Аргон

Преимущества и недостатки сварки в инертной среде

Основной областью применения сварки с использованием неплавящегося электрода, изготовленного на основе вольфрама, является сваривание заготовок из легированных сталей и металлов цветной группы. При их малой толщине сваривание осуществляется без использования присадки. Способ сваривания в аргонной газовой среде дает возможность получать качественные сварные швы повышенной прочности и позволяет обеспечивать качественный провар металлических заготовок.

Устройство горелки для аргоновой сварки.

Этот вид сваривания дает возможность легко поддерживать глубину провара. Это свойство является важным при осуществлении заготовок из тонкого листового металла, при невозможности двухстороннего проваривания поверхностей. Эта технология получила распространение при изготовлении трубных стыков. Использование электрода, не поддающегося плавке, с вольфрамом является основной технологией сваривания металлических изделий, изготовленных на основе титана и алюминия.

Аргоновая сварка с использованием электрода, поддающегося плавке, применяются при сварке заготовок из нержавейки и сплавов, основу которых составляет алюминий. Частота применения этого типа сваривания металлов является относительно небольшой. Аргоновая сварка имеет несколько недостатков, среди основных можно отметить следующие:

• небольшая производительность процесса при использовании ручного типа сваривания;
• невозможность использования автоматического типа при коротких и разноориентированных швах.

Невзирая на наличие некоторых недостатков, сваривание в аргоновой среде является очень популярным, благодаря высоким качествам образующегося сварного шва.

Варим в аргоне алюминий

Режимы сварки алюминия аргоном.

Сварить алюминий без аргона невозможно, это факт. Этот металл – один из самых сложных и одновременно один из самых распространенных в быту. Сложность работ с ним объясняется молниеносным образованием пленки оксида на поверхности при малейшем контакте кислорода.

Пленка эта не простая, она плавится при температуре, намного превышающей температуру плавления самого алюминия. Аргон и здесь выручает, выступая в качестве препятствия окислению, вытесняя кислород из сварочной рабочей ванны. В этом случае присадочная проволока из алюминия плавится без проблем, формируя качественный шов.

Механизированная и ручная сварка.

Постоянный ток в работе с алюминием теоретически возможен и даже иногда применяется. Но этот метод требует использования другого инертного газа – чистого гелия, а он стоит намного дороже аргона. Да и сам способ работы с постоянным током сложнее технически. Подготовкой алюминиевых заготовок к процессу плавления пренебрегать нельзя, так как качество шва напрямую зависит от состояния поверхностей перед работой.

Очистку нужно проводить по следующим пунктам:

• обезжиривание поверхности растворителем;
• зачистка поверхности от оксидной пленки механическая или химическая;
• полное высыхание очищенных поверхностей.

Аргонодуговая технология

Технология сварки аргоном основана на принципе электродугового воздействия на металл с применением защитного газа. Как уже отмечалось, аргон является инертным газом. К тому же он почти на 40% тяжелее воздуха, поэтому вытесняет его из сварочной зоны, не давая металлу вступать в окислительную реакцию с кислородом

Это особенно важно для цветных металлов, которые сильно подвержены процессу окисления, вследствие чего шов не будет отличаться хорошей надежностью

Вот такой получается качественный шов

Особенностью аргонодугового процесса является подача аргона. Для разных металлов она должна начинаться в разное время, например:

• для сварки алюминия за 1 секунду до начала термического воздействия;
• для сварки титана за 1 секунду до начала термического воздействия. Также титан должен остывать в среде аргона.

Обычно в роли неплавящегося электрода выступает вольфрам, который имеет температуру плавления, превышающую 3000°С. При сварке алюминия вольфрамовый электрод должен непременно остывать в аргоне, иначе он окисляется, и дальнейшие действия с ним невозможны.

Иногда аргон применяют и для работы с черными металлами. В этом случае сварочный цикл отличается от работы с углекислотой. «Аргоновый» шов получается более ровным и эстетичным, данный газ нет смысла применять для потоковой сварки. Если же вас заинтересовала информация про работу с углекислотой, то более подробно о данном процессе можно прочитать в статье: как правильно вести сварку полуавтоматом с углекислотой.

