Tlen

Dwutlenek węgla

Argon

Hel

Azot

Wodór

Właściwości i zastosowanie poszczególnych gazów w spawalnictwie

Tlen O₂

Największe zastosowanie tlenu w spawalnictwie występuje w procesach cięcia tlenowego stali konstrukcyjnych, oraz w coraz mniejszej skali do spawania acetylenowo-tlenowego.

Może być również stosowany w procesach precyzyjnego cięcia plazmowego wysokiej jakości (high tolerance plasma arc cuting; HTPAC). Stosowanie tlenu jako gazu plazmowego w tym procesie powoduje użycie mniejszych wartości natężenia prądu przy tych samych prędkościach oraz grubości ciętego materiału w porównaniu do innych gazów plazmowych. Cechą charakterystyczną zastosowania tlenu do cięcia stali niestopowych jest: mały ukos, minimalne rowkowanie powierzchni cięcia, metaliczny połysk powierzchni ciecia, mała szerokość szczeliny, wąska strefa wpływu ciepła, brak sopli i nacieków na dolnej krawędzi cięcia.

Tlen używany jest również jako samodzielnie występujący gaz pomocniczy do cięcia laserowego w przypadku wycinania elementów ze stali niestopowych.

W procesach spawania łukowego tlen występuje najczęściej jako jeden ze składników mieszaniny osłaniającej jarzący się łuk przed dostępem powietrza atmosferycznego.

Podstawowe cechy tlenu jako składnika gazu osłonowego:

• aktywny chemicznie o dwukrotnie silniejszym działaniu utleniającym, niż CO₂
• stabilizuje łuk spawalniczy
• obniża napięcie powierzchniowe, dzięki czemu zwiększa się płynność jeziorka spawalniczego i zmniejsza się ryzyko występowania przyklejeń oraz podtopień a zarazem minimalizuje wystąpienie zjawiska karbu.
• obniża wartość prądu krytycznego, co powoduje zmianę charakteru przenoszenia metalu w łuku na bardziej drobnokroplowy.
• zmniejsza ilość powstających odprysków
• sprzyja wzrostowi wydajności spawania

Stosowanie tlenu jako składnika mieszanin osłonowych jest wskazane ze względu na uzyskiwanie bardzo korzystnych właściwości spawalniczych i ekonomicznych, jednakże udział tlenu w tych mieszaninach powinien być kontrolowany i tak dobierany, aby nie powodował zakłócania procesu.

Przykładem może być zbyt duża zawartość O₂ w argonie, która utrudnia wykonywanie złączy w pozycjach przymusowych (PC, PF, PE). Większa zawartość tlenu w osłonie może mieć wpływ na uzyskanie prawidłowej odporności na pękanie(udarność), o ile nie zastosuje się spoiwa o określonym składzie chemicznym. Dzieje się tak, ponieważ ilość wtrąceń tlenkowych ma duży wpływ na zawartość ferrytu iglastego w spoinie, co przekłada się na większą lub mniejszą udarność. Producent drutu podając w katalogu właściwości mechaniczne stopiwa, powinien zamieścić informację, która wskazywałaby, jakiego gazu osłonowego użyto w trakcie prowadzenia badań atestacyjnych danego gatunku spoiwa.

To tylko niektóre zagadnienia i informacje z zastosowania tlenu do procesów spawalniczych.

Więcej informacji mogą Państwo uzyskać kontaktując się ze specjalistą AP.

Dwutlenek węgla, CO₂

W spawalnictwie dwutlenek węgla jest historycznie najstarszym gazem osłonowym stosowanym w metodzie MAG. Może występować jako pojedynczy składnik gazu osłonowego a także jako składnik mieszanek spawalniczych, które zrewolucjonizowały i upowszechniły stosowanie metody.

Osłonę z samego CO₂ stosuje się przy spawaniu elektrogazowym, drutami proszkowymi, czasami techniką zwarciową wykonując warstwy graniowe lub spawając w pozycjach przymusowych.

Cechy charakterystyczne CO₂ jako gazu osłonowego:

• w łuku spawalniczym posiada właściwości utleniające i nawęglające
• dzięki właściwościom utleniającym poprawia stabilność jarzenia się łuku w mieszaninach z Ar i He
• wysoka energia jonizacji podnosi napięcie łuku
• podczas procesu jarzenia się łuku, CO₂ dysocjuje, na CO + O które reagują z ciekłym metalem powodując utlenianie i wypalanie składników stopowych oraz nawęglanie spoiny.
• zdysocjowany dwutlenek węgla w łuku podlega zjawisku rekombinacji, co powoduje wzrost energii spawania i większą ilość wnikającego ciepła w głąb materiału, czego następstwem jest zwiększona głębokość wtopienia
• nie występuje natryskowe przenoszenie metalu w łuku
• powoduje duży rozprysk stopiwa.
• krzepnięcie jeziorka spawalniczego jest powolne.

