Защитни газове за заваряване

Заваряването в защитна газова среда е процес, при който се използва инертен газ за защита на заваръчния шев при процеса на заваряване. По време на процеса на заваряване между електрода на заваръчно оборудване и детайла възниква волтова дъга.

Тя създава топлина, която разтопява краищата на металните парчета на детайла и те се съединяват. Волтовата дъга разтопява и консуматива - електрод, без който процесът на заваряване е невъзможен. В резултат се формира заваръчният шев.

Газовете, използвани за заваряване в защитна газова среда, включват аргон, хелий, въглероден диоксид или комбинация от газове като аргон и кислород.

При електродъговата заварка с метал в защитна газова среда се използва сменяем електрод - консуматив. Той е твърд електрически проводник, изработен от метал, който се разтопява и запълва кухините между листовете по време на заварката. Между електрода и металния лист, който бива заварен, се образува волтова дъга.

Инертен газ окръжава заварката, като я предпазва от окисляване. Този метод се прилага за въглеродна стомана, нисколегирани стомани, неръждаеми стомани и преди всичко за алуминиеви, медни и цинкови сплави. Заваряването в среда от инертен газ може да се използва за метали с дебелини, вариращи от 0,5 mm до 6,3 mm.

При волфрамовата заварка в защитна газова среда се използва нестопяем електрод, изработен от волфрам. За разлика от заваряването с метал, волфрамовото не изисква запълващ материал. Този метод може да се използва за същите метали, както електродъговата заварка с метал, но е много по-полезен при заваряване на два листа от различни метали. Едно от предимствата на волфрамовата заварка е, че тя може да присъедини парчета с дебелина до 0,125 mm.

Местоположението и външният вид, който трябва да има заваръчният шев, определят коя форма на заваряване в защитна газова среда следва да се използва за конкретно приложение. Електродъговата заварка с метал в защитна газова среда е по-евтина и не изисква високо ниво на експертен опит от страна на оператора.

При нея обаче заваръчният шев е неравномерен, поради използването на сменяем електрод в качеството на пълнежен материал.

Волфрамовата заварка в среда от инертен газ е малко по-скъпа от заваряването с метали, но е за препоръчване, ако външният вид на заваръчния шев е от значение. По време на заварката наоколо не се образуват пръски, тъй като несменяемият волфрамов електрод не използва никакъв материал-запълнител. Този метод обаче изисква по-висока квалификация и опит на оператора. Най-често използваният инертен газ за волфрамовата заварка е аргонът.

При заваряването в среда от инертни газове се получават по-чисти, непрекъснати и по-дълги заваръчни шевове, особено при по-тънки материали. Недостатък е, че оборудването е по-голямо и по-трудно преносимо, а и по-скъпо от това за другите видове заварки. Друго ограничение е, че заваряването в защитна среда от инертен газ трябва да се извършва на закрито.

Защитни заваръчни газове
Защитните газове се разделят на две категории - инертни или полуинертни. Само два от благородните газове - хелий и аргон, са достатъчно икономически ефективни, за да се използват при заваряване. Тези инертни газове се използват при заваряването с волфрамов електрод в защитна газова среда, а също и в електродъговото заваряване на цветни метали в защитна газова среда.

Инертните газове аргон и хелий в чисто състояние се използват само за някои цветни метали. Полуинертните защитни газове, или активните защитни газове, са въглероден диоксид, кислород, азот и водород.

Най-важните свойства на защитните газове са тяхната топлопроводимост и топлопредаване, тяхната плътност в сравнение с въздуха и лекотата, с която се йонизират. Газовете, по-тежки от въздуха (например аргон), ограждат плътно заварката и изискват по-ниски скорости на газовия поток в сравнение с газовете, по-леки от въздуха (като хелия).

Топлопредаването е от значение за нагряването на заваръчния шев около дъгата. От способността на газа да се йонизира зависи колко лесно се стартира волтовата дъга и колко високо напрежение се изисква. Защитните газове могат да се използват чисти или като смес от два или три газа. При лазерното заваряване защитният газ има допълнителна роля: предотвратява образуването на облак от плазма над заварката, като поглъща значителна част от лазерната енергия.

Това е важно за лазерите с въглероден диоксид; Nd: YAG лазерите имат по-малка склонност да образуват такава плазма. Хелият изпълнява тази роля най-добре: благодарение на своя висок потенциал за йонизация, газът може да поеме голямо количество енергия, преди да се йонизира.

Хелият е инертен газ с висока топлопроводимост, който не влиза в химическа реакция със стопените метали. Той не се йонизира лесно и затова изисква по-високо напрежение за започване на волтовата дъга.

