В качестве сварочной смеси применяют аргон и углекислый газ

Аргон был первым из открытых инертных (благородных) газов. Его название в переводе с греческого означает «медленный». И оно себя оправдывает, так как его особенностью, как и других инертных газов, является очень низкая химическая активность.

Этот газ был открыт в 1894 году при исследовании состава воздуха. Он удивил ученых тем, что не вступал во взаимодействие ни с какими веществами, даже самыми активными. Первоначально было сложно понять, как использовать газ, не вступающий в реакции. Но позже стало ясно, что именно это его свойство является по-настоящему уникальным.

Аргон имеет довольно значительное содержание в воздухе, поэтому его получают как побочный продукт, при добыче кислорода и азота из воздуха в специальных аппаратах методом низкотемпературной ректификации. О данном сопособе получения уже упоминалось в статье о характеристах и свойствах аргона, а здесь мы рассмотрим процесс более подробно.

• Получение аргона путем двойной ректификации воздуха
• Процесс получения аргона
• Способы очищения аргона

• История открытия
• Способы получения
• Применение
• Вредность и опасность
• Хранение и транспортировка
• Характеристики аргона

На данный момент известны изотопы аргона с массовыми числами от 29 до 54, но в в земной атмосфере он представлен тремя стабильными изотопами:

• 40Ar (изотопная распространённость 99,600 %)
• 36Ar (изотопная распространённость 0,337 %)
• 38Ar (изотопная распространённость 0,063 %)

Инертные газы не вступают в реакцию с другими веществами, не участвуют в синтезе химических соединений, не поддерживают процессы горения. И тем не менее, такие газы широко применяются в промышленности, где их физико-химические свойства максимально востребованы и актуальны. Один из таких газов – аргон. Его задействуют в сварочных операциях, раскрое металла, химических реакциях, на пищевых производствах, при сборке электроники и т. д.

Свойства и характеристики газа аргона

Важнейшее отличительное качество аргона – его инертность, то есть неспособность вступать в любые химические реакции. Этот газ тяжелее воздуха, практически не растворяется в воде, при нормальных условиях бесцветный, не имеет вкуса и запаха, не подвержен горению, отличается низкой теплопроводностью. Аргон не ядовит, его доля в воздушной массе составляет 0,9 % объема. Газ имеет плотность 1,784 кг/м3, температура кипения в ректификационной установке -185,8 °C. Благодаря доступности получения и низкой стоимости потребность заказать аргон с доставкой возникает у множества промышленных предприятий, строительных компаний и научно-исследовательских центров.

Применение аргона в различных отраслях

Аргон востребован во многих отраслях промышленности, в народном хозяйстве и даже в быту. Его применение распространено в следующих сферах:

• пищевое производство – при помощи газа из резервуаров вытесняют кислород и воду для долгого хранения продукции, добавка в виде аргона также применяется в производстве упаковки продовольственных товаров;
• металлообработка – аргон создает защитную среду, благодаря которой металлы и сплавы не вступают в реакцию с кислородом во время сварки, также газ используют при плазменном раскрое и резке;
• изготовление осветительного оборудования – с применением аргона люминесцентные лампы и лампы накаливания становятся более долговечными и эффективными;
• сборка стеклопакетов – газом заполняют светопрозрачные конструкции для лучшей тепло- и звукоизоляции окон;
• медицина – аргон задействуют в методах щадящей хирургии, при остановке кровотечений;
• химическая отрасль – используя аргон, специалисты анализируют чистоту веществ, обрабатывают металлы и расплавы.

Как лучше приобретать аргон?

Потребителям доступен аргон двух видов: в сжиженном и газообразном состоянии, в зависимости от сферы применения и условий эксплуатации. Наиболее выгодный вариант покупки – обмен баллонов с аргоном. Обменивая старые баллоны, клиент сразу же получает аттестованные заполненные емкости, готовые к эксплуатации. В случае если заказчик впервые приобретает газ, ему необходимо купить новую заполненную емкость, также готовую к использованию. В дальнейшем баллон используют для обмена. При необходимости у компании-поставщика технических газов можно приобрести дополнительное газобаллонное оборудование, например горелки.

Сварочные смеси применяются в сварочном производстве относительно недавно и связано это в первую очередь с высокой стоимостью отдельных компонентов: аргона и гелия. До середины 90-х годов повсеместно в странах СНГ для сварки полуавтоматом углеродистых сталей применяли углекислый газ, поскольку он тяжелее воздуха и хорошо обеспечивает защиту сварочной ванны, а для сварки алюминия и нержавеющих сталей — аргон, так как он, являясь инертным газом препятствует окислению и выгоранию легирующих элементов. Но по ряду отрицательных характеристик, однокомпонентные газы заменяются двух-, трех- и даже четырехкомпонентными сварочными смесями, чтобы полностью использовать все положительные качества каждого отдельно взятого газа.

Сварочная смесь — это простонародный термин, в нормативных документах на сварку, а точнее в ISO 14175 и ГОСТ Р ИСО 14175 используют термин «газовая смесь» поэтому в тексте будем применять оба этих наименования.

газ, состоящий из основного газа и одного или более компонентов

газ, составляющий большую часть объема газовой смеси, или единственный компонент чистого газа

Стоимость защитных газов и сварочных смесей составляет менее 10% от общей стоимости всех затрат на сварку, но это не означает, что их выбору не стоит уделять должного внимание. Правильный выбор защитного газа или сварочной смеси позволяет снизить затраты на ручной труд, а также на исправление дефектов сварных швов. Выбор защитного газа является критичным для снижения стоимости сварки углеродистых сталей, нержавеющих сталей и цветных металлов.

В настоящее время сварка в среде защитных газов является достаточно востребованным технологическим процессом. Для газопитания оборудования используют газовые баллоны с заранее приготовленной смесью, специальные смесители, а в редких случаях — специальные двойные сопла.

