Védőgázok hatása a huzal leolvadására és az anyagátvitelre*. Dr. Komócsin Mihály ** ÖSSZEFOGLALÁS A hegesztéshez használatos védőgázok kémiai és fizikai tulajdonságaikban lényegesen eltérnek egymástól. A cikk összefoglalja a gázok legfontosabb tulajdonságait és megkísérli bemutatni e tulajdonságok és a hegesztési sajátosságok közötti kapcsolatot. A gázok tulajdonságainak ismeretében célszerű keverésükkel az adott feladathoz leginkább megfelelő védőgáz állítható elő. Bevezetés Valamennyi ömlesztő hegesztő eljárásnál meg kell oldani a nagyhőmérsékletre hevült fém védelmét a környező levegő káros fizikai-kémiai hatásától. A védelem megvalósulhat a hegesztett kötés befedésével mint villamos salakhegesztésnél,vákuumozással mint elektronsugaras hegesztéskor, salakvédelemmel mint fedettívű hegesztésnél, illetve védőgázzal a levegőt kiszorítva mint a védőgázas ívhegesztő eljárásoknál. Néhány hegesztő eljáráshoz a különböző védelmi módszerek kombinációját alkalmazzák mint például bevontelektródás hegesztésnél. A hegesztéskor használt védőgázok a levegő távoltartásán túl kémiai- és fizikai tulajdonságaik révén befolyásolni képesek a hegesztés során végbemenő folyamatokat, a leolvadást, az anyagátvitelt, a hegfürdő formálódását és varrat kémiai összetételét. 1. A védőgázok metallurgiai hatása A védőgázok metallurgiai hatásukat tekintve semlegesek vagy akívak lehetnek. A semleges védőgázok, elnevezésüknek megfelelően sem nem vegyülnek, sem nem oldódnak a hegesztendő fémben. A leggyakrabban használt semleges védőgáz az argon. A másik használatos semleges védőgáznak, a héliumnak az alkalmazására lényegesen ritkábban kerül sor. A nitrogént alkalmazására hegesztéskor elsősorban plazmasugár hordozó-gázaként kerül sor. Valójában nem is tekinthető teljeskörűen semlegesnek, mert kismértékben képes oldódni a vas-, nikkel- és rézötvözetekben és nitrideket alkothat az alumíniummal. Az aktív védőgázok vagy oxidáló vagy redukáló hatásúak. Oxidál az oxigén mellett a széndioxid, míg redukál a hidrogén. A hidrogén redukáló hatását csaknem kizárólag a gyökvédelemhez alkalmazott gázkeverékekben használják ki. A széndioxid oxidáló jellege a nagyobb hőmérsékleteken bekövetkező disszociációjából ered: 2 CO2 = 2 CO + O2
(1)
A szénmonoxid molekula szétesése az acél olvadási hőmérsékletén már megindul, a hozaganyagról leolvadó cseppek felületén döntően, míg az ív aktív foltjaiban teljesen végbemegy. Az ( 1 ) reakció egyenletből látható, hogy a széndioxid teljes disszociációja esetén az oxigén molekula koncentrációja a gáztérben 33.3 %-os. Acélok hegesztésekor az oxigént tartalmazó gázközeg reakcióba lép a nagy hőmérsékletre hevült fémmel: 2 [ Fe ] + O2 = 2 ( FeO )
(2)
A vas oxidációja a hőmérséklet növekedésével gyorsul. Különösen gyorssá válik, ha a keletkező reakció terméket, a vasoxidult nemcsak a szilárd fázisú anyagokban kizárólagos diffúzió, hanem az olvadt fázisban fellépő keveredés is képes elszállítani a gáz-fémfázis határáról. Ebből következően az oxidáció a legnagyobb hőmérsékletű cseppfelületen és a viszonylag hosszabb ideig nagy hőmérsékletre hevült hegfürdő felületen megy végbe. A felületen keletkező vasoxidul részlegesen képes oldódni a fémfázisban: ( FeO ) = [ FeO ]
(3)
2 * A cikkre alapozott előadás elhangzott a Miskolci Egyetemen rendezett Linde Szimpóziumon ** Miskolci Egyetem, egyetemi docens
