Характеристика аргона для сварки

Обновлено: 08.05.2024

Аргон — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Третий по распространённости элемент в земной атмосфере (после азота и кислорода) — 0,93 % по объёму и 1,29 % по массе. Аргон — самый распространённый инертный газ в земной атмосфере, в 1 м 3 воздуха содержится 9,34 л аргона (для сравнения: в том же объеме воздуха содержится 18,2 см 3 неона, 5,2 см 3 гелия, 1,1 см 3 криптона, 0,09 см 3 ксенона). Есть аргон и в воде, до 0,3 см 3 в литре морской и до 0,55 см 3 в литре пресной воды. Его среднее содержание в земной коре (кларк) — 0,04 г на тонну, что в 14 раз больше, чем гелия, и в 57 — чем неона. Получается, что на Земле аргона намного больше, чем всех прочих элементов его группы, вместе взятых.

Содержание аргона в мировой материи оценивается приблизительно в 0,02 % по массе. Аргон (вместе с неоном) наблюдается на некоторых звездах и в планетарных туманностях. В целом его в космосе больше, чем кальция, фосфора, хлора, в то время как на Земле существуют обратные отношения.

Физические свойства

Аргон — одноатомный газ с температурой кипения (при нормальном давлении) -185,9 °C (немного ниже, чем у кислорода, но немного выше, чем у азота). Температура плавления -189,4°С. В 100 мл воды при 20 °C растворяется 3,3 мл аргона, в некоторых органических растворителях аргон растворяется значительно лучше, чем в воде.

Химические свойства

Название «аргон» (от греч. — ленивый, медленный, неактивный) - подчеркивает важнейшее свойство элемента — его химическую неактивность.

Пока известны только 2 химических соединения аргона — гидрофторид аргона и CU(Ar)O, которые существуют при очень низких температурах. Кроме того, аргон образует эксимерные молекулы, то есть молекулы, у которых устойчивы возбужденные электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Также со многими веществами, между молекулами которых действуют водородные связи (водой, фенолом, гидрохиноном и другими), образует соединения включения (клатраты), где атом аргона, как своего рода «гость», находится в полости, образованной в кристаллической решётке молекулами вещества-хозяина.

Получение

Получают аргон как побочный продукт при разделении воздуха на кислород и азот. Обычно используют воздухоразделительные аппараты двукратной ректификации, состоящие из нижней колонны высокого давления (предварительное разделение), верхней колонны низкого давления и промежуточного конденсатора-испарителя. В конечном счете азот отводится сверху, а кислород – из пространства над конденсатором. Летучесть аргона больше, чем кислорода, но меньше, чем азота. Поэтому аргонную фракцию отбирают в точке, находящейся примерно на трети высоты верхней колонны, и отводят в специальную колонну. Дальше следует очистка «сырого» аргона от кислорода (химическим путем или адсорбцией) и от азота (ректификацией).

Классификация аргона по сортам

Аргон обеспечивает хорошую защиту сварочной ванны. В зависимости от назначения и содержания этот газ делится на три сорта. Высший сорт аргона (99,99% Ar) используется для сварки, химически активных металлов, циркония, титановых сплавов, молибдена, сплавов на их основе, ответственных конструкций из нержавеющих сталей. Первый сорт аргона (99,98% Ar) применяется для сварки неплавящимся электродом, магния, алюминия, магниевых и алюминиевых сплавов, менее чувствительных к примесям кислорода и азота. Второй сорт аргона (99,95% Ar) используется для сварки нержавеющих сталей, жаропрочных сплавов и чистого алюминия. Для сварки могут также использоваться смеси аргона с другими газами (кислородом, углекислым газом).

Хранение и транспортировка аргона

Хранится и транспортируется аргон в газообразном виде в стальных баллонах под давлением 150 ат, то есть в баллоне находится 6,2 м 3 газообразного аргона в пересчете на темературу 20˚С и давление 760 мм рт. ст. Возможна также транспортировка аргона в жидком виде в специальных цистернах или сосудах Дьюара с последующей его газификацией. Эксплуатация баллонов должна проводиться в соответствии с правилами безопасной эксплуатации сосудов, которые работают под давлением.