В качестве компонентов газовой смеси используют инертные и активные газы. Напоминаем, что к инертным газам, применяемым в сварке, относятся:

Активными газами являются:

Защитные газы и газовые смеси применяют в следующих процессах:

• сварка вольфрамовым электродом TIG
• полуавтоматическая сварка в активных газах MAG
• полуавтоматическая сварка в инертных газах MIG
• плазменная сварка
• плазменная резка
• лазерная сварка
• лазерная резка
• дуговой пайкосварки
• защиты корня шва или других вспомогательных целей

Газовая смесь из углекислого газа и кислорода

Углекислый газ является основным компонентом данной смеси активных газов, а в качестве дополнительного компонента применяется кислород. Кислород повышает степень окисления защитного газа и увеличивает температуру жидкотекучести металла сварочной ванны. При его применении необходимо применять проволоку с повышенным содержанием раскислителей.

При применении сочетания из углекислого газа и кислорода для сварки с повышением содержания кислорода коэффициент перехода элементов значительно снижается. Особенно сильно уменьшается коэффициент перехода марганца, меньше других — углерода и хрома. При наплавке проволокой Св-18ХГСА добавка к углекислому газу 30% кислорода приводит к снижению коэффициентов перехода хрома с 0,79 до 0,64 и марганца с 0,72 до 0,45. Значительно снижаются коэффициенты перехода с увеличением расхода сварочной смеси и чистого углекислого газа.

Коэффициент перехода углерода с повышением содержания кислорода снижается в большей степени, чем с повышением расхода смеси. Это объясняется тем, что с увеличением расхода углекислоты (отдельно или в смеси) увеличивается количество диссоциирующейся окиси углерода и усиливается растворение образующегося при этом углерода.

Коэффициенты перехода отдельных элементов зависят от химического состава проволоки и увеличиваются с повышением сварочного тока и уменьшением напряжения дуги. Например, при наплавке проволокой Св-08Г2С коэффициенты перехода углерода значительно выше, а марганца ниже, чем при использовании проволоки Св-18ХГСА.

Добавка кислорода к углекислому газу оказывает ряд положительных эффектов:

• уменьшает разбрызгивание
• снижает прилипание брызг к изделию
• повышает стабильность горения дуги
• улучшает формирование шва
• уменьшает высоту усиления и чешуйчатость сварного шва
• швы имеют более плавный переход к основному металлу по сравнению со швами, выполненными в углекислом газе без кислорода
• связывает водород и уменьшает его влияние на образование пор
• снижает поверхностное натяжение сварочной ванны
• увеличивает время пребывания ванны в жидком состоянии из-за чего происходит более полное удаление неметаллических включений и лучшая дегазация металла ванны

Смесь углекислого газа с кислородом широко применяется для сварки углеродистых и низколегированных сталей.

Оптимальным считается состав 70-80 % углекислого газа и 20-30 % кислорода. При данном соотношении получается ровный сварной шов без грубой чешуйчатости, обеспечивается глубокое проплавление, увеличивается плотность шва. Наряду с этим на поверхности шва образуется тонкий слой шлаковой корки, после удаления которой шов имеет серебристый цвет. При дальнейшем увеличении содержания кислорода в смеси более 30 % поверхность сварного шва имеет грубую чешуйчатость. Сварка в смеси углекислоты с кислородом возможна во всех пространственных положениях.

Основными преимуществами сварки в комбинации углекислого газа с кислородом с увеличенным вылетом электрода по сравнению со сваркой в углекислом газе и обычным вылетом являются повышение производительности процесса на 20-25 %, сокращение затрат на зачистку швов от брызг, улучшение внешнего вида и качества швов.

Газовая смесь аргона с азотом

Смеси аргона с добавление азота имеют ограниченное применение, но об этом мы писали в статье об азоте и поэтому не будем здесь повторяться.

Способы получения аргона

Аргон получают как побочный продукт, при производстве кислорода и азота из воздуха методом низкотемпературной ректификации (см. получение аргона)

Сварочные смеси из аргона и кислорода

При полуавтоматической сварке в смеси аргона и кислорода наблюдается снижение критического тока, при котором крупнокапельный перенос металла переходит в мелкокапельный, а также значительно стабилизируется сварочная дуга. Сварочная ванна остается в жидком состоянии более продолжительное время, что уменьшает вероятность образования подрезов сварного шва и улучшается форма усиления сварного шва.

Добавка небольшого количества кислорода к аргону обеспечивает такие же характеристики струйного переноса металла дуги, как и при добавлении небольшого количества аргона. Отличие в основном заключается в том, что для струйного переноса металла дуги в среде аргона с углекислотой необходим больший ток, по сравнению со смесью с кислородом.

Добавка кислорода к аргону значительно повышает стойкость шва против образования кристаллизационных трещин. При концентрации 3-14% кислорода стойкость шва против образования трещин практически одинакова, а при содержании более 14% кислорода она значительно снижается.

Кислород при определенных концентрациях улучшает стабильность дугового разряда и в тоже время способствует большему выгоранию углерода из металла сварочной ванны. Избыток кислорода в защитном газе вызывает образование пористости в металле шва, а при недостаточном содержании раскислителей в проволоке снижение прочностных показателей сварных соединений. Поэтому к аргону обычно добавляют небольшого количества кислорода от 1 до 5%.

Сварочная смесь с 1% кислорода применяется для сварки нержавеющих сталей. Данного количества кислорода обычно достаточно для стабилизации дуги, улучшение струйного переноса металла дуги и сплавления металла шва с основным металлом и как следствие улучшение внешнего вида валика сварного шва.