3 A vasoxidul fémfázisba jutását a hegfürdőben és a cseppben kialakuló jelentős hőmérsékletkülönbség valamint a cseppek becsapódását kísérő mechanikus hatások is elősegítik. Ha a hegfürdőben túl nagy vasoxidul koncentráció marad vissza akkor ez a varrat nem megengedhető salakosságát okozza. Ez a veszély egyszerűen elhárítható az oxigénhez nagyobb affinitású elemek fürdőbe juttatásával, a dezoxidálással: 2 [ FeO ] + [ Si ] = [ Fe ] + ( SiO2 )
(4 )
A dezoxidáló elemek oxigén iránti affinitása a hőmérséklet növekedésével rohamosan csökken. A hozaganyag végén lévő olvadt fém hőmérsékletén sem a mangán, sem a szilícium már nem képes érdemben csökkenteni a vasoxidul tartalmat. Az említett dezoxidáló elemekkel ellentétben a karbon oxigén iránti affinitása csak kis mértékben változik a hőmérséklet növekedésével. A szokásos hegesztési körülmények között 2000 oC feletti hőmérsékleten a karbon oxidációja válik meghatározóvá; [ C ] + [ FeO ] = [ Fe ] + CO
(5)
[ C ] + [ MnO ] = [ Mn ] + CO
(6)
Az oxidáció során keletkező szénmonoxid a vasban oldhatatlan, így önálló gázfázisként jelenik meg. A fém keveredése, a gázrészecskék sűrűségkülönbség okozta mozgása a mikrobuborékok egyesülését és így egyre nagyobb buborékok képződését eredményezi. A buborékokban a gáz nyomása a hőmérséklet növekedésével csökken. A csepp leválásakor a szakadási felület a lehető legtöbb buborékon áthalad, amit a buborékokban lévő nyomás és az új felület minimumra törekvése magyaráz. A buborékokból felszabaduló gáz reaktív ereje képes eltéríteni a cseppet a ívtengely irányú mozgásától. A leírt jelenség adja az aktív védőgázas fogyóelektródás ívhegesztésnél megfigyelhető fröcskölés egyik típusának az okát. A fröcskölés mértéke az ( 5 ) reakció egyenletből kiolvashatóan számos tényezőtől függ. A hozaganyag végén lévő olvadt fém hőmérsékletének növekedéséhez vezető bármilyen körülmény nagyobb mértékű fröcskölést okoz. Ugyanilyen hatása van az oxidtartalom növekedésének. Az oxidtartalmat gyakorlatilag a gáztér oxigén koncentrációja határozza meg a ( 2 ) reakció egyenlet szerint. A hegfüdőbe jutó oxigénnek egy kedvező metallurgiai hatása is van, nevezetesen csökkenti a fémben oldott hidrogén mennyiségét: 2 [ H ] + [ FeO ] = [ Fe ] + H2O
(7)
A hegfürdőben keletkező vízgőz és az ( 5 ) reakció egyenlet szerint képződő szénmonoxid döntő részben még a kristályosodás befejeződése előtt képes eltávozni. Ez a távozó gáz mennyiségétől függően heves vagy kevésbé heves buborék képződéssel jár, ami a gyakorlatban a fürdő " fövéseként " ismert. A szabad hidrogén jelenléte a hegesztési hely környezetében hatásos védekezést eredményez az oxidációval szemben: (8) 2 H 2 + O2 = 2 H2 O A hidrogén molekulák azonban az ívoszlop környezetében, ahol a hőmérséklet meghaladja a 3000 oC-t ,egyre nagyobb mértékben disszociálódnak. A keletkező atomos állapotú hidrogén szemben a molekuláris állapotúval igen jól oldódik a fémfázisban: (9) H2 = 2 H = 2 [ H ] A varratba jutó hidrogén mennyiségének növekedése fokozza a porozitás-, de különösen a repedés képződés veszélyét. Ebből adódóan hidrogént védőgázként csak ott lehet alkalmazni, ahol a hőmérséklet nem éri el a molekula bomlásához szükséges értéket. Nitrogénhez vagy argonhoz keverve igen jó védelmet ad a gyökoldalon a korrózió- és hőálló acélok hegesztésekor. Az ilyen módon védett gyök felülete mentes lesz az oxidoktól, fémtiszta marad. 2. A védőgázok hatása a hegesztőívre A hegesztőív az anód és a katód közötti gáztér részleges ionizálásával létesül. Egy gázrészecske ionizálásához szükséges energiát elektron voltokban szokás megadni. A hegesztésnél használatos védőgázok egyszeres ionizációjához szükséges energia értékeit az 1.táblázat-ban foglaltuk össze.
