Чтобы получить качественный сварной шов при дуговой сварке, необходимо обеспечить защиту расплавленного металла сварочной ванны. Именно с такой целью используются защитные газы. Эта идея была высказана Н.Н. Бенардосом еще в 1883 г. и состояла в том, чтобы направить из сопла горелки на зону сварки струю газа, которая, как будто в оболочку, заключит зону сварки и предохранит ее от постороннего воздействия. Защита осуществляется тремя группами газов:

- инертными;

- активными;

- смесями активных газов с инертными или инертных с инертными.

Инертными называются газы, которые не вступают в химические реакции взаимодействия с металлом и неспособны растворяться в нем. К этой группе относятся аргон, гелий и их смеси, а для меди используется азот. В среде инертных газов сваривают активные металлы, например титан, алюминий и др. Применяют их и в тех случаях, когда хотят добиться высококачественного шва при соединении изделий и конструкций из хромоникелевых сталей.

Аргон представляет собой газ со следующими физическими характеристиками:

- бесцветный;

- без запаха и вкуса;

- неядовитый;

- невзрывоопасный.

Поскольку аргон примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха, если производить сварочные работы в закрытом и непроветриваемом помещении, тогда возникает опасность удушья. В природе он встречается исключительно в свободном виде, его объемная концентрация в воздухе составляет приблизительно 0,93%.

В промышленности в соответствии с ГОСТом 10157-79 производится аргон трех сортов:

- высшего (доля аргона - 99,993%);

- первого (99,987%);

- второго (99,95%).

Аргон транспортируется в жидком (плотность - 1392 кг/м3) или газообразном (плотность -1,662 кг/м3) состоянии в специальных стальных баллонах объемом 40 л под давлением 15 МПа. Емкости окрашены в серый цвет с зеленой полосой. На них зеленой краской нанесена надпись «Аргон чистый».

Расход газа при сварке определяется диаметром электрода и, как правило, составляет 100-500 л/ч.

Гелий в качестве защитного газа применяется редко, поскольку, будучи дефицитным, имеет высокую стоимость. Поэтому чаще всего его вводят в виде добавки к аргону или используют для сварки:

- химически чистых и активных материалов и сплавов;

- сплавов на основе магния и алюминия;

- при необходимости обеспечить значительную глубину проплавления (это возможно за счет высокого значения потенциала ионизации газа) или особую форма сварного шва.

Физические свойства гелия:

- бесцветный;

- без запаха;

- неядовитый

- плотность - 0,18 кг/м3.

Гелий в 10 раз легче аргона, а объемное содержание этого газа в воздухе составляет 0,00052%.

Промышленность поставляет гелий согласно ТУ 51-689-75 трех марок - А, Б и В. Его транспортировка осуществляется в соответствии с ГОСТом 20461-75. При этом газ находится в стальных баллонах под давлением 15 МПа, которые окрашены в коричневый цвет, а на них нанесена белая надпись «Гелий».

Расход гелия в процессе сварки - 200-900 л/ч, потому что легкий гелий быстро улетучивается, а для создания надежной защиты сварочной ванны приходится увеличивать его подачу.

Азот не является инертным газом (в природе это самый распространенный газ, в частности его содержание в воздухе составляет 78,09%), но он так ведет себя по отношению к меди и ее сплавам (относительно других металлов и стали азот рассматривается как активный и часто вредный газ, поступление которого в сварочную ванну необходимо ограничивать). Поэтому его используют для сварки, наплавки и плазменной резки таких материалов.

Физические свойства азота:

- бесцветный;

- без запаха и вкуса;

- неядовитый;

- невзрывоопасный;

- плотность - 1,2506 кг/м3.

По ГОСТу 9293-74 агрегатное состояние азота при транспортировке - газ. Его перевозят в стальных емкостях объемом 40 л под давлением 15 МПа. Он поставляется четырех сортов, различающихся процентным содержанием азота:

- высший (99,9%);

- I сорт (99,5%);

- II сорт (99%);

- Ill сорт (97%).

Стальные емкости объемом 40 л содержат азот под давлением 15 МПа.

Из активных газов, т.е. взаимодействующих с металлом сварочной ванны и растворяющихся в нем, следует назвать углекислый газ, который применятся для защиты сварки в чистом виде или в смеси с аргоном. Помимо жидкого и газообразного состояния, углекислый газ бывает и твердым (сухой лед).

Физические свойства двуокиси углерода:

- бесцветная;

- неядовитая;

- с кисловатым запахом и вкусом;

- плотность - 1,98 кг/м3;

- температура сжижения - 78,5° С.

Углекислый газ в 1,6 раза тяжелее воздуха, в котором на его долю приходится 0,03%.

По ГОСТу 8050-85 двуокись углерода содержит водяные пары, количество которых зависит от сорта газа:

- в высшем - 0,037 г/см3;

- в I сорте - 0,184 г/см3.

Углекислый газ транспортируется и поставляется в сжиженном состоянии в емкостях объемом 40 л при максимальном давлении 20 МПа. Баллон покрыт черной краской и снабжен надписью желтого цвета «С02 сварочный».

Углекислота производится двух сортов: высшего, чистота которого составляет 99,8%, и I сорта чистотой 99,5%.

Поступающий в зону сварки углекислый газ не относится к нейтральным и под воздействием высоких температур распадается на оксид углерода и кислород. Одновременно с этим происходит окисление расплавленного металла, который после кристаллизации дает достаточно пористый шов с низкими механическими характеристиками. Чтобы снизить окислительные свойства свободного кислорода и добиться качественного шва, используют электродную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца, которые действуют как раскислители.

Для удаления водяных паров, которые присутствуют в баллоне с газом, емкость следует поставить вентилем вниз и через 10-15 минут осторожно его открыть. А перед сваркой из установленного как положено баллона надо выпустить воздух.

На производстве часто применяют смеси газов, что значительно повышает качество сварного шва, и нередко технологические свойства смеси превосходят показатели чистых газов. Например, используются следующие смеси:

1. Углекислый газ с 2-5% кислорода. Эта смесь, во-первых, способствует мелкокапельному переносу металла; во-вторых, примерно на 30% снижает разбрызгивание и потери металла; в-третьих, обеспечивает формирование качественного сварного шва.

2. 70% гелия и 30% аргона. Данная смесь, во-первых, значительно повышает производительность при сварке алюминия; во-вторых, увеличивает необходимую в определенных случаях глубину проплавления; в-третьих, дает сварной шов хорошего качества;

3.88% аргона и 12% углекислого газа. Эта смесь, во-первых, при сварке стали делает горение сварочной дуги стабильным; во-вторых, снижает разбрызгивание расплавленного металла; в-третьих, позволяет получить качественный шов, поскольку значительно уменьшает поверхностное натяжение расплавленной электродной проволоки.

Резюмируя сказанное, следует подчеркнуть достоинства сварки в среде защитных газов:

- наличие визуального контроля сварочного процесса;

- широкий выбор рабочих режимов;

- расширение номенклатуры свариваемых металлов;

- возможность механизировать процесс;

- создание лучших условий труда для сварщиков.