Газовые смеси с 2% кислорода применяют для сварки углеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей. Механические свойства и коррозионная стойкость сварного шва при данном составе такие же, как и с 1% кислорода, а смачиваемость расплавленного металла шва намного лучше. Поверхность сварного шва после сварки нержавейки полуавтоматом в данной комбинации газов темнее и более окисленная.

Сварочная смесь с 5% кислорода применяется для полуавтоматической сварки углеродистых сталей. При этом, из-за повышенного содержания кислорода необходимо увеличивать скорость сварки.

Смесь аргона с 8-12% кислорода применяется довольно редко в основном для сварки углеродистых и низколегированных сталей больших толщин за один проход. При этом ухудшается формирование шва и необходимо применять сварочную проволоку с повышенным содержанием легирующих элементов, поскольку присутствие кислорода увеличивает окислительный потенциал и усиливает выгорание раскислителей.

Сочетание аргона с 12-25% кислорода имеет специальное предназначение. При её использовании ванна расплавленного металла имеет большую текучесть, а на поверхности сварного шва образуется плотная, плохо удаляемая шлаковая корка. Количество кислорода в шве при этом значительно возрастает.

Если двойная смесь содержит более 25% кислорода, то в швах появляются поры.

Сочетание аргона с кислородом, в котором содержится 3-11% О2, оптимальны как с точки зрения стойкости против образования трещин, так и по другим сварочно-технологическим характеристикам.

Процесс получения аргона

Схематично процесс добычи аргона описывается следующим образом. Вначале воздух очищается от пыли и сжимается до сжижения. Жидкий воздух подвергается ректификации с целью разделения его на составные части. Получающаяся аргоно-азотно-кислородная смесь (сырой аргон) затем очищается от кислорода и азота.

Разделение воздуха и попутное извлечение из него аргона в промышленном масштабе осуществляется путем сжижения и ректификации при низкой температуре.

Жидкий кислород под давлением 101 кПа кипит при температуре -182,9°С, а жидкий азот — при температуре -195,8°С. Поэтому пары жидкого воздуха при кипении обогащаются легкокипящим азотом, температура кипения которого почти на 13°С ниже, чем у кислорода. Одновременно происходит обогащение кипящей жидкости кислородом. Благодаря этому, в ректификационной разделительной колонке, где непрерывно кипит жидкий воздух и конденсируются его пары, удается получить одновременно кислород (в нижней части) и азот — (в верхней части). Большая часть жидкого аргона, температура кипения которого -185,3°С, скапливается в средней части колонки, откуда в смеси с кислородом и азотом отводится (так называемая аргонная фракция) в специальную аргонную колонну, смонтированную вместе с воздухораспределительным аппаратом. Здесь аргонная фракция (содержащая 8-12% аргона, 0,2-0,3% азота, остальное — кислород) подвергается дополнительной ректификации и обогащается аргоном до 85-95% (остальные 15-5% составляет смесь азота и кислорода). Этот продукт называют сырым аргоном, из него на последующих этапах очистки получают чистый Ar.

Присоединение аргонной колонны к аппарату двойной ректификации воздуха

• воздухоразделительный аппарат
• аргонная колонка
• переохладитель

Хранение и транспортировка аргона

Газообразный и жидкий аргон поставляется по ГОСТ 10157. Хранят и транспортируют газообразный аргон в баллонах по ГОСТ 949 под давлением 15МПа.

Стальные баллоны должны соответствовать ГОСТ 949. Баллон окрашивается в серый цвет с зеленой полосой и зеленой надписью «АРГОН ЧИСТЫЙ».

Возможна транспортировка аргона в жидком виде в специальных цистернах или сосудах Дьюара с последующей его газификацией.

Сварочные смеси из аргона, углекислого газа и кислорода

Сварка полуавтоматом в смеси аргона с кислородом и углекислым газом обеспечивает более благоприятные условия кристаллизации металла шва. Форма провара в этом случае близка к треугольной, что способствует повышению стойкости швов против образования трещин. Её еще называют «универсальной» поскольку она позволяет производить сварку с короткими замыканиями, капельным, струйным и импульсными переносом металла.

Стоимость тройной газовой смеси, состоящей из аргона, углекислого газа и кислорода будет больше, чем стоимость двойной из аргона и углекислого газа. Количество ее в баллоне примерно равно количеству двойной комбинации Ar + CO2, и колеблется в зависимости от объема углекислого газа.

Тройные сварочные смеси более чувствительны к изменениям вылета сварочной проволоки и качеству подготовки поверхности. Сварочные смеси с кислородом обычно требуют более низкого напряжения дуги. Дуга менее стабильна при сварке и наплавке с высокой скоростью.

По всей совокупности сварочно-технологических характеристик оптимальным считается следующий состав тройной сварочной смеси:

• 70% (основа) — аргон (Ar)
• 25% — углекислый газ (CO2)
• 5% — кислород (O2)

При этом в производственных условиях незначительное колебание содержание газов в данном сочетании практически не влияет на стойкость шва против образования трещин.

Что лучше углекислота или сварочная смесь?

Использование газовой смеси для сварки полуавтоматом вместо однокомпонентных газов позволяет без существенного изменения технологии и оборудования увеличить производительность сварки. При этом повышается стабильность электрической дуги, улучшается текучесть расплавленного металла и перенос электродного металла в сварочную ванну.

При сварке в сварочных смесях легко реализовать все виды переноса электродного металла:

• короткозамкнутого
• струйного
• импульсно-струйного

При этом улучшается стабильность дуги, уменьшается разбрызгивание и достигается лучшее смачивание верхней части шва.

К основным преимуществам сварки полуавтоматом в смеси из аргона и углекислого газа по сравнению со сваркой в углекислоте:

Уменьшения расхода электроэнергии происходит за счет обеспечения оптимальных режимов сварки. Практические испытания показали, что напряжение дуги на 2-3 В меньше при использовании сочетания аргона с углекислым газом и на 3-5 В — при использовании комбинации аргона с кислородом, чем при сварке в чистом углекислом газе.

