Сварка в среде защитного газа. Возникновение, виды, принцип действия, оборудование и техника безопасности при выполнении работ

О чем статья:

Выбираем защитный газ для сварки: гелий, аргон, углекислота

Кислород отрицательным образом влияет на сварочную ванну, что может снизить стойкость шва к коррозийным процессам. Кроме этого, в результате уменьшатся его прочностные качества.

Как следствие на шве могут появиться поры. Благодаря потоку газа сварочная ванна имеет защитную оболочку, которая защищает ее от опасного влияния окружающей среды. Более того, защитный газ обеспечивает сварному шву защиту от влаги и окисления.

Качество сварного шва во многом зависит от защитного газа. В особенности это касается таких видов сварки, как MAG — Metal Active Gas, MIG — Metal Inert Gas и TIG — Tungsten Inert Gas.

Защитные газы и их виды

Инертные защитные газы не обладают свойством растворяться либо взаимодействовать с нагретым металлом. Используются во время сварки магния, титана, алюминия. К примеру, азот, аргон, гелий.

Активные газы, наоборот, взаимодействуют с металлом и способны в нем растворяться. К примеру, кислород, углекислый газ, азот, водород.

Аргон является неядовитым и взрывоопасным газом, не имеет вкуса и запаха. Предназначен для аргонодуговой TIG сварки для всех материалов, а также MIG сварки цветных металлов. Аргон допускается использовать также для сварки тугоплавких и химически активных металлов.

При применении аргона удаётся получить узкий и глубокий шов. Этот вид газа перевозится и хранится в специальных баллонах, которые оформлены в сером цвете и имеют зелёную надпись.

Активные

Защищают зону сварки от воздуха, но сами растворяются в жидком металле либо вступают с ним в химическое взаимодействие

Кислород (О2) — газ без цвета, запаха и вкуса. Негорючий, но активно поддерживающий горение. Технический газообразный кислород (ГОСТ5583-78) выпускается трех сортов: 1-й сорт — 99,7% кислорода; 2-й — 99,5%; 3-й — 99,2%. Применяется только как добавка к инертным и активным газам.

Углекислый газ (СО2) — бесцветный, со слабым запахом, с резко выраженными окислительными свойствами, хорошо растворяется в воде. Тяжелее воздуха в 1,5 раза, может скапливаться в плохо проветриваемых помещениях, в колодцах, приямках. Выпускается (ГОСТ 8050-85) трех сортов: высший-99,8% СО2, 1-й-99,5% и 2-й-98,8%. Двуокись углерода 2-го сорта применять не рекомендуется. Для снижения влажности СО2 рекомендуется установить баллон вентилем вниз и через 1-2 ч открыть вентиль на 8-10 с для удаления воды. Перед сваркой из нормально установленного баллона выпускают небольшое количество газа, чтобы удалить попавший внутрь воздух.

В углекислом газе сваривают чугун, низко- и среднеуглеродистые, низколегированные конструкционные коррозионностойкие стали.

Гелий для сварки

Гелий — неядовитый вид защитного газа, он без запаха, вкуса и цвета. Применяется гелий при аргонодуговой TIG сварке цветных металлов, алюминия и т. д. Также этот вариант подходит для сварки на потолочных поверхностях. В процессе удаётся получить широкий сварной шов со смоченными краями.

Зачастую гелий используется в дополнение к аргону. Он предназначен для соединения магниевых и алюминиевых сплавов, а также активных и химически чистых металлов. Такой газ встречается в баллонах коричневого цвета и имеет белую надпись.

Для сварки более толстых металлов подойдёт углекислый газ. В данном случае нужно быть готовым к образованию брызг в момент сварки. Работать можно лишь с использованием короткой дуги. Газ применяется для MAG сварки порошковой проволокой, полуавтоматической MAG сварки короткой дугой. Представлен в продаже в черных баллонах и надписью желтого цвета.

Газовые смеси

Газовые смеси служат для улучшения процесса сварки и качества сварного шва за счет использования сильных сторон каждого из газов.

