Газовые смеси, история развития

Уважаемые, посетители сайта!
Мы начинаем знакомить Вас с малоиспользуемым в нашей стране способом сварки
с применением газовых смесей. Благодаря этому методу сварки достигается высокая
производительность труда на 30-50% (!). Мы будем размещать информацию поэтапно с
периодичностью в 7-10 дней. После размещения всей информации Вам будет доступна
ссылка на ее скачивание.
Технические газы
Jet
Раздел История 3 / 2010
Газовые смеси: история развития
В первом десятилетии 20 века в различных отраслях промышленности
продолжалось освоение дуговой, контактной и газовой сварки. Для улучшения качества
дуговой сварки цветных металлов необходимо было разрабатывать специальные флюсы,
обмазки или присадки, для чего требовались знания физико-химических процессов.
Лучшее качество обеспечивало ацетиленокислородное пламя совместно с обычными
флюсами-пастами, но и возможности этого способа были почти исчерпаны. Технологии
дуговой и газовой сварки, самостоятельно развивающиеся в первом и во втором
десятилетиях XX в., не могли не объединиться в едином процессе — в способе
газоэлектрической сварки.
Атомно-водородная сварка
В 1925 г. были разработаны способы сварки косвенной дугой неплавящимися
электродами в струе водорода — атомно-водородная сварка и способ сварки плавящимся
электродом дугой прямого действия в смеси водорода с азотом или водорода с оксидом
углерода. Этот процесс получил название «способ Александера». При этом питание дуги
производили переменным током от специального трансформатора через дроссельную
катушку. Вольфрамовые электроды диаметром от 1,5 до 5,0 мм выдерживали силу тока
10-100 А при рабочем напряжении дуги 70-150 В (напряжение холостого хода в среднем
составляло 300 В). Средний расход водорода равнялся 20-30 л/мин. Такое напряжение
дуги объясняется сравнительно большим потенциалом ионизации водорода и высокой его
теплопроводностью.
В 1930-е гг. из всех способов сварки плавлением наилучшее качество
наплавленного металла обеспечивала атомно-водородная сварка. В этом случае металл
шва практически не окислялся и не азотировался, поры отсутствовали, показатели
прочности, в том числе и пластичность, были высокими. Такой способ сварки применяли
для бортовых, стыковых и угловых соединений с наружным швом. Стыковое соединение
толщиной до 6 мм выполняли без скоса кромок, при большей толщине - с разделкой
кромок. Способ атомно-водородной сварки значительно расширил диапазон свариваемых
материалов и сварных конструкций. Качество сварных соединений легированных,
коррозионностойких и жаропрочных сталей, выполненных этим способом, было
достаточно высокое. Удовлетворительно сваривались также никель, монель-металл,
хромоникелевые сплавы, молибден, вольфрам и цинк. Качество сварных соединений
алюминия и его сплавов, сплавов на магниевой основе, выполненных с применением
флюсов, тех же, что и для газовой сварки, отвечало требованиям, предъявленным к таким
конструкциям ответственного назначения, как самолеты. Наибольшее распространение
атомно-водородная сварка нашла в США (более 3 тыс. постов). В СССР число таких
постов не превышало 1% от количества постов дуговой сварки.
Смесь водорода и азота
А. Сефериан (Франция), Г. Мюнтер (Германия) и некоторые другие ученые
выполнили ряд исследований процессов, протекающих при газоэлектрической сварке, в
том числе при сварке плавящимся электродом. Было установлено, что определенным
преимуществом обладает. Для реализации этого процесса были созданы специальные
аппараты — электрокрекеры, в которых получали азотно-водородную смесь из аммиака,
недефицитного и менее дорогого, чем водород. Исследовали защитные газы, полученные
при испарении и разложении органических соединений. Как уже отмечалось, П. П.
Александер начал эксперименты с метанола, который при 700°С полностью разлагается
на водород и оксид углерода и образует смесь, обладающую хорошими
восстановительными свойствами. Для практического применения этого процесса
дополнительно к сварочному посту был разработан аппарат — испаритель метанола.
Способ Александера был испытан также с использованием двуокиси углерода, водяного
пара и углеводов, при этом удовлетворительных результатов достичь не удалось.
