Влияние щитовых газов на внешний вид и силу сварного шарика Gtaw

Процесс сварки газовой вольфрамовой арки (GTAW), широко известный как сварка TIG, является одним из самых точных и универсальных методов соединения в современном производстве. Его способность производить чистые, высококачественные сварные швы на широком спектре металлов - от нержавеющей стали и алюминия до экзотических сплавов, таких как Inconel - делает его незаменимым в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и пищевая промышленность. В то время как большое внимание уделяется выбору электродов, усилию и технике, одной из наиболее решающих, но часто недооцениваемых переменных является защитный газ. Выбор защитного газа непосредственно диктует внешний вид сварного шарика, профиль проникновения и механическую прочность. В этой статье исследуется научное и практическое влияние защитных газов на качество сварного шва GTAW, предоставляя действенные идеи для сварщиков и инженеров, стремящихся оптимизировать свои процессы.

Основная роль щитовых газов в GTAW

В GTAW сварочная дуга устанавливается между нерасходуемым вольфрамовым электродом и заготовкой. Сварочный бассейн должен быть защищен от атмосферного загрязнения, поскольку кислород, азот и водяной пар могут вызывать пористость, оксидные включения и хрупкость — все это ухудшает как внешний вид, так и прочность. Щитающие газы образуют одеяло вокруг дуги и сварного бассейна, исключая эти реактивные элементы. Кроме того, газ влияет на стабильность дуги, теплообмен и поверхностное натяжение расплавленного металла, тем самым влияя на морфологию бусин.

Потенциал ионизации и теплопроводность газа определяют характеристики дуги. Газы с низким потенциалом ионизации (например, аргон) производят стабильный, узкий дуговой конус, подходящий для точного управления. Газы с высокой теплопроводностью (например, гелий) передают больше тепла в заготовку, обеспечивая более глубокое проникновение и более высокие скорости перемещения. Скорость потока, чистота газа и конструкция сопла дополнительно модулируют эти эффекты. Понимание этих основ позволяет сварщику адаптировать выбор газа к конкретному материалу и геометрии соединения.

Чистота газа и точка росы

Загрязнители в защитном газе, такие как влага, кислород или углеводороды, могут вводить водород в сварочный бассейн, вызывая растрескивание или пористость. Для критических применений рекомендуется чистота газа 99,998% или выше. Точка росы, мера содержания влаги, обычно должна быть ниже −40 ° F (−40 ° C) для GTAW. Регулярный анализ газа и правильная обработка цилиндров предотвращают загрязнение.

Общие щитовые газы для GTAW

Хотя GTAW может использовать различные газы и смеси, наиболее распространенными являются чистые смеси аргона, гелия и аргона-гелия.

Чистый Аргон

Аргон является защитным газом по умолчанию для GTAW на большинстве металлов, особенно на стали, нержавеющих сталях и алюминии. Он имеет относительно низкий потенциал ионизации (15,7 эВ) и производит мягкую, стабильную дугу с отличным очищающим действием (катодный травление) на алюминии и магнии. Аргон дает гладкую, блестящую сварную бусину с минимальным брызгами и узкой зоной, подверженной тепловому воздействию (HAZ). Его более низкая теплопроводность по сравнению с гелием приводит к более мелкому, более широкому профилю сварного бассейна - идеально подходит для тонких материалов и точной работы. Аргон также экономически эффективен и широко доступен.

Однако чистый аргон может бороться с толстыми участками меди или высокопроводимыми сплавами из-за недостаточного теплопотока.В таких случаях становится необходимым добавление гелия.

гелий

Гелий обладает более высоким потенциалом ионизации (24,6 эВ) и значительно более высокой теплопроводностью, чем аргон. Это приводит к более горячей дуге, которая обеспечивает более глубокое проникновение, более быстрые скорости сварки и способность сваривать более толстые секции за один проход. Гелий также улучшает покрытие газа при более высоких скоростях потока и в тягловых средах. Сварной шар имеет тенденцию быть более выпуклым и ярким по внешнему виду, хотя он может проявлять немного больше брызг, если длина дуги не тщательно контролируется.

Чистый гелий встречается реже, чем смеси, поскольку его дуга менее стабильна и требует более высокого напряжения. Его часто используют для сварки алюминия 1⁄4 дюйма и толще, медных сплавов и экзотических металлов, которые требуют высокого теплозатраты. Более высокая стоимость гелия (и его колеблющееся снабжение) является практическим ограничением.