Заради по-високия си потенциал за йонизация, хелият създава по-гореща волтова дъга при по-високо напрежение, в резултат на което заваръчният шев е по-широк и по-дълбок. Това е от полза при заваряване на алуминиеви, магнезиеви и медни сплави. Често пъти са добавят и други газове. Смеси от хелий, 5-10% аргон и 2-5% въглероден диоксид (т. нар. тройна смес) се използват за заваряване на неръждаема стомана.

Хелият се използва и за заваряване на алуминий и други цветни метали, особено при по-дебели заварки. В сравнение с аргона, хелият създава по-богата на енергия, но по-малко стабилна волтова дъга. Хелият се използва като защитен газ при лазерни заварки с лазери с въглероден диоксид.

Той е по-скъп от аргона и изисква по-големи газови потоци, така че, въпреки неговите предимства, той може да не е икономически ефективен при масови заварки в големи количества. Чистият хелий не се използва със стомана, тъй като създава хаотична дъга и подпомага образуването на пръски.

Кислородът се използва в малки количества като допълнение към други газове – обикновено като 2-5-процентна добавка към аргон. Той подобрява стабилността на волтовата дъга и намалява повърхностното напрежение на стопения метал, повишавайки “овлажняването” на твърдия метал.

Кислородът се използва за заваряване на меки въглеродни, нисколегирани и неръждаеми стомани. Наличието на кислород в защитния газ увеличава количеството на шлаката. Аргон-кислородните смеси (Ar-O2) често пъти се заменят от такива от аргон и въглероден диоксид.

Смесите от аргон, въглероден диоксид и кислород също се използват. Кислородът предизвиква окисляване на заваръчния шев, поради което не е подходящ за заваряване на алуминий, магнезий, мед и някои редки метали.

Повишеното съдържание на кислород в защитния газ предизвиква окисляване на електрода, което може да доведе до порьозност на отложения стопен метал от електрода, в случай че последният не съдържа достатъчно деоксидиращи добавки. Прекалено голямото количество кислород, особено в случаи, когато той се използва за цел, за която не е препоръчан, може да доведе до крехкост на зоната, подложена на високи температури.

Смесите от аргон и кислород със съдържание 1-2% на последния се използват за аустенитна неръждаема стомана, където сместа аргон-CO2 не може да се използва поради изискване за ниско съдържание на въглерод в заваръчния шев; в такъв случай заварката има твърдо покритие от окислен метал и може да изисква почистване.

Водородът се използва за заваряване на никел и някои неръждаеми стомани, най-вече на по-дебели парчета. Той повишава вискозитета на разтопения метал и подобрява чистота на повърхността.

Това обаче може да доведе до водородна крехкост на много сплави и особено на въглеродна стомана, така че неговото приложение обикновено се ограничава само до няколко неръждаеми стомани. Водородът се добавя към аргон в количества обикновено под 10%.

Той може да се добави към смеси от аргон и въглероден диоксид, за да противодейства на окислителни реакции на въглероден диоксид. Освен това се стеснява волтовата му дъга и се повишава температурата й, което води до по-добро проникване на заварката.

При по-високи концентрации (до 25% водород) може да се използва за заваряване на проводими материали като мед. Въпреки това, водородът не трябва да се използва за заваряване на стомана, алуминий или магнезий, тъй като това може да доведе порьозност и водородна трошливост.

Добавянето на азотен оксид служи за намаляване на генерирането на озон. Азотният оксид може да стабилизира дъгата при заваряване на алуминий и високолегирана неръждаема стомана.

Други газове също могат да бъдат използвани за специални цели – чисти или като добавки към смеси - например серният хексафлуорид или дихлородифлуорометанът. Серният хексафлуорид може да бъде добавен към защитен газ за заваряване на алуминий, за да се свърже с водорода в зоната на заваръчния шев и да се намали порьозността на заварката.

Дихлородифлуорометанът с аргон може да се използва за защитна атмосфера за топене на алуминий-литиеви сплави. Това намалява съдържанието на водород в алуминиевата заварка, предотвратявайки свързаната с него порьозност.