Ацетиленокислородная сварка
В 1930 г. Мюнтер разработал способ, объединявший ацетиленокислородную сварку
с дуговой сваркой металлическим электродом и получивший название «аркоген». В этом
случае газовая сварка выполняет основную функцию — проплавляет металл, а параметры
режима устанавливают в зависимости от толщины металла. Дуга, горящая от ручного
плавящегося электрода, питается при помощи сварочного трансформатора с повышенным
(до 100В) напряжением холостого хода. Сила тока в этом случае почти в 2—3 раза
меньше, чем требуется в случае сварки открытой дугой металла такой же толщины. При
способе аркоген электрод подают к ванне в восстановительную зону газосварочного
пламени. Техника такой сварки чрезвычайно сложна, так как по существу сварщик
вручную одновременно выполняет два способа сварки. Кроме того, поток газа и водород в
его составе вызывают деионизацию столба дуги, и обычная меловая обмазка не
обеспечивает устойчивого горения дуги. Г. Мюнтер не раскрывал состав обмазки своих
электродов, но указывал, что процесс сварки идет устойчиво: 60% теплоты в зону сварки
дает газовое пламя, а 40% — дуга. Эксперименты, проведенные в Московском механикомашиностроительном институте (МММИ) показали, что использование способа аркоген
позволяет получить качественные соединения сталей, чугуна, меди, алюминия. Однако в
производственных условиях он уступал способу атомно-водородной сварки по многим
показателям.
К 1940 г. у специалистов в СССР не сложилось единого мнения о значении,
возможностях и перспективах газоэлектрической сварки. Практическое применение
находили только способы с подачей водорода (чистого и в смеси), горючего газа и паров
органических веществ. Специалисты Ленинградского индустриального института,
МММИ, лабораторий авиапрома и других организаций считали газоэлектрическую сварку
«... одним из наиболее важных видов сварки ближайшего будущего...». В то же время
руководитель Института электросварки академик АН УССР Е. О. Патон не счел нужным
заниматься атомно-водородной сваркой, понимая, по-видимому, бесперспективность
улучшения этого способа. Дальнейшее развитие техники показало, что способы ручной
дуговой сварки электродами с высококачественными покрытиями, автоматической
дуговой сварки под флюсом и сварки в инертных газах оказались более эффективными. К
1950 г. они вытеснили атомно-водородную и другие способы газоэлектрической сварки.
Опыт, полученный при исследовании и внедрении газоэлектрической сварки, пригодился
для разработки способов дуговой сварки в инертных газах и в углекислом газе.
Технические газы
Jet
Раздел История 3 / 2010
Газовые смеси: история развития (продолжение)
Углекислота и современные газовые смеси
Начиная с 50-х годов и до конца прошлого века на территории России основными
способами сварки продолжают оставаться ручная и полуавтоматическая в углекислой
среде. В мире давно отказались от сварки в среде СО2. Например, в Германии еще в 1976
г. объем сварки в смесях газов превысил объем сварки в СО2, в то время как на
отечественных машиностроительных предприятиях объем сварки в СО2 по-прежнему
составляет около 80 %. Дуговая сварка в среде защитных газов – сварочная смесь –
является наиболее употребимым методом в Европе, США и Японии. Высокая
производительность, присущая этому методу, и простая возможность автоматизации
процесса сварки способствовали его популярности.
Защитный газ, который подается в зону сварки через газовое сопло, защищает дугу
и сварочную ванну с расплавленным металлом. Металл в расплавленном состоянии
химически активен и может взаимодействовать с защитным газом. Инертный защитный
газ, такой как аргон или гелий, химически не реагирует с металлом в сварочной ванне в
процессе горения дуги. Примером активных защитных газов являются углекислота и
смеси аргона (реже гелия) с небольшими добавками углекислоты или кислорода.
Сертифицированные сварочные смеси (Ar + CO2) являются наилучшим видом защитного
газа для сварки стальных конструкций, т.к. имеют огромные преимущества в сравнении с
традиционной
углекислотой
по
качеству
и
надежности
сварных
швов,
производительности работ и другим показателям.
Газовые смеси
В 21 веке анализ рынка оборудования для дуговой сварки плавлением,
сложившегося на рубеже веков, показывает, что наиболее распространенным способом
сварки в промышленности продолжает оставаться полуавтоматическая сварка
плавящимся
электродом
в
среде
защитных
газов
(MIG/MAG
процесс).