Влияние аргона на человека

При содержании аргона в воздухе свыше 70% на человека будет действовать эффект наркоза. Он тяжелее воздуха и может накапливаться в плохо проветриваемых местах снижая при этом концентрацию кислорода, что может вызвать кислородную недостаточность. При выполнении работ в среде аргона необходимо пользоваться изолирующими приборами и противогазами.

Аргон

Аргон химический элемент периодической системы Д. И. Менделеева, инертный газ, атомный номер 18, атомная масса 39,948. Объемная концентрация аргона в воздухе 0,9325% об. или 1,2862% вес. Аргон тяжелее воздуха, плотность 1,78 кг/м 3 при нулевой температуре и нормальном давлении. Температура кипения -185,85°C. Обладает низким потенциалом ионизации 15,7 В. С большинством элементов аргон не образует химических соединений, кроме некоторых гидридов. В металлах аргон, как в жидком, так и в твердом состоянии нерастворим. При обычных условиях - бесцветный, негорючий, неядовитый газ, без запаха и вкуса. Химическая формула - Ar.

Способы получения аргона

Аргон имеет довольно значительное содержание в воздухе, поэтому его получают как побочный продукт, при добыче кислорода и азота из воздуха в специальных аппаратах методом низкотемпературной ректификации. О данном сопособе получения уже упоминалось в статье о характеристах и свойствах аргона, а здесь мы рассмотрим процесс более подробно.

Сварочные смеси бывают не только из аргона и углекислого газа

Сварочные смеси применяются в сварочном производстве относительно недавно и связано это в первую очередь с высокой стоимостью отдельных компонентов: аргона и гелия. До середины 90-х годов повсеместно в странах СНГ для сварки полуавтоматом углеродистых сталей применяли углекислый газ, поскольку он тяжелее воздуха и хорошо обеспечивает защиту сварочной ванны, а для сварки алюминия и нержавеющих сталей — аргон, так как он, являясь инертным газом препятствует окислению и выгоранию легирующих элементов. Но по ряду отрицательных характеристик, однокомпонентные газы заменяются двух-, трех- и даже четырехкомпонентными сварочными смесями, чтобы полностью использовать все положительные качества каждого отдельно взятого газа.

Аргонная сварка - много имен, но суть одна

Сварка аргоном осуществляется неплавящимся электродом в среде инертного газа – аргона (TIG, GTAW), от чего и происходит её название. Но для этого можно использовать также и плавящийся металл, т.е. полуавтоматическая сварка (MIG, GMAW). В качестве неплавящегося электрода обычно используют вольфрам.

Другие названия аргонной сварки – "сварка аргоном", "аргоновая сварка", "аргонодуговая сварка".

Свойства сварочной дуги в инертных газах – аргоне и гелии

В статье «Электрическая дуга» подробно рассказано, что такое сварочная дуга. В данной статье речь пойдет о свойствах сварочной дуги в среде инертного газа – аргоне или гелии.

Баллоны для сжатых газов

Для хранения и транспортировки сжатых, сжиженных и растворенных газов, находящихся под давлением, применяют стальные баллоны. Баллоны имеют различную вместимость - от 0,4 до 55 дм 3 .

Объем, размеры и устройство газового баллона

Газовый баллон - стальная емкость, предназначенная для хранения и транспортировки сжатых, сжиженных и растворенных газов под давлением.

Газовые баллоны изготовляют из бесшовных труб углеродистой и легированной стали. Для сжиженных газов допускается применение сварных корпусов при рабочем давлении менее 3 МПа.

Некоторые стандарты допускают изготовление корпуса из алюминия или композитных материалов, например ISO 11439. В качестве композитного материала применяют полимер, армированный углеродным волокном, который имеет очень высокие прочностные показатели. Газовые баллоны из композитных материалов сложнее в изготовлении, но у них есть главное преимущество - малый вес.

Подогреватель, расходомер, осушитель газа для сварки

Подогреватель, расходомер и осушитель применяют при полуавтоматической сварке или как её еще называют MIG и MAG. Расходомер необходим для учета и установке оптимального расхода газа или сварочной смеси.

