Влияние состава щитового газа на качество сварных швов Gmaw

Состав щитового газа является одной из самых влиятельных переменных в сварке газовой металлической дуги (GMAW). Неправильный газ или неправильно сбалансированная смесь могут привести к пористости, чрезмерному брызгированию, плохому профилю бусины и слабым суставам. И наоборот, хорошо подобранный защитный газ улучшает стабильность дуги, характеристики переноса металла и, в конечном итоге, качество сварки. В этой статье рассматривается, как каждый газовый компонент влияет на процесс и обеспечивает практическое руководство по выбору лучшего защитного газа для вашего применения.

Роль щитового газа в GMAW

Во время GMAW электрическая дуга плавит наполнитель и базовый металл, образуя бассейн расплавленной сварки. Атмосферные газы — кислород, азот и водяной пар — могут быстро загрязнять этот бассейн, вызывая такие дефекты, как пористость (из захваченного водорода или азота), оксидные включения и потерю пластичности. Постоянный поток защитного газа течет из сопла сварочного орудия для вытеснения воздуха вокруг дуги и бассейна, обеспечивая чистый сварной шов.

Защитный газ также влияет на электропроводность, теплопередачу и давление дуги. Эти факторы напрямую влияют:

Щитовые газы и их свойства

Щитовые газы классифицируются как инертные (без химической реакции со сварным бассейном) или активные (реагирующие с расплавленным металлом для изменения дугового поведения). Наиболее распространенные газы и их ключевые характеристики описаны ниже.

Аргон (Ar)

Аргон — тяжелый инертный газ с низким потенциалом ионизации. Он производит стабильную, сфокусированную дугу, которая идеально подходит для сварки с распылением. Аргон — основной выбор для сварки цветных металлов, таких как алюминий, медь, магний и титан. Он создает глубокий, узкий профиль проникновения, способствует хорошей смачиванию и минимизирует брызги. Однако чистый аргон часто не имеет окислителей, необходимых для черных материалов, что может привести к нестабильной дуге и плохому появлению шариков на углеродистой стали.

Диоксид углерода (CO2)

CO2 является активным газом, который диссоциирует в дуговом тепле, выделяя кислород и монооксид углерода. Эта реакция окисления увеличивает теплообмен с базовым металлом, производя глубокое проникновение и более широкую сварную бусину. CO2 является наиболее экономичным защитным газом. Но он также увеличивает брызги, создает более грубую поверхность бусины и может способствовать окислению сварного металла, если не контролируется должным образом. CO2 обычно используется для короткого замыкания на углеродистой стали в автомобильных и структурных приложениях, где требуются высокие скорости осаждения.

Гелий (He)

Гелий — инертный газ с высокой теплопроводностью и более высоким потенциалом ионизации, чем аргон. Он доставляет в сварной шов больше тепла, что позволяет быстрее перемещаться и больше проникать на толстые секции. Смеси гелия часто используются для сварки меди, алюминиево-литиевых сплавов и нержавеющей стали при необходимости увеличения теплозатрат. Основным недостатком гелия является его высокая стоимость и ограниченная доступность в некоторых регионах.

Кислород (O2) и другие активные добавки

Небольшие количества кислорода (обычно 1-5%) иногда добавляют к аргоновым или аргон-CO2 смесям. Кислород стабилизирует дугу на черных материалах, улучшает смачивание и может помочь произвести более гладкую бусину. Однако избыток кислорода может вызвать чрезмерное окисление, потерю легирующих элементов и снижение вязкости. Аналогично, водород (H2) в небольших процентах используется в некоторых применениях нержавеющей стали для увеличения проникновения и уменьшения поглощения углерода, но водород может вызвать пористость или растрескивание водорода в восприимчивых материалах. Азот (N2) находит случайное использование в аустенитных сварных швах из нержавеющей стали для повышения прочности, хотя он может вызвать пористость, если не тщательно контролировать.

Как газовый состав влияет на ключевые показатели качества сварных швов

Arc стабильность и режим передачи металла

Инертные газы, такие как аргон и гелий, поддерживают стабильные дуги и позволяют передавать распыление, где мелкие капли проецируются осевым образом к сварочному бассейну. Активные газы, такие как CO2, как правило, способствуют шаровой передаче при низких токах и передаче короткого замыкания при более высоких скоростях подачи проводов. Режим передачи металла резко влияет на уровни брызг, характеристики синтеза и привлекательность оператора. Например, использование 90% Ar + 10% CO2 на мягкой стали обычно дает стабильный перенос брызг, подобный брызгам.

Профиль проникновения

Чистый аргон создает глубокий, похожий на палец паттерн проникновения. Напротив, CO2 производит более широкое, чашеобразное проникновение. Смеси позволяют сварщику адаптировать профиль: более высокий аргон дает более глубокое проникновение; более высокий CO2 расширяет бусину. Это становится критическим при сварке толстых пластин, где необходимо избегать отсутствия синтеза на боковых стенках.

