Чтобы получить качественный сварной шов при дуговой сварке, необходимо обеспечить защиту расплавленного металла сварочной ванны. Именно с такой целью используются защитные газы. Эта идея была высказана Н. Н. Бенардосом еще в 1883 г. и состояла в том, чтобы направить из сопла горелки на зону сварки струю газа, которая, как будто в оболочку, заключит зону сварки и предохранит ее от постороннего воздействия. Защита осуществляется тремя группами газов:

✓ инертными;

✓ активными;

✓ смесями активных газов с инертными или инертных с инертными.

Инертными называются газы, которые не вступают в химические реакции взаимодействия с металлом и неспособны растворяться в нем.

К этой группе относятся аргон, гелий и их смеси, а для меди используется азот.

В среде инертных газов сваривают активные металлы, например титан, алюминий и др. Применяют их и в тех случаях, когда хотят добиться высококачественного шва при соединении изделий и конструкций из хромоникелевых сталей.

Аргон представляет собой газ со следующими физическими характеристиками:

✓ бесцветный;

✓ без запаха и вкуса;

✓ неядовитый;

✓ невзрывоопасный.

Поскольку аргон примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, если производить сварочные работы в закрытом и непроветриваемом помещении, тогда возникает опасность удушья. В природе он встречается исключительно в свободном виде, его объемная концентрация в воздухе составляет приблизительно 0,93 %.

В промышленности в соответствии с ГОСТом 10157–79 производится аргон трех сортов:

✓ высшего (доля аргона – 99,993 %);

✓ первого (99,987 %);

✓ второго (99,95 %).

Аргон транспортируется в жидком (плотность – 1392 кг/м³) или газообразном (плотность – 1,662 кг/м³) состоянии в специальных стальных баллонах объемом 40 л под давлением 15 МПа. Емкости окрашены в серый цвет с зеленой полосой. На них зеленой краской нанесена надпись «Аргон чистый».

Расход газа при сварке определяется диаметром электрода и, как правило, составляет 100–500 л/ч.

Гелий в качестве защитного газа применяется редко, поскольку, будучи дефицитным, имеет высокую стоимость. Поэтому чаще всего его вводят в виде добавки к аргону или используют для сварки:

✓ химически чистых и активных материалов и сплавов;

✓ сплавов на основе магния и алюминия;

✓ при необходимости обеспечить значительную глубину проплавления (это возможно за счет высокого значения потенциала ионизации газа) или особую форма сварного шва.

Физические свойства гелия:

✓ бесцветный;

✓ без запаха;

✓ неядовитый

✓ плотность – 0,18 кг/м³.

Гелий в 10 раз легче аргона, а объемное содержание этого газа в воздухе составляет 0,00052 %.

Промышленность поставляет гелий согласно ТУ 51–689–75 трех марок – А, Б и В. Его транспортировка осуществляется в соответствии с ГОСТом 20461–75. При этом газ находится в стальных баллонах под давлением 15 МПа, которые окрашены в коричневый цвет, а на них нанесена белая надпись «Гелий».

Расход гелия в процессе сварки – 200–900 л/ч, потому что легкий гелий быстро улетучивается, а для создания надежной защиты сварочной ванны приходится увеличивать его подачу.

Азот не является инертным газом (в природе это самый распространенный газ, в частности его содержание в воздухе составляет 78,09 %), но он так ведет себя по отношению к меди и ее сплавам (относительно других металлов и стали азот рассматривается как активный и часто вредный газ, поступление которого в сварочную ванну необходимо ограничивать). Поэтому его используют для сварки, наплавки и плазменной резки таких материалов.

Физические свойства азота:

✓ бесцветный;

✓ без запаха и вкуса;

✓ неядовитый;

✓ невзрывоопасный;

✓ плотность – 1,2506 кг/м³.

По ГОСТу 9293–74 агрегатное состояние азота при транспортировке – газ. Его перевозят в стальных емкостях объемом 40 л под давлением 15 МПа. Он поставляется четырех сортов, различающихся процентным содержанием азота:

✓ высший (99,9 %);

✓ I сорт (99,5 %);

✓ II сорт (99 %);

✓ III сорт (97 %).

Стальные емкости объемом 40 л содержат азот под давлением 15 МПа.

Из активных газов, т. е. взаимодействующих с металлом сварочной ванны и растворяющихся в нем, следует назвать углекислый газ, который применятся для защиты сварки в чис том виде или в смеси с аргоном. Помимо жидкого и газообразного состояния, углекислый газ бывает и твердым (сухой лед).

Физические свойства двуокиси углерода:

✓ бесцветная;

✓ неядовитая;

✓ с кисловатым запахом и вкусом;

✓ плотность – 1,98 кг/м³;

✓ температура сжижения – 78,5 °C.

Углекислый газ в 1,6 раза тяжелее воздуха, в котором на его долю приходится 0,03 %.

По ГОСТу 8050–85 двуокись углерода содержит водяные пары, количество которых зависит от сорта газа:

✓ в высшем – 0,037 г/см³;

✓ в I сорте – 0,184 г/см³.

Углекислый газ транспортируется и поставляется в сжиженном состоянии в емкостях объемом 40 л при максимальном давлении 20 МПа. Баллон покрыт черной краской и снабжен надписью желтого цвета «CO2 сварочный».

Углекислота производится двух сортов: высшего, чистота которого составляет 99,8 %, и I сорта чистотой 99,5 %.

Поступающий в зону сварки углекислый газ не относится к нейтральным и под воздействием высоких температур распадается на оксид углерода и кислород. Одновременно с этим происходит окисление расплавленного металла, который после кристаллизации дает достаточно пористый шов с низкими механическими характеристиками. Чтобы снизить окислительные свойства свободного кислорода и добиться качественного шва, используют электродную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца, которые действуют как раскислители.

Для удаления водяных паров, которые присутствуют в баллоне с газом, емкость следует поставить вентилем вниз и через 10–15 минут осторожно его открыть. А перед сваркой из установленного как положено баллона надо выпустить воздух.

На производстве часто применяют смеси газов, что значительно повышает качество сварного шва, и нередко технологические свойства смеси превосходят показатели чистых газов. Например, используются следующие смеси:

1. Углекислый газ с 2–5 % кислорода. Эта смесь, во-первых, способствует мелкокапельному переносу металла; во-вторых, примерно на 30 % снижает разбрызгивание и потери металла; в-третьих, обеспечивает формирование качественного сварного шва.

2. 70 % гелия и 30 % аргона. Данная смесь, во-первых, значительно повышает производительность при сварке алюминия; во-вторых, увеличивает необходимую в определенных случаях глубину проплавления; в-третьих, дает сварной шов хорошего качества;

3. 88 % аргона и 12 % углекислого газа. Эта смесь, во-первых, при сварке стали делает горение сварочной дуги стабильным; во-вторых, снижает разбрызгивание расплавленного металла; в-третьих, позволяет получить качественный шов, поскольку значительно уменьшает поверхностное натяжение расплавленной электродной проволоки.

Резюмируя сказанное, следует подчеркнуть достоинства сварки в среде защитных газов:

✓ наличие визуального контроля сварочного процесса;

✓ широкий выбор рабочих режимов;

✓ расширение номенклатуры свариваемых металлов;

✓ возможность механизировать процесс;

✓ создание лучших условий труда для сварщиков.