Смеси аргона и углекислоты в соотношении 75-80% и 20-25% обеспечивает понижение разбрызгивания жидкого металла, увеличивает производительность и обеспечивает хорошие свойства сварочного соединения. Требует более тщательной очистки сварочных кромок перед сваркой, чем при сварке в чистой углекислоте. Рациональное применение для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей.

Смесь аргона (50%) и гелия (50%) используется для сварки титановых и алюминиевых сплавов.

Смесь аргона и кислорода (1-5%) способствует стабилизации процесса сварки, увеличивает текучесть жидкого металла и является причиной мелкокапельного переноса металла. Рационально использование для сварки низкоуглеродистых сталей и нержавейки.

Смесь углекислого газа (60-80%) и кислорода (20-40%) способствует повышению температуры расплавленного металла и окислительных свойств. Для сварки в этой смеси используют проволоки с повышенным содержанием раскислительных вещество, например проволока марки Св-08Г2СЦ. Рациональное применение для сварки углеродистых, легированных и некоторых высоколегированных сталей.

Трехкомпонентная смесь аргона (75%), углекислоты (20%) и кислорода (5%) дает наиболее лучший эффект при сварке углеродистых сталей, нержавеющих и высоколегированных сталей. Стабилизирует процесс сварки, понижает разбрызгивание, позволяет избежать пористости швов.

Газы, дополняющие сварочные смеси

Благодаря таким сварочным газам есть возможность сделать более качественный шов, снизить разбрызгивание металла.

Для MIG MAG сварки кислород применяется в роли дополнительного компонента. С его помощью можно создать широкий шов, при этом проплавление металла незначительное.

Водород используется для соединения аустенитной нержавеющей стали. В процессе образуется широкий шов с глубоким проплавлением.

Азот предназначен больше для защиты сварного шва от ржавления, нежели в качестве защиты.

Очень важно правильно выбрать защитный газ. От этого напрямую зависит не только качество и геометрия сварного шва. Таким образом, проще будет исправить дефекты и произвести обработку шва в конце.

Область применения

Свойства инертных газов делают их очень востребованными в сварочной сфере. Основными местами применения являются газовая и газово-дуговая сварка. Они выполняют роль защитной среды, которая отгораживает сварочную ванну с расплавленным металлом от негативного воздействия различных факторов, в том числе и воздушной среды. Как правило, они применяются вместе с техническим кислородом, так как он повышает температуру их горения. При использовании инертных газов швы получаются более надежными и качественными, так как снижается вероятность возникновения брака во время работы.

Вещества используются на строительных площадках при соединении металлоконструкций, в особенности, несущих частей. Ими удобнее работать с тонкими деталями, трубами и прочими объектами, которые сложно поддаются электрической сварке. В ремонтных мастерских по восстановлению автомобилей и прочей сложной техники именно сварка инертными газами является основным методом соединения деталей, так как она обладает деликатным отношением к материалу. В коммунальной сфере, где речь идет о ремонте труб и прочих вещей эти разновидности также используются. При производстве металлических изделий самого различного типа, особенно из цветных сложно свариваемых металлов, инертный газ благородный выступает основным сырьем для работы.

Присадочные материалы для сварки сталей

Сварка ТИГ и МИГ/МАГ выполняется с использованием сварочной проволоки сплошного сечения, которая в зависимости от марки проволоки изготавливается из стали, химический состав которой (по сертификату о качестве) должен находится в пределах, приведенных в ГОСТ 2246-70. Для сварки ТИГ, как правило, используют сварочные проволоки диаметром от 1,5 до 4 мм (сплошного сечения), а для МИГ/МАГ – от 0,8 до 1,6 мм.

По назначению проволоки можно разделить на те, которые применяются для:

— сварки (наплавки) в качестве электродной плавящейся проволоки (для сварки МИГ/МАГ) или присадочной проволоки (для сварки ТИГ);

— изготовления покрытых электродов (условное обозначение – Э).