Spawanie w osłonie samego CO₂ nie jest zalecane, gdy wymagana jest odpowiednia wydajność procesu, poprawny kształt i wygląd lica spoiny, uzyskanie najwyższych właściwości mechanicznych i odporności na pękanie spoin. Wtedy należy stosować mieszaniny Ar + CO₂, Ar + CO₂ + O₂.

Dwutlenek węgla jest również wykorzystywany jako czynny gaz w laserach gazowych. Pochłania on energię z azotu, przechodząc tym samym w stan wzbudzony, a następnie emituje tę energię w postaci promieniowania podczerwonego.

Argon

Argon jest obecnienajczęściej stosowanym gazem do mieszanin osłonowych, jest ich głównym składnikiem, a także występuje jako osłona jednoskładnikowa do spawania większości metali i stopów wrażliwych na działanie składników utleniających. Czysty argon stosuje się do uzyskania całkowicie obojętnej atmosfery ochronnej łuku w metodach TIG, MIG, oraz w procesach spawania plazmowego i laserowego metali wysokostopowych np.: Cr-Ni, aluminium, niklu i ich stopów. Do wykonania złączy metali i stopów o wysokiej aktywności chemicznej np.: Ti, Ta, Nb, Zr.

Cechy charakterystyczne argonu jako gazu osłonowego:

• gaz nieaktywny chemicznie
• jest cięższy od powietrza dzięki czemu dobrze chroni strefę spawania
• posiada niski potencjał jonizacji, dzięki czemu następuje łatwe zajarzenie łuku i jego stabilność
• posiada niski współczynnik przewodnictwa cieplnego, dlatego łuk jarzący się w atmosferze argonu ma małą moc (zimny łuk), a spoina szybko krzepnie
• powoduje łatwe uzyskanie natryskowego przenoszenia metalu w łuku
• powoduje duże napięcie powierzchniowe ciekłego jeziorka oraz odrywających się kropli z elektrody topliwej
• zmniejsza ilość rozprysku podczas spawania

W procesie spawania plazmowego TIG/MIG jako podstawowy gaz plazmotwórczy stosowany jest argon. O zastosowaniu go jako gazu jednorodnego bądź jako mieszaniny decyduje rodzaj łączonych elementów oraz parametry spawania. Do spawania elementów grubszych zalecane są mieszaniny Ar + He, bądź Ar + H₂. Ta ostatnia ma pewne ograniczenia w zastosowaniu, a mianowicie nie należy jej stosować do stali: martenzytycznych, austenityczno-ferrrytycznych, aluminium, miedzi i ich stopów. Natomiast zalecana jest do spawania stali nierdzewnych austenitycznych, niklu i stopów niklu.

W technikach spawania plazmowego, stosowanie samego argonu jest odpowiednie do spawania wszystkich metali. Należy jednak zwrócić uwagę, że dobór gazu osłaniającego łuk plazmowy zależy od rodzaju i grubości materiału spawanego, techniki spawania oraz natężenia prądu spawania. Gaz osłonowy może być mieszaniną argonu i gazów aktywnych chemicznie pod warunkiem, że nie będzie to miało wpływu na obniżenie jakości złącza, a pozwoli na poprawę właściwości energetycznych łuku plazmowego, co zarazem przełoży się na ekonomikę procesu.

Argon stosuje się również w trakcie cięcia plazmowego materiałów wysokostopowych, metali i stopów nieżelaznych, między innymi Al, Ni, Cu. Jego duża gęstość ułatwia usuwanie roztopionego metalu ze szczeliny. Natomiast jego mała przewodność i pojemność cieplna w łuku plazmowym dostarcza zbyt mało energii do materiału obrabianego i dlatego argon stosowany jest w cięciu plazmowym jako jeden ze składników mieszanki. Najbardziej popularną i przynoszącą najlepsze efekty technologiczne jest mieszanina Ar + 35% H₂.

W technikach laserowych argon wykorzystuje się przy cięciu metali reaktywnych takich, jak np. tytan, ponieważ jest gazem szlachetnym i nie reaguje z metalami (jak azot czy tlen, które powodują odpowiednio kruchość lub utlenienie).

W napawaniu laserowym gazami procesowymi-osłonowymi oraz przenoszącymi proszek jest zazwyczaj argon lub mieszanki Ar + H₂, lub Ar + He w zależności od materiałów, które podlegają procesowi, bądź też od zaleceń producentów proszków i drutów oraz producentów urządzeń do natryskiwania

Argon stosuje się również do spawania laserowego głównie po to, aby ochronić ciekłe jeziorko spawalnicze przed dostępem powietrza atmosferycznego.