Поскольку углекислый газ в баллоне находится в жидком состоянии, при отборе из баллона происходит процесс испарения и превращение в газ, который уже поступает в сварочную горелку полуавтомата. В результате перехода из жидкого состояния в газообразное резко уменьшается температура газа и происходит процесс замерзания влаги в каналах редуктора и их заполнение льдом. Во избежание данного негативного эффекта применяют подогреватели газа, которые устанавливают между вентилем баллона и редуктором или расходомером. Но и этого иногда недостаточно так как из углекислоты необходимо удалить лишнюю влагу и для этого применяют осушители газа.

Аргон – самый ленивый газ

Содержание

На данный момент известны изотопы аргона с массовыми числами от 29 до 54, но в в земной атмосфере он представлен тремя стабильными изотопами:

40 Ar (изотопная распространённость 99,600 %)
36 Ar (изотопная распространённость 0,337 %)
38 Ar (изотопная распространённость 0,063 %)

История открытия aргона

Аргон был открыт Джоном Уильямом Стреттом (John Strutt) и Сэром Уильямом Рамзаем (Sir William Ramsay) при исследовании азота, полученного из воздуха химическим путем. Несовпадение плотности этого газа при различных способах получения натолкнуло этих ученых на идею о присутствии в воздухе какого-то тяжелого инертного газа, который и был выделен ими в 1894 г. и назван argon, что с греческого переводится как «ленивый», «медлительный», «неактивный».

Аргон получают как побочный продукт, при производстве кислорода и азота из воздуха методом низкотемпературной ректификации (см. получение аргона)

Применение аргона

Наиболее часто аргон применяют:

как защитный газ при сварке;
как плёнкообразующий газ при плазменной сварке и резке;
для вытеснения кислорода и влаги из упаковки при хранении пищевых продуктов, что увеличивает срок их хранения (пищевая добавка Е938);
как газ для тушения огня в некоторых системах пожаротушения.

Применение аргона в сварке

Аргон применяют в качестве защитной среды при сварке активных и редких металлов (титана, циркония и ниобия) и сплавов на их основе, алюминиевых и магниевых сплавов, а также хромоникелевых коррозионностойких жаропрочных сплавов, легированных сталей различных марок.

Для сварки черных металлов аргон обычно используются в смеси с другими газами - кислородом, гелием, двуокисью углерода или водородом.

Аргон, являясь более тяжелым, чем воздух, своей струей лучше защищает металл при сварке в нижнем положении. Растекаясь по поверхности свариваемого изделия, он защищает достаточно длительно довольно широкую и протяженную зону как расплавленного, так и нагретого при сварке металла.

Низкий ионизационный потенциал аргона помогает получить превосходный профиль сварочного шва и сохранять хорошую и устойчивую дугу от начала до конца. В тоже время, низкий потенциал ионизации является причиной и низкого напряжения на дуге, что снижает тепловую мощность дуги. Для более подробной информации рекомендуем статью о свойствах сварочной дуги в инертных газах - аргоне и гелии.

Применение аргона позволяет повысить температуру сварочной дуги, что улучшает проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в целом. При этом проплавление приобретает «кинжальную» форму, что дает возможность 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.

При TIG сварке аргон служит защитой не только для сварочной ванны от вредного воздействия воздуха, а также инертной защитой конца электрода.

Для дуговой сварки в целом аргон применяется гораздо чаще, чем гелий, однако при сварке листового алюминия толщиной менее 6 мм аргон рекомендуют смешивать с гелием, чтобы обеспечить нужную теплопроводность. В некоторых случаях аргонно-гелиевые смеси используют для зажигания дуги, после чего сварка происходит в присутствии гелия. Этот метод применяется для сварки толстолистового алюминия вольфрамовым электродом при постоянном токе.

Вредность и опасность аргона

Аргон не оказывает опасного воздействия на окружающую среду, но относится к асфиксантам (удушающий газ). Поскольку газообразный аргон тяжелее воздуха он может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается содержание кислорода в воздухе, что вызывает кислородную недостаточность и удушье. Поэтому можно сделать вывод, что в больших количествах аргон вреден для организма человека.