Повышение механических свойств металла шва при сварке в газовых смесях, объясняется меньшим содержанием неметаллических включений в шве и более благоприятным формированием его первичной структуры. Сварка в сварочных смесях позволяет также получать швы без трещин, с хорошим формированием структуры при практически полном отсутствии разбрызгивания электродного металла.

Результаты практических исследований позволяют заключить, что газовые смеси могут быть использованы для многослойной сварки высокопрочных сталей без последующей термообработки, когда необходимо обеспечить высокую ударную вязкость литого металла шва при хорошем его формировании и отсутствии разбрызгивания электродного металла.

Применение газовой смеси взамен углекислого газа приводит к сокращению времени сварки и очистки, экономии потребления электроэнергии, уменьшение удельного износа оборудования, но возрастает стоимость газа. Зато в результате замены углекислого газа на сварочные смеси на основе аргона экономия составляет 10-40% в зависимости от объемов производства.

Таким образом, эффективность замены углекислоты защитными газовыми смесями при полуавтоматической сварке сталей для промышленного производства несомненна.

Но если сварочная смесь лучше, почему же до сих пор используют углекислоту в качестве защитного газа? У всех есть свои недостатки, и у сварочной смеси — это высокая стоимость. Даже недостаток в виде повышенного светового и теплового излучения сварочной дуги не оказывает особого влияния при выборе между смесью и углекислым газом. Многие делают свой выбор в пользу более дешевых защитных газов, но в результате тратят больше средств.

Недостатки однокомпонентных защитных газов при сварке полуавтоматом

Сварке полуавтоматом в углекислом газе присущи серьёзные недостатки, в первую очередь, потери электродного металла (10-12%) на разбрызгивание, значительные трудозатраты на зачистку поверхности основного металла от брызг. Кроме того, сварные швы, выполненные в углекислом газе, имеют грубую чешуйчатость, большую высоту усиления, с резким переходом к основному металлу. При использовании чистого углекислого газа мундштук загрязняется брызгами металла, а скорость подачи сварочной проволоки меньше, чем при использовании смеси газов. Все это резко снижает эффективность процесса.

Разбрызгивание электродного металла можно устранить, если добиться струйного переноса электродных капель. При сварке в углекислом газе это возможно только при значительных плотностях тока, что затрудняет проведение сварочных работ и не обеспечивает надежного управления процессом. Снизить потери электродного металла возможно следующими способами:

• использование источников питания инверторного типа
• применение активированных сварочных проволок и с дополнительным легированием редкоземельными элементами
• использования в качестве защитной среды смеси газов на основе аргона.

Сварку полуавтоматом в инертном газе аргоне целесообразно применять при сварке нержавейки. Применение аргона в качестве защиты зоны дуги от окружающего воздуха в данном случае вызвано стремлением сократить окисление легирующих элементов, входящих в состав жидкого металла, и тем самым сохранить эксплуатационные свойства сварного соединения. Однако использование для защиты зоны сварки чистого аргона затруднено не только по экономическим соображениям (высокая стоимость газа), но и по некоторым технологическим недостаткам, проявляющимся при сварке (блужданием дуги и возможностью появления пор в корне шва). При сварке дуга издает громкий звук и имеет голубой цвет. Подвижность дуги при сварке в аргоне особенно заметна при малых скоростях плавления сварочной проволоки. Причиной считают особенности ионизации аргона. Появление пор в корне шва является следствием недостаточно интенсивного выделения газов из жидкого металла сварочной ванны.

Дополнительные трудности при сварке в чистом аргоне и в чистом углекислом газе заключаются в предотвращении прожогов в стыковых соединениях. Для исключения прожога более предпочтительно нахлёсточное соединение, так как имеется больше металла для теплоотвода.

Газовая смесь аргона с гелием и кислородом

Добавка гелия к смеси аргона с кислородом увеличивает энергию дуги при сварке цветных металлов. Довольно редко данную комбинацию применяют при сварке низколегированных или нержавеющих сталей с целью уменьшения пористости и улучшения формы сварного шва.

Получение и использование

Применяемый в настоящее время аргон является побочным продуктом разделения воздуха на кислород и азот. В воздухе его содержится порядка 1%, что достаточно много. Выпускаемый производителями газ может иметь различную чистоту, вплоть до газа особой чистоты с объемной долей 99,999%.

Сферы использования аргона очень разнообразны, основные варианты:

• защитная инертная среда при выполнении сварочных работ;
• обработка металлов;
• плазменная сварка и резка;
• заполнение ламп накаливания и стеклопакетов;
• выращивание монокристаллов.

Одной из основных областей использования аргона является сварка и горячая обработка металлов. Он применяется в качестве инертной среды в ситуациях, когда необходимо предотвратить окисление расплавленного металла кислородом воздуха. В первую очередь, это различные виды сварки и горячей обработки металлов.

Так, широко распространена аргонно-дуговая сварка. В частности, она применяется для сварки цветных металлов и легированной стали, титана, ряда редких металлов. Также аргон востребован в металлургии при плавке и обработке металлов для их защиты от окисления, используется в оборудовании для плазменной резки.

Применяется он и в других сферах деятельности. Им заполняют колбы ламп накаливания, стеклопакеты, он необходим при выращивании кристаллов и в ряде других областей деятельности. Большое значение имеет его чистота – если для сварки достаточно чистоты 99,7-99,8%, то для выращивания кристаллов германия и кремния используется аргон чистотой 99,999%.

