Начало сварочной эпохи в защитной газовой среде можно отнести к 1920 году. Однако, по причине ограниченного внимания, уделяемого исследованиям, дуговая сварка не была коммерчески выгодной до 1940 и 1950 годов. Основным толчком для исследований послужила Вторая мировая война.

 

За последние 50 лет индустрия промышленного газа сделала значительный вклад в сварочную индустрию благодаря производству и очистке различных газов и смесей. Сегодня всё ещё много внимания уделяется исследованиям новых марок и их влиянию на газосварочный процесс.

 

Ранние исследования

Всё началось с дуговой сварки вольфрамовым электродом в защитной среде (TIG). В начале Второй мировой войны авиационная промышленность искала лучшие методы производства самолётов. В результате появился TIG с использованием гелия как защитного газа. Это послужило спусковым механизмом для дальнейших исследований и разработок в области применения плавящего электрода (MAG) и порошковой проволоки (FCAW). По причине ограниченных в то время возможностей в сфере газового производства выбирать приходилось из гелия (He) и двуокиси углерода (CO2).

 

Дуговая сварка в защитных газах

Схема работы дуговой сварки с вольфрамовым электродом

 

Основная задача исследований заключалась в том, чтобы азот и кислород, содержащиеся в атмосфере, устранялись из ванны в процессе ее остывания. Во времена развития MAG выбирался по большей части CO2. Ему отдали предпочтение в результате анализа газа, создаваемого потоком от сварочного электрода. Исследователи обнаружили, что CO2 преобладал в газовой среде, окружавшей ванну во время дугового процесса. В некоторых случаях этот компонент до сих пор используется для MAG и FCAW. Требования к TIG отличаются от таковых для MAG. Этот процесс требовал действительно инертной среды. На тот момент гелий был единственным доступным инертным газом, пока не появился аргон (Ar).

 

Дуговая сварка с аргоном

Известный в среде промышленного газа как «Большой А», аргон является инертным веществом. То есть он:

— не подвержен окислению;

— не оказывает влияния на химический состав свариваемого металла;

— обеспечивает высокоэффективную защиту ванны от влияния атмосферы;

— способствует формированию хорошего шва.

 

Сварка аргоном

Сварочные работы с применением аргона

 

При этом чистый Ar не может быть использован для работы со сталью, поскольку дуговой разряд становится слишком нестабильным. По этой причине используют окисляющий газовый компонент для стабилизации процесса и обеспечения равномерной передачи металла. Этим окисляющим компонентом может быть CO2, кислород (O) или их комбинация. Количество добавляемого окисляющего компонента зависит от типа стали и потенциальной области применения.

 

Электрическая дуга при работе в защитной среде может быть разделена на три части: дуговая плазма, катод и анод. Когда электрод служит источником положительного заряда (анодом), катодом является рабочая зона в виде одной или нескольких областей. Окислительные добавки необходимы для стабилизации этих катодных областей; в противном случае дуговая плазма будет дрожать и прыгать по рабочей поверхности, создавая брызги и неровный сварной шов. У использования только CO2 с аргоном часто есть преимущества. Одним из них является лёгкое улучшение геометрии и вида шва по сравнению со смесями Ar-O. Это происходит из-за различий в текучести и поверхностном натяжении сварочной ванны и из-за оксидов расплавленных металлов. При использовании CO2 вместо O также снижается окисление и уменьшается формирующаяся окалина, что скажется на виде шва и на необходимости его очистки. Ещё одним преимуществом является повышенное проникновение при соединении, особенно на боковых поверхностях. Это в основном происходит из-за более высокого напряжения дуги и возникающей энергии при добавлении CO2 к аргону.

 

Баллоны для углекислоты

Баллоны для углекислоты разного объёма

 

Повсеместно на рынке промышленного газа можно встретить множество различных комбинаций смесей Ar-CO2-O. У таких трёхкомпонентных смесей есть несколько задач: стабилизировать дуговой разряд, снизить брызги, обеспечить способность к сварке более тонких материалов и расширить зону наилучшей оптимизации параметров газосварочного аппарата. Кто-то утверждает, что этих целей можно достичь с помощью Ar-CO2 и правильной настройки параметров, но некоторые потребители клянутся, что никогда не вернутся к обычным Ar-CO2.

