Ochranný plyn - Shielding gas

Ochranné plyny jsou inertní nebo poloinertní plyny, které se běžně používají v několika svařovacích procesech, zejména plynové obloukové obloukové svařování a plynové wolframové obloukové svařování (GMAW a GTAW, populárněji známé jako MIG (Metal Inert Gas) a TIG (Tungsten Inert Gas) ). Jejich účelem je chránit oblast svaru před kyslíkem a vodní párou . V závislosti na svařovaných materiálech mohou tyto atmosférické plyny snížit kvalitu svaru nebo svařování ztížit. Jiné procesy obloukového svařování také používají alternativní způsoby ochrany svaru před atmosférou-například stíněné obloukové svařování kovem používá elektrodu pokrytou tavivem, která při spotřebě produkuje oxid uhličitý, semi-inertní plyn, který je přijatelným ochranným plynem pro svařování oceli.

Nesprávná volba svařovacího plynu může vést k poréznímu a slabému svaru nebo k nadměrnému rozstřiku; druhý, i když neovlivňuje samotný svar, způsobuje ztrátu produktivity v důsledku práce potřebné k odstranění rozptýlených kapek.

Při neopatrném používání mohou stínící plyny vytlačit kyslík, způsobit hypoxii a potenciálně smrt.

Běžné ochranné plyny

Ochranné plyny spadají do dvou kategorií-inertní nebo polo inertní. Pouze dva vzácné plyny , helium a argon , jsou dostatečně efektivní na to, aby mohly být použity při svařování. Tyto inertní plyny se používají při svařování plynným wolframovým obloukem a také při obloukovém svařování kovů na plyn při svařování barevných kovů . Mezi částečně inertní ochranné plyny nebo aktivní ochranné plyny patří oxid uhličitý , kyslík , dusík a vodík . Tyto aktivní plyny se používají s GMAW na železné kovy . Většina těchto plynů ve velkém množství poškodí svar, ale při použití v malých kontrolovaných množstvích může zlepšit vlastnosti svaru.

Vlastnosti

Důležitými vlastnostmi ochranných plynů jsou jejich tepelná vodivost a vlastnosti přenosu tepla, jejich hustota vzhledem ke vzduchu a snadnost, s jakou procházejí ionizací. Plyny těžší než vzduch (např. Argon) pokrývají svar a vyžadují nižší průtok než plyny lehčí než vzduch (např. Helium). Přenos tepla je důležitý pro ohřev svaru kolem oblouku. Ionizovatelnost ovlivňuje, jak snadno začíná oblouk a jak je vyžadováno vysoké napětí. Ochranné plyny lze použít čisté nebo jako směs dvou nebo tří plynů. Při laserovém svařování má ochranný plyn další úlohu, brání tvorbě oblaku plazmy nad svarem a absorbuje významnou část energie laseru. To je důležité pro CO 2 lasery; Lasery Nd: YAG vykazují nižší sklon k tvorbě takové plazmy. Helium hraje tuto roli nejlépe díky svému vysokému ionizačnímu potenciálu; plyn může absorbovat velké množství energie, než se stane ionizovaným.

Argon je nejběžnějším ochranným plynem, široce používaným jako základ pro specializovanější plynové směsi.

Oxid uhličitý je nejméně nákladný ochranný plyn, který poskytuje hlubokou penetraci, ale negativně ovlivňuje stabilitu oblouku a zvyšuje tendenci roztaveného kovu vytvářet kapičky (rozstřik). Ke snížení povrchového napětí roztaveného kovu seve směsi s argonem běžně používá oxid uhličitý v koncentraci 1 až 2%. Další běžnou směsí je 25% oxidu uhličitého a 75% argonu pro GMAW.

Hélium je lehčí než vzduch; jsou vyžadovány větší průtoky. Je to inertní plyn, který nereaguje s roztavenými kovy. Jeho tepelná vodivost je vysoká. Není snadné ionizovat, vyžaduje vyšší napětí ke spuštění oblouku. Díky vyššímu ionizačnímu potenciálu produkuje teplejší oblouk při vyšším napětí, poskytuje široký hluboký korálek; to je výhoda pro slitiny hliníku, hořčíku a mědi. Často se přidávají další plyny. Pro svařování nerezové oceli lze použít směsi helia s přídavkem 5–10% argonu a 2–5% oxidu uhličitého („tri-mix“). Používá se také pro hliník a jiné neželezné kovy, zejména pro silnější svary. Ve srovnání s argonem poskytuje helium energeticky bohatší, ale méně stabilní oblouk. Helium a oxid uhličitý byly první stínící plyny používané, od začátku 2. světové války Helium se používá jako ochranným plynem, v laserové svaření pro lasery oxidu uhličitého . Helium je dražší než argon a vyžaduje vyšší průtoky, takže navzdory svým výhodám nemusí být nákladově efektivní volbou pro výrobu vyššího objemu. Čisté helium se na ocel nepoužívá, protože způsobuje nepravidelný oblouk a podporuje rozstřik.

Kyslík se používá v malých množstvích jako přídavek k jiným plynům; obvykle jako 2–5% přídavek k argonu. Zvyšuje stabilitu oblouku a snižuje povrchové napětí roztaveného kovu, což zvyšuje smáčení pevného kovu. Používá se pro sprejové svařování měkkých uhlíkových ocelí , nízkolegovaných a nerezových ocelí . Jeho přítomnost zvyšuje množství strusky. Směsi argon-kyslík ( Ar-O 2 ) jsou často nahrazovány směsmi argon-oxid uhličitý. Používají se také směsi argonu, oxidu uhličitého a kyslíku. Kyslík způsobuje oxidaci svaru, proto není vhodný pro svařování hliníku, hořčíku, mědi a některých exotických kovů. Zvýšený kyslík způsobuje, že ochranný plyn oxiduje elektrodu, což může vést k pórovitosti v nánosu, pokud elektroda neobsahuje dostatečné množství deoxidátorů . Nadměrný kyslík, zejména pokud je používán v aplikacích, pro které není předepsán, může vést ke křehkosti v tepelně ovlivněné zóně. Směsi argonu a kyslíku s 1–2% kyslíku se používají pro austenitickou nerezovou ocel, kde argon-CO 2 nelze použít kvůli požadovanému nízkému obsahu uhlíku ve svaru; svar má houževnatý oxidový povlak a může vyžadovat čištění.

Vodík se používá ke svařování niklu a některých nerezových ocelí, zejména silnějších kusů. Zlepšuje tekutost roztaveného kovu a zvyšuje čistotu povrchu. Přidává se do argonu v množství obvykle pod 10%. Může být přidán do směsí argon-oxid uhličitý, aby působil proti oxidačním účinkům oxidu uhličitého. Jeho přidání zužuje oblouk a zvyšuje teplotu oblouku, což vede k lepšímu průniku svaru. Ve vyšších koncentracích (až 25% vodíku) může být použit pro svařování vodivých materiálů, jako je měď. Neměl by se však používat na ocel, hliník nebo hořčík, protože může způsobit pórovitost a křehnutí vodíku ; jeho aplikace je obvykle omezena pouze na některé nerezové oceli.

Přidání oxidu dusnatého slouží ke snížení produkce ozónu . Může také stabilizovat oblouk při svařování hliníku a vysoce legované nerezové oceli.

Pro speciální aplikace lze použít jiné plyny, čisté nebo jako směsné přísady; např. hexafluorid síry nebo dichlorodifluormethan .

Hexafluorid síry může být přidán do ochranného plynu pro svařování hliníku k navázání vodíku v oblasti svaru ke snížení pórovitosti svaru.

Dichlorodifluormethan s argonem lze použít pro ochrannou atmosféru pro tavení slitin hliníku a lithia. Snižuje obsah vodíku v hliníkovém svaru, čímž brání související pórovitosti.

Běžné směsi

  • Argon-oxid uhličitý
    • C-50 (50% argon/50% CO 2 ) se používá pro svařování trubek krátkým obloukem ,
    • C-40 (60% argon/40% CO 2 ) se používá pro některé případy svařování obloukovým svařováním . Lepší penetrace svaru než C-25.
    • C-25 (75% argon/25% CO 2 ) běžně používají fandové a v malosériové výrobě. Omezeno na zkratové a kulové přenosové svařování. Společné pro zkratové plynové obloukové svařování nízkouhlíkové oceli.
    • C-20 (80% argon/20% CO 2 ) se používá pro zkratování a rozprašovací přenos uhlíkové oceli.
    • C-15 (85% argon/15% CO 2 ) je běžný ve výrobním prostředí pro uhlíkové a nízkolegované oceli. Má nižší rozstřik a dobrou penetraci svaru, vhodný pro silnější plechy a ocel výrazně pokrytou okují . Vhodné pro zkratové, kulové, pulzní a rozprašovací svařování. Maximální produktivita pro tenké kovy v režimu zkratování; má nižší tendenci propalovat se než směsi s vyšším obsahem CO 2 a má vhodně vysoké rychlosti nanášení.
    • C-10 (90% argon/10% CO 2 ) je ve výrobním prostředí běžný. Má nízké rozstřiky a dobrou penetraci svaru, i když nižší než C-15; vhodné pro mnoho ocelí. Stejné aplikace jako mix 85/15. Dostačující pro feritické nerezové oceli.
    • C-5 (95% argon/5% CO 2 ) se používá pro přenos pulzního stříkání a zkratování nízkolegované oceli. Má lepší toleranci pro měřítko a lepší kontrolu louže než argon-kyslík, i když méně než C-10. Méně tepla než C-10. Dostačující pro feritické nerezové oceli. Podobný výkon jako argon s 1% kyslíku.
  • Argon-kyslík
    • O-5 (95% argon/5% kyslík) je nejběžnějším plynem pro všeobecné svařování uhlíkové oceli. Vyšší obsah kyslíku umožňuje vyšší rychlost svařování. Více než 5% kyslíku způsobuje, že ochranný plyn oxiduje elektrodu, což může vést k pórovitosti v nánosu, pokud elektroda neobsahuje dostatečné množství deoxidátorů.
    • O-2 (98% argon/2% kyslík) se používá pro stříkací oblouk na nerezovou ocel, uhlíkovou ocel a nízkolegovanou ocel. Lepší smáčení než O-1. Svar je tmavší a více oxidovaný než u O-1. Přidání 2% kyslíku podporuje přenos postřiku, což je rozhodující pro GMAW s rozprašovacím obloukem a pulzním stříkacím obloukem.
    • Pro nerezové oceli se používá O-1 (99% argon/1% kyslík). Kyslík stabilizuje oblouk.
  • Argon-helium
    • A-25 (25% argon/75% helium) se používá pro neželezné podklady, když je zapotřebí vyššího příkonu tepla a dobrého vzhledu svaru.
    • A-50 (50% argon/50% helium) se používá pro barevné kovy tenčí než 0,75 palce pro vysokorychlostní mechanizované svařování.
    • Pro mechanizované svařování silného hliníku se používá A-75 (75% argon/25% helium). Snižuje pórovitost svaru v mědi.
  • Argon-vodík
    • H-2 (98% argon/2% vodík)
    • H-5 (95% argon/5% vodík)
    • H-10 (80% argon/20% vodík)
    • H-35 (65% argon/35% vodík)
  • Ostatní
    • Argon s 25–35% helia a 1–2% CO 2 poskytuje vysokou produktivitu a dobré svary na austenitických nerezových ocelích. Lze použít ke spojování nerezové a uhlíkové oceli.
    • Argon-CO 2 s 1–2% vodíku poskytuje redukční atmosféru, která snižuje množství oxidu na povrchu svaru, zlepšuje smáčení a penetraci. Dobré pro austenitické nerezové oceli.
    • Argon s 2–5% dusíku a 2–5% CO 2 ve zkratu poskytuje dobrý tvar a barvu svaru a zvyšuje rychlost svařování. Pro postřik a pulzní přenos postřiku je téměř ekvivalentní jiným směsím. Při spojování korozivzdorných a uhlíkových ocelí za přítomnosti dusíku je třeba dbát na správnou mikrostrukturu svaru. Dusík zvyšuje stabilitu a průnik oblouku a snižuje zkreslení svařované části. U duplexních nerezových ocelí pomáhá udržovat správný obsah dusíku.
    • 85–95% helia s 5–10% argonem a 2–5% CO 2 je průmyslovým standardem pro zkratové svařování uhlíkové oceli.
    • Argon - oxid uhličitý - kyslík
    • Argon – helium – vodík
    • Argon - helium - vodík - oxid uhličitý

Aplikace

Použití ochranných plynů je omezeno především náklady na plyn, náklady na zařízení a umístění svařování. Některé ochranné plyny, jako argon, jsou drahé, což omezuje jeho použití. Zařízení používané pro dodávku plynu je také přidanou cenou a v důsledku toho mohou být v určitých situacích upřednostňovány procesy jako svařování stíněným kovovým obloukem, které vyžadují levnější zařízení. A konečně, protože atmosférické pohyby mohou způsobit rozptýlení ochranného plynu kolem svaru, svařovací procesy, které vyžadují ochranné plyny, se často provádějí pouze uvnitř, kde je prostředí stabilní a atmosférickým plynům lze účinně zabránit ve vstupu do oblasti svaru.

Požadovaná rychlost toku plynu závisí především na geometrii svaru, rychlosti, proudu, druhu plynu a použitém režimu přenosu kovu. Svařování plochých povrchů vyžaduje vyšší průtok než svařování drážkovaných materiálů, protože plyn se rychleji rozptýlí. Vyšší rychlosti svařování obecně znamenají, že je třeba dodat více plynu, aby bylo zajištěno dostatečné pokrytí. Vyšší proud navíc vyžaduje větší průtok a obecně je k zajištění adekvátního pokrytí zapotřebí více helia než argon. Snad nejdůležitější je, že čtyři primární varianty GMAW mají odlišné požadavky na průtok ochranného plynu - pro malé svary v režimech zkratování a pulzního stříkání je obecně vhodných asi 10  l / min (20 ft 3 / h ), zatímco pro kulové přenos je preferován kolem 15 l /min (30 ft 3 /h). Variace přenosu rozstřiku obvykle vyžadují více, protože má vyšší tepelný příkon, a tedy větší svarovou lázeň; podél linií 20–25 l /min (40–50 ft 3 /h).

Viz také

externí odkazy

Reference