Условное обозначение стальной сварочной проволоки состоит из:

— цифры, означающие диаметр проволоки в мм; — буквенного индекса «Св» (сварочная); — цифры, следующие за индексом «Св», указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента; — затем идут буквенные обозначения химических элементов, которые содержатся в металле проволоки:

Цифры, следующие за буквенным обозначением химического элемента, указывают на среднее содержание элемента в процентах. В конце пишется номер стандарта. Если после буквы цифра отсутствует, то количество данного элемента не превышает 1%. Буква «А» или «АА» конце маркировки свидетельствует о пониженном содержании серы и фосфора, а значит о высоких механических свойствах. Буква «Ш», «ВД» или «ВИ» означают, что проволока изготовлена из стали, выполненной электрошлаковым или вакуумно-дуговым переплавом или вакуумно-индукционных печах. Пример условного обозначения сварочной проволоки диаметром 3 мм марки Св-08А с неомедненной поверхностью из стали, полученной электрошлаковым переплавом показан на этом рисунке:

Преимущества

Технология имеет следующие достоинства:

• дешевизна оборудования;
• легкость регулировки мощности горелки и прогрева заготовки;
• нет необходимости в электроснабжении.

• медленный разогрем заготовки;
• большие энергетические потери;
• трудности автоматизации.

Сложно также проваривать газом заготовки большой толщины. Пропан и ацетилен, используемые для работы, огнеопасны и требуют строго соблюдения требований по безопасностию

Газовые смеси

Служат для улучшения процесса сварки и качества сварного шва

Смесь аргона и гелия. Оптимальный состав: 50% + 50% или 40% аргона и 60% гелия. Пригоден для сварки алюминиевых и титановых сплавов.

Смесь аргона и кислорода при содержании кислорода 1-5% стабилизирует процесс сварки, увеличивает жидко текучесть сварочной ванны, перенос электродного металла становится мелкокапельным. Смесь рекомендуется для сварки углеродистых и нержавеющих сталей.

Смесь аргона и углекислого газа. Рациональное соотношение — 75-80% аргона и 20-25% углекислого газа. При этом обеспечиваются минимальное разбрызгивание, качественное формирование шва, увеличение производительности, хорошие свойства сварного соединения. Используется при сварке низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей.

Смесь углекислого газа и кислорода. Оптимальный состав: 60-80% углекислого газа и 20-40% кислорода. Повышает окислительные свойства защитной среды и температуру жидкого металла. При этой смеси используют электродные проволоки с повышенным содержанием раскислителей, например Св-08Г2СЦ. Шов формируется несколько лучше, чем при сварке в чистом углекислом газе. Смесь применяют для сварки углеродистых, легированных и некоторых высоколегированных конструкционных сталей.

Смесь аргона, углекислого газа и кислорода — трехкомпонентная смесь обеспечивает высокую стабильность процесса и позволяет избежать пористости швов. Оптимальный состав: 75% аргона, 20% углекислого газа и 5% кислорода. Применяется при сварке углеродистых, нержавеющих и высоколегированных конструкционных сталей.

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 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, чувствительных к примесям растворимых в металле газов.

Аргон марки В рекомендуется для сварки и плавки хромоникелевых коррозионно стойких и жаропрочных сплавов, легированных сталей различных марок и чистого алюминия.

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.

Инертные газовые смеси:

Аргон и гелий. 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.

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.

Аргон и кислород (другой окислительный газ). существенно повышает устойчивость горения дуги и улучшает качество формирования сварных швов. Наличие кислорода в атмосфере дуги способствует более мелко капельному 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.

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.

Сущность процесса

Что такое сварка в защитных газах? Для нее необходимо следующее оборудование:

• сварочный полуавтомат;
• баллон с газом;
• сварочная горелка;
• шланг для подачи газа, объединенный с электрическим кабелем и системой охлаждения горелки.

Может применяться и другое вспомогательное оборудование.

В качестве источника тока для сварки, выполняемой в среде защитных газов можно использовать как устаревший сварочный выпрямитель, так и современный инвертор. В составе аппарата смонтирован механизм подачи сварочной проволоки, служащей присадочным материалом.