Физические и химические свойства

Свойства аргона типичны для члена VIII группы.

При обычной  температуре Ar пребывает в газообразном состоянии. Молекула включает в себя единственный атома, химическая формула весьма простая: Ar. Температура кипения весьма низка : -185,8 °С при атмосферном уровне давления.

Растворимость в воде низкая — всего 3,29 мл на 100 мл жидкости

Плотность аргона при нормальных условиях составляет 1,78 кг/м3. Молярная теплоемкость газа- 20,7 Дж/Кмоль.

Характеристики аргона и других инертных газов

Газ практически полностью инертен. На сегодняшний день ученым удалось получить лишь два его соединения — CU(Ar)O, и гидрофторид аргона. Соединения существуют лишь при сверхнизких температурах. Предполагается, что Ar может входить в состав неустойчивых в нормальном состоянии молекул эксимерного типа. Такие молекулы могут существовать лишь в возбужденном состоянии, например, в ходе электроразряда высокой интенсивности. Такие соединения возможны с ртутью, кислородом и фтором.

Электроотрицательность по шкале Полинга равна 4,3.

Ионный радиус составляет 154, радиус ковалентности — 106 Пм. Ионизационный порог- 1519 кдж/моль

Атомная и молекулярная масса

Такие важные параметры, как атомная и молекулярная массы, показывают, насколько масса молекулы вещества и масса его атома соответственно превышают значение, равное одной двенадцатой доле массы атома водорода.

Ввиду того, что молекула Ar состоит из единственного атома,  молекулярная и атомная масса аргона идентичны и составляют 39,984.

Структура аргона и его свойства

Изотопы

В природных условиях Ar встречается в качестве трех устойчивых изотопов

• 36Ar– процентная доля этого изотопа составляет 0,337% в ядре 18 протонов и 18 нейтронов;
• 38Ar- его доля всего 0,063%, в ядре 18 протонов и 20 нейтронов;
• 40Ar – наиболее распространен, его доля составляет 99,6%, в ядре так же 18 протонов, но уже 22 нейтрона.

Искусственным путем удавалось получать изотопы с массовым индексом от 32 до 55, наиболее стабильным из них оказался 39Ar, период полураспада которого составляет 268 лет.

Большая процентная доля 40Ar среди изотопов, встречающихся в природе, вызвана постоянным образованием его в ходе реакции распада изотопа калий-40. На 1000 кг калия в ходе таких реакций за год образуется не более 3100 атомов 40Ar. Но, поскольку эти реакции идут постоянно в течение сотен миллионов лет, изотоп накопился в природе в существенных объемах.

Доминирование тяжелого изотопа в природе обуславливает тот факт, что атомный вес Ar  превышает атомный вес калия, находящегося в таблице следом за ним. При создании Периодической системы такого противоречия не было, поскольку аргон был обнаружен и свойства его были исследованы значительно позже, в первом десятилетии XX века. Первоначально Ar был помещен в первую группу таблицы, восьмая группа была выделена позднее.

https://youtube.com/watch?v=6Lol_kZJQFY

Ионы

Как и другие инертные газы (такие, как He и Ne), Ar подвержен ионизации. При возбуждении атомов и сообщении им высоких энергий возникают молекулярные ионы Ar₂+.

Молекула и атом

Для  инертных газов эти понятия идентичны, поскольку эти элементы не желают вступать в химическую связь даже с себе подобными. Молекула включает в себя один атом, химическая формула газа не отличается от обозначения элемента: Ar.

Молярная масса

Молярная масса аргона составляет 39,95 г/моль.

