Инертные, активные и реактивные: классификация сварочных газов

Сварка – это сложный процесс, требующий точности, мастерства и правильного подбора материалов. Одним из ключевых компонентов качественной сварки, особенно полуавтоматической и автоматической (MIG/MAG, TIG), является защитный газ. Он выполняет важную функцию – изолирует расплавленный металл и зону дуги от вредного воздействия атмосферы (кислорода, азота, водорода), предотвращает окисление, образование пор и других дефектов. При этом разнообразие газов и их смесей усложняет выбор. Например, некоторые могут подумать, что им нужно купить баллон кислорода для сварки, но это может стать ошибочным решением.

Понимание классификации сварочных газов по их химической активности важно для выбора подходящей смеси. Неправильный выбор защитного газа приведет к дорогостоящим ошибкам, ухудшению механических свойств соединения и значительному снижению производительности. Прежде чем купить баллон кислорода или любой другой газ, важно разобраться в их функциях и особенностях.

Инертные газы

Инертные (благородные) газы характеризуются абсолютной химической неактивностью. Они не вступают в реакции с расплавленным металлом, не диссоциируют в дуге и не образуют соединений. Их основная функция – механическое вытеснение воздуха из зоны сварки.

Аргон (Ar)

Это самый распространенный инертный газ. Используется для сварки цветных металлов (алюминий, медь, титан, магний), нержавеющих сталей и сплавов, чувствительных к окислению, методом TIG (с неплавящимся электродом) и MIG (с плавящимся электродом).

Аргон обеспечивает стабильную дугу, минимизирует разбрызгивание, способствует формированию ровного шва. Он эффективно защищает от атмосферных газов. Низкая теплопроводность аргона концентрирует дугу, обеспечивает глубокое проплавление.

К недостаткам аргона относится высокая стоимость. При использовании его для сварки черных металлов в чистом виде может уменьшаться глубина проплавления, формироваться более широкий шов.

Гелий (He)

Используется реже из-за высокой стоимости и дефицита, но незаменим при сварке толстостенных изделий из алюминия, меди и их сплавов, а также для высокоскоростной сварки. Часто применяется в смесях с аргоном.

Высокая теплопроводность гелия повышает температуру дуги, что способствует глубокому проплавлению, увеличению скорости сварки и улучшению растекаемости металла. Использование этого газа сокращает время предварительного подогрева деталей большой толщины перед сваркой.

При этом гелий стоит дорого. Использование его в чистом виде приводит к снижению стабильности дуги (особенно при низких токах). Кроме того, гелий быстро расходуется из-за меньшей плотности (быстрее «улетает» из зоны сварки), что увеличивает стоимость работ.

Активные газы

Активные газы вступают в ограниченное химическое взаимодействие с расплавленным металлом и дугой. Оно контролируется и целенаправленно используется для улучшения определенных характеристик сварного шва. Активные газы зачастую используются в смесях с инертными.

Углекислый газ (CO₂​)

Это самый распространенный активный компонент в смесях для сварки углеродистых и низколегированных сталей методом MAG (Metal Active Gas). Часто используется в чистом виде для сварки черных металлов.

Углекислый газ стоит недорого, обеспечивает хорошее проплавление, стабильную дугу и широкий диапазон режимов сварки. Но при высокой температуре дуги CO₂​ диссоциирует или распадается на CO и атомарный кислород (O). Последний может приводить к окислению элементов сплава и образованию пор (особенно если в присадочной проволоке недостаточно раскислителей).

Углекислый газ приводит к значительному разбрызгиванию металла по сравнению со смесями на основе аргона. Чистый CO₂​ может давать более жёсткую дугу и нежелательную пористость.

Кислород (O₂)

Используется только в небольших концентрациях (обычно 1-5%) в смесях с аргоном для сварки нержавеющих сталей и некоторых сплавов. Кислород не применяется в чистом виде как защитный газ. Поэтому решение купить баллон кислорода для защитной функции, – ошибка.

Добавление небольшого количества O₂ в аргон стабилизирует дугу, улучшает растекаемость сварочной ванны. Также он способствует формированию более плоского и чистого шва, предотвращает подрезание кромок. Но в больших концентрациях кислород приводит к сильному окислению и образованию дефектов.

Реактивные газы (добавки)

Реактивные газы используются в очень малых количествах (доли процента или несколько процентов) в смесях инертных или активных газов для обеспечения специфических эффектов. Они активно взаимодействуют с дугой и/или расплавленным металлом.

Водород (H₂)

Водород добавляется в аргон (обычно 1-5%) для сварки нержавеющих сталей и некоторых никелевых сплавов методом TIG. Он увеличивает энергию дуги, что способствует более глубокому и узкому проплавлению, повышает скорость сварки и улучшает очищающее действие. Также водород способствует формированию светлого и гладкого шва на нержавеющих сталях.

При этом может вызывать пористость и водородное охрупчивание в углеродистых и низколегированных сталях. Не применяется для сварки алюминия и его сплавов. Требует строгого контроля концентрации.

Азот (N₂​)

Иногда добавляется в смеси для сварки дуплексных и супердуплексных нержавеющих сталей, а также медных сплавов. Стабилизирует аустенитную структуру в нержавеющих сталях, предотвращает образование феррита. Увеличивает прочность и коррозионную стойкость. Но в избыточных количествах может вызывать пористость и охрупчивание в некоторых металлах (например, в алюминии).

Как выбрать подходящий сварочный газ

Выбор защитного газа зависит от множества факторов:

1. Типа свариваемого металла. Это наиболее важный фактор. Алюминий и титан требуют использования чистого аргона или аргон-гелиевых смесей. Углеродистые стали хорошо варятся в Ar/CO₂​ смесях. Нержавеющие стали требуют использования аргон-кислородных или аргон-водородных смесей.

2. Типа сварки. TIG-сварка обычно осуществляется с применением чистых инертных газов. MIG/MAG-сварка чаще всего использует смеси из инертных или активных газов.

3. Толщины свариваемого материала. Для толстых деталей может потребоваться газ с более высокой теплопроводностью (например, гелий или смеси с ним) для обеспечения достаточного проплавления.

4. Требований к качеству шва. Если нужно минимизировать пористость и разбрызгивание, то лучше использовать смеси с меньшим содержанием активных газов.

5. Цены. Чистый CO₂​ является самым дешевым, но может потребовать дополнительных усилий по очистке швов после сварки. Аргон-гелиевые смеси самые дорогие.

6. Производительности. Некоторые газы или смеси позволяют увеличить скорость сварки.

Нужно помнить, что у каждого газа есть особенности, и их правильное сочетание в смесях позволяет оптимизировать сварочный процесс, добиться высокого качества швов, производительности и экономичности.