Рекомендации к использованию газовых смесей

Сварка в защитных газах – один из ведущих технологических процессов соединения различных металлов.

Широко применяемый в сварочном производстве способ защиты сварочной ванны с помощью однокомпонентных газов (двуокись углерода или аргон) со временем не стал удовлетворять требованиям качества и производительности. Дальнейшим этапом повышения эффективности сварки при изготовлении сварных металлоконструкций стало применение многокомпонентных газовых смесей на основе аргона.

Изменяя состав газовой смеси можно в определенных пределах можно изменять свойства металла шва и сварного соединения в целом. Преимущества процесса сварки в газовых смесях на основе аргона проявляется в том, что возможен струйный и управляемый процесс переноса электродного металла. Эти изменения сварочной дуги – эффективный способ управления ее технологическими характеристиками: производительности, величиной потерь электродного металла на разбрызгивание, формой и механическими свойствами металла шва, а также величиной проплавления основного металла.

Газовые сварочные смеси и рекомендуемая область их применения.

Процентное содержание того или иного газа в смеси принимается исходя из толщины свариваемого металла, степени его легирования и требований, предъявляемых к сварным соединениям в зависимости от условий эксплуатации изделия. Области применения различных газовых смесей при сварке плавящимся электродом приведены в таблице 1, режимы сварки в таблицах 2 и 3.

Данные смеси проверены практикой, что позволяет рекомендовать их применение для получения качественного сварного соединения.

Защитные газовые смеси для сварки неплавящимся вольфрамовым электродом.

Инертная газовая смесь, состоящая из 30% He + 70% Ar дает более эффективный нагрев, чем аргон. Увеличивается проплавление и скорость сварки. Более ровная поверхность шва и, следовательно, меньшее использование сварочной проволоки;

Инертная газовая смесь, состоящая из 50% He + 50% Ar подходит для сварки материалов практически любой толщины;

Инертная газовая смесь, состоящая из 70% He + 30% Ar, наиболее применима для сварки тонких  материалов, может  существенно понизить пористость, увеличить скорость сварки и уменьшить, или даже устранить, необходимость подогрева.

Сварка неплавящимся электродом с использованием газовых сварочных смесей на основе инертных газов применяется для соединения цветных металлов и легированных сталей.

Таблица 1. Газовые сварочные смеси и рекомендуемая область их применения

Состав газовой сварочной смеси Свариваемые материалы Область применения
80-95% Ar + 20-5% CO2 Углеродистые и легированные конструкционные стали Капельный или струйный перенос электродного металла. Стабильность дуги. Сварка металлов широкого спектра толщин.
92% Ar + 6% CO2 + 2% O2 Углеродистые и легированные конструкционные стали Капельный или струйный перенос электродного металла. Идеально подходит для сварки металлов малых толщин.
85% He + 13,5% Ar + 1,5% CO2 Легированные и углеродистые конструкционные стали Сварка пульсирующей дугой. Дает великолепные чистые швы с гладким профилем с незначительным окислением поверхности. Идеален для тонких материалов, где высокая скорость сварки дает низкий уровень деформации материала.
43% Ar + 55% He + 2% CO2 Легированные и углеродистые конструкционные стали Низкий уровень армирования металла шва и околошовной зоны. Подходит для сварки металлов широкого спектра толщин.
60% Ar + 38% He + 2% CO2 Легированные и углеродистые конструкционные стали Капельный или струйный перенос электродного металла. Придает стабильность дуге, что обеспечивает низкий уровень разбрызгивания и снижает появление дефектов шва.
70% Ar + 30% He Цветные металлы и их сплавы. Средне и высоколегированные стали Инертная газовая смесь. Дает более эффектный нагрев, чем чистый аргон. Увеличивает скорость сварки. Обеспечивает глубокий провар, низкую пористость и ровную поверхность сварного шва.
50% Ar + 50% He Цветные металлы и их сплавы. Средне и высоколегированные стали Инертная, наиболее универсальная газовая смесь для сварки материалов любой толщины.
30% Ar + 70% He Цветные металлы и их сплавы. Средне и высоколегированные стали Инертная смесь, используется для толстых материалов, что позволяет существенно увеличить скорость сварки, уменьшить пористость и снизить применение необходимости подогрева. Дает ровный сварной шов с более глубоким проплавлением и меньшими дефектами.

Таблица 2. Рекомендуемые защитные газовые смеси и режимы сварки в зависимости от типа и толщины материала (сварка плавящимся электродом).

