Gazy osłonowe - spawalnictwo

W procesie spawania gaz osłonowy odgrywa bardzo znaczącą rolę. Jego głównym zadaniem jest
ochrona ciekłego jeziorka przed wpływem powietrza atmosferycznego i zanieczyszczeń oraz
tworzy odpowiednie warunki do jarzenia się łuku i wpływa na jego zjawiska fizyko-chemiczne.
Podstawowe właściwości gazów jak energia jonizacji, przewodność cieplna czy punkt rosy mają
bezpośredni wpływ na efekty podczas procesu spawania jak np. sposób przenoszenia metalu w
łuku, prędkość spawania, napięcie, kształt spoiny czy stabilność łuku i sposób jego zajarzenia [1].
Dodatkowo aby zabezpieczyć spoinę przed utlenianiem od strony grani podczas spawania,
stosowane są również specjalne gazy osłonowe tzw. gazy formujące.
Stosowanie gazów w czasie procesu spawania odbywa się tylko podczas metod wymagających
ochronę ciekłego jeziorka jak GTAW oraz GMAW. Przy pozostałych procesach spawania jak np.
MMA lub SAW, rolę gazu ochronnego pełni topnik w postaci otuliny na elektrodach lub proszku.
Niewątpliwie największą zaletą tego typu spawania w osłonie gazów jest to, iż w porównaniu do
spawania elektrodami otulonymi wydajność wzrasta nawet 4-krotnie oraz jakość i czystość spoiny
jest znacznie wyższa.
W zależności od stosowanych metod oraz żądanych efektów podczas spawania, wykorzystuje się
różne gazy osłonowe oraz ich mieszaniny. Rodzaj stosowanych gazów możemy podzielić na gazy
obojętne oraz redukujące. Przy metodzie GTAW, ze względu na charakter pracy elektrody, stosuje
się głównie gazy obojętne takie jak argon i hel oraz ich mieszanki. Przy tej metodzie spawania gaz
ochronny odgrywa jeszcze jedną rolę, mianowicie strumień gazu wychodzący z dyszy chłodzi
nietopliwą elektrodę i zapobiega jej szybkiemu zużywaniu się. W tym przypadku zadaniem gazu
nie jest jedynie osłona elektrody oraz jeziorka, ale również to rodzaj osłony gazowej decyduje o
energii liniowej spawania, napięciu a nawet o składzie chemicznym stopiwa [1].
Odpowiednia proporcja mieszaniny składników gazów ochronnych jest niezwykle ważna z punktu
widzenia zarówno wydajności procesu spawania jak i przydatności oraz jakości uzyskanych
połączeń. O roli poszczególnych składników gazów osłonowych dla różnych metod spawania i
różnych materiałów decydują między innymi:
• skuteczność ochrony jeziorka spawalniczego,
• stabilność jarzenia się łuku i sposób transportu kropli do jeziorka spawalniczego,
• stopień wypalania składników stopowych,
• sposób formowania się spoiny wygląd lica, profil i głębokość wtopienia,
• ilość odprysków,
• własności mechaniczne spoiny
Argon jest najczęściej używanym gazem osłonowym. Ze względu na dużą gęstość (większą od
powietrza) zapewnia skuteczną osłonę jeziorka. Niski potencjał jonizacyjny argonu ułatwia
zajarzenie łuku jednak sam w sobie posiada słabą zdolność do jego stabilizacji.
Charakterystycznym efektem stosowania argonu jako gazu osłonowego jest kielichowaty kształt
spoiny o głębokim wtopieniu i szerokim licu [rys1]. Najczęściej stosuje się gaz o czystości min.
