Выбор правильного щитового газа для различных применений Gmaw

Выбор подходящего защитного газа имеет решающее значение для производства высококачественных сварных швов в сварке газометаллической дуги (GMAW). Защитный газ защищает бассейн расплавленной сварки от атмосферного загрязнения, стабилизирует дугу и влияет на форму сварного шарика, проникновение, механические свойства и общую эффективность. С многочисленными вариантами газа и смесями, выбор правильного для конкретного применения требует четкого понимания материалов, параметров сварки и желаемых результатов. Эта статья предоставляет всестороннее руководство по защитным газам GMAW, их свойствам и их приложениям, позволяя сварщикам принимать обоснованные решения для более прочных, чистых и более экономичных сварных швов.

Понимание роли щитового газа в GMAW

В GMAW непрерывный проводной электрод подается через сварочный пистолет, и между проводом и заготовкой устанавливается электрическая дуга. Защитный газ, обычно доставляемый через сопло вокруг электрода, вытесняет окружающий воздух - в первую очередь кислород и азот - который в противном случае вступал бы в реакцию с расплавленным металлом, вызывая пористость, хрупкость и окисление. Помимо предотвращения загрязнения, газовый состав непосредственно влияет на характеристики дуги, такие как стабильность, ввод тепла, режим передачи (короткое замыкание, шаровое, распыление или импульсный) и полученный профиль сварки. Оптимальный выбор газа уменьшает брызги, минимизирует очистку после сварки и повышает производительность.

Щитовые газы, используемые в GMAW

В то время как чистые газы используются для конкретных металлов, многие применения выигрывают от смесей, которые сочетают в себе сильные стороны отдельных компонентов. Ниже приведены наиболее распространенные защитные газы и их ключевые характеристики.

Диоксид углерода (CO]2)

CO2 является единственным реактивным газом, широко используемым в качестве чистого защитного газа в GMAW. Он предлагает глубокое проникновение и высокие скорости осаждения, что делает его экономичным для толстых секций углеродистой стали. Однако чистый CO2 производит нестабильную дугу в режиме переноса распыления и склонен к брызгам, особенно в режиме короткого замыкания и шаровой передачи. Он лучше всего подходит для внепозиционной сварки на тяжелой конструкционной стали, где требуется глубокое проникновение и некоторые брызги приемлемы. Недавние достижения в источниках питания с контролируемым волновым сигналом смягчают некоторые проблемы брызг, но CO2 остаётся выбором, основанным на стоимости. Для максимального качества сварки многие операторы предпочитают аргон-CO2.

Аргон (Ar)

Аргон представляет собой инертный газ, обеспечивающий стабильную, гладкую дугу с минимальным брызгами. Он является основным газом для сварки цветных металлов, таких как алюминий, медь и титан, а также широко используется для нержавеющих сталей и углеродистых сталей при смешивании с активными газами. Чистый аргон поддерживает режим переноса распыления при более высоких уровнях тока, производя чистый, высококачественный сварной шов с отличным внешним видом бусин. Более низкая теплопроводность аргона по сравнению с гелием приводит к более узкой, более концентрированной дуге, которая идеально подходит для тонких материалов и точного управления. Недостатки включают более высокую стоимость, чем CO2 и меньшее проникновение на толстые стальные секции при использовании в одиночку.

Гелий (He)

Гелий, другой инертный газ, обладает более высокой теплопроводностью и потенциалом ионизации, чем аргон. Это приводит к более широкой, более мощной дуге с большим теплоприводом, что делает его выгодным для сварки толстых, высокопроводящих материалов, таких как алюминий и медь. Гелий увеличивает скорость сварки и глубину проникновения, но он значительно дороже аргона и требует более высоких скоростей потока для поддержания того же защитного эффекта. По этим причинам гелий редко используется в одиночку; вместо этого он смешивается с аргоном (например, смеси гелия-аргона) для баланса стоимости, теплопривода и дуговых характеристик. Общие смеси включают 75% He / 25% Ar для алюминия и 50% He / 50% Ar для медных сплавов.

Смешанные газы (Argon-CO2 Смеси)

На сегодняшний день самым популярным защитным газом для углеродистой стали GMAW является бинарная смесь аргона и углекислого газа. Смесь сочетает в себе устойчивость дуги и уменьшенный брызги аргона с более глубоким проникновением и более низкой стоимостью CO2. Общие соотношения включают:

Трехкомпонентные смеси (например, Ar + CO2 + O2 или Ar + He + CO2) также используются в современных приложениях для тонкой настройки свойств сварки для нержавеющей стали и высокопрочных сплавов.

Приложения и рекомендуемые газы

Оптимальный защитный газ значительно отличается от основного материала, толщины соединения, положения сварки и желаемых механических свойств. Следующие разделы предлагают руководство для общих применений GMAW.