Скриншоты и Clean-Up

Пропускной материал является прямым результатом дуговой нестабильности и насильственного переноса металлов. СО2 имеет тенденцию генерировать больше брызг, поскольку реакция диссоциации создает колеблющуюся дугу. Более высокие смеси аргона уменьшают брызги, экономя время после сварной очистки и снижая риск спазмирования брызг на окружающие поверхности. Использование импульсного переноса брызг с газом на основе аргона может практически устранить брызги.

Появление сварного бусины

Для открытых сварных швов, где эстетика имеет значение, например, архитектурные металлоконструкции, газ с более высоким содержанием аргона производит гладкую, яркую бусину с минимальным содержанием оксидов. Смеси, богатые CO2, дают более темную, более грубую поверхность. Смеси аргона с 2-5% кислородом улучшают смачивание бусин и приводят к плоскому, элегантному профилю на нержавеющей стали.

Механические свойства

Газ-щит может влиять на химический состав сварного металла. Активные газы добавляют кислород или углерод, что может немного увеличить прочность, но уменьшить прочность и пластичность. Для критических применений, требующих высокой ударопрочности (например, сосудов под давлением), аргон-CO2 смешивается с низким содержанием CO2 или аргон-кислородные смеси предпочтительнее чистого CO2. И наоборот, для применений, где приоритет отдается высокой скорости осаждения и прочности, CO2 может быть приемлемым.

Генерация дыма и безопасность оператора

Окисляющие газы, такие как CO2, увеличивают образование паров, потому что они способствуют окислению и испарению легирующих элементов. Смеси гелия-аргона, как правило, производят меньше паров. Правильная вентиляция и извлечение дыма необходимы при использовании активных газов. Всегда следует соблюдать руководящие принципы OSHA для сварки паров .

Общие щитовые газовые смеси и их применение

Argon-CO2 Blends (серия C)

Это наиболее широко используемые газы для углеродистой стали GMAW. Общие соотношения включают:

Аргон-кислородные сгустки (O-серия)

Небольшие проценты кислорода (1-5%) добавляются в аргон для сварки нержавеющей стали. Кислород стабилизирует дугу, улучшает смачивание и помогает производить яркую плоскую бусину. Популярные смеси включают 98% Ar + 2% O2 (A-2) и 99% Ar + 1% O2 (A-1). Кислород должен быть ограничен максимумом 5%, чтобы избежать чрезмерного окисления.

Argon-Helium Blends (серия H)

Такие сгустки, как 75% He + 25% Ar или 50% He + 50% Ar, используются, когда требуется более высокий вход тепла и более высокая скорость перемещения, например, на толстых медных или алюминиевых пластинах. Гелий также помогает избежать пористости в реактивных металлах. Поскольку гелий легче воздуха, для эффективного экранирования могут потребоваться более высокие скорости потока.

Тройные смеси (Ar + He + CO2)

Они специально разработаны для высокопроизводительной сварки нержавеющей стали, дуплексных сплавов и других требовательных материалов. Примером является 90% He + 8% Ar + 2% CO2. Комбинация обеспечивает отличную устойчивость дуги, глубокое проникновение и хорошую смачивание без чрезмерного окисления.

Выбор щитового газа для обычных материалов

Углеродная сталь и низколегированная сталь

Стандартный выбор - смесь аргон-СО2. Для тонкого листа и чувствительной к внешнему виду работы хорошо работают 90/10 или 95/5 Ar/CO2. Для более толстых секций и тяжелого изготовления 75/25 Ar/CO2 является экономически эффективным и надежным. Чистый СО2 редко используется сегодня из-за высокого брызг, но может быть приемлемым для короткого замыкания сварки в некритической конструкционной стали.

Нержавеющая сталь (аустенитная, ферритная, дуплексная)

Сварка нержавеющей стали требует уменьшения или слегка окисляющего газа для предотвращения поглощения углерода и стабилизации дуги. Аргон с 1-2% кислорода является общим для передачи распыления. Для короткой замыкания или импульсной сварки на тонком листе 90% He + 7,5% Ar + 2,5% CO2 (или аналогичная тройная смесь) обеспечивает отличную смачивание и коррозионную стойкость. Избегайте высоких процентов CO2, потому что они могут увеличить содержание углерода и снизить коррозионную стойкость.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Чистый аргон является основным защитным газом для алюминия. Он обеспечивает стабильную дугу и хорошее очищающее действие. Для более толстых секций смеси аргона-гелия (например, 50/50) могут увеличить вход тепла и уменьшить пористость, вызванную быстрым затвердеванием. Гелий также помогает при сварке в положениях, которые требуют более высоких скоростей перемещения.

