Вопрос 9 Газы, применяемые при сварке, способы их получения, хранения и транспортировки Защитные газы

В качестве защитных газов при сварке плавлением применяют инертные газы, активные газы и их смеси.

Инертные газы.

Инертными называют газы, не способные к химическим реакциям и практически не растворимые в металлах. Это одноатомные газы, атомы которых имеют заполненные электронами наружные электронные оболочки, чем и обусловлена их химическая инертность. Из инертных газов для сварки используют аргон, гелий и их смеси.

Аргон — негорючий и невзрывоопасный газ. Он не образует взрывчатых смесей с воздухом. Будучи тяжелее воздуха, аргон обеспечивает хорошую газовую защиту сварочной ванны. Аргон газообразный чистый поставляется согласно ГОСТ 10157—62 трех марок: А, Б и В (табл. 7-40). Содержание влаги для газообразного аргона всех трех марок не должно превышать 0,03 г/м³.

Аргон марки А рекомендуется применять для сварки и плавки активных и редких металлов (титана, циркония и ниобия) и сплавов на их основе, а также для сварки особо ответственных изделий из других материалов на заключительных этапах изготовления. Аргон марки Б предназначен для сварки и плавки плавящимся и неплавящимся вольфрамовым электродом сплавов на основе алюминия и магния, а также других сплавов, чувствитель ных к примесям растворимых в металле газов. Аргон марки В рекомендуется для сварки и плавки хромоникелевых коррозионностойких и жаропрочных сплавов, легированных сталей различных марок и чистого алюминия.

Аргон следует хранить и транспортировать в стальных цельнотянутых баллонах, соответствующих требованиям ГОСТ 949—57. В баллоне при давлении 150 ат содержится около 6 м³ газообразного аргона. Баллон для хранения чистого аргона окрашен в нижней части в черный, а в верхней части — в белый цвет. На верхней части баллона черными буквами нанесена надпись «Аргон чистый». Аргон в основном получают из воздуха, в котором он содержится в относительно небольшом количестве (1,28% по массе). Производство аргона осуществляется на кислородных установках с аргонными приставками. В этих приставках сырой аргон очищается до необходимой степени чистоты от азота и кислорода. Гелий подобно аргону химически инертен, но в отличие от него значительно более легок. Гелий легче воздуха, что усложняет защиту сварочной ванны и требует большего расхода защитного газа. По сравнению с аргоном гелий обеспечивает более интенсивный нагрев зоны сварки, что обусловливается большим градиентом падения напряжения в дуге.

Гелий поставляют по МРТУ 51—77—66 двух сортов — гелий высокой чистоты и гелий технический. Хранят и транспортируют гелий в стальных цельнотянутых баллонах при давлении до 150 ат. Баллоны с гелием окрашены в коричневый цвет с надписью белыми буквами «Гелий». Баллоны должны соответствовать требованиям ГОСТ. Гелий добывают из природных углеводородных газов путем их охлаждения в специальных установках. При этом газообразные метан, этан и другие углеводороды сжижаются, а гелий остается в газообразном состоянии, так как имеет очень низкую температуру сжижения (—269° С).

ТАБЛИЦА 7-40. СОСТАВ ГАЗООБРАЗНОГО АРГОНА (ГОСТ 10157—62), ОБ. %

Содержание	A	Б	В
Аргона  Кислорода  Азота	99,99  0,003  0,01	99,96  0,005  0,04	99,90  0,005  0,10

Особенно богаты гелием природные газы в США, что определяет широкое применение гелия для сварки в этой стране. В небольшом количестве гелий содержится в воздухе, и его подобно аргону получают в качестве побочного продукта в кислородных установках.

Инертные газовые смеси состоят, как правило, из аргона и гелия. Обладая большей плотностью, чем гелий, такие смеси лучше защищают металл сварочной ванны от воздуха. Особенно хорошими защитными свойствами обладает инертная газовая смесь, состоящая из 70 об.% аргона и 30. об.% гелия. Плотность такой смеси близка к плотности воздуха. Для сварки химически активных металлов находит применение инертная смесь, содержащая 60—65 об. % гелия, а остальное аргон. Инертные газовые смеси хотя заметно дороже, чем аргон, но превосходят его по интенсивности выделения теплоты электрической дуги в зоне сварки. Это имеет существенное значение при сварке металлов с высокой теплопроводностью.