Углеродистая сталь - легкий каучук и тонкие материалы

Для листового металла и других тонкоуглеродистых стальных секций (до 3 мм или 1⁄8 дюйма) широко рекомендуется смесь 75% Ar / 25% CO 2 . Она обеспечивает стабильную дугу при низких токах, минимизирует прогорание и производит минимальный брызги. Для еще более чистых сварных швов некоторые операторы используют смесь 90% Ar / 10% CO 2 , но стоимость и доступность часто благоприятствуют смеси 75 / 25. В автоматизированных или роботизированных приложениях 95% Ar / 5% CO 2 могут достичь почти безвредных результатов.

Углеродная сталь - тяжелая и структурная сталь

При сварке более толстых пластин (6 мм и выше) для конструкционной стали, сосудов под давлением или тяжелого оборудования существуют два основных варианта. Чистый CO]2 предлагает самое глубокое проникновение и самую низкую стоимость газа, что делает его пригодным для передачи брызг во всех положениях. Однако увеличенный брызг и менее стабильная дуга могут быть недостатком. Смесь 80% Ar/ 20% CO2 обеспечивает хороший компромисс: более глубокое проникновение, чем C25, с улучшенной стабильностью дуги по сравнению с чистым CO2. Для передачи распыления на толстых секциях (требует более высокого тока) полезна смесь с до 90% Ar. Производители, такие как Lincoln Electric и Miller, опубликовали подробные рекомендации на основе типа и толщины проволоки; проконсультируйтесь с их направляющими для щитящего газа для конкретных параметров.

Нержавеющая сталь

Сварка нержавеющей стали требует защитных газов, которые сохраняют коррозионную стойкость и избегают осадков карбида. Общий выбор включает:

Алюминий и другие неферрозные металлы

Алюминий требует инертного газа, чтобы избежать образования оксида и пористости. Наиболее распространенным защитным газом для алюминиевого GMAW является чистый аргон . Он обеспечивает стабильную дугу, хорошее действие по очистке поверхности (катодный травление) и отличный внешний вид сварных шариков. Для более толстых алюминиевых секций (более 12 мм или 1⁄2 дюйма) смесь аргон-гелия (например, 75% He / 25% Ar) увеличивает теплозатратность, улучшая термоядерный синтез и скорость перемещения при снижении пористости. Чистый гелий редко используется из-за его высокой стоимости и плохой стабильности дуги при низких токах; однако некоторые приложения, требующие очень высокой температуры, такие как сварка толстых медных шин, используют чистые гелиевые или гелиевые смеси. Американское общество сварки (AWS) предоставляет рекомендации по выбору газа в цветной сварке в своих сварочных руководствах .

Медь и медные сплавы

Сварка меди и ее сплавов (например, латуни, бронзы) часто требует высокой теплопроводности из-за высокой теплопроводности меди. Чистый аргон хорошо работает для тонких секций, но более тяжелые части обычно получают выгоду от аргоно-гелиевых смесей (например, 50% He / 50% Ar) для предварительного нагрева базового металла и улучшения проникновения. Для обезвоженной меди приемлем чистый аргон; для твердой меди, где растрескивание водорода является проблемой, необходим сухой инертный газ.

Факторы, которые следует учитывать при выборе щитового газа

Выбор правильного защитного газа не является универсальным решением. Сварщики должны оценить несколько ключевых факторов, чтобы соответствовать газу для применения.

Тип материала и состав

Различные металлы имеют различную активность и тепловые свойства. Углеродная сталь может переносить CO2 или смешивается с до 25% CO2, в то время как нержавеющая сталь требует только следовых количеств окислителей. Алюминий и магний нуждаются в полностью инертных газах (аргон или аргон-гелий). Выбор газа также влияет на химический состав конечного сварного шва: избыточный CO2 в нержавеющей стали может привести к поглощению углерода и снижению коррозионной стойкости.

Материальная толщина

Тонкие материалы (менее 3 мм) получают выгоду от богатых аргоном смесей, которые производят менее проникающую, более концентрированную дугу, снижая риск прогорания. Более толстые материалы требуют большего теплозатратного ввода, что способствует обогащению гелием смесей или более высоким процентам CO 2 для увеличения скорости проникновения и осаждения.

Положение сварки

Сварка вне положения (вертикальная, накладная) требует быстрозамораживающей сварной лужи. CO 2 и CO 2 -богатые смеси способствуют более холодной, более контролируемой луже в режиме переноса погружения, что делает их пригодными для конструкционных сталей. Богатые аргонами смеси, особенно предназначенные для переноса распыления, производят жидкую лужу, которую труднее контролировать вне положения, если не используется импульсный спрей.