Смеси аргона-гелия

Смешивание аргона с гелием сочетает дуговой стабильностью аргона с теплопередающими преимуществами гелия. Обычные смеси включают 75% аргона / 25% гелия и 50% аргона / 50% гелия. Эти газы обеспечивают более горячую дугу, чем чистый аргон, сохраняя при этом стабильную, контролируемую колонну. Сварщики могут регулировать соотношение смеси для балансировки проникновения, внешнего вида бусин и скорости перемещения. Например, 25% гелиевая смесь часто используется для нержавеющей стали для повышения производительности без ущерба для отделки поверхности. Более высокие проценты гелия (до 80%) используются для толстых алюминиевых или медных секций.

Другие газы и добавки

Водород можно добавлять в аргон в небольших количествах (до 5%) для сварки аустенитных нержавеющих сталей.Водород увеличивает дуговое напряжение и теплозатратность, производя более жидкий сварочный бассейн и улучшенную смачивание. Он также создает уменьшающую атмосферу, которая очищает оксиды. Однако водород не следует использовать на ферритных сталях, никелевых сплавах или алюминии, поскольку он может вызвать растрескивание водорода или пористость.

Нитроген иногда используется для сварки медных сплавов, но обычно избегает в GTAW из-за дуговой нестабильности и риска образования нитридов в сварном металле.

Диоксид углерода (CO2) редко используется в GTAW, потому что он диссоциирует в дуге, высвобождая кислород, который может окислять вольфрамовый электрод и загрязнять сварку. Некоторые специализированные приложения используют крошечные добавки CO2 (до 1%), но это редко.

Влияние на внешний вид сварного бусины

Визуальное качество часто является первым показателем хорошего сварного шва.Защитный газ напрямую влияет на геометрию бусины, отделку поверхности и цвет.

Бисерный профиль и контур

Аргон производит плоский слегка выпуклый профиль бусины с нежными переходами к основному металлу. Поверхность обычно гладкая и яркая, свободная от брызг и обесцвечивания. Гелий с его более высокой теплопроводностью создает более выпуклую бусину, поскольку повышенное тепло уменьшает поверхностное натяжение, заставляя расплавленный бассейн тянуть внутрь. Выпуклая бусина может быть приемлемой, если армирование находится в пределах спецификации, но чрезмерная выпуклость может указывать на слишком много тепла или неправильную скорость перемещения. Смеси аргон-гелия предлагают промежуточные профили, позволяя сварщикам адаптировать выпуклость для прочности или эстетики.

Цвет и удаление оксидов

На нержавеющей стали аргоновое экранирование производит соломенную, серебряную или светло-голубую оксидную пленку в зависимости от теплоотдачи, но при этом остается чистым и легко удаляемым. Гелий имеет тенденцию производить более темный, более тяжелый оксид из-за более высокой температуры, особенно если сварочная зона не полностью экранирована. Аргон-водородные смеси могут производить яркую, чистую поверхность из-за уменьшающего эффекта водорода. На алюминий чистый аргон дает яркую, морозную бусину с четкой границей зоны очистки. Гелий вызывает более широкую зону очистки и более тусклый вид. Сварщик может регулировать скорость потока, чтобы минимизировать мутность и обесцвечивание.

Стабильность Arc и Arc

Аргоновые дуги по своей природе устойчивы с минимальным брызгами. Гелиевые дуги могут быть шумными и нестабильными при низких токах, что приводит к дуговым блужданиям и брызгам. Добавление аргона стабилизирует дугу; 25%-ная гелиевая смесь уменьшает брызги до приемлемых уровней. Правильный электродный препарат (заостренный наконечник, правильный включенный угол) также смягчает брызги независимо от выбора газа.

Влияние на прочность сварки и проникновение

Механические свойства — прочность на растяжение, пластичность и ударопрочность — определяются микроструктурой и прочностью сварного шва.Щитающие газы влияют на них через теплоприем, скорость охлаждения и химическое взаимодействие.

Профиль проникновения

Высокая теплопроводность гелия позволяет глубоко проникать в «пальцевидный» профиль сварки, особенно на толстых материалах. Это выгодно для корневых проходов и филе сварных швов, где требуется полное проникновение суставов. Аргон производит более мелкое, более параболическое проникновение - часто идеально подходит для тонкостенных труб или косметических сварных швов. Путем корректировки процента гелия сварщики могут достичь глубины проникновения, необходимой без чрезмерного HAZ или прогорания.