4
Egyszeres ionizációs energia, eV Gáz Ionizációs energia, eV Argon 15,8 Hélium 24.6 Hidrogén 15,4 Oxigén 13.6 Széndioxid 14.4 Szénmonoxid 14.0
1. táblázat
Ha az ívközben lévő gázok ionizációs energiája nagyobb akkor változatlan hegesztő feszültséget feltételezve az ívgyújtás megnehezül,az ívhosszúság lecsökken. Ennek magyarázata abban rejlik, hogy a nagyobb ionizálási energiát igénylő gázközegben változatlan energia kisebb arányú ionizációt hoz létre. Ez egyben megváltoztatja a gáz rekombinálásával és az elektronáramlással közvetített energia arányát is. A hegesztési folyamat stabilitása, a zárlattól mentes anyagátvitelt eredményező minimális ívhosszúság érdekében ilyen gázkeverékekhez nagyobb hegesztési feszültséget alkalmaznak. A bevezetett energia mennyiségének növelésével arányosan növekszik a gáztérben elnyelt energia ami egyben a ívköz hőmérsékletének emelkedését eredményezi. Ez magyarázza azt az ismert tényt, hogy az argonban létesülő ív sugárzása lényegesen intenzívebb mint a széndioxid védőgázas hegesztésé. A hegesztőív sugárirányú hőmérsékleteloszlását a gázközeg fajhője és hővezető képessége határozza meg. Mindkét fizikai jellemző erősen függ a hőmérséklettől, mint azt a 2. és 3. táblázat adatai is igazolják {2},{3},{4}. Hőmérséklet, oK Argon Hélium Hidrogén Oxigén Szénmon(di)oxid
Hőmérséklet, oK Argon Hélium Hidrogén Oxigén Szénmon(di)oxid
Védőgázok hővezetési tényezője, W/mK 300 1000 2000 0.016 0.03 0.06 0.148 0.28 0,41 0.177 0,51 1.2 0.025 0,07 1.4 0.016 n.a 2.9
300 0.519 5.196 14.27 0.919 0.850
Védőgázok fajhője, J/gK 1000 2000 0.57 0.60 5.23 n.a 14.5 15.4 1.07 1.08 1.17 1.21
3000 0.09 0.75 8.3 4.1 6.0
4000 0.12 n.a 11.7 3.8 1.3
2.táblázat 5000 0.15 1.00 6.1 1.7 n.a
3000 0.69 5.85 16.1 1.13 1.30
4000 0.76 n.a n.a n.a 1.37
3.táblázat 5000 0.85 6.30 n.a 1.5 n.a
A nagyobb hővezetési tényezőjű gázokban létesült ívben a sugárirányú hőmérsékletváltozás, a hőmérsékletgradiens meredekebb. Az ilyen gázokban, szemben a kisebb hővezető képességűekéhez az ívtől távolabbi pontok hőmérséklete magasabb, míg az ív tengelyéhez közeli pontoké alacsonyabb. Ez a fizikai tulajdonság magyarázza azt a látszólagos ellentmondást, hogy a széndioxidnak kisebb az ionizációs potenciálja mint az argoné, mégis nagyobb feszültséget igényel hegesztéskor, ha ugyanolyan hosszúságú ívet akarunk létrehozni mint argonban. A védőgázok fajhője az ívbe vezetett energiából a gázban elnyelődő hányadot befolyásolja. A nagy fajhőjű gázok mint a hélium, nagyobb mennyiségű energiát, így nagyobb hegesztő feszültséget igényelnek. A hidrogén nagy fajhőjét a plazmaívnél lehet jól hasznosítani. A molekuláris gázok disszociációjakor elnyelt energia tovább növeli a hőkapacitást. A szobahőmérsékleten molekuláris állapotú gázok disszociációs energiái a 4. táblázatban találhatók {5}.