Режим трансфера

Выбор экранирующего газа тесно связан с режимом переноса сварки. Для короткого замыкания, распространенного в тонком кабеле и внепозиционной работе, CO2 или смеси с до 25% CO2 типичны. Для получения стабильного осевого капельного потока требуется передача спрея, по меньшей мере, 80% аргона. Пульсированный спрей, который использует контролируемую форму волны для распыления при более низких средних токах, может работать с более широким диапазоном смесей, но выигрывает от богатых аргоном композиций для лучшего управления дугой. Шаровой перенос, который обычно избегает из-за высокого брызга, происходит при чистом CO2 при токах между порогами короткого замыкания и распыления.

Стоимость и доступность

Стоимость газа может быть значительным фактором, особенно в производстве больших объемов. CO]2 является самым дешевым защитным газом и широко доступен. Аргон является более дорогим, но важным для многих применений. Гелий является наиболее дорогостоящим, и его волатильность цен может повлиять на операционные бюджеты. Смешанные газы стоят дороже, чем чистые компоненты, но часто снижают общие затраты на сварку за счет повышения производительности, сокращения переделки и снижения времени очистки брызг. Тщательный анализ затрат и выгод должен учитывать не только цену газа, но и потребление проводов, труд и техническое обслуживание.

Чистота газа и скорость потока

Примеси в защитном газе, такие как влага, кислород или углеводороды, могут вызывать пористость, растрескивание водорода и плохие механические свойства. Для критических сварных швов, особенно на алюминии и нержавеющей стали, используют газы с точкой росы ниже -60 ° F (-51 ° C). Скорости потока обычно варьируются от 10 до 30 кубических футов в час (CFH), в зависимости от размера сопла, расстояния от заготовки и окружающей среды. Недостаточный поток приводит к загрязнению; чрезмерный поток создает турбулентность, которая может втягивать воздух в дуговую зону. Необходимы надлежащий контроль потока и регулярное обслуживание систем доставки газа.

Расширенные соображения и новые тенденции

Динамика газовых потоков и дизайн сопла

Защитный газ должен ламинарно покрывать зону сварки. Тип, размер, расстояние отстоя и угол затвора влияют на покрытие газа. Более длинные сопла улучшают покрытие, но могут ограничивать видимость. Газовые линзы (тонкая сетка на выходе из сопла) могут создавать более ламинарный поток, позволяя более длинные расстояния отстоя и лучшую защиту в ветреных условиях. Для высокоавтоматизированной или роботизированной сварки системы доставки газа могут включать в себя таймеры предварительного и послепоточного потока, чтобы обеспечить защиту сварочного бассейна во время инициирования и тушения дуги.

Экологические и безопасные аспекты

GMAW производит сварочный пар, на состав которого может влиять защитный газ. Например, газы на основе CO]2 генерируют более высокие уровни частиц в воздухе по сравнению с богатыми аргоном смесями. Работодатели должны обеспечить адекватную вентиляцию и извлечение дыма в соответствии с рекомендациями OSHA. Инертные газы, такие как аргон и гелий, могут вытеснять кислород в ограниченных пространствах; сварщики должны всегда работать в хорошо проветриваемых областях. Кроме того, газовые баллоны должны обрабатываться и храниться вертикально, закрепляться для предотвращения падения и держаться подальше от источников тепла.

Отраслевые стандарты и рекомендации производителей

Авторитетные производители сварочного оборудования и поставщики газа публикуют обширные диаграммы и руководящие принципы выбора экранирующего газа на основе конкретных сортов проводов и конфигураций соединений. Спецификация AWS A5.32 / A5.32M классифицирует экранирующие газы для дуговой сварки, а такие организации, как Американское общество сварки (FLT:0)aws.org (FLT:1)) предлагают учебные ресурсы. Например, процедуры сварки Lincoln Electric (доступны на их веб-сайте) предоставляют подробные рекомендации по газу для их проводов с флюс-кордом и металлическим кордом. Всегда ссылайтесь на эти источники для самых актуальных руководств.

Заключение

Выбор правильного защитного газа для GMAW является стратегическим решением, которое уравновешивает металлургические требования, эксплуатационную эффективность и стоимость. Ни одна газовая смесь не является оптимальной для всех применений; лучший выбор зависит от базового материала, толщины, положения сварки, режима передачи и желаемых свойств сварки. Понимая поведение чистого аргона, углекислого газа, гелия и их смесей, сварщики могут адаптировать свое экранирование для достижения глубокого проникновения на тяжелую сталь, чистые бусины на алюминий или коррозионно-стойкие сварные швы на нержавеющей стали. Кроме того, обращая внимание на чистоту газа, скорости потока и новые тенденции в технологии доставки газа дополнительно повышает качество и производительность сварного шва. Работает ли на конструкционной стали, тонких автомобильных листах или цветных сборках, преднамеренный, информированный подход к выбору защитного газа приводит к более сильным, более чистым и более эффективным сварным швам - в конечном итоге сокращая переработку и улучшая конечные результаты.