Например, на 1/2-дюймовой алюминиевой пластине чистый аргон при достаточном усилии может давать проникновение только на 1/8 дюйма, в то время как смесь 50/50 аргон-гелия может достигать 3/8-дюймового проникновения в одном проходе. Это уменьшает количество проходов и повышает производительность при сохранении прочности.

Зона, подверженная тепловому воздействию (HAZ) и скорость охлаждения

Более высокий тепловой вход от гелия увеличивает HAZ, что может привести к тепловому искажению или смягчению в осадках-закаленных сплавах. И наоборот, более низкий тепловой вход аргона производит более узкий HAZ, сохраняя свойства базового металла. Для стресс-критических компонентов больший HAZ может быть приемлемым, если применяется термообработка после сварки. Скорость охлаждения также влияет на микроструктуру: более быстрое охлаждение (аргон) может производить более мелкие зерна, повышая прочность, в то время как более медленное охлаждение (гелий) может привести к более грубым зернам и снижению прочности в некоторых сплавах. Сварщики должны сбалансировать эти эффекты.

Механическая сила: растяжение и воздействие

Исследования последовательно показывают, что сварные швы, изготовленные с гелийсодержащими газами, демонстрируют более высокий выход и прочность на растяжение по сравнению с чистым аргоном, в первую очередь из-за более глубокого проникновения и лучшего слияния в суставном корне. Однако, если содержание гелия слишком высокое, выпуклость сварной бусины может создавать концентрации напряжения у пальцев ног, уменьшая срок службы усталости. Правильно оптимизированная смесь аргона и гелия - часто 25-50% - обеспечивает благоприятное сочетание прочности и пластичности.

Для аустенитных нержавеющих сталей аргон-водородные смеси (до 5% Н2) улучшают смачивание и снижают пористость, что приводит к более высокой прочности в виде сварных материалов и значениям удара Шарпи. Тем не менее, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать чрезмерного поглощения водорода. Может потребоваться постсварная выпечка или использование низководородных методов.

Практические соображения по выбору газа

Choosing the right shielding gas involves evaluating material, thickness, joint geometry, welding position, and quality requirements.

Скорость потока газа и размер сопла

Оптимальные скорости потока для GTAW обычно варьируются от 10 до 35 кубических футов в час (CFH). Для аргона 15-20 CFH достаточно для большинства применений. Гелиевые и гелиевые смеси могут требовать более высоких скоростей потока (20-35 CFH) из-за более низкой плотности и большей плавучести. Диаметр сопла должен соответствовать потоку газа: сопло No6-#8 для стандартной работы, сопло No10-#12 для смесей с высоким гелием, которые нуждаются в большем столбе газа для предотвращения захвата воздуха. Использование газовой линзы (телесная кольта экранного типа) улучшает ламинарный поток и снижает требуемый расход при обеспечении лучшего покрытия.

Материально-специфические рекомендации

Примечание: Для титана гелия избегают, потому что его более высокое тепло может вызвать быстрое окисление; стандартным является чистый аргоновый щит с газовой линзой и задней щиткой.

Стоимость и доступность

Аргон, как правило, наименее дорогой и наиболее легкодоступный. Гелий является более дорогостоящим и подвержен волатильности цен. Смешанные газы имеют премию, но могут снизить общую стоимость сварки за счет увеличения скорости и сокращения переделки. Сварщики должны рассчитывать общую стоимость на дюйм сварки, а не только цену газа на цилиндр, при оценке экономики.

Расширенные соображения: газовые смеси для специализированных применений

В аэрокосмической и ядерной промышленности точный контроль теплоотдачи имеет решающее значение. Газы тримикса - обычно аргон-гелий-водород или аргон-гелий-азот - могут быть адаптированы для конкретных сплавов. Например, смесь 60% аргона, 35% гелия и 5% водорода используется для глубокого проникновения корневых проходов на трубах из нержавеющей стали. Исследования Американского общества сварки (FLT:0) AWS ) задокументировали улучшения механических свойств с помощью специализированных смесей.

Еще одной новой областью является использование активных газов , таких как кислород или CO2 в следовых количествах (до 0,5%), для изменения дугового поведения. Они редко используются в обычном GTAW из-за риска коррозии, но имеют применение в орбитальной сварке тонкостенных трубок, где требуется постоянное проникновение. Такие газы требуют тщательного мониторинга и не рекомендуются для полевой сварки.