090 | 14,246 | 2,36 | 4,48 | 15,4 | 130∙10-20 |
| O2 | 1,429 | 0,916 | – | 5,08 | 12,5 | 20∙10-20 |
| N2 | 1,251 | 1,039 | 0,29 | 7,37 | 15,5 | 20∙10-20 |
| Воздух | 1,293 | 1,006 | – | – | – | – |
Определения, классификация и основные схемы
Сварка в защитных газах (СЗГ) — общее название разновидностей дуговой сварки, осуществляемой с вдуванием через сопло горелки в зону дуги струи защитного газа. В качестве защитных применяют: инертные (Аr, Не), активные (СO2, O2, N2, Н2) газы и их смеси (Аr+СO2+O2, Аr+O2, Аr+ +СO2 и др.).
Разновидности СЗГ можно классифицировать по таким признакам, как: тип защитных газов, характер защиты в зоне сварки, род тока, тип электрода и т. д. (рис. 2.1). По совокупности основных физических явлений процесс дуговой сварки в защитных газах можно классифицировать по двум основным схемам — это сварка неплавящимся (СНЭЗГ) (рис. 2.2, а) и плавящимся (СПЭЗГ) (рис. 2.2,б) электродами.
Сварочная дуга в среде защитных газов характеризуется относительно большим разрядным током (от 5 до 500 А и выше) и низким катодным падением напряжения.
Для сварки неплавящимся электродом применяют в основном инертные газы Аr и Не, а также их смеси в любом соотношении. Эти газы, особенно Не, обладают высокими потенциалами ионизации, что затрудняет первоначальное возбуждение дуги. Однако напряженность электрического поля (E) в столбе дуги в инертных газах имеет сравнительно низкое значение и поэтому дуговой разряд в инертных газах отличается высокой стабильностью. При сварке плавящимся электродом напряжение дуги и стабильность ее существования существенно зависят от состава защитного газа (рис. 2.3).
Повышение напряжения дуги с увеличением концентрации молекулярных газов (Н2, N2, O2 и СO2) объясняется интенсивным охлаждающим действием этих газов в связи с затратами энергии на диссоциацию и отводом теплоты за счет высокой теплопроводности. Увеличение напряжения дуги приводит к снижению ее устойчивости.
Способы сварки
- Сварка в защитных газах неплавящимся электродом
- Сварка в защитных газах плавящимся электродом
- Импульсно-дуговая сварка в защитных газах
Для расширения диапазона свариваемых толщин, увеличения производительности процесса сварки в защитном газе и повышения качества сварных соединений разработан ряд специальных способов.
- Сварка в защитных газах трехфазной дугой
- Сварка в защитных газах вольфрамовым электродом с подогреваемой присадочной проволокой
- Многодуговая сварка в защитных газах вольфрамовым электродом
- Сварка в защитных газах вольфрамовым электродом погруженной дугой
- Дуговая сварка в защитных газах в контролируемой атмосфере
- Дуговая сварка в защитных газах неплавящимся полым катодом в вакууме
- Сварка в защитных газах дугой, управляемой магнитным полем
- Сварка в защитных газах с принудительным формированием шва