Электродом служит сварочная проволока, на которую подается напряжение. Между ее кончиком и металлом заготовки разжигается электродуга. Ее тепло плавит металл, образуется сварочная ванна. Через сопло горелки подается защитный газ, закрывающий рабочую зону от контакта с кислородом, азотом и водяными парами воздуха.

При перемещении горелки сварочная ванна перемещается вслед за дугой, расплавленный металл, остывая и кристаллизуясь, формирует шов. Производительность процесса в несколько раз перекрывает общемашиностроительные укрупненные нормативы времени, отведенные на ручную дуговую сварку.

Какое оборудование применяется в сварке

Чаще всего применяются инверторы полуавтоматического класса. На них можно регулировать силу тока и подаваемое напряжение. Одновременно они служат источником питания. На рынке представлен широкий выбор агрегатов, различающихся мощностью и дополнительными опциями. Если варится металл средней толщины из популярных сплавов, достаточно простой модели.

Рекомендуем к прочтению Принцип ацетиленовой сварки с кислородом

Полуавтомат для сварки

Сварочные аппараты с функцией подачи защитной среды разделяются на 2 типа: локальный и общий. В первом случае газ поступает напрямую из сопла. Этот вид наиболее популярен в промышленности. Он подходит не для всех изделий, но позволяет получить удовлетворительный результат. Если конструкция слишком большая, в зону плавления может попасть воздух, тогда качество сильно упадет.

Для крупногабаритных деталей рекомендуется использовать агрегаты с функцией регулировки атмосферы. Она работает следующим образом:

• из внутренней полости откачивается воздух;
• закачивается газ;
• проводится сварка с дистанционным управлением.

Дополнительные комплектующие

Кроме автоматического аппарата в работе используются следующие аксессуары:

1. Присадочные прутья. Необходимы для создания аккуратного шва на сложных металлах – цветных, нержавеющих, стальных. Состав выбирается в зависимости от металлического сплава. Выполняют роль припоя в паре с неплавящимся электродом.
2. Проволока. Дополнительный элемент электродуговой сварки с аргоном. Подается автоматически из катушки, установленной на инверторе. Как и прутья, расплавляется в ровную дорожку при работе неплавящимся электродом.
3. Шланги и фитинги. Это расходный материал, который периодически изнашивается и требует замены. Рекомендуется выбирать шланг такой длины, чтобы между аппаратом и рабочей зоной оставалось достаточно пространства.

Системы для подачи проволоки

При ручном способе сварки за продвижение прута отвечает сам мастер. Но есть и автоматические механизмы, где специалисту нужно только контролировать процесс. Они работают независимо от сварочного аппарата. Преимущество в том, что они позволяют регулировать скорость движения, которая зависит от силы тока.

Системы подачи проволоки могут быть стационарными или передвижными. Первые устанавливают на инвертор. Вторые можно использовать на разных агрегатах. Недостаток обоих видов в том, что они требуют обслуживания и имеют сложную конструкцию. Специалист, не обладающий техническими знаниями, не сможет их обслуживать.

Особенности выполнения

Для разогрева заготовки и оплавления кромок применяется тепло сгорания пропана или ацетилена. При сварке различных материалов существуют свои нюансы:

• обычная конструкционная сталь сваривается практически любым газом, для присадочного материала используют низкоуглеродистую проволоку;
• нержавейка требует газов с высокой теплоотдачей и проволоки, легированной Mo, Ni или Cr;
• меди нужно пламя особо большой мощности;
• сваривание латуни осложняется выгоранием легкоплавкого цинка, поэтому в проволоке его должно быть больше, чем в заготовках;
• бронзу сваривают восстановительным пламенем, в присадке повышено содержание кремния в качестве раскислителя.

Для всех металлов необходимо соблюдать баланс между глубоким проплавлением кромок и возможным пережогом.

Технология работ

Технология работ мало зависит от того, какая смесь будет применена. Неизменными сохраняются и сварочные режимы.