Жидкий аргон – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз человека.

Газообразный и жидкий аргон поставляется по ГОСТ 10157. Хранят и транспортируют газообразный аргон в баллонах по ГОСТ 949 под давлением 15МПа.

Стальные баллоны должны соответствовать ГОСТ 949. Баллон окрашивается в серый цвет с зеленой полосой и зеленой надписью «АРГОН ЧИСТЫЙ».

Возможна транспортировка аргона в жидком виде в специальных цистернах или сосудах Дьюара с последующей его газификацией.

Инертный газ

Гелий – солнечный газ

Гелий химический элемент, атомный номер 2, атомная масса 4,0026, относится к инертным газам, без цвета и запаха. Объемное содержание гелия в воздухе 0,00052%. Гелий значительно легче воздуха, плотность 0,1785 кг/м 3 при нулевой температуре и нормальном давлении. Температура кипения -268,9°С. Потенциал ионизации 25,4 В. Бесцветный, неядовитый, негорючий и невзрывоопасный газ, хорошо диффундирует через твердые тела. Химическая формула - He.

Способы получения гелия

Получение гелия в промышленности осуществляется в основном путем конденсации из гелийсодержащих газов. Добыча гелия из минералов или из воздуха является нерентабельной, но об этом мы расскажем ниже. Газ гелий очень редкий гость в воздушном пространстве планеты Земля и его объемное содержание в воздухе составляет всего 0,00046-0,00052% и с этим связаны основные трудности и проблемы в его получении.

Для чего используют аргонную сварку и когда она незаменима

Для чего используют аргонную сварку? Почему в определенных ситуациях она просто незаменима? Ответы на эти вопросы дать не так уж и сложно. Дело в том, что некоторые металлы, вроде алюминия, меди или титана, соединить идеальным швом с помощью стандартных методов просто не получится. И тут на помощь приходит сварка в среде аргона.

Данная технология не является чем-то сверхсложным, однако имеет свои особенности. Качество работы во многом зависит от имеющегося оборудования, способа сварки и т. п. Только при соблюдении конкретных условий можно получить надежный и практически незаметный шов – для любого производства это является первоочередной задачей.

Технология аргонодуговой сварки

Аргонная сварка объединяет в себе признаки газовой и электродуговой. От газовой в технологический процесс взят ряд приемов создания неразъемного соединения и использование газа, а от электродуговой – применение электрической дуги.

Электрическая дуга в процессе горения создает высокую температуру, благодаря чему края деталей плавятся вместе с присадками, в результате образуется шов. Аргон, а именно этот газ используется в данном случае, защищает расплав от воздействия кислорода. Но об этом позднее.

Существует ряд особенностей, присущих сварке большей части цветных металлов, а также их сплавов и легированных сталей. Они заключаются во взаимодействии расплавленных металлов с окружающим их воздухом: кислородом и его примесями. Находясь в расплавленном состоянии, металлы начинают активно окисляться.

Такое взаимодействие плохо влияет на свойства сварного соединения. В результате появления пузырьков воздуха в расплавленном металле внутри шва образуются поры. Это приводит к снижению прочности соединения. Алюминий же в процессе расплавки, при непосредственном влиянии кислорода, начинает гореть.

Поэтому необходимо защищать сварной шов от влияния воздушной среды на соединяемые легированные стали и цветные металлы. Использование аргона в качестве защитного газа при этом считается оптимальным, так как он эффективно защищает металлы при сварке.

Благодаря тому, что аргон на 38 % тяжелее воздуха, он легко вытесняет его из сварочной ванны, защищая шов. Он не вступает в реакцию с металлами, находящимися в расплавленном состоянии, и другими газами в зоне расплава. В случае сварки на обратной полярности с защитой аргоном нельзя забывать о том, что газовая среда легко превращается в плазму, проводящую ток. Это происходит из-за потока электронов, которые отделяются от атомов аргона.

Работа в аргонной среде может происходить с помощью двух типов электродов: плавящихся и неплавящихся. Последние представляют собой вольфрамовые стержни, которые, как известно, достаточно тугоплавкие. Для того чтобы подобрать подходящий диаметр таких электродов, надо заглянуть в специальный справочник. Чаще всего выбор зависит от материала заготовок.