Существуют несколько методов ее вычисления:

• С применением относительной атомной массы M и коэффициента пропорциональности к, выражающего соотношение между относительной массой и молярной. Этот коэффициент является универсальной константой и равен для всех элементов. Молярная масса M выражается как произведение коэффициента пропорциональности на относительную массу.
• С использованием молярного объема. Потребуется найти объем, занимаемый при обычных условиях некоторой массой газа, далее рассчитать массу 22,4 литров вещества при таких же условиях.
• С применением уравнения Менделеева-Клапейрона, моделирующего идеальный газ.

pV = mRT / M,

проведя преобразования, получим выражение для молярной массы:

M=mRT/pV

где

• p – давление в паскалях,
• V –объем в кубометрах
• m – масса в граммах,
• Т — температура в Кельвинах,
• R – константа, значение которой 8,314 Дж/(моль×К).

Отличие меди и титана

Своеобразием отличается медь. Металл также очень легко окисляется, обладает большой теплопроводностью (в 6 раз больше, чем у железа). Для сваривания медных деталей нужна высокая температура дуги.

При этом придется значительно увеличить расход аргона. Скорость потока варьируется в диапазоне от 7 л/мин при работе с тонкими деталями (1,2 мм) до 14 л/мин при сваривании в несколько проходок деталей с толщиной 25 мм.

Специфика меди заключается также в большом линейном расширении, которое может приводить к образованию трещин на горячем материале. Для предотвращения негативных явлений медь разогревают постепенно до 300 °C, бронзовые сплавы – до 600 °C. Только после этого можно приступать к работе.

Для работы с титаном аргон приходится направлять с тыльной стороны детали. Поэтому заранее следует приобрести специальные форсунки для подачи газа. Расход аргона составляет 6-7 л/мин.

Аргоновая сварка — это процесс со многими параметрами. Учесть все можно и нужно, руководствуясь специальными справочниками. Имея представление об основах, сориентироваться в технической литературе гораздо проще.

Общая характеристика Ar

Ar входит в группу инертных газов. Заряд его ядра — 18, под таким же номером элемент располагается в таблице Менделеева.

Из всех участников VIIIA группы он является наиболее часто встречающимся в природе. Объемная доля Ar в атмосфере -0,93%, массовая доля составляет 1,28%.Элемент является газом без цвета, вкуса и запаха. Химически не активен – аргон не вступает в реакцию и практически не соединяется ни с какими элементами или веществами, за исключением CU(Ar)O, и гидрофторида аргона.

Весьма плохо растворим водой, чуть большая растворимость наблюдается при взаимодействии с органическими растворителям.

Режимы аргонодуговой сварки

1. Способ сварки подразумевает защиту шва от кислорода с помощью инертного газа – аргона. Поэтому сварщик должен следить за тем, чтобы сварная ванна не выходила из облака газа. Запрещено начинать сваривание до того, как был включен газ. После окончания работ горелка удерживается в последнем положении, а газ подается еще 5 – 15 секунд. Для лучшего эффекта аргон подается с обеих сторон соединения.
2. Скорость подачи проволоки должна быть постоянной, стоит исключить подачу припоя рывками. Если проволока подается автоматически, то оптимальные параметры можно найти в специальных таблицах. При ручной подаче припоя все зависит от самого сварщика. Пруток должен подаваться под правильным углом, перед горелкой и строго по направлению движения шва.
3. Расход газа – величина постоянная, прописанная в ГОСТах. Там же можно найти оптимальный баланс между аргоном и другими примесями.
4. Настройки тока – один из наиболее сложных, после работ с горелкой, пунктов. Особенно это касается начинающих сварщиков. Основная идея заключается в том, что не стоит настраивать режимы аргонодуговой сварки вручную, не имея опыта. Чтобы правильно настроить аппарат, вам необходимо прибегнуть к стандартным схемам. Для этого нужно знать толщину стали и ее состав. В таблицае полностью представлены настройки силы тока, вольтаж, тип тока, полярность и другие параметры.