Особе внимание следует уделять соблюдению правил техники безопасности. Необходимо проверить электрооборудование, баллоны, арматуру, шланги. Защитная смесь подается в рабочую область за 10-15 секунд до поджига дуги, чтобы он успел вытеснить воздух и сформировать защитное облако. По окончании шва недопустимо резкое прекращение подачи газа, он должен подаваться еще 10-15 секунд, чтобы конец шва успел остыть и кристаллизоваться под газовой защитой.

Сварщики часто недооценивают вклад защитной среды в процесс сварки. Некоторые чистые газы и сварочные смеси газов могут влиять на перенос металла, состав сплава, форму шва, дымообразование и множество других характеристик. Правильный выбор защитного газа для электродуговой сварки (MAG), дуговой сварки с флюсом (FCAW) и дуговой сварки вольфрамовым электродом (TIG) может существенно повысить интенсивность процесса, улучшить качество и скорость осаждения для данной сварной конструкции.

Гелий

Гелий – инертный газ без цвета, запаха и вкуса, с атомной массой 4 и плотностью 0,178 г/л (при температуре +20°C). Гелий значительно легче воздуха. Температура его сжижения составляет -268,9°C.

Гелий весьма распространен во Вселенной (согласно современным подсчетам свыше 20% космической массы приходится на гелий), однако на Земле его мало. Гелий содержится в воздухе (около 0,0005%) и в земной коре, где образуется в результате распада радиоактивных элементов.

Гелий получают методом фракционной конденсации из природных газов, образующихся при распаде ураносодержащих горных пород.

Газообразный гелий не горюч, не токсичен, не взрывоопасен. Однако в случае высокой концентрации в воздухе может вызвать состояние кислородной недостаточности и удушье. Жидкий гелий – бесцветная низкокипящая жидкость, способная вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.

Меры безопасности при обращении с гелием:

• помещения для хранения или применения гелия должны быть хорошо вентилируемыми;
• баллоны с гелием не должны подвергаться чрезмерному нагреву;
• вентили баллонов с гелием необходимо открывать медленно;
• при работе с жидким гелием необходимо использовать защитные средства для тела, специальные перчатки, защитные очки и защитную обувь.

Газообразный гелий хранится и транспортируется в стальных баллонах (согласно ГОСТ 949-73). Баллон окрашен в коричневый цвет, с надписью «Гелий» белого цвета.

Применение гелия при сварке

Гелий может применяться в качестве инертного защитного газа при сварке нержавеющих сталей, цветных металлов и сплавов, химически чистых и активных материалов. Он обладает способностью обеспечивать повышенное проплавление, в связи с чем его иногда используют для проплавления больших толщин или получения специальной формы шва. Однако в связи с повышенным расходом и высокой стоимостью гелия по сравнению с аргоном область его применения ограничена.

Гелий также используется при лазерной сварке в смеси с другими газами для создания рабочей среды в газовых лазерах; в качестве плазмоподавляющего газа, подающегося в зону лазерной сварки; при плазменной сварке обычно в качестве добавки к плазмообразующему газу – аргону.

Техника безопасности

Индивидуальные средства защиты сварщика:

1. Костюм из спецткани, состоящий из брюк и куртки с длинными рукавами.
2. Перчатки сварщиков – защита рук.
3. Маска для защиты от ультрафиолетового излучения дуги. При таком виде сварки дуга горит намного ярче, чем при газовой, и дает более сильное УФ-излучение – солнечное. Это один из главных вредных факторов при сварных работах в среде защитных газов.
4. Сварочный шлем с непрозрачными темными стеклами – защита глаз от вспышек дуги. Такой шлем полностью покрывает голову и шею, защищая от УФ-ожогов. Современные шлемы имеют жидкокристаллические самозатемняющиеся стекла (фотохромные), которые сами регулируют затемнение в зависимости от яркости дуги.

Оборудование рабочего места для сварки:

1. Обязательное наличие вентиляции. В процессе TIG-сварки есть риск образования ядовитых газов и токсичных соединений применяемых материалов для очистки и обезжиривания места сварки. Также возможно образование озона и оксидов азота.
2. Применение прозрачного сварочного щитка из ПВХ-пленки. Это защитит от ультрафиолетового излучения сварочной дуги людей, находящихся рядом.