Полуавтоматическая сварка в среде защитного газа – наиболее универсальный и
распространенный в промышленности метод сварки. Словосочетание «в углекислом газе»,
к которому привыкли многие специалисты, умышленно упущено, так как при этом методе
все чаще используются многокомпонентные газовые смеси, в состав которых помимо
углекислого газа могут входить аргон, кислород, гелий, азот и другие газы. В зависимости
от свариваемого металла и его толщины в качестве защитных газов используют инертные,
активные газы или их смеси. В силу физических особенностей стабильность дуги и ее
технологические свойства выше при использовании постоянного тока обратной
полярности. При использовании постоянного тока прямой полярности количество
расплавляемого электродного металла увеличивается на 25-30 %, но резко снижается
стабильность дуги и повышаются потери металла на разбрызгивание. Применение
переменного тока невозможно из-за нестабильного горения дуги.
Если рассматривать применение сварочных газов только с точки зрения получения
наилучшей защиты реакционного пространства сварочной дуги от наружного воздуха, то
оптимальным защитным газом будет аргон. Аргон тяжелее воздуха (плотность 1,78 кг/м3),
обладает низким потенциалом ионизации (15,7 В), не вступает в химические
взаимодействия с другими элементами и в достаточных количествах содержится в
свободном виде (0,9325% об. или 0,00007% вес.), что позволяет получать его из воздуха в
ректификационных установках. В настоящее время аргон широко применяется в качестве
защитного газа при сварке алюминиевых сплавов и высоколегированных сталей (особенно
нержавеющих хромоникелевых). Однако при сварке углеродистых и низколегированных
сталей основных структурных классов на российских предприятиях основным защитным
газом для MIG/MAG процесса продолжает оставаться углекислый газ СО2. Между тем,
применение аргона позволяет повысить температуру сварочной дуги, что улучшает
проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в целом. При этом
проплавление приобретает «кинжальную» форму, что позволяет выполнять
однопроходную сварку в щелевую разделку металла больших толщин. При сварке в среде
аргона (как и иных инертных газов) минимизируется выгорание активных легирующих
элементов, что позволяет использовать более дешевые сварочные проволоки с
пониженным содержанием Mn, такие, как СВ08ГС, ER-7056. Однако, применение
углекислого газа при сварке плавящимся электродом имеет свои преимущества, связанные
прежде всего с химико-металлургическими процессами, происходящими при сварке.
Углекислый газ имеет высокую плотность (приблизительно в 1,5 раза выше, чем у
воздуха) и сам по себе способен обеспечить качественную защиту реакционного
пространства; его потенциал ионизации, равный 14,3 В, дает возможность использовать
при сварке эффект диссоциации молекул углекислого газа на оксид углерода СО и
свободный кислород: СО2 – СО + О; СО – С + О.
Защитные газовые смеси
В качестве защитных газовых смесей для сварки плавящимся электродом во всех
промышленно развитых странах давно уже применяют чистый углекислый газ. Для этого
используются газовые смеси. От выбора защитной газовой смеси зависит качество сварки.
Так, смеси, содержащие в своем составе гелий, повышают температуру сварочной дуги,
что улучшает проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в
целом. Повышение производительности сварочных работ при применении газовых смесей
составляет не менее 30-50 %. Гораздо более значителен эффект от их применения по
предприятию в целом. Например, применение газовых смесей при полуавтоматической
сварке металла, подлежащего дальнейшей покраске, не требует последующей зачистки
сварного шва и около шовной зоны. Сварной шов получается формы и частоты вполне
пригодной для дальнейшей покраски. Это обеспечивает значительное повышение
производительности труда при дальнейших работах со сваренными изделиями на
предприятии. Кроме того, применение газовых смесей при полуавтоматической сварке
обеспечивает еще и повышение свойства металла сварного соединения, что в ряде случаев
позволяет отказаться от последующей термообработки, что всегда трудоемко. Данные
защитные газовые смеси применимы для электродуговой сварки как углеродистых, так и
легированных сталей. Если сравнить два способа защиты сварочной ванны (чистый
углекислый газ или аргон содержащие многокомпонентные газовые смеси), то можно
сделать выводы в пользу применения многокомпонентных газовых смесей.