Łuk jarzący się w osłonie argonu w porównaniu do innych mieszanin jest wyjątkowo jasny, przez co w znacznie krótszym czasie może podrażnić skórę, a nawet doprowadzić do oparzeń. Przyczyną tego jest silne promieniowanie łuku w zakresie ultrafioletu. Z powodu tak silnego promieniowania w strefie łuku wydziela się większa ilość ozonu.

Hel

W procesach spawalniczych hel jest stosowany przede wszystkim jako składnik mieszanin Ar + He w procesach TIG/MIG.

Udział helu w niektórych procesach jest szczególnie zalecany np. przy wykonywaniu złączy ze stopów aluminium, ponieważ sprzyja niskiej porowatości i zwiększonej wydajności.

Cechy charakterystyczne helu:

• siedmiokrotnie lżejszy od powietrza, co należy uwzględnić przy ustawianiu wypływu gazu z dyszy. Wymagany jest dużo wyższy wydatek, aby skutecznie ochronić jeziorko spawalnicze
• całkowicie nieczynny chemicznie (gaz szlachetny)
• wysoka energia jonizacji utrudnia zajarzenie oraz jarzenie łuku
• wysokie napięcie łuku powoduje wzrost jego energii cieplnej (gorący łuk)
• niska rozpuszczalność gazu w ciekłych metalach minimalizuje porowatość spoin
• wysoka przewodność cieplna powoduje uzyskanie spoin o większym polu przekroju, spoiny stygną wolniej oraz można znacznie zwiększyć prędkość spawania.
• minimalny rozprysk
• łatwo uzyskuje się natryskowe przenoszenie metalu w łuku
• gorsze właściwości czyszczenia katodowego powierzchni materiału z trudnotopliwych tlenków

W porównaniu z jasnym łukiem w osłonie argonu łuk w osłonie o przeważającym składzie helu bądź w samym helu jest poszerzony i mniej jasny, spoiny cechuje duży stosunek szerokości do głębokości przy dobrym wtopieniu i niskim nadlewie. Osłona łuku z helu nie jest zalecana do spawania ręcznego, gdyż nawet niewielkie zmiany długości łuku powodują znaczne zmiany napięcia łuku i w efekcie zmiany ilości wprowadzanego ciepła do złącza spawanego. Zalecana jest natomiast do spawania automatycznego gdzie łuk prowadzony jest bardzo precyzyjnie i wykorzystanie właściwości helu jest uzasadnione i wręcz zalecane ze względu na ekonomię procesu.

Zastosowanie helu jako gazu plazmowego nie jest tak popularne jak stosowanie go w postaci mieszanki z argonem, ponieważ hel zwiększa obciążenie cieplne dyszy plazmowej, możliwe jest również uzyskanie małych głębokości wtopienia, ponieważ jego gęstość jest znacznie mniejsza niż argonu. Mały pęd plazmy helowej sprawia, że hel jest stosowany do spawania techniką z jeziorkiem.

Hel jest podstawowym składnikiem gazów laserowych, jego zawartość w mieszaninie wynosi 40 – 85% He i zależy od typu lasera. Jako składnik gazu rezonatorowego spełnia następujące zadania:

• przyspiesza relaksację wzbudzonych cząsteczek, CO₂ , czyli pozwala osiągnąć większą moc lasera.
• ułatwia odprowadzenie ciepła powstałego podczas wyładowań elektrycznych w rezonatorze.

Przy stosowaniu helu, jak i pozostałych gazów rezonatorowych należy zwrócić szczególną uwagę na wymagany stopień czystości, ponieważ ma to ogromny wpływ na pracę urządzenia, a niedotrzymanie tego warunku może doprowadzić do uszkodzenia luster.

Hel wykorzystywany jest również w procesach spawania i napawania laserowego, napawania TIG MIG/MAG, napawania plazmowego.

Azot

Ponieważ w łuku azot reaguje z niektórymi pierwiastkami (Fe, Al, Mn, Si) tworząc bardzo niekorzystne związki, ma on niewielkie zastosowanie jako gaz osłonowy w porównaniu do innych gazów (Ar, He, H₂, CO₂).

Najczęściej przenika do ciekłych metali z powietrza, a jego stężenie wzrasta wraz z temperaturą.

Powoduje pogorszenie odporności na pękanie i porowatość podczas spawania stali ferrytycznych, ponieważ w wysokiej temperaturze ulega dysocjacji na azot atomowy, który rozpuszcza się w żelazie.