Гелий – солнечный газ

Гелий химический элемент, атомный номер 2, атомная масса 4,0026, относится к инертным газам, без цвета и запаха. Объемное содержание гелия в воздухе 0,00052%. Гелий значительно легче воздуха, плотность 0,1785 кг/м3 при нулевой температуре и нормальном давлении. Температура кипения -268,9°С. Потенциал ионизации 25,4 В. Бесцветный, неядовитый, негорючий и невзрывоопасный газ, хорошо диффундирует через твердые тела. Химическая формула — He.
Гелий получают из гелийсодержащих природных газов, минералов и воздуха (см. Способы получение гелия)

Впервые гелий был обнаружен во время солнечного затмения 1868 г. астрономы впервые применили спектроскопию для исследования атмосферы Солнца.

24 октября 1868 г. Французская академия наук получила два сообщения — от Пьера Жюль Сезара Жансена (Pierre Jules Cesar Janssen) из Индии и от Джозефа Нормана Локьера (Joseph Norman Lockyer) из Лондона — об открытии ими в спектре солнечной короны новой ярко-желтой линии, которой впоследствии был присвоен символ D3. Совпадение двух независимых сообщений из разных концов мира свидетельствовало о возможности методами спектроскопии проникнуть в тайны солнечной атмосферы и других далеких звезд.

Вопрос о том, какому веществу отвечает линия D3, долго еще оставался открытым. Было лишь установлено, что в спектрах элементов, известных на нашей планете, пока не обнаружено спектральной линии, подобной ярко-желтой линии D3. Локьер ошибочно считал, что раскаленный газ, излучение которого дает таинственную линию D3, является модификацией водорода, не встречающейся на Земле.

В августе 1871 г. Кельвин заявил, что линия D3 до сих пор не идентифицирована с каким-либо земным элементом. Возможно, что она принадлежит новому веществу, которому Локьер и Жансен предложили дать название гелий (от греческого слова гелиос — солнце).

В 1895 г. Сэр Уильям Рамзай (Sir William Ramsay) изучал газ, выделенный им из минерала клевеита, и в гейслеровой трубке неожиданно обнаружил яркую желтую линию. Выдающийся спектроскопист того времени Уильям Крукс (William Crookes) определил длину волны новой линии (5874,9 А) и установил, что это линия D3, на этом основании Рамзай сообщил (23 марта 1895 г.) об открытии им гелия на Земле. Такова история открытия важнейшего представителя группы инертных газов — гелия, который сначала был обнаружен в солнечной атмосфере, а затем (через 27 лет) — на Земле.

Вскоре гелий был обнаружен в других минералах и горных породах, содержащих уран. Наличие гелия в земной коре позволило сделать вывод о его содержании в атмосфере, хотя многие ученые утверждали, что этот легкий газ, выделяющийся из земной коры, полностью уносится из атмосферы в космическое пространство. Вскоре Генрих Кайзер, а затем Зигберт Фридлендер (1896 г.), а также Эдвард Бэли в результате анализа первой выпаренной фракции жидкого воздуха доказали присутствие гелия в атмосфере.

В промышленности гелий применяют в меньших масштабах, чем аргон. Чаще всего его используют:

• хладагент – охлаждение сверхпроводящих магнитов в медицинских сканерах МРТ;
• металлургия – выплавка чистых металлов;
• подводно-спасательное дело – в составе дыхательных смесей;
• сварочное производство – защитный газ;
• в индустрии развлечений – заполнение шариков.

В связи с тем, что гелий примерно в 10 раз легче аргона, что понижает эффективность защиту сварочной ванны при сварке в нижнем положении, но способствует лучшей защите при сварке в потолочном положении, поэтому расход гелия при сварке увеличивается в 1,5-3 раза.

Применяют его в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния.