Больше узнать о сварочном процессе с применением Ar можно в статье: сварка аргоном – технология и режимы работы оборудования.

 

Современные разработки в области защитных газов

Новейшие разработки в данной области включают некоторые новые добавления, а именно:

 

— гелий;

— водород;

— азот;

— оксид азота.

 

Конечно, как было указано выше, гелий использовался уже давно. Однако сейчас он применяется в некоторых новых областях. Гелий является инертным газом, который может быть использован вместе с аргоном и небольшим процентным добавлением CO2 или O для работы с нержавеющей сталью. В чистом виде, или в смеси с аргоном, он применяется как защитный газ для сварки алюминия вольфрамовым электродом или плавящимся электродом. По сравнению с аргоном, гелий предоставляет лучшее проникновение в боковины и большую скорость процесса путём генерации дуги более высокой энергии. При использовании гелия процесс становится чувствительней к колебаниям длины дуги, поэтому возбудить дуговой разряд может быть сложнее при работе с вольфрамовым электродом. Гелий и гелиевые смеси могут быть использованы для защиты корня шва в установках, в которых необходимо, чтобы газ поднялся для вытеснения воздуха. Гелий поднимается по той причине, что его плотность ниже, чем у воздуха.

 

Свойства гелия

На рисунке название химического элемента и его свойства

 

Для снижения склонности к формированию оксидов к защитным газам при сварке вольфрамовым электродом аустенитных нержавеющих сталей может быть добавлен водород (H). Такое добавление будет означать более высокую температуру в дуге и более сжатую дугу, что повышает проникающую способность. Это также обеспечивает более плавную передачу от сварочного валика к свариваемому металлу. Для целей защиты корня шва предпочтительным является добавление водорода по причине того, что он снижает количество кислорода. Азот с 10-процентным добавлением водорода широко используется для защиты корня шва. Не рекомендуется для защиты корня шва в аустенитно-ферритных (дуплексных) сталях. В таких случаях должен использоваться аргон или азот высокой степени очистки.

 

Азот (N) используется в качестве добавки для сварки вольфрамовым электродом супераустенитных и супердуплексных нержавеющих сталей. Эти стали сплавляются с азотом в объёме до 0.5% для улучшения механических свойств и сопротивления изъязвлению. Если газовая смесь будет содержать несколько процентов азота, потерю азота в свариваемом металле можно избежать. Как было указано выше, азот с 10-процентным добавлением водорода является распространённым элементом для защиты корня шва, предоставляющим хороший снижающий эффект. Чистый водород ещё больше увеличивает сопротивление изъязвлению в корне шва при работе с супераустенитными и супердуплексными нержавеющими сталями.

 

Также вы можете посмотреть небольшое видео о сварке нержавеющей стали:

 

Информацию о наиболее часто используемых смесях газов также можно найти в статье: сварочная смесь – состав и сфера применения.

 

Снижение озона

Применение азотной кислоты (NO) в газовой смеси снижает озон, образующийся в рабочей зоне. Эта технология была впервые разработана компанией AGA Gas, Inc. в попытках снизить озон в зоне сварочного агрегата. Этому семейству NO-содержащих газов, производимых AGA Gas, было присвоено имя MISON. Снижение озона может значительно улучшить качество рабочей среды и сделать случаи раздражения слизистой оболочки более редкими. Это также может положительно сказаться на концентрации, результативности и единообразии качества сварочного процесса. Испытания этого газа продемонстрировали и свойство NO стабилизировать дугу, что положительно сказывалось на сварке высоколегированных нержавеющих сталей и алюминия.

 

Кстати, другие статьи о сварочных смесях Вы найдете здесь.

 

Исследования продолжаются, их целью является обнаружение методов снижения разбрызгивания, увеличения скорости осаждения и улучшение свариваемости с помощью защитных газов. Дуговая сварка прошла большой путь за последние 50 лет. Только подумайте, что принесут нам следующие 50 лет.

Необходимое оборудование и материал для сварочных работ можно приобрести в компании «Промтехгаз» — опытного и надежного поставщика газосварочной продукции.