Често употребявани смеси
Смесите от аргон и въглероден диоксид са следните:
• C-50 (50% аргон/50% CO2) се използва за електродъгово заваряване на тръби с къса дъга.
Ш C-40 (60% аргон/40% CO2) се използва за някои случаи на електродъгово заваряване със сърцевина от флюс. Има по-добро проникване на заварката в сравнение с C-25.
• C-25 (75% аргон/25% CO2) най-често се използва от любители и за производство в малки количества. Ограничено е до заваряване в режим на чести къси съединения и заваряване с кълбовиден трансфер. Често се използва за електродъгово заваряване с къса дъга (чести къси съединения) в защитен газ на нисковъглеродни стомани.
• C-20 (80% аргон/20% CO2) се използва за заваряване чрез късо съединение и за спрей-трансфер заваряване.
• C-15 (85% аргон/15% CO2) се използва най-често в промишлени предприятия за заваряване на въглеродни и нисколегирани стомани. Подходяща е за по-дебели плочи и стомана, значително покрита с валцовъчен угар. Тази газова смес гарантира малко пръски и добро проникване на заварката. Подходяща е за заваряване в режим на чести къси съединения, заваряване с кълбовиден трансфер и за спрей-трансфер заваряване. Гарантира максимална продуктивност при тънки метални плочи в режим на чести къси съединения. Има по-малка склонност за прогаряне, отколкото смесите с по-високо съдържание на CO2, както и приемливо количество отлагания при заваряването.
• C-10 (90% аргон/10% CO2) се използва най-често в промишлени предприятия. Тази газова смес гарантира малко пръски и добро проникване на заварката, макар и по-малко от това на C-15 и е подходяща за много стомани. Приложенията й са същите като на сместа 85/15. Достатъчна за феритни неръждаеми стомани.
l C-5 (95% аргон/5% CO2) се използва за заваряване на нисколегирани стомани чрез спрей-трансфер и късо съединение. По-добре работи със стомана, покрита с валцовъчен нагар, и е с по-малко пръски в сравнение с аргон-кислородната смес, макар и не колкото C-10. По-малко загрява, отколкото C-10. Достатъчна за феритни неръждаеми стомани. Работните й характеристики са като на сместа от аргон и 1% кислород.

Аргон-кислородните смеси включват:
• O-5 (95% аргон/5% кислород) е най-често използваната газова смес за общо заваряване на въглеродни стомани. По-високото й съдържание на кислород позволява по-висока скорост на заваряване. Кислородното й съдържание е повече от 5%, поради което защитният газ окислява електрода, което води до порьозност на отлагания метал, ако електродът не съдържа достатъчно дезоксидатори.
• O-2 (98% аргон/2% кислород) се използва за електродъгово заваряване на неръждаема стомана, на въглеродни стомани и на нисколегирани стомани. Разтопеният материал се разпространява по-добре от O-1. Заваръчният шев е по-тъмен и по-окислен от този на O-1. Добавеният 2% кислород подобрява спрей-трансфера, което е от критично значение за спрей-трансфер електродъговото и импулсното спрей-трансфер електродъгово заваряване в защитна газова среда. 
• O-1 (99% аргон/1% кислород) се използва за неръждаеми стомани. Кислородът стабилизира волтовата дъга.

Аргон-хелиевите смеси включват:
• A-25 (75% аргон/25% хелий) се използва за цветни метали, когато се изисква по-висока температура на заваряване и по-добър външен вид на заваръчния шев. 
• A-50 (50% аргон/50% хелий) се използва за цветни метали, по-тънки от 2 cm, при високоскоростно механизирано заваряване.
• A-75 (25% аргон/75% хелий) се използва за механизирано заваряване на дебели алуминиеви плочи. При заваряване на мед заваръчният шев е с намалена порьозност.

Аргон-водородните смеси включват H-2 (98% аргон/2% водород), H-5 (95% аргон/5% водород), H-10 (80% аргон/20% водород), H-35 (65% аргон/35% водород).

Друга смес е на аргон с 25-35% хелий и 1-2% CO2. Тя гарантира добра производителност и качествени заваръчни шевове на детайли от аустенитна неръждаема стомана. Може да се използва за заваряване на неръждаема с въглеродна стомана.

От друга страна, газовата смес от аргон-CO2 с 1-2% водород атмосфера, която намалява съдържанието на кислород по повърхността на заваръчния шев, подобрява разтопяването и проникването. Добра е за заваряване на аустенитна неръждаема стомана.

Газовата смес от аргон с 2-5% азот и 2-5% CO2, използвана при заваряване чрез късо съединение, дава добра форма и цвят на заваръчния шев и повишава скоростта на заваряването. По отношение на спрей-трансфер и импулсната спрей-трансфер заварка, тя е с почти същите качества, както другите тройни смеси.

При заваряване на неръждаема и въглеродна стомана в присъствието на азот трябва да се гарантира подходяща микроструктура на заваръчния шев. Азотът повишава стабилността на волтовата дъга и проникването й и намалява разрушаването на заварявания детайл.

При заваряване на два детайла от неръждаема стомана подпомага поддържането на подходящо съдържание на азот. 85-95% хелий могат да бъдат смесени с 5-10% аргон и 2-5% CO2, което е индустриалният стандарт за заваряване в режим на чести къси съединения на въглеродни стомани.