ООО «ПТК «Криоген» является производителем чистых и технических газов. Если у вас появились вопросы по производству, применению или приобретению аргона, вы всегда можете позвонить по телефонам: +7 (343) 363-68-88 или +7 (800) 551-65-98.

Сварочные смеси из аргона и углекислого газа

Двойные сварочные смеси аргона и углекислого газа оптимальны при полуавтоматической сварке большинства марок углеродистых и нержавеющих сталей, когда используют обычный или импульсно-струйный перенос металла.

Благодаря добавке углекислоты в аргон наблюдается снижение поверхностного натяжения жидкого металла расплавляемой сварочной проволоки, уменьшается размер, образующихся и отрывающихся от электрода капель. Расширяется диапазон токов при сохранении стабильного ведения процесса сварки. Обеспечивается лучшее формирование металла шва и меньшее разбрызгивание, лучшая форма провара и меньшее излучение дуги, по сравнению со сваркой в чистом аргоне, а также в чистом углекислом газе.

При использовании сочетания с углекислотой достигается лучшее проплавление с меньшей пористостью по сравнению со смесями с кислородом. В тоже время для обеспечения смачивания валика сварного шва требуется примерно в два раза больше углекислого газа, чем при использовании в комбинации с кислородом.

Применение газовых смесей легко позволяет реализовать режим струйного переноса металла через дугу и достичь практически идеальной формы сварного шва. Благодаря снижению значения плотности сварочного тока и, как результат, падение давления электрической дуги на сварочную ванну уменьшается вероятность образования прожога тонкостенных деталей даже при большой силе тока и скорости сварки.

При выборе оптимального состава необходимо учитывать, что при наличии углекислого газа до 35-40% интенсивно выгорает марганец (Mn), кремний (Si), титан (Ti) и некоторое уменьшение потерь углерода. Снижение потерь углерода объясняется тем, что из-за роста доли углекислоты в смеси увеличивается парциальное давление СО в газовой фазе и, как следствие, тормозится реакция окисления углерода в жидкой фазе. Повышение доли углекислоты более 40% не вызывает дальнейшего роста потерь элементов, и они становятся аналогичными сварке в чистом углекислом газе.

Сварочная смесь из аргона с 3-10% углекислого газа

Данное сочетание газов применяется для струйного переноса металла дуги или короткими замыканиями углеродистых сталей различной толщины. Она является универсальной и довольно популярной из-за того, что может успешно использоваться оба типа переноса металла. Смесь с 5% углекислоты часто применяется для импульсной сварки полуавтоматом толстостенных конструкций из низколегированных сталей во всех пространственных положениях. При наличии от 5% до 10% углекислого газа столб дуги становится жестким и имеет четкий контур. Возникающее сильное давление дуги делает ее устойчивой к окалине и позволяет хорошо контролировать ванну расплавленного металла.

Сварочная смесь из аргона с 11-20% углекислоты

На данный момент — это самая популярная комбинация газов, которую применяют для сварки углеродистых и низколегированных сталей во всех пространственных положениях. Применение данного сочетания позволяет достичь максимальной производительности при сварке тонкостенных деталей в т.ч. и за счет минимального разбрызгивания.

Оптимальный считается состав 75-82% аргона (Ar) и 18-25% углекислоты (CO2). При содержании менее 15% углекислого газа и отклонении параметров режима сварки от оптимальных в швах возможно появление пор. В общем случае одного баллона стандартной сварочной смеси (18% углекислоты и 82% аргона) достаточно, чтобы уложить в шов 22-24 кг сварочной проволоки диаметром 1,2 мм.

Сварочная смесь из аргона с 21-25% углекислого газа

Данное сочетание газов применяют при необходимости сварки полуавтоматом низкоуглеродистых и низколегированных сталей с короткозамкнутым переносом металла. Первоначально ее применяли для полуавтоматической сварки сплошной проволокой диаметром 0,8 — 1,0 мм и сейчас чаще используется при сварке порошковой проволокой.

Данное сочетание имеет ограниченное применение поскольку при содержании углекислоты выше 30% процесс сварки протекает практически так же, как в чистом углекислом газе. При этом не обеспечивается надлежащее формирование сварного шва и проявляется усиленное разбрызгивание электродного металла, а проплавление узкое и глубокое. В швах с такой формой провара столбчатые кристаллиты встречаются в осевой зоне под углами, близкими к 180°. В данных местах значительно возрастает вероятность появление трещин.

Присутствие большого количества углекислоты в смеси оказывает существенное влияние на геометрические размеры швов. Например, при сварке током 100 А, напряжении дуги 25 В и введении 40% углекислоты в аргон высота усиления шва снижается с 2 до 1,6 мм, ширина шва увеличивается с 8,6 до 9,5 мм, а глубина проплавления — от 1,6 до 1,9 мм. Более заметное влияние на форму проплавления наблюдается при сварке большими токами. Снижение высоты усиления и увеличение ширины шва свидетельствует о рассредоточенном вводе тепла в основной металл. Этому способствуют процессы рекомбинации оксида углерода и кислорода, а также блуждание активного пятна дуги по поверхности сварочной ванны. В связи с присутствием в зоне дуги и сварочной ванне окиси углерода, которая рафинирует жидкий металл при своем выделении, в шве отсутствуют поры. Кроме того, на формирование шва влияет также напряжение дуги, вид переноса металла и интенсивность блуждания активного пятна дуги по поверхности сварочной ванны. Увеличение напряжения не только вызывает рост тепловой мощности сварочной дуги, но и способствует блужданию дуги (за счет удлинения дугового промежутка), а это, в свою очередь, увеличивает ширину проплавления. Вид переноса металла в основном сказывается на неравномерности проплавления дугой основного металла. При снижении диаметра капель стабилизируются размеры зоны проплавления.