Рекомендуем! Как варить алюминий полуавтоматом в среде аргона

Химические свойства Аргон Argon

Определение химических свойств Argon —

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 возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Есть основания считать, что исключительно нестойкое соединение Hg—Ar, образующееся в электрическом разряде, — это подлинно химическое (валентное) соединение. Не исключено, что будут получены другие валентные соединения аргона с фтором и кислородом, которые тоже должны быть крайне неустойчивыми. Например, при электрическом возбуждении смеси аргона и хлора возможна газофазная реакция с образованием ArCl. 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, например, Ar·6H2O.

Соединение CU(Ar)O получено из соединения урана с углеродом и кислородом CUO. Вероятно существование соединений со связями Ar-Si и Ar-C: FArSiF3 и FArCCH.

Особенности аргонодуговой технологии

Как и сварочная дуговая, технология сварки в среде аргона основана на расплавлении области соединения металлов с помощью электрической дуги. Она может проводиться с помощью расплавляющихся и неплавящихся электродов. Неплавящимися электродами обычно служат изделия из вольфрама, т. к. он отличается своей тугоплавкостью и выдерживает температуру металлического расплава. Официальное обозначение сварки неплавящимися вольфрамовыми электродами в среде нейтрального газа —TIG.

В этом случае зону соединения металлов заполняют присадочным материалом. Для этого используют металлическую проволоку, изготовленную из сплава, легированного теми же элементами, что и свариваемый металл. Главное правило при ее выборе — не ухудшить свойства основного металла шва

Поэтому важно:

Процентное содержание легирующих элементов в присадочной проволоке не должно быть меньше, чем в соединяемых металлических деталях.

Диаметр проволоки подбирают в соответствии с параметрами сварного шва и толщиной изделия.

При использовании плавящихся электродов в качестве их материала применяется проволока или пруток, которые также по требованиям к химическому составу должны соответствовать основному металлу изделий и при расплавлении не должны ухудшать его свойства.

Аргонодуговая сварка с поддувом может проводиться тремя способами:

• в полном автоматическом режиме;
• в режиме автоматической подачи проволоки;
• в ручном режиме проведения процесса.

При автоматическом режиме весь сварочный процесс полностью автоматизирован: и управление движением электрода, и подачу присадочной проволоки осуществляет автомат.

В ручном режиме весь сварочный процесс проводится сварщиком.

Нейтральный газ в сварочной зоне выполняет две функции. Он служит защитной средой от агрессивного действия компонентов воздуха и регулирует прохождение импульса тока через ионизацию дугой.

При аргонодуговой сварке эти функции обеспечивает газ аргон. Он предотвращает расплавленный металл сварного шва от взаимодействия с компонентами воздуха, т. к. значительно тяжелей воздуха (на 38%) и поэтому выдавливает его из сварной зоны, заполняя рабочее пространство и надежно изолируя расплав от контакта с атмосферной средой.

Для каких целей применяется защитная среда? Дело в том, что при достижении высоких температур многие высоколегированные стали и сплавы цветных металлов легко вступают в реакцию с кислородом и азотом, присутствующих в составе воздуха, образуя соединения, которые вредят их прочности и лишают устойчивости к коррозии. Аргон — нейтральный газ, он не реагирует на компоненты разогретых металлических сплавов, поэтому служит своеобразной завесой, препятствующей контакту разогретого металла с воздухом, предотвращая его взаимодействию с агрессивными газами воздуха.

Иногда, особенно при ванной сварке, для исключения образования пористости сварного металла к аргону добавляется небольшой объем кислорода (3-5%). Он берет на себя роль чистильщика жидкого расплава, взаимодействуя с его поверхностными вредными включениями, которые в дальнейшем выгорают или всплывают на поверхность расплава в виде шлаков.

Оборудование для ручной сварки

Для проведения ручной домашней сварки нужно собрать аппарат из отдельных элементов. Основное оборудование — горелка для аргонодуговой сварки, сварочный инвертор, баллоны с газом, специальная одежда.

Ниже мы рассмотрим особенности этого оборудования, а потом узнаем о том, как из него собрать полноценный сварочный аппарат для аргонодуговой сварки.