Инертные газовые смеси требуемого состава обычно получают путем смешивания газов, поступающих из двух- отдельных баллонов, при помощи специальных смесителей. Некоторые зарубежные фирмы поставляют в баллонах готовую аргоно-гелиевую смесь требуемого состава.

Смеси инертных и активных газов находят все более широкое применение при сварке плавящимся электродом сталей различных классов ввиду их технологических преимуществ: меньшей по сравнению с активными газами интенсивностью химического воздействия на металл сварочной ванны, высокой устойчивости дугового процесса, благоприятного характера переноса электродного металла через дугу. По сравнению с чистым аргоном смеси инертных и активных газов имеют преимущества при сварке конструкционных сталей. Известно, что при плавящемся электроде лучшие характеристики процесса сварки обычно достигаются на постоянном токе обратной полярности. Однако при сварке стали применение в качестве защитного газа чистого аргона сопровождается нестабильностью положения катодного пятна на поверхности изделия. В результате получаются плохо сформированные сварные швы.

Добавка к аргону небольшого количества кислорода или другого окислительного газа существенно повышает устойчивость горения дуги и улучшает качество формирования сварных швов. Наличие кислорода в атмосфере дуги способствует более мелкокапельному переносу электродного металла. Это обусловлено поверхностно-активным действием кислорода на железо и его сплавы. Растворяясь в жидком металле и скапливаясь преимущественно на поверхности, кислород значительно снижает его поверхностное натяжение. В результате облегчается образование отдельных капель металла, а их размер уменьшается. Поэтому для сварки стали применяют не чистый аргон, а смеси с кислородом и углекислым газом Аr—О₂, Аr—СО₂, Аr—СО₂—О₂.

Рис. 7-37. Форма провара при сварке в защитных газах:  а — в аргоне;  б — в углекислом газе

Для сварки аустенитных сталей плавящимся электродом рекомендуется применять аргон с добавкой 1 об. % кислорода. Такая газовая смесь обеспечивает устойчивый процесс сварки и вместе с тем слабо окисляет металл сварочной ванны. Смесь аргона с 2 или 5 об.% кислорода целесообразно применять при сварке ферритных сталей, когда требуется струйный перенос электродного металла. При сварке в таких газовых смесях качество формирования швов высокое, з разбрызгивание электродного металла очень невелико. Недостатками упомянутых смесей аргона с кислородом являются интенсивное излучение дуги и характерное для аргона пальцевидное проплавление основного металла.

В этом отношении значительно лучшими являются смеси, содержащие углекислый газ. При сварке в смесях Аr +20% СО₂ и Аr + (15-=-30%) СО₂ + 5% О₂ интенсивность излучения столба дуги относительно невелика, а форма проплавления основного металла такая же, как и у углекислого газа (рис. 7-37). Вместе с тем эти смеси по химическому воздействию на металл сварочной ванны приближаются к углекислому газу.

Неблагоприятные изменения химического состава металла сварочной ванны происходят при защите углекислым газом. Металл науглероживается, а содержание марганца, ниобия и кремния заметно снижается. В результате снижается коррозионная стойкость металла шва, характеризуемая соотношением концентраций ниобия и углерода. Металл шва, сваренный в смеси Аr +1 % О₂, наименее отличается по химическому составу от исходной сварочной проволоки. Швы, сваренные в газовых смесях, содержащих углекислый газ, занимают в этом отношении промежуточное положение. Вместе с тем окисление металла сварочной ванны входящими в состав газовых смесей активными газами имеет и положительное значение.

Аргоно-водородную смесь (до 20 об. % Н₂) применяют при микроплазменной сварке. Наличие водорода в смеси обеспечивает сжатие столба плазмы, делает его более острым, сконцентрированным. Кроме того, водород создает в зоне сварки необходимую в ряде случаев восстановительную атмосферу.

При транспортировке баллонов с газом и работе с ними необходимо соблюдать правила обращения с баллонами высокого давления. Вследствие высокого внутреннего давления стенки баллонов находятся в напряженном состоянии и всякое местное возрастание напряжений может служить причиной разрушения недостаточно высококачественного баллона. Поэтому баллоны со сжатыми газами нельзя бросать и подвергать ударам и нагреву. Особую осторожность следует соблюдать зимой. У рабочего места баллон должен быть размещен вертикально и обязательно закреплен.