Способы очищения аргона

Сырой аргон от кислорода можно очищать несколькими способами. Один из них основан на каталитическом окислении водорода, содержащегося в сыром аргоне, при температуре 400-500° С. Вследствие тоге, что при этом способе продукты реакции смешиваются с очищенным аргоном, необходимо, чтобы они легко отделялись от него. Для этой цели применяется только электролитический водород, не содержащий примесей, загрязняющих аргон. Так как при этом способе очистки содержание кислорода не должно быть более 2-2,5%, в схеме предусмотрена циркуляция газа для разбавления сырого аргона очищенным газом, не содержащим кислорода. Циркуляция газа осуществляется с помощью газодувки.

Водяной пар, полученный в результате соединения водорода с кислородом в контактном аппарате, конденсируют в холодильнике и удаляют через влагоотделитель, после чего газ осушают. Полученная смесь аргона с азотом подвергается ректификации по схеме, которая аналогична применяемой при ректификации воздуха. При этом используется насос для жидкого аргона, что позволяет избежать загрязнения чистого газа при его сжатии и заполнении баллонов. При помощи компрессора смесь аргона и азота сжимается и через ресивер подается в блок адсорбционной осушки, где из нее удаляются остатки влаги. После этою через теплообменник смесь поступает в ректификационную колонку, где охлаждается до температуры сжижения выходящими из колонки продуктами разделения — азотом и аргоном.

Для обеспечения условий ректификации и восполнения потерь холода в ректификационную колонку подают жидкий азот и парообразную кислородно-азотную смесь из основного воздухоразделительного аппарата. Чистый Ar собирается в нижней части колонки, а «отбросный» азот отводится в атмосферу из верхней части колонки через теплообменник.

Существуют и другие способы его получения, например при производстве синтетического аммиака. Его получают при синтезе азотно-водородной смеси в колонках. В продувочном газе содержится 10-19% аргона, и именно из этого газа его и извлекают.

Считается, что аргон, выделенный при производстве аммиака, имеет более низкую себестоимость.

В любом случае качество газа зависит от совершенства систем очистки и от точности определения малых примесей азота, кислорода, водорода и паров воды в аргоне.

Характеристики аргона

Характеристики Ar представлены в таблицах ниже:

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

Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:

• Сколько литров в баллоне аргона?Ответ: 40 литров
• Сколько аргона в баллоне 40л?Ответ: 6,5 м3 или 10,85 кг
• Сколько весит баллон с аргоном 40 литровОтвет:
  58,5 кг — масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
  10,85 — кг масса аргона в баллоне;Итого: 58,5 + 10,85 = 69,35 кг вес баллона с аргоном.

Давление аргона в баллоне при различной температуре окружающей среды

Сварочные смеси гелия с аргоном применяются для сварки полуавтоматом (MIG) и сварки вольфрамовым электродом (TIG) в основном цветных металлов:

• алюминий
• медь
• никелевые сплавы
• магниевые сплавы
• химически активные металлы

Данная комбинация в полной мере реализуются преимущества обоих газов:

• аргон обеспечивает стабильность дуги
• гелий — высокую глубину проплавления

Как правило, чем толще свариваемые детали, тем больше необходим процент гелия в смеси. Малое содержание гелия, меньше 20%, не оказывает существенного влияние на сварочную дугу. С увеличением содержания гелия, напряжение дуги и отношение ширины сварного шва к глубине поправления, увеличивается. При сварке алюминия в среде аргона с 20% гелия, уменьшается пористость сварного шва. Стабильное горения и струйный перенос метала сварочной дуги происходит при условии наличия более 20% аргона.

Добавление 25% гелия в аргон необходимо если требуется увеличить тепловложение и улучшить внешний вид сварного шва при сваре цветных металлов.

При необходимости увеличения скорости сварки цветных металлов толщиной менее 20 мм механизированными способами, процент гелия повышают до 50%.

Добавление 75% гелия к аргону позволяет производить сварку алюминия толщиной более 25 мм в нижнем положении.

Сочетание аргона с 90% гелия используются для сварки меди толщиной более 12 мм и алюминия толщиной более 40 мм.

Оптимальным является соотношение 35-40% аргона и 60-65% гелия.

Для сварки цветных металлов и специальных сплавов наиболее эффективна двойная смесь, состоящая из аргона и гелия, которая обеспечивает хорошее формирование швов и глубокое проплавление основного металла. При ее использовании снижается разбрызгивание и улучшается стабильность дугового процесса.

Общая стоимость комбинации газов аргона с гелием значительно ниже, чем при использовании чистого гелия.

Как выбрать газ для сварки?

Сварочные смеси с активными газами применяют для сварки полуавтоматом (MAG). Cмеси инертных газов применяются как для полуавтоматической сварки (MIG), так и для сварки неплавящимся электродом (TIG). В очень редких случаях смеси с азотом применяют для сварки неплавящимся электродом.

Применение двух- или трехкомпонентной сварочной смеси определяется толщиной свариваемого изделия, его химическим составом и требованиями к качеству сварного шва. Выбор оптимального сочетания газов зависит от требуемого характера переноса металла, вида сварки и оптимизации характеристик электрической дуги. Трехкомпонентные сварочные смеси применяют очень редко.

При выборе защитного газа необходимо учитывать толщину и тип свариваемого металла, положение при сварке, разряд сварщика и требования к качеству сварного шва.
Оптимальным считается вариант, когда при требуемом качестве сварного соединения необходимы минимальные затраты. Некоторые защитные газы, подобно аргону и гелию, достаточно дорогие, что ограничивает их широкое применение. К дополнительным затратам необходимо отнести и стоимость баллонов и их заправки. При выполнении сварки на открытом воздухе ветер и атмосферные осадки будут вынуждать увеличивать расход газа. Поэтому к выбору защитного газа необходимо подходить комплексно и учитывать множество факторов.