Гелий становится предпочтительнее аргона при необходимости дополнительной защиты швов при сварке в потолочном положении. Особенно при сварке титановых сплавов и других химически активных металлов, поглощающих азот и кислород не только в расплавленном состоянии, но и в твердом при нагреве выше определенной температуры.

Однако не только защитные свойства аргона и гелия различны. Различными являются и характеристики дуги в этих газах. Так, при одинаковой силе тока напряжение дуги в гелии значительно выше, чем дуги в аргоне. Такая дуга имеет большую проплавляющую способность и менее концентрирована (создает иную форму проплавления, более равномерную, в то время как дуга в аргоне при сварке, например, титановых сплавов вольфрамовым электродом дает большое проплавление в центре и значительно меньшее по краям ванны). Перепад напряжения в столбе дуги в гелии больше, чем в аргоне, поэтому изменение длины дуги заметнее сказывается на напряжении и общей ее теплоэффективности (см. статью «Свойства сварочной дуги в инертных газах — аргоне и гелии»).

Форма шва и проплавление для различных защитных газов

В зависимости от применения аргона или гелия меняется и поверхностное натяжение на границе металл-газовая фаза. Так, для хромоникелевых сталей аустенитного класса поверхностное натяжение жидкого металла при сварке в гелии заметно меньше, чем в аргоне. Это сказывается и на формировании поверхности швов. Более плавные переходы от шва к основному металлу, при сварке в гелии, имеют место и для других металлов, в частности титановых сплавов и в ряде случаев оказывают влияние на некоторые характеристики работоспособности сварных соединений.

Стоимость гелия значительно выше, чем аргона, поэтому применяют его в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния.

Чаще всего гелий используют для образования инертных газовых смесей. Обладая большей плотностью, чем гелий, такие смеси лучше защищают металл сварочной ванны от воздуха и увеличивают производительность сварки в целом. В смеси в полной мере реализуются преимущества обоих газов:

• аргон — обеспечивает стабильность горения дуги;
• гелий — обеспечивает высокую степень проплавления.

Методы определения доли примесей и условий поставки гелия регламентируются ГОСТ 20461. Транспортируют и хранят гелий в газообразном состоянии в стальных баллонах при давлении 15 МПа или в сжиженном состоянии при давлении менее 0,2 МПа.

Баллоны с гелием окрашены в коричневый цвет с надписью белыми буквами «ГЕЛИЙ». Баллоны должны соответствовать требованиям ГОСТ 949.

Коэффициенты перевода объема и массы гелия при Т=15°С и Р=0,1 МПа

Коэффициенты перевода объема и массы гелия при Т=0°С и Р=0,1 МПа

Газ в баллоне

Объем баллона, л

Масса газа в баллоне, кг

Объем газа (м3) при Т=15°С, Р=0,1 МПа

Давление гелия в баллоне при различной температуре окружающей среды

Температура окружающей среды

Давление в баллоне, МПа

Специфика электродов

Наиболее применяемые электроды марок:

1. ЭВЧ – чистый вольфрам. Используют только на переменном токе.
2. ЭВЛ – вольфрам с окисью лантана.
3. ЭВИ – вольфрам с окисью иттрия.
4. ЭВТ – вольфрам с окисью тория.

Диаметр электрода выбирают по справочной таблице в зависимости от источника питания и марки электрода. Такой электрод имеет температуру плавления около 40000С, поэтому его удобно использовать для сварки металлов, у которых плавление происходит при гораздо меньшей температуре.

Вольфрамовый электрод не выкидывают, а только зачищают и затачивают определенным образом.

Гелий

Гелий химический элемент, атомный номер 2, атомная масса 4,0026, относится к инертным газам, без цвета и запаха. Объемное содержание гелия в воздухе 0,00052%. Гелий значительно легче воздуха, плотность 0,1785 кг/м3 при нулевой температуре и нормальном давлении. Температура кипения -268,9°С. Потенциал ионизации 25,4 В. Бесцветный, неядовитый, негорючий и невзрывоопасный газ, хорошо диффундирует через твердые тела. Химическая формула — He.
Гелий получают из гелийсодержащих природных газов, минералов и воздуха (см. Способы получение гелия)

Впервые возможность сварки в среде инертных газов исследовал американец Чарльз Л. Коффин (Charles L. Coffin) в конце 19 века. Однако, даже в начале 20 века сварка таких материалов, как алюминий и магний была затруднена из-за их высокой активности в кислороде воздуха.