Cechy charakterystyczne azotu:

• aktywny chemicznie tylko w wysokiej temperaturze
• wysoka przewodności cieplna
• najwyższa energia dysocjacji spośród wszystkich gazów spawalniczych
• powoduje porowatość
• ogromny wpływ na starzenie szczególnie stali niestopowych
• pierwiastek silnie austenitotwórczy

Odstępstwem od zasady, że azot jest składnikiem niepożądanym, są stale austenityczne i austenityczno-ferrytyczne (duplex), gdzie azot bywa składnikiem stopowym, i coraz częściej wykonując złącza spawane z tych materiałów stosuje się gazy osłonowe z dodatkiem azotu w celu regulacji struktury stopiwa, a przez to oddziaływanie na jego właściwości mechaniczne, korozję międzykrystaliczną i naprężeniową oraz odporności na pękanie gorące. Azot częściej stosuje się jako gaz osłaniający grań spoiny, przy spawaniu stali austenitycznych. Można go stosować jako gaz jednorodny, ale najczęściej jest mieszany z wodorem, dzięki czemu uzyskuje się czystą grań spoiny.

Jeżeli w stali składnikiem stopowym jest tytan, należy unikać stosowania azotu jako gazu osłaniającego grań, ponieważ spowoduje to żółte zabarwienia sąsiedztwa grani spoiny.

W procesach laserowych azot występuje jako składnik gazu rezonatorowego, który pośredniczy w osiągnięciu stanu wzbudzenia CO₂. Natomiast jako gaz procesowy azot używany jest do cięcia stali wysokostopowych oraz aluminium.

Stosowanie azotu do cięcia plazmowego powoduje wnikanie dużej jego ilości wgłąb metalu, czego następstwem będą niezgodności spawalnicze. Spoina wykonana na takiej powierzchni to może być porowata i zawierać pęcherze. W takich przypadkach powierzchnię należy przygotować do spawania usuwając mechanicznie warstwę, która podczas cięcia została narażona na oddziaływanie azotu.

Podczas cięcia plazmowego azotem należy zwrócić szczególną uwagę na warunki bezpieczeństwa, a mianowicie na występowanie krytycznych ilości tlenków azotu (najniebezpieczniejsze NO₂, NO) oraz dużej ilości pyłów i dymów.

Wodór

W początkowym okresie rozwoju metod spawania w osłonie gazów wodór był wykorzystywany w metodzie zwanej „spawanie atomowe”, i była to i jest jedyna metoda, gdzie zastosowano wodór jako gaz osłonowy jednoskładnikowy. W wyniku postępu metodę tę zastąpiły inne, bardziej nowoczesne i bezpieczniejsze. Obecnie wodór jest stosowany jako jeden ze składników mieszanek spawalniczych w metodach MAG, TIG oraz spawaniu plazmowym stali stopowych, nie zawierających, ani nie mających skłonności do powstawania struktur martenzytycznych. Stale gdzie stosuje się takie mieszanki to: stale austenityczne, nikiel i jego stopy.

Cechy charakterystyczne wodoru:

• aktywny chemicznie o właściwościach redukujących
• powoduje wysoką oporność i najwyższe napięcie łuku (ze wszystkich gazów osłonowych)
• przewodność cieplna wodoru jest bardzo wysoka (podobna do helu), dzięki czemu spoina jest dobrze wtopiona
• wysoka łączna energia dysocjacji i jonizacji, a w konsekwencji również energia rekombinacji podnoszą energię łuku i przyczyniają się do wnikania dużej ilości ciepła do spawanego elementu.
• bardzo dobra rozpuszczalność w wielu metalach
• powoduje skłonność do pękania stali o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej i miedzi
• jest gazem palnym i wybuchowym
• sprzyja redukowaniu ilości ozonu wydzielanego w strefie łuku
• zwiększa częstotliwość i regularność przepływu kropel w łuku
• podnosi zwilżalność ciekłego metalu

Wodór dodany do mieszanki powoduje podwyższenie energii łuku oraz wytworzenie redukującej strefy wokół łuku, udział 2-3% wodoru redukuje intensywnie tlen i tlenki, dzięki czemu uzyskuje się spoiny o czystym licu, oraz zapobiega powstawaniu barwnych nalotów wokół spoiny. Redukująca atmosfera łuku powoduje, że w przypadku wykonywania spoin wielowarstwowych maleje ryzyko wystąpienia tlenków i żużli między warstwami spoiny.

Kształt przekroju poprzecznego spoiny wykonanej w mieszance z dodatkiem wodoru cechuje się dobrym wtopieniem w ścianki łączonych elementów. Obecność wodoru jest bardzo korzystna w przypadku spawania czystego niklu, zapobiega on porowatości. Odgrywa istotną rolę jako składnik mieszanki ochraniającej grań, głównie podczas spawania wysokostopowych austenitycznych stali nierdzewnych, stali typu duplex, kiedy wykorzystywane są jego właściwości redukujące tlen i tlenki.

Stanowi składnik gazu plazmowego do cięcia i spawania, stosowany w atmosferach ochronnych w procesie lutowania, napawania laserowego i plazmowego.