Аргоновый инвертор

Главный элемент установки — это сварочный инвертор с функцией аргонодуговой сварки. Главной функцией этого устройства является преобразование переменного электрического тока из розетки в постоянным электрический ток, который потом поступает на аргоновую горелку (этот ток используется для создания электрической дуги).

Главный параметр аргонового инвертора — это сила тока. Этот параметр может контролировать сам сварщик с помощью специальной панели, а контроль нужно осуществлять с умом:

• Чем выше будет сила тока, тем качественнее будет проводиться сварка. При слабом токе электрическая дуга будет очень маленькой, поэтому ею нельзя будет проводить сварку толстых металлических объектов.
• Величина силы тока влияет на сохранность электрода — чем больше будет ток, тем активнее будет проходить разрушение электрода.

Аргоновая горелка

Горелка — вторая по значимости деталь после инвертора. С помощью горелки создается электрическая дуга, а также происходит регулирование подачи аргонового газа.

Главный элемент аргоновой горелки — это вольфрамовый съемный электрод, который не плавится под воздействием высоких температур, создаваемых электрической дугой. Горелка подключается к инвертору напрямую с помощью специального аргонового рукава.

При выборе аргоновой горелки обратите внимание на напряжение. Этот показатель должен совпадать с напряжением, которое генерируется аргоновым инвертором

Охлаждение аргоновой горелки обычно осуществляется воздушным методом (с помощью атмосферного воздуха).

Помимо этого существуют специальные горелки, у которых охлаждение осуществляется водяным способом. К горелке подводится специальная охлаждающая жидкость, которая снимает «излишки» тепла за счет испарения. После проведения работ пар вновь переходит в жидкое состояние из-за конденсации.

Дополнительное оборудование

Аргоновый рукав. Имеет вид провода, который подключается сразу к трем элементам. К баллону с аргоном, к газовой горелке и к инвертору. Имеет вид двухкамерной установки — посередине располагается первая камера с электрическим проводом, который подключается к электроду; вторая камера представляет собой пустое пространство, которое заполняется аргоном.
Баллон с аргоном

Этот элемент является третьим по важности после инвертора и горелки. Подключается баллон к рукаву с помощью специальной газового провода

В большинстве случаев провод дополнительно оснащается специальным запирающим механизмом, который позволяет контролировать подачу аргона и уровень давления в сварочной установке. При покупке баллона с аргоном будьте внимательны. Не перепутайте аргон с другим газом. Обычно баллон с аргоном окрашен в желтый или белый цвет.
Защитная одежда. При проведении сварочных работ создается очень яркий свет и большое количество тепла. Поэтому перед проведением работ сварщик должен обязательно надеть защитную одежду.

Сборка сварочного аппарата

Поставьте на пол или на любую плоскую устойчивую поверхность инвертор. Подключите его к розетке, но не включайте его.
Подсоедините к рукаву горелку и баллон с аргоном (аргоновый газ не подавайте в систему). Подключите рукав к инвертору.
Посмотрите напряжение на горелке. Этот параметр указан на самой горелке или в сопровождающих документах. Выставите тот же показатель напряжения на инверторе.
Наденьте защитную одежду, а потом включите инвертор и подайте газ в систему

Попробуйте создать электрическую дугу, обратите внимание на подачу газа из сопла. Если все хорошо, то можно приступать.
Сам процесс осуществляется стандартным образом

Поместите два металлических элемента рядом и с помощью аппарата произведите их сварку. При необходимости для создания шва используйте пруток.

Применение

Применения аргона:

• в аргоновых лазерах
• в лампах накаливания и при заполнении внутреннего пространства стеклопакетов
• в качестве защитной среды при сварке (дуговой, лазерной, контактной и т. п.) как металлов, так и неметаллов
• в качестве плазмаобразователя в плазматронах при сварке и резке
• в пищевой промышленности аргон зарегистрирован в качестве пищевой добавки E938, в качестве пропеллента и упаковочного газа
• в качестве огнетушащего вещества в газовых установках пожаротушения

Физиологическое действие

Инертные газы обладают физиологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм. Наркотический эффект от вдыхания аргона проявляется только при барометрическом давлении свыше 0,2 МПа..   Содержание аргона в высоких концентрациях во вдыхаемом воздухе может вызвать головокружение, тошноту, рвоту, потерю сознания и смерть от асфиксии (в результате кислородного голодания).