2 основных способа аргонной сварки

Вид сварки выбирается в зависимости от материала, с которым предстоит работать. Качественный результат можно получить только при выборе оптимального способа сварки в каждом конкретном случае.

Наиболее популярна сварка аргоном. Выполняется она вручную с использованием штучных электродов.

Основные особенности аргонной сварки:

Высокая скорость выполнения работы.
Сравнительно небольшая температура сварки.
Отсутствие присадочного материала.
Аккуратный и достаточно тонкий шов.

Второй по распространенности является аргонодуговая сварка. Она широко применяется в промышленности. Выполняется как ручным, так и автоматическим методами с использованием вольфрамовых штучных электродов и присадочной проволоки. Специалисты считают данную сварку более сложной и трудоемкой, чем аргонная.

Впрочем, у этого способа также есть свои преимущества:

Достаточно высокая производительность труда, которой сложно добиться при ручной сварке.
Возможность сваривания таких материалов, как углеродистая и легированная сталь.
Высокое качество шва.

Однако выбор способа соединения зависит не только от оборудования, но и от сварочного материала. В большинстве случаев данные методы взаимозаменяемы. Чаще все же отдают предпочтение аргонодуговой сварке. При выборе аппаратуры для проведения сварочных работ стоит остановиться на агрегатах с переменным и постоянным током, несмотря на их высокую стоимость, зато применять их можно при работе практически с любым металлом.

Аргонодуговая сварка дает качественный результат, но в этом случае для работы требуется хорошее оборудование, качественные расходные материалы и высококвалифицированный персонал.

Типы оборудования для аргонодуговой сварки

Существует несколько видов аргонной сварки, которые зависят от уровня механизации процесса:

ручная;
механизированная;
автоматизированная;
роботизированная.

Для каждого способы сварки необходимо определенное оборудование, соответственно, и стоимость работ различается.

При ручном способе сварки применяют неплавящиеся вольфрамовые электроды, подача проволоки осуществляется самим мастером, горелка для аргонодуговой сварки перемещается.

Механизированный способ характеризуется подачей присадочных прутков в автоматическом режиме, при этом мастер сам держит горелку.

Автоматизированная сварка полностью под контролем оператора – подача проволоки и перемещение горелки происходят автоматически.

Роботизированный процесс исключает и присутствие оператора.

8 правил аргонодуговой сварки

Для проведения аргонной сварки необходимо приобрести следующее оборудование: инвертор либо сварочный трансформатор, емкость с аргоном, горелку, присадочную проволоку или прутки.

Существует ряд правил, необходимых для выполнения данного вида сварки:

Заготовки (или непосредственно зона сварки) должны быть очищены от любого вида загрязнений, а затем обезжирены.
Подача газа начинается за 20 секунд до работы и прекращается через 10 секунд после ее окончания.
Дугу следует делать минимально возможной, поскольку при увеличении расстояния горелки от поверхности заготовки, зона нагрева расширяется, углубляется проплав изделия.
Ровный и красивый шов можно получить, выполняя движения горелкой вдоль оси соединения, не отступая от нее.
Присадка (проволока или пруток) подается строго перед горелкой без любых движений поперек. Таким образом шов получается узким.
Присадка и электрод должны постоянно быть в защитной газовой среде.
Движения следует выполнять плавно, чтобы избежать разбрызгивания металла и искр.
Шов заканчивается кратером, который заливается при использовании пониженного тока. Нельзя резко отводить горелку и обрывать дугу, это негативно сказывается на защите соединения.

Процесс обучения аргонной сварке несложный. Но для выполнения ровных качественных швов требуется терпение и практика.

Преимущества и недостатки сварки в среде аргона

У аргонной сварки есть как плюсы, так и минусы, которые надо учитывать при выборе данного способа.