Медь и медные сплавы

Аргон типичный для тонкой меди, но гелий или аргон-гелиевые смеси рекомендуются для более толстой меди из-за высокой теплопроводности меди. Например, 75% He + 25% Ar обеспечивает тепло, необходимое для правильного плавления толстых секций без чрезмерного предварительного нагрева.

Никелевые сплавы и титан

Эти реактивные материалы требуют очень чистого инертного экранирования - обычно 100% аргон или аргон-гелий смешивается с низким или нулевым содержанием активного газа. Даже небольшое количество кислорода или азота может вызвать хрупкость. Обратная продувка аргоном также распространена для титана.

Практические соображения по выбору и использованию газа

Ставки потока

Скорость потока щитящего газа обычно устанавливается между 15 и 30 CFH (кубические футы в час). Более тяжелые газы, такие как аргон, требуют более низкого потока; более легким газам, таким как гелий, может потребоваться 30-50 CFH. Слишком высокий поток может создавать турбулентность, которая привлекает воздух; слишком низкий поток оставляет сварной шов незащищенным. Используйте расходомер, а не манометр, чтобы точно установить скорость.

Чистота газа

Влажность и загрязняющие вещества в газе являются основными источниками пористости. Всегда используйте газы сварочного класса с низкими точками росы. Для реактивных металлов, таких как титан, даже мелкие примеси могут вызывать обесцвечивание и хрупкость. Проверьте сертификацию поставщика газа и храните цилиндры в сухом вертикальном положении.

Анализ затрат

Хотя чистый CO2 является дешевым, дополнительная очистка брызг и потенциальная переработка часто перевешивают экономию. Смеси Argon-CO2 стоят дороже на цилиндр, но могут снизить общую стоимость сварки за счет увеличения скорости осаждения и снижения послесварочного шлифования. Гелий является дорогим и лучше всего подходит для применений, где требуются его уникальные тепловые свойства.

Сварная позиция и толщина

Более толстые материалы обычно получают выгоду от более высокого теплоснабжения - благоприятного содержания гелия или более высокого содержания CO2. Вертикальная и накладная сварка обычно требуют короткого замыкания, что хорошо работает с аргон-CO2 смесями, содержащими 15-25% CO2. Для внепозиционной сварки желательны более низкие теплозатраты и более быстрые характеристики замораживания.

Стандарты и спецификации

Американское общество сварки (AWS) публикует руководящие принципы выбора экранирующего газа, такие как AWS A5.32 и справочник GMAW. Многие производители наполнителей также предоставляют конкретные рекомендации по газу для своих проводов. Консультирование этих ресурсов обеспечивает оптимальную совместимость. Например, руководство по выбору экранирующего газа Линде предлагает подробные таблицы для различных материалов и режимов передачи.

Общие ошибки и устранение неполадок

  • Пористость — Часто вызвана влажностью в газе, низкой скоростью потока или загрязнением на базовом металле. Переключитесь на газ с более низкой точкой расплава или увеличьте время предварительного потока.
  • Несогласованная дуга — может указывать на неправильный состав газа для проволоки или неправильное расстояние сопла. Для углеродистой стали переход от чистого аргона к смеси 90/10 Ar/CO2 обычно решает проблему.
  • Чрезмерное количество брызг — Уменьшите содержание CO2, переключитесь на режим импульсного переноса или немного увеличьте напряжение. Изменение с 25% CO2 до 10% CO2 может значительно уменьшить брызги.
  • Плохая смачивание или подрезание — Добавьте небольшой процент кислорода или CO2 в аргон. Для нержавеющей стали 98% Ar + 2% O2 смесь значительно улучшает смачивание.
  • Черная сажа на бусине — часто из-за слишком большого количества кислорода или влаги. Проверьте чистоту газа и рассмотрите смесь аргона-гелия для лучшего экранирования.

Заключение

Состав щитового газа не является универсальным выбором. Он должен соответствовать базовому материалу, наполнительной проволоке, режиму передачи и желаемым характеристикам сварки. Понимая, как аргон, CO2, гелий и небольшие активные добавки влияют на дуговое поведение, проникновение, брызги и механические свойства, сварщики и инженеры могут оптимизировать процессы для максимального качества и эффективности. Выбор правильного газа - и использование его с правильной скоростью потока и чистотой - является одним из самых простых, но наиболее эффективных способов улучшить качество сварки GMAW. Независимо от того, сварка углеродистой стали смесью 90/10 или алюминием с чистым аргоном, выбранный вами газ непосредственно контролирует результат сварки.

Для дальнейшего чтения обратитесь к стандарту AWS A5.32 для защиты газов и проконсультируйтесь с Полное руководство по выбору газа компании Miller Electric для рекомендаций по применению.