Периодическая система химических элементов Менделеева

Классификация хим. элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона/

Периодическая система элементов

IA

IIA

IIIB

IVB

VB

VIB

VIIB

—-

VIIIB

—-

IB

IIB

IIIA

IVA

VA

VIA

VIIA

VIIIA

Период

1

1 H Водород

2 He Гелий

2

3 Li Литий

4 Be Бериллий

5 B Бор

6 C Углерод

7 N Азот

8 O Кислород

9 F Фтор

10 Ne Неон

3

11 Na Натрий

12 Mg Магний

13 Al Алюминий

14 Si Кремний

15 P Фосфор

16 S Сера

17 Cl Хлор

18 Ar Аргон

4

19 K Калий

20 Ca Кальций

21 Sc Скандий

22 Ti Титан

23 V Ванадий

24 Cr Хром

25 Mn Марганец

26 Fe Железо

27 Co Кобальт

28 Ni Никель

29 Cu Медь

30 Zn Цинк

31 Ga Галлий

32 Ge Германий

33 As Мышьяк

34 Se Селен

35 Br Бром

36 Kr Криптон

5

37 Rb Рубидий

38 Sr Стронций

39 Y Иттрий

40 Zr Цирконий

41 Nb Ниобий

42 Mo Молибден

(43) Tc Технеций

44 Ru Рутений

45 Rh Родий

46 Pd Палладий

47 Ag Серебро

48 Cd Кадмий

49 In Индий

50 Sn Олово

51 Sb Сурьма

52 Te Теллур

53 I Иод

54 Xe Ксенон

6

55 Cs Цезий

56 Ba Барий

*

72 Hf Гафний

73 Ta Тантал

74 W Вольфрам

75 Re Рений

76 Os Осмий

77 Ir Иридий

78 Pt Платина

79 Au Золото

80 Hg Ртуть

81 Tl Таллий

82 Pb Свинец

83 Bi Висмут

(84) Po Полоний

(85) At Астат

86 Rn Радон

7

87 Fr Франций

88 Ra Радий

**

(104) Rf Резерфордий

(105) Db Дубний

(106) Sg Сиборгий

(107) Bh Борий

(108) Hs Хассий

(109) Mt Мейтнерий

(110) Ds Дармштадтий

(111) Rg Рентгений

(112) Cp Коперниций

(113) Uut Унунтрий

(114) Uuq Унунквадий

(115) Uup Унунпентий

(116) Uuh Унунгексий

(117) Uus Унунсептий

(118) Uuo Унуноктий

8

(119) Uue Унуненний

(120) Ubn Унбинилий

Лантаноиды *

57 La Лантан

58 Ce Церий

59 Pr Празеодим

60 Nd Неодим

(61) Pm Прометий

62 Sm Самарий

63 Eu Европий

64 Gd Гадолиний

65 Tb Тербий

66 Dy Диспрозий

67 Ho Гольмй

68 Er Эрбий

69 Tm Тулий

70 Yb Иттербий

71 Lu Лютеций

Актиноиды **

89 Ac Актиний

90 Th Торий

91 Pa Протактиний

92 U Уран

(93) Np Нептуний

(94) Pu Плутоний

(95) Am Америций

(96) Cm Кюрий

(97) Bk Берклий

(98) Cf Калифорний

(99) Es Эйнштейний

(100) Fm Фермий

(101) Md Менделевий

(102) No Нобелей

(103) Lr Лоуренсий

Химические семейства элементов периодической таблицы

Щелочные металлы	Щёлочноземельные металлы	Лантаноиды	Актиноиды	Переходные металлы
Лёгкие металлы	Полуметаллы	Неметаллы	Галогены	Инертные газы