99,99% jednakże do spawania materiałów o podwyższonej aktywności np. tytanu i tantalu,
wykorzystuje się argon o czystości min 99,997%. Dzięki swoim właściwościom gaz ten pozwala na
spawanie aluminium i magnezu gdyż umożliwia podczas spawania przebieg procesu czyszczenia
katodowego[2]. Stosując do argonu dodatek gazów posiadających wysoki współczynnik
przewodności cieplnej (hel, wodór czy dwutlenek węgla) przy tych samych parametrach prądowych
spawania można uzyskać zdecydowanie korzystniejszy profil wtopienia w porównaniu do spawania
w osłonie samego argonu.
Hel jest gazem obojętnym, jednak rzadziej stosowanym przy spawaniu. Jego wadą jest niska
gęstość w porównaniu z powietrzem oraz wysoka cena. Wysoki potencjał jonizacyjny utrudnia
zajarzenie łuku. Jak wspomniano, właściwości gazu wpływają również na napięcie podczas
spawania, stąd też ze względu na niski potencjał jonizacyjny gazu, łuk w osłonie gazowej helu musi
być prowadzony bardzo stabilnie, gdyż każde zmiany w jego długości prowadzą do zmiany
napięcia łuku efektem czego są zmiany ilości ciepła wprowadzanego do złącza. Gaz ten często
stosuje się do spawania zautomatyzowanego gdzie prowadzenie łuku jest bardzo stabilne i
jednorodne. Spoina uzyskana przy ochronie gazowej helu ma płytkie wtopienie oraz szerokie lico.
Ze względu, iż zużycie tego gazu podczas procesu spawania jest większe niż np. argonu oraz jego
wysoka cena powoduje, że gaz ten stosowany jest rzadko. Z tego względu stosuję się dość często
mieszaniny argonu i helu.
Rys 1. Wpływ rodzaju gazu osłonowego na kształt spoiny [1].
Dwutlenek węgla jako gaz aktywny stosowany w metodzie MAG (135) w odróżnieniu od
pozostałych gazów jest to związek węgla i tlenu. Następstwem takiego składu chemicznego jest
dysocjacja CO2 w łuku na tlenek węgla i tlen. Zjawisko to powoduje, że atmosfera, w której
odbywa się proces spawania jest silnie utleniająca. Dlatego też ten rodzaj gazu osłonowego często
stosowany jest do spawania materiałów z powierzchniowym zanieczyszczeniem.
Tlen jako samodzielny gaz nie jest wykorzystywany jako gaz osłonowy. Nie mniej jednak jego
znaczenie jest ważne w osłonie gazowej, gdyż jest stosowany do wielu mieszanin gazów
ochronnych. Jako składnik ma na celu utrzymanie lepszej stabilności łuku oraz obniża napięcie
powierzchniowe ciekłego metalu co wpływa na stabilne położenie łuku.
Wodór podobnie jak tlen nie jest samodzielnie gazem osłonowym. Jednak często stosuję się go w
mieszaninie ze względu na swoje właściwości, które sprawiają poprzez redukujące działanie
usuwanie warstwy tlenków z powierzchni jeziorka spawalniczego, co pozwala uzyskać spoiny o
czystszym licu. Niestety wodór w spawalnictwie nie jest korzystny gdyż zwiększa skłonność do
występowania pęknięć wodorowych, dlatego też należy pamiętać o optymalnej zawartości wodoru
w mieszance względem materiału i jego podatności na występowanie pęknięć. Jednakże zawartość
wodoru już na poziomie 2-3% w mieszaninie z argonem powoduje zmianę kształtu spoiny na
bardziej korzystną. Należy pamiętać, że kształt lica spoiny i profil przejścia w materiał rodzimy jest
kolejnym czynnikiem wpływającym na wytrzymałość złącza. Łagodne przejście w spawany
materiał minimalizuje możliwość wystąpienia spiętrzeń naprężeń.