Материал Толщина, мм Рекомендуемая смесь Диам. свар. пров , мм Скорость сварки, мм/мин Iсв,  А Uд, В Скорость подачи проволоки, м/мин
Углеродистые конструкционные стали 1,0 92%Ar + 6%CO2 + 2%O2 0,8 350-600 45-65 14-15 3,5-4,0
1,6 92%Ar + 6%CO2 + 2%O2 0,8 400-600 70-80 15-16 4,0-5,3
3,0 92%Ar + 12%CO2 + 2%O2 1,0 280-520 120-160 17-19 4,0-5,2
6,0 92%Ar + 12%CO2 + 2%O2 1,0 300-450 140-160 17-18 4,0-5,0
6,0 92%Ar + 12%CO2 + 2%O2 1,2 420-530 250-270 26-28 6,6-7,3
10,0 92%Ar + 12%CO2 + 2%O2 1,2 300-450 140-160 17-18 3,2-4,0
10,0 82%Ar + 18%CO2 1,2 400-480 270-310 26-28 7,0-7,8
>10,0 82%Ar + 18%CO2 1,2 300-450 140-160 17-18 3,2-4,0
>10,0 92%Ar + 20%CO2 + 2%O2 1,2 370-440 290-330 28-31 10-12
Легированные стали 1,6 85%He + 13,5%Ar + 1,5%CO2 0,8 410-600 70-85 19-20 6,5-7,1
3,0 55%He + 43%Ar + 2%CO2 1,0 400-600 100-125 16-19 5,0-6,0
6,0 55%He + 43%Ar + 2%CO2 1,0 280-520 120-150 16-19 4,0-6,0
6,0 55%He + 43%Ar + 2%CO2 1,2 500-650 220-250 25-29 7,0-9,0
10,0 38%He + 60%Ar + 2%CO2 1,2 250-450 120-150 16-19 4,0-6,0
10,0 38%He + 60%Ar + 2%CO2 1,2 450-600 260-280 26-30 8,0-9,5
>10,0 38%He + 60%Ar + 2%CO2 1,2 220-400 120-150 16-19 4,0-6,0
>10,0 38%He + 60%Ar + 2%CO2 1,2 400-600 270-310 28-31 9,0-10,5
Алюминий и его сплав 1,6 30%He + 70%Ar 1,0 450-600 70-100 17-18 4,0-6,0
3,0 30%He + 70%Ar 1,2 500-700 105-120 17-20 5,0-7,0
6,0 30%He + 70%Ar 1,2 450-600 120-140 20-24 6,5-8,5
6,0 50%He + 50%Ar 1,2 550-800 160-200 27-30 8,0-10,0
10,0 50%He + 50%Ar 1,2 450-600 120-140 20-24 6,5-8,5
10,0 50%He + 50%Ar 1,6 500-700 240-300 29-32 7,0-9,0
>10,0 50%He + 50%Ar 1,2-1,6 400-500 130-200 20-26 6,5-8,0
>10,0 70%He + 30%Ar 1,2-1,6 450-700 300-500 32-40 9,0-14

Таблица 3. Рекомендуемые режимы сварки в смесях газов Ar + 12 ~ 18%CO2 (сварочная проволока СВ08Г2С ГОСТ 2246-70)

Uд, В G, кг/ч Lэл, мм D эл, мм Ψ, %
250-260 23-24 3,80 20 1,6 2,7
300-310 26-27 4,50 1,2
350-360 29-30 5,20 0,7
400-410 31-32 5,40 0,5
400-410 30-31 5,30 25 2,0 0,8
450-460 32-33 6,50 1,1
где  Iсв – сварочный ток, A;
Uд – напряжение на дуге, В;
G – вес наплавленного метала, кг/ч;
D эл – диаметр электродной проволоки, мм;
L эл – вылет электродной проволоки, мм;
Ψ – потери электродной проволоки на разбрызгивание, %.

Сравнительная оценка технологических характеристик сварочной дуги и механических свойств наплавленного металла, таблица 4 и 5, наглядно показывают эффективность применения газовых смесей по сравнению с СО2. Аналогичные сравнительные показатели эффективности гигиенической оценки процесса сварки, таблица 6.

Таблица 4. Сравнительные технологические характеристики

Защитный газ Iсв, А Uд, В Q, кг/ч Y, % aнб, %
СО2 200-210 22-23 2,3 4,7 1,5
300-310 30-33 4,3 6,7 2,0
97%Ar + 3% O2 200-210 21-22 3,0 1,4 0,2
300-310 29-30 4,7 0,5
82%Ar + 18% CO2 200-210 24-25 3,0 3,8 0,3
300-310 30-31 5,3 2,9 0,3
78%Ar + 20% CO2 + 2% O2 200-210 25-26 3,7 3,2 0,2
300-310 30-31 5,3 2,9 0,2
86%Ar + 12% CO2 + 2% O2 200-210 21-22 3,1 1,4 0,2
300-310 29-30 5,2 0,5
где Q — количество наплавленного металла за единицу времени, кг/ч;
Y — коэффициент потерь электродного металла на разбрызгивание, %:
aнб  — коэффициент набрызгивания, определяющий трудозатраты на удаление брызг с поверхности свариваемых деталей, %.

В таблице приведены средние значения коэффициентов по данным трех замеров. Сварка образцов произведена проволокой марки Св-10ГСМТ, d 1,4 мм.

