Z czego składają się mieszanki gazów spawalniczych?

Gazy techniczne, zarówno palne, jak i osłonowe, należą do podstawowych artykułów stosowanych w spawalnictwie, a odpowiedni skład i proporcje wykorzystywanych mieszanin gazów to czynniki o kluczowym znaczeniu. To właśnie od nich zależy jakość uzyskanych połączeń czy wydajność spawania. Jakie mieszanki gazów technicznych stosowane są w spawalnictwie i jaki jest ich skład?

Mieszanki gazów spawalniczych – jak powstają?

Gazy techniczne, wchodzące w skład mieszanek gazów spawalniczych, stanowią śladowe ilości gazów obecnych w atmosferze. Dzięki zaawansowanym technologiom możliwe jest wyodrębnienie ich z powietrza poprzez poddawanie filtracji, sprężeniu, chłodzeniu do temperatury -175 stopni Celsjusza oraz skraplaniu w głównym wymienniku ciepła. Proces wyodrębniania gazów technicznych uznaje się za zakończony, gdy powietrze po obróbce trafia do kolumny rektyfikacyjnej, w której finalnie udaje się pozyskać niezbędne w spawalnictwie gazy, jak tlen, azot czy argon. Gazy umieszcza się w specjalnych butlach przy pomocy parownic atmosferycznych i wówczas można przystąpić do przygotowania mieszaniny.

Mieszanki gazów spawalniczych, nazywane także spawalniczymi gazami osłonowymi, powstają na skutek łączenia różnych gazów technicznych w różnych kombinacjach i określonych proporcjach, celem uzyskania określonych właściwości oraz gęstości mieszanki. Ich rola w spawalnictwie polega na poprawieniu wytrzymałości spoiny oraz stabilizacji samego procesu spawania. Zazwyczaj są to mieszanki dwu- bądź trójskładnikowe, łączone ze sobą w procesie homogenizacji. Gotowe mieszanki gazowe po sprężeniu i odparowaniu ciekłego gazu umieszcza się w specjalnych butlach, a następnie podnosi ciśnienie do ok. 300 barów. Należy pamiętać, że butle te muszą spełniać określone wymagania techniczne, oraz że nie należy mieszać ze sobą gazów, które mogą wejść ze sobą w niepożądane reakcje chemiczne.

Właściwości gazów wchodzących w skład mieszanek spawalniczych

Do tworzenia mieszanek gazów spawalniczych używa się dwutlenku węgla, argonu, wodoru, azotu, tlenu oraz helu. Wszystkie, za wyjątkiem tlenu, to gazy osłonowe, których mieszaniny mają istotny wpływ na jakość uzyskanej spoiny, jej wytrzymałość, odporność na obciążenia dynamiczne i korozję. 

Dzięki zastosowaniu mieszanki o konkretnych właściwościach i proporcjach optymalizuje się rozmiar i kształt ściegu spoiny, wtopienie, porowatość oraz przyspiesza sam proces spawania. Ponadto mieszanki gazów spawalniczych minimalizują ilość odprysków i zapewniają ochronę spawanego obszaru przed warunkami atmosferycznymi – tłumaczy nasz rozmówca z hurtowni gazów technicznych FENIX w Krakowie.

Właściwości poszczególnych gazów:

• dwutlenek węgla (CO2) – chłodzi uchwyt spawalniczy, skutecznie chroniąc go przed przegrzaniem. Samodzielnie jest bardzo rzadko stosowany, ponieważ przyczynia się do powstawania dymu spawalniczego i sporej ilości odprysków. Wykorzystywany najczęściej do spawania stali czarnej,
• argon (Ar) – zapewnia dobre właściwości mechaniczne spoin, niewielką ilość odprysków oraz wysoką wydajność procesu spawania. Znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie materiał narażony jest na działanie tlenu bądź azotu, ponieważ jest gazem obojętnym i nie ulega utlenianiu. Służy do spawania aluminium, stali tytanowych oraz kwasoodpornych,
• wodór (H) – zwiększa ciepło łuku spawalniczego oraz prędkość spawania, a także zapewnia lepszą jakość spoiny. Posiada wysoką zdolność jonizacji w łuku, pozwalając na znaczne obciążenia prądowe. Ponieważ jest gazem aktywnym, często występuje w mieszance z azotem,
• azot (N) – jego wykorzystanie pozwala na uzyskanie spoiny o wysokiej odporności na korozję, poprawę własności mechanicznej stali oraz jej odporności na wżery. Stosowany jest głównie do spawania stali austenistycznych, gdzie zachodzi ryzyko ubytku tego pierwiastka,
• tlen (O) – z uwagi na dużą reaktywność, zapewnia większą stabilność i czystość płomienia oraz podnosi temperaturę spawania. Jest bezbarwny i bezwonny. Stosuje się go jako dodatek do spawania łukowego,
• hel (He) – pozwala na uzyskanie wysokiej jakości spoiny oraz zwiększenie prędkości spawania. Wspomaga także utworzenie atmosfery ochronnej gazu obojętnego. Charakteryzuje go trudność w zajarzeniu łuku, jednak tę wadę można łatwo wyeliminować poprzez zwiększenie przepływu gazu.

Skład oraz proporcje najczęściej stosowanych mieszanek gazów spawalniczych

Mieszanka argonu z dwutlenkiem węgla stosowana jest głównie w spawaniu MAG (Metal Active Gas). Ta metoda polega na spawaniu za pomocą łuku elektrycznego, wytwarzanego między spawanym materiałem a topliwą elektrodą. Mieszanka gazów spawalniczych w proporcjach 80% argonu i 20% dwutlenku węgla zapewnia znaczące zmniejszenie ilości odprysków, dobre wtopienie oraz chłodzenie uchwytu.

Mieszanka argonu z tlenem najczęściej występuje w proporcjach 95% argonu i 5% tlenu. Zawartość tlenu w mieszance pozwala na stabilizację łuku spawalniczego, zwiększenie rzadkopłynności oraz obniżenie napięcia powierzchniowego jeziorka spawalniczego. Mieszanka ta umożliwia zwiększenie prędkości spawania. Ponieważ tlen działa kilkukrotnie bardziej utleniająco od dwutlenku węgla, możliwe jest wypalanie składników stopowych i pojawienie się tlenków.

Mieszanka argonu, tlenu oraz dwutlenku węgla stosowana jest do spawania cienkich elementów, ponieważ pozwala na uzyskanie maksymalnej stabilizacji łuku, małą ilość odprysków, a także przyspieszenie prędkości spawania, dzięki czemu zmniejsza odkształcenia spawanego materiału. Mieszanka ta występuje najczęściej w proporcjach: 91% argon, 5% dwutlenek węgla i 4% tlen. Ponadto ta mieszanka gazów spawalniczych obniża ryzyko przepalenia i doskonale nadaje się do spawania stali nikostopowych oraz niestopowych.