W celu zwiększenia wydajności spawania opracowano nowoczesną technikę, która opiera się na
precyzyjnie dobranej mieszaninie gazów osłaniających. Metoda Transfered Ionised Molten Energy
(TIME) pozwala na znaczne zwiększenie wydajności stapiania drutu elektrodowego. Skład
mieszaniny to 65% Ar, 26,5% He, 8% CO2, 0,05% O2. Poszczególne składniki odpowiadają za
zwiększenie przewodnictwa cieplnego oraz za szybsze przenoszenie kropel metalu do jeziorka
spoiny. Efekty te umożliwiają szybkie wyprowadzanie drutu oraz uzyskanie korzystnego kształtu
spoiny o szerokim wtopieniu i równomiernym licu.
Rys 2. Różnice kształtu wtopienia pomiędzy tradycyjną metodą a metodą TIME [1].
W przypadku spawania stali nierdzewnych lub metali aktywnych (np. tytan, tantal) oprócz osłony
samej warstwy wierzchniej stosuje się również gazy formujące mające na celu wypieranie
składników zawartych w powietrzu od strony grani za pomocą gazu obojętnego (argon lub azot) lub
usuwanie powietrza wykorzystując wpływ redukującego wodoru. Stąd też zazwyczaj gazy
formujące składają się z mieszaniny azotu lub argonu z wodorem.
Oznaczenie gazów osłonowych i formujących zapisano w normie ISO 14175 [3], w której ujęto
oznaczenia dla wszystkich gazów występujących w procesach spawania w tym również spawanie
laserem oraz lutowanie. Z biegiem czasu norma zaostrzyła wymagania dotyczące czystości gazów
oraz składu procentowego gazu, ze względu na duże różnice w efekcie jakości spoiny w stosunku
do rozbieżności zawartości gazu [rys3]. Norma ta klasyfikuje również gazy osłonowe ze względu
na reaktywność mieszaniny uwzględniając obecność wszystkich składników. Oznaczenia
symboliczne oraz kolorów butli wygląda następująco: Ar-argon (butla ciemno zielona-szara), Cdwutlenek
węgla (butla szara), H-wodór (butla czerwono-szara), N-azot (butla czarno-szara), O-tlen
(butla biało-niebieska), He-hel (butla brązowo-szara).
Rys 3. Wpływ gazu osłonowego w procesie spawania metodą MAG [3].
W celu osiągnięcia większej wydajności podczas spawania wykorzystuje się nie tylko precyzyjnie
dobrane mieszaniny gazów ale również korzysta się z dodatkowego sprzętu np. ekonomizerów,
montowanych przy reduktorach. Mają one na celu wyeliminować skoki ciśnienia, które występują
na początku każdego spawania MIG/TIG oraz utrzymać stały poziom przepływu gazu przez cały
proces spawania. Stosowanie tego typu zaworu prowadzi do oszczędności gazu nawet do 40%.
Wykorzystuje się również elektroniczne systemy kontroli przepływu gazu do dyszy palnika tzw.
EWR, które prowadzą do oszczędności gazu nawet do 60%.Dodatkowym efektem jest zmniejszenie
odprysków i wyrównania lica spoiny. Zaburzenia przepływu gazu osłonowego podczas spawania
mogą powodować niedostateczną ochronę jeziorka przed zanieczyszczeniami, prowadząc tym
samym do powstania niekorzystnych zmian w strukturze spoiny takich jak pęcherze gazowe czy
wtrącenia niemetaliczne. Ważnym aspektem jest to, iż gazy cięższe od powietrza są mniej podatne
na zaburzenia podczas wylotu z dyszy niż gazy lżejsze od powietrza, dlatego też stosowanie tych
ostatnich wymaga zwiększenia natężenia przepływu dla zapewnienia odpowiedniej skuteczności
osłony.
[1] Tasak E.: Metalurgia spawania. Wydawnictwo: JAK, Kraków 2008
[2] Pilarczyk J.: Poradnik inżyniera Spawalnictwo tom II. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
Warszawa 2005.
[3] Opara S.: Norma ISO 14175 – zmiany dla użytkowników gazów osłonowych . Przegląd
Spawalnictwa, nr 5/2010, s:2-4.