Для того, чтобы помочь правильно выбрать газ для сварки, в таблице ниже приводятся основные характеристики газовых смесей для сварки полуавтоматом (MIG, MAG, GMAW) и неплавящимся вольфрамовым электродом (TIG, GTAW).

Газовая смесь для сварки полуавтоматом (GMAW, MIG, MAG)

В таблице ниже представлены смеси для сварки полуавтоматом в зависимости от типа материала его толщины и состояния поверхности.

Газовая смесь для сварки порошковой проволокой (FCAW)

Сварка порошковой проволокой может осуществляться без газа, но данный способ рекомендуется использовать только в исключительных случаях и только на открытом воздухе т.к. газы выделяемые в процессе сварки очень вредны для здоровья сварщиков. При наличии выбора, предпочтение необходимо отдавать только сварке порошковой проволокой полуавтоматом в защитном газе. Ну а какой состав газов выбрать поможет таблица ниже.

Смеси защитных газов для сварки неплавящимся электродом (TIG, GTAW)

Для сварки неплавящимся электродом применяются только инертные газы, поскольку вольфрамовый электрод вступая в химическую реакцию с активными газами окисляется и разрушается. Для сварки нержавейки, в редких случаях, в составе газов используют водород.

В качестве небольшого заключения хочется сказать, что однозначно сварочные смеси имеют значительные преимущества и современное производство немыслимо без их использования. В данной статье предоставлено предостаточно информации, чтобы подобрать оптимальное сочетание газов как для сварки полуавтоматом, так и для сварки вольфрамовым электродом. А благодаря пониманию того, что от процентного содержания того или иного газа зависит не только поведение дуги во время сварки, но и химический состав и механические свойства сварного шва, инженеры и сварщики смогут более аргументированно подойти к выбору оптимального соотношения состава газов.

Получение аргона путем двойной ректификации воздуха

Аргон по летучести занимает промежуточное положение между азотом и кислородом — основными компонентами воздуха. Этим и объясняется специфическое поведение аргона при ректификации жидкого воздуха. Окончательное разделение жидкого воздуха на азот и кислород производится в колонне низкого давления воздухоразделительного аппарата. Дистиллятом этой колонны является газообразный азот, а нижним продуктом — газообразный или жидкий кислород.

Схема аппарата двойной ректификации воздуха

• колонна высокого давления
• колонна низкого давления
• промежуточный койденсатор-испаритель

В верхней части колонны низкого давления аргон выступает в роли тяжелолетучего (по сравнению с азотом) компонента, а в нижней части — легколетучего (по сравнению с кислородом). Этим объясняется существование в колонне низкого давления зон повышенной концентрации аргона в обеих секциях колонны — концентрационной (выше ввода жидкости из куба колонны высокого давления) и отгонной (ниже ввода). На распределение аргона по тарелкам ректификационной колонны низкого давления сильно влияет сопутствующий ему третий компонент — кислород. Содержание аргона в зоне повышенной концентрации верхней секции колонны возрастает по мере уменьшения содержания кислорода в дистилляте при неизменном составе продукционного кислорода (этого можно достичь увеличением числа тарелок в колонне).

Вредность и опасность аргона

Аргон не оказывает опасного воздействия на окружающую среду, но относится к асфиксантам (удушающий газ). Поскольку газообразный аргон тяжелее воздуха он может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается содержание кислорода в воздухе, что вызывает кислородную недостаточность и удушье. Поэтому можно сделать вывод, что в больших количествах аргон вреден для организма человека.

Жидкий аргон – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз человека.

Сварочная смесь из аргона, углекислого газа и водорода

Установлено, что небольшая добавка водорода (1-2%) улучшает стабильность дуги и смачиваемость расплавленного металла сварного шва при сварке нержавеющих сталей полуавтоматом в импульсном режиме. В данных смесях количество углекислоты должно быть в пределах 1-3% во избежание науглераживания металла и шва, и обеспечения стабильности дуги. Применение данной смеси не рекомендуется для сварки низколегированных сталей, поскольку наличие водорода в металле шва способствует образованию трещин и ухудшению механических свойств.

История открытия aргона

Аргон был открыт Джоном Уильямом Стреттом (John Strutt) и Сэром Уильямом Рамзаем (Sir William Ramsay) при исследовании азота, полученного из воздуха химическим путем. Несовпадение плотности этого газа при различных способах получения натолкнуло этих ученых на идею о присутствии в воздухе какого-то тяжелого инертного газа, который и был выделен ими в 1894 г. и назван argon, что с греческого переводится как «ленивый», «медлительный», «неактивный».

Наиболее часто аргон применяют:

• как защитный газ при сварке;
• как плёнкообразующий газ при плазменной сварке и резке;
• для вытеснения кислорода и влаги из упаковки при хранении пищевых продуктов, что увеличивает срок их хранения (пищевая добавка Е938);
• как газ для тушения огня в некоторых системах пожаротушения.

Применение аргона в сварке

Аргон применяют в качестве защитной среды при сварке активных и редких металлов (титана, циркония и ниобия) и сплавов на их основе, алюминиевых и магниевых сплавов, а также хромоникелевых коррозионностойких жаропрочных сплавов, легированных сталей различных марок.

Для сварки черных металлов аргон обычно используются в смеси с другими газами — кислородом, гелием, двуокисью углерода или водородом.

Аргон, являясь более тяжелым, чем воздух, своей струей лучше защищает металл при сварке в нижнем положении. Растекаясь по поверхности свариваемого изделия, он защищает достаточно длительно довольно широкую и протяженную зону как расплавленного, так и нагретого при сварке металла.