Таблица 5. Механические свойства наплавленного металла

Защитный газ sт, МПа sб, МПа d, % Y, % KCU, Дж/см2
СО2 401 546 27,0 62,4 + 20°С — 40°С
97% Ar +3% O2 385 590 28,0 60,0 14,1 8,4
82% Ar + 18% CO2 395 580 30,0 65,0 20,0 12,0
78% Ar + 20% CO2 + 2% O2 392 583 29,5 63,5 24,0 16,0
86% Ar + 12% CO2 + 2% O2 390 585 29,0 63,0 23,5 15,3
  • В таблице приведены средние значения коэффициентов по данным трех замеров;
  • Сварка образцов произведена проволокой марки Св-10ГСМТ, d 1,4 мм.
  • Iсв=250-260А; Uд=23-25В

Гигиеническая оценка процесса механизированной сварки углеродистой стали в СО2 и многокомпонентных смесях на основе аргона

Сопоставление уровня валовых выделений твердой составляющей сварочного аэрозоля (ТССА) для различных сочетаний “защитная среда — проволока” проводились при сварке на режимах с различной погонной энергией, обеспечивающей хорошее качество сварных соединений.  При от-боре проб на исследование валовых выделений ТССА применен метод внутренней фильтрации на ткань ФПИ-15 и фильтры АФА-ХА-20 воздушного потока, аспирируемого из укрытия зоны свар-ки. Данные этих опытов приведены в таблице.

По этим результатам можно сделать вывод о том, что благодаря уменьшению окислительного потенциала защитной среды, при сварке в смесях газа на основе аргона обеспечивается уменьше-ние валовых выделений твердой фракции сварочного аэрозоля, а в ней — снижение содержания токсичных выделений окислов марганца и хрома.

Таблица 6. Уровень валовых выделений и химический состав ТССА при сварке в защитных газах

Защитная среда Сварочная проволока Режим сварки Валовые выделения
Iсв, А Uд,В г/мин г/кг
СО2 Св-10ГСМТ d 1,4 мм (в таблице приведены данные трех замеров) 230 28 0,39 5,60
300 31 0,83 9,07
350 33 0,71 5,35
Ar + СО2 230 26 0,38 5,55
300 28 0,69 6,59
350 30 0,46 3,49
Ar + СО2  + О2 230 26 0,34 4,98
230 28 0,39 5,60

Особенности сварки в смесях газов

Учитывая, что смесь газов на основе аргона легче, чем СО2, то при сварке необходимо соблю-дать некоторые условия:

  • Сварку вести, по возможности «углом» вперед;
  • Вылет сварочной проволоки должен быть оптимальным в зависимости от диаметра проволоки (15-20мм);
  • Исключить подсос воздуха, как в соединениях шлангов, так и сопла с горелкой.

В то же время необходимо отметить, что при сварке в смесях на основе аргона процесс сварки  стабилен, по сравнению со сваркой в СО2, даже при некоторой неравномерности подачи свароч-ной проволоки, а также наличия на поверхности проволоки следов технологической смазки и ржавчины.

Требования к исходным газам

Качество сварных соединений в значительной мере зависит от содержания растворенных в металле, так называемых, вредных газов – водорода, азота и их соединений

Поэтому защитные газовые смеси должны иметь в своем составе строго ограниченное количество вредных примесей.

Водород способствует образованию пористости при кристаллизации металла и является одним из главных факторов образования холодных трещин, то есть трещин, которые образуются при 200ºC и ниже в процессе охлаждения сварного соединения.

Водород поступает в металл сварного шва преимущественно через влагу защитных газов.

Азот в большинстве случаев вызывает снижение пластичности металла, пористость и дру-гие дефекты.

Отрицательное воздействие на качество сварного шва оказывает так же и пары воды, содержа-щиеся в защитном газе. При воздействие высоких температур вода разделяется на составляющие водород и кислород. Если кислород выводится в шлаковую фазу, то водород оказывает свое нега-тивное влияние описанное выше.

Поэтому для получения сварочных газовых смесей необходимо использовать газы, которые должны по своему составу соответствовать принятым нормам (см. таблицу 7).

Таблица 7.

№ п/п Наименование газа ГОСТ, ТУ Сорт Примечание
1 Аргон 10157-89 Высший Или по ТУ 6-5761810-01-92
2 Двуокись углерода 8050-85   Массовая концентрация водяных паров при Т=20ºC и давлении 760 мм рт. ст. на уровне высшего сорта, то есть 0,037 г/м3
3 Технический
кислород
5583-78 Первый Массовая концентрация водяных паров при Т=20ºC и давлении 760 мм рт. ст. на уровне 0,005 г/м3  вместо 0,05 г/м3 по ГОСТу.
4 Гелий газообразный 51-940-80 Марка А
Марка Б
Объемная доля водяных паров не более:
Марка А – 0,0005%; Марка Б – 0,002%