В начале 1930-х годов в США для сварки начали применять инертные газы, наполняемые в сосуды. Немного позднее в авиастроении был внедрен процесс сварки магния на постоянном токе. Этот процесс усовершенствовал и доработал Рассел Мередит (Russel Meredith) из Нортроп Эйркрафт (Northrop Aircraft).

Рассел Мередит разработал конструкцию горелки и запатентовал процесс Heli-Arc welding под номеро 2274631 для сварки магния и его сплавов. Таким образом, 1941 год является годом рождения TIG сварки. Позднее Рассел Мередит продал все права на использования патента и торговой марки HELIARC компании Линде Дивижн (Linde Division).

В статье Сварка в инертных газах вольфрамовым электродом (TIG) мы уже давали описание аргонодуговой (TIG) сварки, но как говорится «вместо тысячи слов» рекомендуем посмотреть данное видео.

Источники питания

Источники постоянного тока:

1. Универсальный сварочный выпрямитель ВДУ.
2. Источники серии ВСВУ.
3. Специализированный источник ТИР-300Д.
4. Специализированные установки: УДГ-161, УДГ-501-1.

Источник переменного тока: трансформатор для ручной дуговой сварки.

Инверторные источники питания:

1. Источник ДСУ200АУ.
2. Источник ДС200А.3.

Гелий в сварке

Гелий – это инертный газ, который не имеет цвета и запаха. В большинстве металлов этот газ практически нерастворим. Он значительно легче воздуха. Плотность гелия – 0,179 кг/м3. Температура его сжижения составляет -269 °С.

Гелий негорюч, нетоксичен, невзрывоопасен. Однако при высоких концентрациях в воздухе может вызвать удушье и состояние кислородной недостаточности. Жидкий гелий представляет собой бесцветную жидкость, которая может вызвать поражение слизистой оболочки глаз и обморожение кожи.

Гелий получают из природных газов путем фракционной конденсации (сжижением). При этом примеси, которые имеют более высокую по сравнению с гелием температуру сжижения, превращаются в жидкость. После ряда сопутствующих химических очисток выполняется окончательная очистка гелия, которая заключается в пропускании его через активированный уголь. В гелии, который используется для сварки, остается небольшое количество водорода, азота, кислорода, неона, углеводородов и влаги.

Применение гелия при сварке

Гелий может применяться в качестве инертного защитного газа при сварке нержавеющих сталей, цветных металлов и сплавов, химически чистых и активных материалов. Он обладает способностью обеспечивать повышенное проплавление, в связи с чем его иногда используют для проплавления больших толщин или получения специальной формы шва. Однако в связи с повышенным расходом и высокой стоимостью гелия по сравнению с аргоном область его применения ограничена.

Гелий также используется при лазерной сварке в смеси с другими газами для создания рабочей среды в газовых лазерах; в качестве плазмоподавляющего газа, подающегося в зону лазерной сварки; при плазменной сварке обычно в качестве добавки к плазмообразующему газу – аргону.

Особенности выполнения качественного шва

Движение горелкой совершается только вдоль оси шва, что дает более узкий и качественный шов.

Окончание сварки и заваривание кратера выполняется уменьшением величины тока. Ни в коем случае не прекращать сварку удлинением дуги.

Присадка и место сварки всегда должны находиться в среде защитного газа.

Правильное движение электрода:

1. Горизонтальные швы выполняют справа налево, «от себя», «на себя». W-электрод направляют точно в угол. Присадочную проволоку подают впереди горелки.
2. Вертикальные швы: электрод направляется точно в угол под углом. Присадка подается сверху.
3. Потолочные швы ведут «на себя». Горелка расположена почти вертикально. Проволока подается перед горелкой.