Ее преимуществами являются:

Отсутствие деформации заготовок из-за высокой температуры, поскольку не требуется значительно разогревать края деталей.
Аргон – инертный газ, следовательно, он тяжелее воздуха. Значит, кислород не сможет проникнуть в сварочную ванну.
Дуга имеет большую тепловую мощность, сварка происходит с высокой скоростью и хорошим качеством, если мастер имеет достаточную квалификацию.
Несмотря на некоторые особенности аргонной сварки, процесс этот несложный, ему легко обучиться.
Аргонной сваркой можно соединять металлы, которые невозможно соединить иным способом.

Недостаток аргонной сварки – невозможность ее проведения на открытом воздухе при наличии сильного ветра. Аргон разносится ветром, следовательно, плохо защищает шов, поэтому последний может быть некачественным.

В закрытых помещениях сварку необходимо проводить только с использованием принудительной вентиляции. Кроме того, если необходимо применить высокоамперную сварочную дугу, то следует заранее решить, каким образом будет происходить охлаждение шва при проведении работ.

Сферы применения аргонной сварки

Для чего используют аргонную сварку? Она необходима в случаях, когда сварочные швы должны быть выполнены безукоризненно. Особенно часто с ее помощью соединяют трудно свариваемые материалы и заготовки с тонкими стенками. Данный вид сварки востребован в авиа- и ракетостроении, автомобильной промышленности. Посредством такого соединения изготавливают важные узлы из алюминия и его сплавов.

Чаще всего аргонодуговую сварку применяют при работе с алюминием, который является трудно свариваемым, часто трескается, дает сильную усадку. Кроме того, в расплавленном состоянии этот металл легко окисляется, покрываясь тугоплавкой пленкой, которая препятствует образованию шва. И только сварка в среде аргона поможет получить швы высокого качества.

Особенно востребована такая сварка на автомобильных СТО, где с помощью такого способа соединения период эксплуатации деталей значительно продлевается.

Для чего используют аргонную сварку на станциях техобслуживания автомашин? Она может применяться при ремонте радиаторов, разных частей коробок переключения передач, трубок от кондиционеров и прочих элементов, сделанных из алюминия и его сплавов. Пайку и плазменное напыление, как и иные способы сварки, невозможно было бы использовать для таких работ, поскольку детали имеют технические особенности.

Аргонную сварку можно использовать и при работе с иными материалами, такими как титан, медь, дюралюминий, силумин, чугун и прочие черные и цветные металлы.

Каждый из материалов имеет химические особенности и нюансы «поведения» во время нагрева, и мастер должен их знать, чтобы не допустить ошибки

При создании кованых изделий, к примеру, ворот, оград, люстр, перил, мебели, также применяют аргонную сварку. Сложные соединения подобных изделий достаточно тяжело обрабатывать, а такой способ сварки упрощает рабочий процесс, придавая изделиям прекрасный внешний вид без финишной обработки.

Швы, полученные посредством аргонодуговой сварки, практически незаметны. Это важно не только для получения эстетически привлекательного внешнего вида, но и для прочности всей конструкции.

Экономия – еще одна причина применения аргонной сварки. Причем сэкономить можно не только средства, но и усилия, и нервы.

Качественный результат работы достигается использованием аргона с разными присадками. Оптимальный состав расходников хорошо известен профессиональным сварщикам, поэтому свою работу они выполняют наиболее эффективно и с высоким качеством.

Техника безопасности при дуговой сварке в аргоне

Применяя в работе сжиженные газы, необходимо строго соблюдать правила техники безопасности.

Назовем основные ее требования при использовании аргона:

не положено проводить сварку вблизи легковоспламеняющихся веществ;
необходимо удалить все посторонние предметы;
следует использовать только сертифицированные материалы и исправное оборудование;
перед началом работ надо пройти предварительный инструктаж, получить базовые теоретические знания;
в ходе работы обязательно использовать маску либо защитные очки, желательно «хамелеоны».

Несмотря на то, что аргон достаточно безвреден для человеческого организма, его лучше не вдыхать, так как он более легкий, чем кислород, а потому просто выталкивает его. После попадания аргона в легкие человек начнет задыхаться. Осуществлять сварку следует в помещении, имеющем хорошую естественную вентиляцию, в противном случае для моментального удаления продуктов сгорания надо позаботиться о качественной постоянной вентиляции.

Читайте также: