Gazy osłonowe wykorzystywane w spawalnictwie

Gazy osłonowe wykorzystywane w spawalnictwie, inaczej gazy atmosferyczne nazywane również gazami przemysłowymi lub technicznymi to: argon, hel, azot, tlen, wodór, dwutlenek węgla i powietrze – wszystkie występują w atmosferze ziemskiej i w większości są z niej pozyskiwane. Ich wspólną cechą jest, to że oprócz wodoru nie są palne, pomimo że niektóre z nich biorą czynny i zasadniczy udział w procesie spalania. Stosuje się je w różnym zakresie do osłony łuku spawalniczego, roztopionego lub nagrzanego do wysokiej temperatury metalu oraz do generacji energii, usuwania produktów ubocznych powstających w procesach spawalniczych, zabezpieczania spawanych obiektów przed wybuchem, badania szczelności spawanych wyrobów.

Gazy osłonowe – właściwości w metodach TIG i MIG/MAG

Podstawową właściwością gazów osłonowych jest łatwość ich jonizowania, aby zapewnić utrzymanie stabilnego łuku lub plazmy przy stosunkowo niskim napięciu. Dodatkowymi wymaganiami są: skuteczna osłona jeziorka ciekłego metalu, dobre wtopienie w głąb spawanego metalu, gładki kształt lica spoiny. Przy braku skutecznej osłony ciekłego stopiwa przed dostępem powietrza pojawia się porowatość, utlenianie powierzchni, przez co następuje pogorszenie właściwości mechanicznych spoiny.

Podczas spawania MIG/MAG gazy osłonowe powinny być odpowiednio dobrane w celu stworzenia określonych warunków przenoszenia kropel materiału z końca drutu do ciekłego jeziorka, na przykład zwarciowego lub natryskowego.

Podczas spawania metodą TIG gaz powinien być chemicznie nieczynny lub lekko redukujący, aby zapobiec utlenianiu. Właściwie dobrany gaz, pomimo że chemicznie obojętny, ma znaczący wpływ na parametry energetyczne łuku, kształt spoiny i wydajność procesu spawania.

Najbardziej popularne gazy osłonowe / spawalnicze

Argon

Jest najszerzej stosowany jako podstawowy składnik gazów osłonowych, a także jako osłona jednoskładnikowa do spawania większości metali i stopów dzięki brakowi oddziaływania na stopiwo i niskiemu potencjałowi jonizującemu. Czysty argon wykorzystuje się do uzyskania całkowicie obojętnej atmosfery ochronnej łuku podczas spawania TIG, MIG, plazmowego i laserowego metali wysokostopowych, np. typu Cr-Ni, aluminium, niklu i ich stopów. Do spawania metali i stopów o wysokiej aktywności chemicznej np. Ti, Ta, Nb, Zr, zaleca się argon o czystości 99,996%. Argon stosuje się również jako składnik mieszanek osłonowych obojętnych z helem. Największe zużycie argonu występuje w przypadku mieszanek aktywnych w połączeniu dwutlenku węgla z tlenem, w których jest składnikiem ilościowo dominującym, stosowanym do spawania metodą MAG stali niestopowych i niskostopowych. Ponieważ gęstość argonu jest większa niż powietrza umożliwia on wytworzenie skutecznej osłony łuku w każdym procesie i pozycji spawania. Argon cechuje się niskim potencjałem jonizacyjnym, dlatego łuk w osłonie argonu jest łatwy do zajarzenia i stabilny nawet przy niskim napięciu i znacznej długości.

Hel

W spawalnictwie hel znajduje zastosowanie przede wszystkim do wytwarzania atmosfery obojętnej w procesach spawania metodami TIG i MIG, głównie jako składnik mieszanki osłonowej z argonem. Udział helu jest korzystny w przypadku spawania stopów aluminium, głównie z powodu niskiej porowatości (TIG) i zwiększonej wydajności (MIG). Coraz częściej stosuje się mieszanki z helem do spawania miedzi, niklu i ich stopów, a także mieszanki Ar + He z dodatkiem CO₂ lub O₂ do spawania stali wysokostopowych.  W niewielkim stopniu hel wykorzystuje się do spawania plazmowego jako gaz czynny (zwiększa energie łuku) i osłonowy oraz do napawania. Mieszanki o dużej zawartości helu stosowane do spawania metodą MAG stali konstrukcyjnych, pomimo że wpływają na zwiększenie prędkości spawania w porównaniu z prędkościami uzyskiwanymi przy mieszankach Ar + CO_2,  nie znajdują powszechnej akceptacji z uwagi na wysoką cenę helu.

Azot

Poza przypadkiem występowania w wysokiej temperaturze, między innymi w łuku spawalniczym, azot jest gazem nieczynnym w niższych temperaturach. Reaguje z niektórymi pierwiastkami, np. Fe, Al, Mn, Si, tworząc niekorzystne związki, więc w porównaniu z innymi gazami – Ar, He, H₂ – ma on stosunkowo niewielkie znaczenie jako gaz osłonowy w spawaniu łukowym. Bywa jednak stosowany przy spawaniu miedzi jako gaz osłaniający grań oraz do cięcia plazmowego i laserowego. Nie może być składnikiem gazu osłonowego łuku podczas spawania stali ferrytycznych, ponieważ w wysokiej temperaturze ulega dysocjacji na azot atomowy, który rozpuszcza się w żelazie i może powodować pogorszenie odporności na pękanie (udarność) i porowatość. Inaczej wygląda to przy stalach austenitycznych i austenityczno-ferrytycznych (duplex), których azot bywa składnikiem stopowym, coraz częściej jest dodawany w niewielkiej ilości do gazu osłonowego w celu regulacji charakteru struktury stopiwa, a przez to oddziaływania na jego właściwości mechaniczne, odporność na pękanie gorące, korozję międzykrystaliczną i naprężeniowa. Powszechniej wykorzystuje się azot do osłony grani spoiny podczas spawania tego typu stali, głównie ze względu na znacznie niższą jego cenę od ceny argonu.

Dwutlenek węgla

Składa się z dwóch różnych atomów: C i O₂, w łuku elektrycznym ulega on dysocjacji na tlenek węgla i wolny tlen. Wytwarza się przy tym niewystarczająca ilość tlenu, aby mogła powstać plazma, dlatego też nie można uzyskać natryskowego przenoszenia metalu, wynikiem czego jest duża ilość odprysków z powodu niestabilnego przepływu kropel stopionego metalu. Wysoka energia cieplna wytwarzana podczas spawania w atmosferze zawierającej CO₂   sprawia, że kształt wtopienia jest bardziej zaokrąglony niż w przypadku spawania w osłonie argonu. W spawalnictwie dwutlenek węgla jest powszechnie stosowany jako gaz osłonowy przy spawaniu metodą MAG stali konstrukcyjnych niestopowych i niskostopowych. W początkowym okresie rozwoju metody MAG używano samego CO₂ , obecnie jest głównie składnikiem mieszanek dwuskładnikowych (Ar + CO₂ ) lub wieloskładnikowych. Osłonę z samego CO₂ stosuje się niekiedy przy spawaniu techniką zwarciową warstwy graniowej i w pozycjach przymusowych oraz jako osłonę przy spawaniu elektrogazowym i drutami proszkowymi. Spawanie w osłonie samego CO₂ nie jest zalecane, gdy wymagane jest uzyskanie jak najwyższych właściwości mechanicznych i odporności na pękanie spoiny, poprawnego profilu lica, a także wysokiej wydajności spawania. Zaleca się wtedy stosowanie mieszanki Ar + CO₂, w której zawartość CO₂ mieści się zwykle w granicach 7÷25%.  Dwutlenek węgla stosuje się nie tylko w spawalnictwie, ale także w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, w lecznictwie, pożarnictwie, a także do różnych celów przemysłowych jako gaz w dużym stopniu obojętny, na przykład do przechowywania cieczy łatwo palnych.

Wodór

Dodawanie wodoru do gazu osłonowego jest stosowane zazwyczaj w procesach spawania MIG i TIG oraz spawania plazmowego stali stopowych niezawierających, ani niemających skłonności do powstawania struktur martenzytycznych, np. stali austenitycznych, niklu i jego stopów. Wodór dodaje się w celu podwyższenia energii łuku. W przypadku osłony na bazie argonu dodaje się do 5% H_2, ale w pewnych przypadkach można stosować nawet mieszankę Ar + 15% H₂ , przy czym większe wartości dodanego wodoru zwiększają ryzyko porowatości. Wzrost energii łuku zwiększa głębokość wtopienia, czemu sprzyja również wysoka przewodność ciepła, ułatwiająca transfer ciepłą do materiału spawanego. Osłona zawierająca wodór nie nadaje się do spawania aluminium, jest natomiast korzystna w przypadku spawania czystego niklu, gdyż zapobiega on porowatości.