Védőgázok disszociációs energiája,eV Gáz Hidrogén Nitrogén Oxigén Széndioxid
Ionizációs energia, eV 4.45 9.53 5.1 4.8
4. táblázat
5 Az ív védelmére széleskörűen használt széndioxid bomlásának az előzőekben leírt metallurgiai hatáson túl az ív hőmérséklet-eloszlására is jelentős befolyása van. A disszociáció döntő részben a 2000 - 3000 oC-os hőmérséklettartományban megy végbe. A bomlás energiaigénye miatt a sugárirányú hőmérsékletváltozás számottevően módosul, mert ez a hőmérsékletköz kiterjedése a normál eloszláshoz képest lényegesen kiszélesedik. 3. A védőgáz hatása a leolvadási- és az anyagátviteli folyamatra Védőgázokat legnagyobb mennyiségben a fogyóelektródás ívhegesztésekhez használnak. Az ív közvetlen környezetének összetétele két vonatkozásban befolyásolja a leolvadási folyamatot. A nagy ionizációs potenciálú gázban mint a héliumban vagy a kis hővezető-képességűben mint az argonban nagyobb az ívoszlop maximális hőmérséklete, így javul a hozaganyag és az ívoszlop közötti hőátadás. A másik lényeges hatás a gáztér oxidációs potenciáljával van összefüggésben. Az aktív oxigén jelenléte az ívtérben a ( 2 ) és ( 3 ) reakcióegyenletek szerint növeli a hozaganyag végén lévő olvadt fém oxidtartalmát. Acélok hegesztésekor a vasoxidul képződése hatással van a felületi feszültségre és ezen keresztül a hozaganyag leolvadására. A vas felületi feszültségének változását szemlélteti a cseppképződés hőmérséklet-tartományában az 1. ábra {6}.