Низкий ионизационный потенциал аргона помогает получить превосходный профиль сварочного шва и сохранять хорошую и устойчивую дугу от начала до конца. В тоже время, низкий потенциал ионизации является причиной и низкого напряжения на дуге, что снижает тепловую мощность дуги. Для более подробной информации рекомендуем статью о свойствах сварочной дуги в инертных газах — аргоне и гелии.

Применение аргона позволяет повысить температуру сварочной дуги, что улучшает проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в целом. При этом проплавление приобретает «кинжальную» форму, что дает возможность выполнять однопроходную сварку в щелевую разделку металла больших толщин. При сварке в среде аргона (как и иных инертных газов) минимизируется выгорание активных легирующих элементов, что позволяет использовать более дешевые сварочные проволоки.

При TIG сварке аргон служит защитой не только для сварочной ванны от вредного воздействия воздуха, а также инертной защитой конца электрода.

Для дуговой сварки в целом аргон применяется гораздо чаще, чем гелий, однако при сварке листового алюминия толщиной менее 6 мм аргон рекомендуют смешивать с гелием, чтобы обеспечить нужную теплопроводность. В некоторых случаях аргонно-гелиевые смеси используют для зажигания дуги, после чего сварка происходит в присутствии гелия. Этот метод применяется для сварки толстолистового алюминия вольфрамовым электродом при постоянном токе.

Сварочная смесь из аргона, углекислого газа и гелия

Добавление гелия и углекислого газа к аргону увеличивает тепловую мощность и стабильность сварочной дуги, улучшается профиль усиления сварного шва. При сварке углеродистых и низколегированных сталей применение гелия оказывает почти такое же влияние на увеличение тепловложение и улучшение текучести сварочной ванны, как и кислород, но гелий является инертным и не способствует выгоранию легирующих элементов.

Газовая смесь из углекислого газа с 10-30% аргона и 5-15% гелия

Данное сочетание чаще всего применяют для полуавтоматической сварки углеродистых и низколегированных сталей в нижнем положении, когда необходима большая скорость сварки с максимальным проплавлением.

Газовая смесь из углекислого газа с 20-30% аргона и 60-70% гелия

Применяется для сварки с короткозамкнутым переносом металла высокопрочных сталей во всех пространственных положениях. Небольшое количество углекислоты позволяет гарантировать хорошие показатели ударной вязкости металла шва.

Газовая смесь из углекислого газа с 7-8% аргона и 90% гелия

Применяется для сварки полуавтоматом короткой дугой нержавеющих сталей во всех пространственных положениях. Минимальное количество углекислого газа необходимо для предотвращения науглераживания и обеспечения коррозионной стойкости сварного шва. Аргон с углекислотой обеспечивают стабильность горения дуги, а высокое содержание гелия — подвод тепла и более глубокое проплавление.

Газы и сварочные смеси по ГОСТ Р ИСО 14175

Смеси газовые, указанные в ГОСТ Р ИСО 14175 имеют собственную классификацию и обозначение. Рекомендуем обратить внимание на то, что газы и их комбинации, указанные в данном стандарте предназначены не только для сварки, а еще для резки и пайкосварки.

Газы и газовые смеси, в зависимости от реакционной способности, имеют следующую классификацию по группам:

• I — инертные газы и их смеси
• M — окислительные смеси, с кислородом (М1) или диоксидом углерода (М2) или оба газа вместе (М3)
• C — сильный окислительный газ или сильные окислительные смеси
• R — восстановительные газовые смеси
• F — химически пассивный газ или восстановительные газовые смеси
• N — малоактивный газ азот или восстановительные газовые смеси на основе азота
• O — кислород
• Z — газовые смеси, которые содержат компоненты, не указанные в стандарте или имеющие химический состав, выходящий за пределы диапазонов

Каждая группа газов, кроме группы Z, в зависимости от процентного содержания дополнительных газов, входящих в состав, имеет собственные подгруппы, которые обозначаются цифрами.

Классификационное обозначение газов и газовой смеси согласно ГОСТ Р ИСО 14175

ГОСТ Р ISO 14175 устанавливает требования о наличии в обозначении не только указание групп, но и дополнительное определение объемной доли компонентов (в процентах), входящих в сварочную смесь.

Компоненты имеют следующее обозначение:

• He — гелий
• Ar — аргон
• C — двуокись углерода
• H — водород
• N — азот
• O — кислород

Теперь, когда все более или менее понятно, можно приступить непосредственно к примерам обозначений.

Пример 1. Газовую смесь, содержащую 15% гелия (He), остальное — аргон (Ar), обозначают следующим образом:

Пример 2. Смесь в составе которой 3% углекислого газа (C), 0,5% водорода (H) и остальное аргон (Ar) имеет обозначение:

Пример 3. Газовая смесь, состоящая из 10% углекислого газа (C) и 3% кислорода (O), а остальное аргон (Ar) обозначается:

Пример 4. Сочетание 40% углекислоты (C), 5% кислорода (O) и аргона (Ar) обозначают:

ISO 14175-M33 — ArCO-40/5

Пример 5. Смесь из углекислого газа (C) 2% кислорода (O) обозначают:

Пример 6. Сочетание аргона и 5% водорода имеет обозначение:

Пример 7. Смесь из аргона (Ar) и 3% азота (N) обозначают:

Пример 8. Кислород имеет обозначение:

Пример 9. Газовая смесь из аргона (Ar) и 0,35% гелия (He) обозначается:

Пример 10. Газовая смесь из аргона (Ar), 1% кислорода (O2) и 5% азота (N) обозначается:

Пример 11. Сочетание гелия (He) и 0,04% ксенона (Xe) согласно ГОСТ Р ИСО 14175 имеет обозначение:

Понятное дело в стандарте есть требования к чистоте газов и допустимые отклонения по процентному содержанию компонентов в газе, но мы не будем останавливаться на этом детально, а лучше напишем о том, что должно быть на маркировке газового баллона.