Gazy osłonowe do spawania metali metodami MAG i MIG

Spawarki MIG/MAG marki Paton

Spawanie stali niestopowych i niskostopowych

Wykonuje się je coraz częściej przy użyciu przy użyciu mieszanki trójskładnikowej o składzie Ar + (12 ÷ 15)% CO₂ + (1,5 ÷ 5)% O₂ niezależnie od grubości elementów łączonych. Gazy osłonowe dobiera się więc stosując kompromis między wysoką energią łuku a małą ilością odprysków. Skład tego gazu umożliwia stworzenie właściwych charakterystyk przenoszenia metalu w przypadku elementów o grubości 3 ÷ 10 mm, w tym również przy spawaniu ze sterowaniem synergicznym.

Spawanie stali wysokostopowych odpornych na korozje

Wykonuje się na bazie argonu z dodatkiem dwutlenku węgla, tlenu lub helu. Udział helu w mieszance nie powinien przekraczać 30%. Mieszanka Ar + 30% He + 1% O₂ może być użyta do spawania wszystkich rodzajów stali nierdzewnych, a nawet w przypadkach stopów o dużej zawartości niklu. Powoduje ona odpowiednią lepkość płynnego metalu, łatwą zwilżalność materiału spawanego, wysoką stabilność łuku i nieznaczne rozpryski. Ponadto nie wpływa na wzrost zawartości węgla w spoinie ani kruchości wodorowej. Nadaje się do każdego rodzaju przenoszenia metalu w łuku.

Spawanie niklu i jego stopów

Powszechnie i tradycyjnie używa się czystego ( 99,995% ) argonu. Do spawania zwarciowego elementów cienkich zaleca się mieszanki na bazie argonu z dodatkiem tlenu lub wodoru, które pozytywnie wpływają na stabilizacje łuku, poprawiają płynność metalu i kształt spoiny. W przypadku grubych elementów można stosować Ar + He z przewagą argonu i dodatkiem O₂ lub H₂.

Spawanie aluminium i jego stopów

Tradycyjnie używa się argonu, lecz ostatnio występuje tendencja do stosowania mieszanek He + Ar zawierających do 80% He, a nawet czystego helu. Zwiększenie udziału helu powoduje zwiększenie napięcia łuku i rozszerzenie jego zakresu, a więc zwiększenie mocy łuku. Cienkie elementy powinno się spawać w mieszance o zawartości do 35% He, a grubsze w mieszance o większym jego dziale.

Spawanie miedzi i jego stopów

Miedź spawa się przeważnie w osłonie argonu, przy czym konieczne jest podgrzewanie z uwagi na bardzo dużą przewodność cieplną miedzi. Przy spawaniu grubych elementów można stosować mieszanki helowo – arganowe (50 ÷ 70) % He + (50 ÷ 30) % Ar. Mieszanki takie powodują głębokie wtopienie, poprawiają jego kształt i umożliwiają obniżenie temperatury podgrzewania w stosunku do koniecznej podczas spawania w samym argonie.

Spawanie tytanu oraz innych metali reaktywnych

Do spawania metali reaktywnych (Ti, Zn, Nb, Hf) należy używać argonu lub mieszanek argonu z helem (do 60% udziału) o czystości nie niższej niż 99,996%, ponieważ metale te są wrażliwe na wodór, tlen i azot. Powierzchnia metalu musi być czyszczona bezpośrednio przed spawaniem, aby uniknąć pochłaniania przez nią tlenu, który pogarsza właściwości mechaniczne spoiny.

Zobacz też inne ciekawe artykuły z naszego bloga:

– Spawanie aluminium – wszystko o spawaniu aluminium

– Rodzaje elektrod otulonych – rodzaje elektrod w metodzie MMA

– Spawanie stali nierdzewnej – wszystko o spawaniu “nierdzewki”

– Szkodliwość spawania metodą TIG – zagrożenia przy spawaniu metodą TIG