1. ábra Vas felületi feszültsége a hőmérséklet és az oxigéntartalom függvényében Abban az esetben, ha a hozaganyag végén lévő olvadék felületi feszültsége csökken, kisebb erő akadályozza a csepp leszakadását, az anyagátvitel minden más körülmény változatlanul tartása mellett apróbb cseppes lesz. Ennek egyenes következménye, hogy amennyiben nem a hőmérséklet növelésével, hanem az oxigén tartalom emelésével érhető ez el, akkor a hozaganyagba jutó változatlan energia mennyiségnél nagyobb hozaganyag tömeg olvad le. A zárlat mentes anyagátvitelnél a széndioxid védőgázban végzett hegesztéskor a huzal végén lévő olvadt fémre egy sajátos erő is hat. Az (1) reakcióegyenlet szerinti bomláskor két gázmolekulából három keletkezik. Ennek következtében a disszociáció pillanatában lokálisan a molekulaszám változással arányos nyomásnövekedés következik be. A nyomásnövekedés egy radiális erőt fejt ki az olvadt fémre. Az ív környezetében a hőmérsékleteloszlása nem tökéletesen szimmetrikus az ív tengelyére, mert az ív vezetése és egyéb körülmények némi torzulást okoznak. Ebből következően a széndioxid bomlása révén létrejött nyomásnövekedés nem egyenlítődik ki, ami az olvadék radiális elmozdulását, gyakran forgását okozza a huzal végén. A széndioxidban végzett hegesztés ezen sajátossága az ívtengelytől eltérő anyagátvitelben nyilvánul meg. Ezért a széndioxid alkalmatlan a szabályozott cseppátvitelű impulzusos ívhegesztéshez. Túlzottan nagy mozgatási vagy más néven hegesztési sebességnél a hegesztőív már nem képes előmelegíteni a munkadarabot., ami kötéshibához vezet. Ez a határsebesség függ a védőgáz hővezető-képességétől. Minél nagyobb a védőgáz hővezető-képessége, annál nagyobb ez a hegesztési határsebesség. Közismert, hogy széndioxid védőgázas hegesztéskor nagyobb hegesztési sebesség érhető el mint argon védőgázban. A oxidáló hatású védőgázoknak egy további hatása is érvényesül. Az előzőekben kifejtett okok miatt, hasonlóan a hozaganyag végén lévő olvadt fémhez a hegfürdő felületén is kialakul egy oxidhártya. Ennek következtében lecsökken a felületi feszültség, ami a fürdő jobb terülésében kisebb varratdudorban jelentkezik. 4. Semleges védőgázkeverékek Az adott hegesztési feladathoz leginkább megfelelő tulajdonságú védőgáz igen sok esetben csak a gázok keverésével állítható elő. A leggyakrabban használt gázkeverékek palackozott formában is kaphatók, de akár központi tartályban akár munkahelyenként egyedi keverővel előállíthatók.
6 A volframelektródás védőgázas hegesztésnél az elektród oxidációjának veszélye nem teszi lehetővé az oxidálóhatású gázok használatát. Ugyancsak alkalmatlanok az oxidáló gázok az alumínium -,a magnézium-, a titán és ötvözeteik hegesztéséhez, mert az ekkor keletkező fémoxidokat szemben a vasoxiddal egyszerűen nem lehet az olvadékban redukálni. Más megfontolásból, de réz-, a nikkel és ötvözeteikhez is kizárólag semleges gázokat használnak. A semleges gázkeverékek argonból és héliumból állnak. Az 50-75% hélium megnöveli a védőgáz hőtartalmát és a hővezető-képességét. Ezek a nagyobb hőkapacitású munkadarabok, például vastagabb alumínium és réz hegesztésekor érzékelhető előnyt jelentenek. Hasonlóan előnyös a hélium nagyobb hővezető képessége a kritikus hegesztési sebesség növelése szempontjából. Fejfeletti pozícióban végzett hegesztéskor kedvező, hogy a hélium sűrűsége csak mintegy hetede a levegőének és így hatékonyabb védelmet biztosít, mint a levegőnél sűrűbb argon. 5. Oxidáló gázkeverékek Az oxidáló hatású védőgázokat acélok fogyóelektródás ívhegesztéséhez alkalmazzák. Az argonhoz kevert 1-2 % oxigén a (2),(3) és (7) reakció egyenleteknek megfelelően csökkenti a hegfűrdő hidrogén tartalmát, így a hidrogén okozta porozitás és a repedésképződés veszélyét. Ebből a célból használják ezt a gázkeveréket széleskörűen az edződésre hajlamos ötvözetlen és gyengén ötvözött acélok, valamint a ferrites korrozióálló krómacélok hegesztésekor. A nagyobb, 2-5 % oxigén tartalmú, argon bázisú gázkeverékekben végzett hegesztéskor már az oxigén aktivitása olyan mértékű, hogy a képződő oxidok miatt a fémolvadék felületi feszültsége a 1. ábrán bemutatott hatásnak megfelelően, érzékelhetően lecsökken. Ez a hatás két vonatkozásban érdemel figyelmet. Az egyik, a huzal leolvadásakor a kisebb cseppméretben jelentkezik. A másik hatás a hegfűrdő nagyobb vizkozitása révén a kisebb varratdudorban, a szegélykiolvadás veszélyének csökkenésében, pikkelyességtől mentes varratfelszínben érvényesül. Ilyen gázkeveréket alkalmaznak a növelt folyáshatárú, a kis átmeneti hőmérsékletű, mikróötvözött valamint a króm-nikkel ötvözésű, ausztenites szövetszerkezetű acélok hegesztéséhez. A nagyobb oxigéntartalom nagyobb vizkozitást, jobban irányítható hegfürdőt eredményez, amit elsősorban vékonyabb szelvények hegesztésekor aknáznak ki. További oxigéntartalom növelést már csak a hegfürdő hatásos dezoxidálásával egyidejűleg lehet megvalósítani. Az argon bázisú védőgázkeverék hővezető-képessége, így a megengedhető hegesztési sebesség növelhető az oxidációs potenciál fokozása nélkül úgy, ha az oxigént a hasonló hővezetési tulajdonságú széndioxiddal helyettesítik. A széndioxid oxidáló hatása teljes bomláskor is csak harmada az oxigénének. A hegfűrdő környezetében még ennek az értéknek is csak töredéke lép fel. Az argonhoz kevert 15-25 % széndioxid oxidáló hatása mintegy 3-5 % oxigénének felel meg. Ugyanakkor a hővezető-képessége ezeknek a gázkeverékeknek lényegesen nagyobb. Ilyen védőgázokat eredményesen lehet alkalmazni vékony szelvények hegesztésekor a szabálytalan varratátolvadás veszélye nélkül. A nagyobb szelvényvastagságú anyagoknál a jobb hővezető-képesség a nagyobb hegesztési sebességben használható ki. Ezt a gázkeveréket ötvözetlen és gyengénötvözött acélok hegesztéséhez széleskörűen alkalmazzák, mert fröcskölés mentesen szép sima felületű varratot lehet hegeszteni viszonylag nagy sebességgel. Lényegében ugyanilyen hatás érhető el az argon-oxigén és széndioxid hármas keverékével. A tárgyalt gázkeverékekben az argon rovására növelve a hélium részarányát nő a védőgáz hőkapacitása, növelhető a hegesztési feszültség ami a növelt huzalkinyúlással társulva megsokszorozza az elérhető leolvasztási teljesítményt elvezetve a TIME hegesztéshez. 6. Redukáló védőgázkeverékek Az argonhoz kevert hidrogén jelentősen növeli a gáz fajhőjét, mint az a 3. táblázat adatai alapján látható. Ennek következtében növelhető a hegesztőív teljesítménye, ami nagyobb hőkapacitású munkadarabok vagy nagyobb hővezető-képességű anyagok hegesztésekor igen előnyös. Mintegy 5 % hidrogént tartalmazó, argon bázisú gázkeverék optimális a vastag, ausztenites szövetszerkezetű, króm-nikkel ötvözésű acélok valamint a nikkel és ötvözetei hegesztéséhez. Növelhető a hidrogéntartalom 25 %-ig a teljesítménynövelés érdekében réz- és ötvözetei hegesztésekor.
FELHASZNÁLT IRODALOM { 1 } Turi Aladár Az acélhegesztés fizikai-kémiai folyamatai
7 Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1986 { 2 } Schweissschutzgase LINDE Technische Gase { 3 } Drica, M., E. Szvojsztva elementov Metallurgija, Moszkva 1985 {4}
Welding Handbook Vol. 2, Seventh Edition American Welding Society, Miami
{ 5 } Koshkin, N., I. - Shirkevich, M., G Handbook of Elementary Physics Mir, Moszkva, 1977 {6}
The Physics of Welding Pergamon Press, Oxford
